Transformatör, elektrik enerjisini iki veya daha fazla devre arasında, genellikle farklı gerilim ve akım seviyelerinde, frekansını değiştirmeden manyetik indüksiyon yoluyla aktaran statik bir elektrik makinesidir. Modern elektrik sisteminin temel direklerinden biri olan transformatörler, elektrik enerjisinin santrallerde üretildiği yüksek gerilim seviyelerinden, iletim için çok daha yüksek gerilimlere çıkarılmasını, uzak mesafelere verimli bir şekilde taşındıktan sonra, dağıtım ağlarında kademeli olarak düşürülerek evlerde ve sanayide kullanılacak şekilde güvenli ve uygun seviyelere indirilmesini mümkün kılar.

Tarihçe

Transformatörün bilimsel temelleri, 1831 yılında Michael Faraday'ın manyetik indüksiyon prensibini keşfetmesiyle atılmıştır. Faraday, bir bobindeki akımın değişiminin, yakındaki başka bir bobinde bir gerilim indüklediğini gözlemlemiştir. Ancak bu prensibin pratik bir cihaza dönüştürülmesi ve alternatif akım (AC) sistemleriyle uyumlu hale getirilmesi 19. yüzyılın sonlarını bulmuştur.

İlk pratik transformatör tasarımları, 1880'lerde Macar mühendisler Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy ve Miksa Déri tarafından Budapeşte'de geliştirilmiştir. Onlar, "açık çekirdekli" transformatörlerin verimsiz olduğunu fark ederek, manyetik akının daha iyi yönlendirilmesini sağlayan "kapalı çekirdekli" transformatörleri icat etmişlerdir. Bu transformatörler paralel bağlanabilme özelliğine sahipti ki bu da elektrik dağıtım şebekeleri için devrim niteliğinde bir gelişmeydi.

Amerika'da George Westinghouse, transformatörün potansiyelini görerek bu teknolojiyi lisanslamış ve William Stanley Jr. gibi mühendislerle çalışmıştır. Stanley, 1886 yılında ilk ticari AC enerji dağıtım sistemini transformatörler kullanarak Büyük Barrington, Massachusetts'te kurmuştur. Bu gelişmeler, Thomas Edison'un doğru akım (DC) sistemine karşı, AC sisteminin üstünlüğünü kanıtlamış ve "Akım Savaşları" olarak bilinen dönemin AC zaferiyle sonuçlanmasında transformatörler kilit rol oynamıştır.

Çalışma Prensibi

Transformatörün çalışma prensibi, Faraday'ın elektromanyetik indüksiyon yasası ve Lenz Yasası'na dayanır. Temel olarak, bir manyetik çekirdek etrafına sarılmış en az iki adet yalıtılmış iletken sargıdan oluşur: primer (birincil) sargı ve sekonder (ikincil) sargı.

1. Primer Sargıya AC Uygulanması: Transformatörün girişine bağlanan primer sargıya alternatif gerilim (AC) uygulandığında, bu sargıdan alternatif bir akım (Ip​) akar.

2. Değişken Manyetik Alan Oluşumu: Primer akım, çekirdek içinde zamanla değişen bir manyetik alan (manyetik akı, Φ) oluşturur. Çekirdeğin yüksek manyetik geçirgenliği sayesinde, bu akı büyük ölçüde çekirdek yoluyla ilerler.

3. Sekonder Sargıda Gerilim İndüklenmesi: Çekirdekten geçen değişken manyetik akı, aynı çekirdek etrafına sarılı olan sekonder sargının içinden geçer. Faraday Yasası'na göre, bir iletken etrafındaki manyetik akı zamanla değişiyorsa, o iletkende bir gerilim (elektromotor kuvvet - EMK) indüklenir. Sekonder sargıda indüklenen gerilim (Vs​), çekirdekten geçen manyetik akının değişim hızı ve sekonder sargının sarım sayısı (Ns​) ile doğru orantılıdır. Benzer şekilde, primer sargıda da kendi kendine indüklenen bir gerilim (zıt EMK) oluşur ve uygulanan gerilime karşı koyar.

4. Gerilim ve Akım Dönüşümü: İdeal bir transformatörde, primer ve sekonder sargılar arasındaki gerilimlerin oranı, sargıların sarım sayılarının oranına eşittir: Vs/​Vp​​=Ns​/Np​​. Burada Vp primer gerilimi, Vs sekonder gerilimi, Np primer sarım sayısı ve Ns sekonder sarım sayısıdır. Bu orana dönüşüm oranı denir ve genellikle a=Np​/Ns ile gösterilir.

İdeal transformatörde güç kayıpları sıfırdır, yani giriş gücü çıkış gücüne eşittir (Pgiris\c​=Pc\c​ıkıs\c​). AC güçte P=Vetkin​Ietkin​cos(ϕ) olduğundan ve transformatör genellikle faz açısını değiştirmediğinden (endüktif yükler hariç), gerilim ve akım arasındaki ilişki yaklaşık olarak şu şekilde ifade edilebilir: Vp​Ip​=Vs​Is.​ Buradan akımların oranı, sarım sayılarının ters oranıyla bulunur: Ip/​Is​​=Ns​Np​​. Yani, eğer gerilim yükseltiliyorsa (Ns​>Np​, Vs​>Vp​), akım aynı oranda düşürülür (Is​

^{Yapay zeka yardımıyla oluşturulmuştur.}

Yapısı ve Temel Elemanları

Bir transformatörün temel yapısal bileşenleri şunlardır:

• Çekirdek (Core): Manyetik akının sargılar arasında etkin bir şekilde iletilmesini sağlar. Genellikle manyetik geçirgenliği yüksek olan silisyum alaşımlı çelik saclardan yapılır. Alternatif akım altında çalışırken çekirdekte meydana gelen eddy (girdap) akımı kayıplarını azaltmak için çekirdek, birbirinden yalıtılmış ince sac katmanlarının (laminasyonların) bir araya getirilmesiyle oluşturulur. Histerezis kayıplarını azaltmak için özel silisyumlu çelik alaşımları kullanılır. Kullanım alanına göre E-I, U-I gibi farklı şekillerde veya toroidal (halka) yapıda olabilir. Yüksek frekans uygulamaları için ferrit çekirdekler kullanılır.

• Sargılar (Windings): Elektrik enerjisinin giriş ve çıkış terminallerini oluşturan iletken bobinlerdir. Genellikle yalıtılmış bakır veya alüminyum telden yapılırlar. Çekirdek etrafına primer ve sekonder sargılar olarak sarılırlar. Büyük transformatörlerde, sargılar genellikle silindirik veya disk şeklinde katmanlar halinde düzenlenir ve soğutma için aralarında boşluklar veya kanallar bırakılabilir.

• Yalıtım Malzemeleri (Insulation Materials): Sargıları birbirlerinden, çekirdekten ve diğer metal parçalardan elektriksel olarak izole etmek için kullanılır. Kağıt, prespan, vernik, yağ (mineral veya sentetik), reçine, porselen buşingler gibi çeşitli malzemeler kullanılır. Yalıtımın dayanımı, transformatörün güvenli ve uzun süreli çalışması için kritik öneme sahiptir.

• Tank ve Muhafaza (Tank and Enclosure): Transformatörün iç elemanlarını (çekirdek, sargılar) dış ortam koşullarından (nem, toz, kirlilik) korur. Yağlı tip transformatörlerde soğutma yağını da barındırır. Genellikle çelikten yapılır ve soğutma yüzeyini artırmak için radyatör kanatçıkları bulunabilir. Yağın genleşmesini karşılamak için genleşme depocuğu (konservatör) veya sızdırmaz tiplerde genleşme kabiliyeti olan dalgalı duvarlar kullanılır.

• Soğutma Sistemi (Cooling System): Transformatörde oluşan ısıyı dağıtarak sargı ve çekirdek sıcaklığının izin verilen sınırların altında kalmasını sağlar. Soğutma yöntemi transformatörün boyutuna ve tipine göre değişir:

• Hava Soğutma (Air Cooled): Doğal hava dolaşımı (AN - Air Natural) veya fanlarla zorlamalı hava dolaşımı (AF - Air Forced) ile yapılır. Kuru tip transformatörlerde yaygındır.

• Yağ Soğutma (Oil Cooled): Sargı ve çekirdek, dielektrik (yalıtkan) ve iyi bir ısı iletkeni olan transformatör yağına batırılır. Yağ ısınır, yükselir ve tankın radyatörlerinde veya harici soğutucularda soğuyarak aşağı iner. Yağın doğal dolaşımı (ONAN - Oil Natural Air Natural) veya pompalarla zorlamalı dolaşımı (OFAF - Oil Forced Air Forced) gibi farklı yöntemler kullanılır.

• Su Soğutma (Water Cooled): Çok büyük transformatörlerde veya özel uygulamalarda yağın veya başka bir sıvının eşanjörlerde su ile soğutulması yöntemidir.

• Buşingler (Bushings): Transformatör sargılarının uçlarının tank dışına güvenli ve yalıtımlı bir şekilde çıkarılmasını sağlayan izolatörlerdir. Yüksek gerilim seviyelerinde, özel porselen veya kompozit malzemelerden yapılırlar ve hava kaçak yolu mesafesini artırmak için etekli bir yapıya sahiptirler.

• Koruma Cihazları: Büyük transformatörlerde aşırı ısınma, basınç artışı, gaz birikimi gibi anormal durumları algılayan ve alarm veren veya transformatörü devre dışı bırakan Buchholz rölesi gibi koruma cihazları bulunur.

^{Yapay zeka yardımıyla oluşturulmuştur.}

Transformatör Türleri

Transformatörler, çeşitli sınıflandırma kriterlerine göre farklı türlere ayrılır:

• Güç Transformatörleri (Power Transformers):
• Tanım ve Kullanım: Elektrik enerjisi üretim santrallerinde (jeneratör çıkışında gerilimi yükseltici) ve ana iletim hatlarında (yüksek gerilim seviyeleri arasında dönüşüm için) kullanılırlar. En yüksek güç seviyelerinde (birkaç MVA'dan binlerce MVA'ya kadar) çalışırlar.

• Özellikler: Yüksek verimlilik (genellikle %99'un üzeri), büyük boyutlu, genellikle yağ soğutmalı (ONAN, OFAF gibi çeşitli yöntemlerle), karmaşık koruma ve izleme sistemlerine sahip. Sürekli tam yük altında çalışacak şekilde optimize edilmişlerdir.

• Dağıtım Transformatörleri (Distribution Transformatörleri):
• Tanım ve Kullanım: İletim hatlarından veya ana dağıtım merkezlerinden gelen yüksek gerilimi, son kullanıcıların (meskenler, ticarethaneler, küçük sanayi) kullanabileceği daha düşük seviyelere düşürmek için dağıtım şebekelerinde kullanılırlar. Güçleri genellikle birkaç kVA ile birkaç MVA arasında değişir.

• Özellikler: Güç transformatörlerine göre daha küçük, sayıca daha fazladırlar. Direk üstü, köşk tipi veya bina içi gibi çeşitli montaj türleri bulunur. Genellikle yük değişkenliği fazladır. Hem yağlı hem de kuru tipte üretilirler.

• Ölçü Transformatörleri (Measurement Transformatörleri - Enstrüman Transformatörleri):
• Tanım ve Kullanım: Elektrik şebekelerindeki yüksek gerilim ve akım değerlerini, ölçü aletlerinin (voltmetre, ampermetre, enerji analizörü) veya koruma rölelerinin güvenle algılayabileceği standart ve güvenli seviyelere (genellikle 100 V veya 5 A gibi) indirmek için kullanılırlar. Ölçüm ve koruma devrelerini yüksek gerilim/akım şebekesinden izole ederler.

• Çeşitleri: Akım Transformatörleri (CT) - Akımı düşürür, devreye seri bağlanır. Gerilim Transformatörleri (VT) / Potansiyel Transformatörleri (PT) - Gerilimi düşürür, devreye paralel bağlanır.

• Özellikler: Yüksek doğruluk sınıfına sahip olmaları kritik öneme sahiptir. Özel tasarımlara sahiptirler (örneğin, CT'lerin primeri genellikle tek sarımdır).

• İzolasyon Transformatörleri (Isolation Transformatörleri):
• Tanım ve Kullanım: Primer ve sekonder sargıları arasında yüksek elektriksel izolasyon sağlamak amacıyla kullanılırlar. Genellikle 1:1 dönüşüm oranına sahiptirler, yani gerilimi değiştirme amaçları yoktur. Temel işlevleri, giriş ve çıkış devreleri arasında galvanik (doğrudan elektriksel) bağlantıyı keserek güvenlik sağlamak (toprak kaçağı riskini azaltma) veya hassas ekipmanları şebeke gürültüsünden izole etmektir.

• Özellikler: Sargılar arasında yüksek yalıtım dayanımı ve elektrostatik ekranlama bulunabilir.

• Ototransformatörler (Autotransformers):
• Tanım ve Kullanım: Diğer transformatörlerden farklı olarak, primer ve sekonder fonksiyonlarını gören tek bir sargıya sahiptirler. Bu sargının bir kısmı hem primer hem de sekonder tarafından ortak kullanılır. Gerilim dönüşümü, sargının farklı noktalarından alınan uçlarla sağlanır.

• Avantajları: Aynı güçteki çift sargılı transformatörlere göre daha küçük, hafif ve verimlidirler (özellikle dönüşüm oranı 1'e yakınsa).

• Dezavantajları: Primer ve sekonder arasında elektriksel izolasyon yoktur, bu da güvenlik uygulamalarında sınırlama getirebilir.

• Kullanım Alanları: Ayarlanabilir gerilim kaynakları (Variac olarak bilinen değişken ototransformatörler), motor yol verme, iletim hatlarında gerilim regülasyonu.

• Ses Frekans Transformatörleri (Audio Frequency Transformatörleri):
• Tanım ve Kullanım: Ses sinyallerinin (genellikle 20 Hz - 20 kHz aralığı) işlenmesi veya iletilmesi için kullanılırlar.

• Uygulamalar:mpedans eşleştirme (farklı devre kademeleri arasında maksimum güç aktarımı için), sinyal kuplajı, DC blokajı, mikrofon preamplifikatörlerinde.

• Özellikler:rusal frekans yanıtı sağlamak üzere tasarlanırlar, genellikle daha küçük boyutlu ve özel çekirdek malzemeleri kullanılır.

• Darbe (Puls) Transformatörleri (Pulse Transformaters):
• Tanım ve Kullanım: Dikdörtgen veya kısa süreli darbe şeklindeki sinyalleri bozulma olmadan iletmek, yükseltmek veya izole etmek için kullanılırlar.

• Uygulamalar: Sayısal elektronik, anahtarlamalı güç kaynakları, kapı sürme (gate drive) devreleri (örneğin MOSFET veya IGBT sürme), haberleşme sistemleri, yüksek gerilim test cihazları.

• Özellikler: Düşük kaçak endüktans ve dağılmış kapasitans, yüksek bant genişliği ve pulsları doğru bir şekilde yeniden üretme yeteneği gerektirirler. Genellikle ferrit çekirdek kullanırlar.

^{Yapay zeka yardımıyla oluşturulmuştur.}

Kayıplar ve Verimlilik

Gerçek transformatörler, ideal modellerden farklı olarak enerji kayıplarına sahiptir. Bu kayıplar, transformatörün giriş gücünün bir kısmının ısıya dönüşmesine neden olur ve verimliliği (η) düşürür. Verimlilik, çıkış gücünün giriş gücüne oranıdır ve genellikle yüzde (%) olarak ifade edilir: η=Pc​ıkış​/Pgiriş×100%= Pc​ıkış/(Pcıkış​+Pkayıp)×100%. Başlıca kayıp türleri şunlardır:

• Çekirdek Kayıpları (Demir Kayıpları):
• Histerezis Kayıpları: Çekirdek malzemesinin manyetik alanın yön değiştirmesi sırasındaki iç sürtünmesinden kaynaklanır. Frekans ve manyetik akı yoğunluğuna bağlıdır.

• Eddy (Girdap) Akımı Kayıpları: Değişken manyetik akının çekirdek içinde indüklediği dairesel akımlardır. Çekirdeğin laminasyonlu yapılması bu kayıpları büyük ölçüde azaltır.

• Çekirdek kayıpları genellikle yüke bağlı değildir, uygulanan gerilim ve frekans sabitse sabittir.

• Bakır Kayıpları (Sargı Kayıpları):
• Primer ve sekonder sargıların iletkenlerinin (Rp​, Rs​) üzerindeki omik direncinden akım (Ip​, Is​) geçerken oluşan Joule ısılarıdır (Ip²​Rp​+Is²​Rs​). Bu kayıplar yük akımının karesiyle orantılıdır ve yük arttıkça artar.

• Kaçak Akı Kayıpları:
• Sargıların tamamının aynı manyetik akı tarafından kesilmemesinden kaynaklanır. Manyetik akının bir kısmı çekirdek dışından veya sargılar arasından kapanır. Bu durum kaçak endüktans oluşturur ve özellikle yük altında gerilim düşümlerine ve faz kaymalarına neden olur. Enerji kaybından ziyade gerilim regülasyonunu etkiler, ancak AC direnci (empedans) üzerinden dolaylı kayıplara yol açabilir.

• Dielektrik Kayıpları: Yalıtım malzemelerinde oluşan kayıplardır, genellikle çok küçüktür.

• Stray (Kaçak) Kayıplar: Çekirdek dışındaki metal yapılar (tank, çerçeve) üzerinde kaçak manyetik alanların indüklediği akımlardan kaynaklanan kayıplardır.

Transformatörler, elektrik makineleri arasında en yüksek verimliliğe sahip cihazlardandır. Büyük güç transformatörlerinde verimlilik tam yükte %99'un üzerine çıkabilir. Verimlilik genellikle tam yüke yakın değerlerde en yüksektir.

Önem ve Kullanım Alanları

Transformatörler, alternatif akımın modern elektrik sisteminin temeli olmasını sağlayan teknolojidir. DC sistemlerinde gerilimi verimli bir şekilde dönüştürmek zordur, bu da uzun mesafeli iletimi pratik yapmaz. Transformatörler sayesinde AC gücün gerilimi kolayca yükseltilip düşürülebilir, bu da enerji kayıplarını minimize ederek enerjinin binlerce kilometre öteye taşınmasına olanak tanır. Başlıca kullanım alanları şunlardır:

• Elektrik Güç Sistemi: Santral çıkışında gerilim yükseltme, iletim şebekesinde gerilim seviyeleri arası dönüşüm, dağıtım merkezlerinde gerilim düşürme ve son tüketiciye uygun gerilim sağlama.

• Endüstri: Farklı voltaj seviyelerine ihtiyaç duyan makineler, motor sürücüleri, kaynak makineleri.

• Elektronik Cihazlar: Güç kaynakları (adaptörler), ses sistemleri, televizyonlar, bilgisayarlar. Şebeke gerilimini elektronik devrelerin ihtiyacı olan düşük DC gerilimlere dönüştüren güç kaynaklarının ilk adımı genellikle bir transformatördür.

• Yenilenebilir Enerji Sistemleri: Rüzgar türbinleri veya güneş panellerinden gelen enerjiyi şebekeye bağlamak için kullanılırlar.

• Ulaşım: Elektrikli trenler, tramvaylar ve bazı elektrikli araçların güç sistemlerinde.

• Medikal Uygulamalar: Güvenlik için izolasyon transformatörleri kullanılır.

Netice olarak Transformatörler, elektromanyetik indüksiyonu kullanarak elektrik enerjisinin gerilim ve akım seviyelerini verimli bir şekilde dönüştüren makinelerdir. Modern yaşamın temelini oluşturan elektrik enerjisinin üretilmesinden nihai kullanımına kadar her aşamada kritik bir rol oynarlar.