ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ FİZİK II LABORATUVARI DENEY 2 TRANSFORMATÖRLER

Transkript

1 ELEKTRİK ELEKTROİK MÜHEDİSLİĞİ FİZİK LABORATUVAR DEEY TRASFORMATÖRLER

2 . Amaç: Bu deneyde:. Transformatörler yüksüz durumdayken giriş ve çıkış gerilimleri gözlenecek,. Transformatörler yüklü durumdayken giriş-çıkış gerilim ve akımları incelenecek, 3. Transformatörlerin giriş-çıkış güçleri analiz edilecektir.. Transformatörler Transformatörler, alternatif (AC) sistemlerde çıkış gerilimi ve akım seviyelerini, frekansı değiştirmeden manyetik indüksiyon yoluyla ihtiyaca göre dönüştürmek için kullanılan elektrik cihazlarıdır. Bu cihazlar, enerji iletimi ve dağıtımında kullanıldığı gibi, birçok elektrik devre sistemlerinde gerilim dönüştürücü olarak ta kullanılır. Transformatörlerde, temelde birbirlerine yakın konumlandırılmış iki bobin (sargı) bulunur. Bu sargılardan biri primer (birincil) sargı olurken, diğeri sekonder (ikincil) sargıdır. Birincil ve ikincil bobinlerin elektriksel herhangi bir bağlantısı yoktur. Transformatörün primer bobin uçlarına bir alternatif gerilim kaynağından bir gerilim (AC) uygulandığında, bobin üzerinden bir alternatif akım (AC) geçer. Yönü ve şiddeti zamana bağlı olarak belli bir düzen içerisinde değişen bu akıma alternatif akım denir. En yaygın olarak kullanılan AC dalga biçimi sinüs dalgasıdır. Alternatif gerilim kaynağı bulunan devrelerde güç kaynağının sabit bir + veya - kutbu yoktur. Uygulanan bir alternatif gerilimde kutuplar sürekli değiştiği için, devrede kullanılan direnç üzerinden geçen alternatif akımın yönü ve şiddeti de zaman göre her kutup değişiminde değişir. Bobin üzerindeki bu alternatif akım, çekirdek (nüve) üzerinde yönü ve şiddeti zamana bağlı olarak sürekli değişen bir manyetik akı oluşturur. üve üzerindeki bu manyetik akı (Ø B ), transformatörün sekonder (ikincil) bobinin uçlarında bir alternatif gerilim (AC) indüklenmesine neden olur. Sonuçta, primer bobin uçlarına uygulanan bu alternatif gerilim, transformatörün sekonder uçlarına bir gerilim indüklenmesiyle sonuçlanır (Şekil-).

3 Şekil-: Farklı sarım sayılı bir transformatörün genel yapısı. Faraday ın indüksiyon yasasına göre bir devrede indüklenen elektromotor kuvvetinin (ɛ) büyüklüğü, devreden geçen manyetik akının zamanla değişimine bağlıdır: d B () dt B B. da () Burada, Ø B, devreden geçen manyetik akı olup, manyetik alanın geçtiği yüzey alanı; A ve manyetik alan vektörü; B dir. Eşitlik- incelendiğinde, bir yüzey üzerine düsen manyetik akı, B A dır. Bir B. yüzeyde manyetik akı artıyorsa, artan akıyı azaltmak, veya akı azalıyorsa artırmak için indüksiyon akımı doğar ve bu akımı sağlayan kuvvet ise indüksiyon elektromotor kuvvetidir (ɛ). Bu nedenle, devrede indüklenen elektromotor kuvvet bir elektrik akımı olarak kendini gösterir. Eğer devre sarımdan oluşmuş ve Ø B bir sarımdan geçen manyetik akı ise, devrede oluşan toplam indüklenen elektromotor kuvvetinin (ɛ) büyüklüğü: d B (3) dt Devrenin ve olmak üzere iki farklı sarımdan oluşması durumunda (primer ve sekonder devreler), her bir sarımdan geçen manyetik akı ve indüklenen elektromotor kuvvetler (emf) arasındaki bağıntılar aşağıda verilmiştir: d B (4) dt

4 d B (5) dt Eşitlik (4) ve (5) ten, indüklenen elektromotor kuvvetlerin oranının, sarım sayıları oranına eşit olduğu görülür: (6) Devre boyunca oluşan elektromotor kuvvet, devre içinden geçen manyetik akının zamanla değişim hızı ile orantılıdır. Manyetik alan değişimi ise bir elektrik alanı ürettir. Manyetik alanların elektrik alanlarına göre değişimleri, elektromanyetik dalgaların özelliklerini açıklayan Maxwell denklemleri tarafından verilir. Manyetik alan değişimi ve elektrik alan arasındaki bağıntı aşağıda verilmiştir: d E. dl B (7) dt Burada, E vektörü, devrenin dl elemanı üzerindeki elektrik alan vektörüdür. Çift sargılı transformatörler, bir nüve (çekirdek) üzerine karşılıklı olarak konumlandırılan iki bobin (sargı) vasıtasıyla gerilim değişimini sağlayan devre elemanlarıdır (Şekjil-). Gerilim değişikliği, transformatörlerde kullanılan bu iki bobindeki sarım sayılarının farklı olmasıyla ( ve ) elde edilir. Tasarlanan bir transformatörde kullanılan birinici (primer) ve ikinci (sekonder) bobinler, birbirlerinden elektriksel olarak yalıtıldıkları gibi demir çekirdekten de yalıtılmaktadırlar. Şekil-: Farklı sarım sayılı transformatörlerde çıkış gerilimi ve akımının gösterimi. Şekil- de gösterilen transformatörde: V : Birinci bobine uygulanan alternatif giriş gerilimi, : Birinci bobine uygulanan alternatif akım, V : Alternatif çıkış gerilimi (indüklenen gerilim),

5 : Alternatif çıkış akımı, : Birinci bobin üzerindeki sarım sayısı, : İkinci bobin üzerindeki sarım sayısıdır. Giriş voltajı (V ) ve çıkış voltajı (V ) arasındaki bağıntı transformatör denklemleri tarafından verilir: V (8) V Eşitlik-5 de verilen / oranı, sarım sayısı oranı (n) olarak ifade edilir: n (9) Birinci bobine uygulanan alternatif akımla ( ), ikinci bobin üzerindeki çıkış akımı arasındaki bağıntı ise aşağıdaki gibidir: (0) Transformatör denklemleri tarafından verilen Eşitlik (8), (9) ve (0) ortak çözüldüğünde, transformatör dönüştürme oranı: V V () olarak bulunur. Eşitlik () de verildiği gibi, transformatörlerin primer ve sekonder sarım sayıları ile gerilim ve akımları arasında sabit bir oran vardır. Bu oran transformatörlerin dönüştürme oranıdır. Örneğin, ikinci bobinin sarım sayısı ( ) birinci bobinin sarım sayısının ( ) 0 (on) katıysa, çıkış gerilimi de (V ), giriş geriliminin (V ) 0 katı olur. Bununla beraber, ikinci bobindeki alternatif çıkış akım değeri de aynı oranda düşer: V V 0 V 0V 0 0 Bir transformatörün dönüştürme oranından da görüldüğü gibi, çıkış gerilimi veya akımının isteğe göre değiştirilmesi transformatör devresinde kullanılan bobinlerin sarım sayılarına bağlıdır. Örneğin, gerilim yükseltici transformatörlerde ikinci bobinin sarım sayısı ( ), birinci bobinin sarım sayısından ( ) fazladır. Bununla beraber,

6 ikinci bobinin sarım sayısı ( ) birinci bobinin sarım sayısından ( ) az olması durumunda, transformatör gerilim düşürücü olarak çalışır. > (transformatör gerilim yükseltici) < (transformatör gerilim yükseltici) Bir transformatör aldığı güçten daha fazlasını çıkış gücü olarak veremez. İdeal bir transformatörde kayıplar ihmal edildiğinde, primer bobin tarafından çekilen gücün kayıpsız olarak doğrudan sekonder bobine aktarıldığı kabul edilir. Enerjinin kayıpsız aktarılacağı düşünülürse: P = P () V = V (3) Burada; P primer (birinci) bobinin gücünü, P ise sekonder (ikinci) bobinin çıkış gücünü belirtir. Eşitlik () ve (3) incelendiğinde, bir transformatörün sekonder bobin uçlarına bağlanan bir yükün çekeceği en fazla akımın ve harcayacağı en fazla gücün, transformatör primer uçlarına uygulanan alternatif gerilime bağlı olduğu görülür. 3. Transformatörlerde Enerji Kayıpları Teorik olarak bir transformatörün girişine ne kadar güç verilirse, çıkışından da aynı miktarda güç alınır. Bununla beraber, diğer elektrik cihazlarında olduğu gibi transformatörlerinde kayıpları vardır. Bu nedenle, transformatörlere uygulanan giriş enerjisinin bir bölümü ısı enerjisine dönüşerek kaybolur. Bu kayıplar kendi aralarında demir kayıpları ve bakır kayıpları olmak üzere ikiye ayrılır. Transformatörlerin yüksüz (boş) çalışmasından dolayı oluşan kayıplarına demir kayıpları denir ve boş çalışma deneyi tarafından belirlenir. Birinci bobine bir gerilim uygulandığında, sekonder bobin uçları boşta bırakılır. Transformatörün birinci ve ikinci bobin gerilimleri (V, V ), birinci bobinden geçen akım (boşta çektiği akım, b ) ve çekilen güç değerleri Multimetreler veya hesaplamalar yardımıyla bulunur. Transformatörün boşta çektiği akım değeri ( b ) çok küçük olduğundan bakır kayıpları ihmal edilir. Boş çalışmasında okunan (veya hesaplanan) güç demir kayıpları olarak bilinir. Oluşan demir kayıpları çekirdek veya nüve kayıpları olarak ta tanımlanır.

7 Demir kayıpları kendi aralarında ise Histerisiz (Hysteresis) ve Fuko (Foucault) kayıpları olmak üzere ikiye ayrılır ve ısı olarak transformatörlerde enerji kayıplarına neden olur. Transformatörlerde oluşan bakır kayıpları ise kısa-devre deneyi ile incelenir. İkinci (sekonder) bobini bir ampermetre (veya bir iletkenle birleştirilerek) üzerinden kısa devre edilen transformatörün, birinci bobinine voltmetre (V ) ve ampermetre ( ) bağlanır. Kısa devre deneyinde bobinlerin yanmaması için, birinci bobine uygulanan gerilim düşük seviyelerde arttırılması gerekir. Birinci bobinine uygulanan bu kısa devre gerilimi altında transformatörün ikinci bobininden akım ( ) geçtiği sırada, sekonder kısmına bağlı Multimetreden okunan akım değeri (dolaysıyla bu akıma bağlı güç değeri) transformatörün bakır kayıplarını verir. Oluşan bu bakır kayıpları transformatör sargılarından akım çekildiğinde kaynaklanan kayıplar olup, bu kayıplarda kendini ısı ve gerilim kaybı olarak gösterir. Örnek olarak, kayıpları önemsenmeyen ideal bir transformatörde, giriş gerilimi, V =0V (AC); giriş akımı, = 0.5 A (AC) ve sekonder gerilimi, V =3.0 V (AC) ise bu transformatörün sekonder akımı ( ) ve gücünün (P ) beklenen değerleri hesaplandığında: P P V V P 0V 0.5A.5W V V olarak bulunur. V V 0V 0.5A 3.0V 0.5A

8 4. TRASFORMATÖR DEEYİ 4.. Deneyde Kullanılan Cihaz ve Araçlar Laboratuvar çalışmalarına ön hazırlık olarak, transformatör deneyinde kullanılan cihaz ve ekipmanların listesi burada verilmiştir:. DC/AC Ayarlanabilir Güç Kaynağı. 3 adet Multimetre 3. Farklı Sarımlı Bobinler 4. Anahtar kutusu 5. adet Reosta (R max =0Ω) 6. Bağlantı Kabloları 4.. Deneyde Dikkat Edilmesi Gereken oktalar Ölçüm yapılırken aşağıda belirtilen noktalar göz önünde bulundurulmalıdır: Ölçülecek büyüklüğün türüne göre Multimetre, üzerinde AC seçimi yapılarak uygun ölçüm aralığına getirilmelidir. Ölçülecek birimin büyüklük değeri Multimetre ölçüm sınırından küçük olmalıdır. Multimetre, ölçülecek büyüklüğün gerektirdiği bağlantı şekline uygun olarak bağlanmalıdır. Ölçüm kolaylığı sağlamak için Multimetre bağlantı kablosu uçlarından kırmızı olanı, Multimettre üzerinde ölçülecek büyüklüğe göre seçilen sokete, siyah ucu ise COM (ortak) soketine bağlanmalıdır. Transformatör gerilim yükseltici olarak tasarlandığında (>), ikinci bobinden çıkacak gerilimin 4050V değerlerini geçmemesi gerekir. emli ve terli ellerle ikinci bobin uçlarının tutulmaması gerekir. Bobinler transformatör sistemine yerleştirilirken yüksek akımın geçeceği ikinci bobin telinin kalın olmasına dikkat edilmelidir. Düzenek kurulurken transformatör demir çekirdek kapağının düzgün bir şekilde yerleştirilmesine özen gösterilmelidir. Deney verileri düzenli bir tablo olarak düzenlenmeli, sunulan verilerin birimlerine dikkat edilerek uygun biçimde ifade edilmelidir.

9 DEEY : TRASFORMATÖRLER 5.. Bölüm-: TRASFORMATÖRÜ YÜKSÜZ OLMA DURUMU Transformatör yüksüz (boş çalışma) durumdayken giriş-çıkış gerilimlerinin ve giriş akımının okunması bu bölümde analiz edilecektir. Deney trafonun istenilen tarafında yapılabilir. Deneyin birinci bobinde yapıldığı kabul edilirse, birinci ve ikinci bobindeki gerilim (V, V ), birinci bobinden geçen akım ( b ) ve çekilen güç (P b ) değerleri Multimetre ölçümleri ve hesaplamalar yardımıyla belirlenir.. Şekil-3 de gösterilen devreyi kurun.. DC/AC güç kaynağı en düşük konumdayken açın. 3. Anahtar kutusundaki anahtar konumundayken PUT- kanalından birinci bobine uygulanan giriş gerilimi, Multimetre- den V =5V okunacak şekilde güç kaynağından ayarlayın. Bu işlem için Multimetre- voltaj ölçüm aralığının (range) 0V (AC) olmasına dikkat edin. 4. Anahtar kutusundaki anahtar konumundayken PUT- kanalından ikinci bobindeki çıkış gerilimini (V ) okuyun ve not edin. 5. Bobin sarım sayısı oranına göre beklenen çıkış gerilimini (V _beklenen), transformatör dönüştürme oranından hesaplayın. 6. Deneysel ölçülen çıkış gerilimini (V ) ve beklenen çıkış gerilimini (V _beklenen) karşılaştırın. Aradaki farkı bularak hata oranının hesaplayın. 7. Multimetre- ölçüm cihazından, birinci bobine uygulanan alternatif giriş akımını ölçmek için ölçüm aralığını (range), 0 A (AC) olarak belirleyin ve giriş akımını ( b ) okuyarak not edin. 8. Aynı işlemleri giriş gerilimleri (V ); V, 3V, 8V, 0V, ve 5V için tekrarlayın. 9. Çıkış geriliminin (V ) giriş gerilimine (V ) göre değişim grafiğini çizin. 0. Grafiğe en uygun doğrunun eğimini bulun. Bu eğim transformatör sarım sayısı oranına (n) eşittir.. Eğimden, transformatör sarım sayıları oranını (n) deneysel olarak hesaplayın. Deneysel olarak hesaplanan sarım sayıları oranını (n), beklenen değerle karşılaştırın.. Transformatörün boşta çektiği akım değerlerini ( b ) Multimetre- den okuyun ve yorumlayın. 3. Deneyi farklı sarımlı primer ve sekonder bobinler için tekrarlayarak, sarım sayısı oranlarının deneysel ve kuramsal değerlerini bir tabloda oluşturun.

10 Şekil-3: Transformatör yüksüz durumdayken deney düzeneği. 5.. Bölüm-: TRASFORMATÖRÜ YÜKLÜ OLMA DURUMU Transformatör yüklü durumdayken giriş-çıkış gerilimlerinin ve giriş-çıkış akımlarını okunması bu bölümde incelenecektir. Transformatörün ikinci bobin uçları arasına devre elemanı olarak değişken dirençli bir reosta bağlanarak transformatör yüklü duruma getirilir. Devrede kullanılacak olan sürgülü reosta sıfır konumunda olduğunda, transformatörün yük direnci sıfırdır.

11 Bu bölümde yapılacak deneyde, değişken dirençli reostanın direnci, R=0Ω değerine ayarlanır. Böylece, transformatörün yüklü çalışması durumunda ikinci bobin, devreye bağlanan yükü besler. Bu durumda, ikinci bobinden bir akım geçer. İkinci bobin üzerinden geçen bu akımın belirlediği çıkış gücünü (P ) ve oluşabilecek kayıp gücünü (P,loss ) karşılayabilmek için, transformatör birinci bobini bu iki gücün toplamına eşit bir gücü (P ) güç kaynağından çekmesi gerekir (P =P +P,loss ).. Şekil-4 de gösterilen devreyi kurun.. DC/AC güç kaynağını en düşük konumdayken açın. 3. Anahtar kutusundaki anahtar konumundayken PUT- kanalından birinci bobine uygulanan giriş gerilimini (V =5 V) olacak şekilde Multimetre- den okuyun. Bu işlem için Multimetre- voltaj ölçüm aralığını (range) 0V (AC) olmasına dikkat edin. 4. Birinci bobine uygulanan alternatif giriş akımını ( ) ölçmek için Multimetre- ölçüm aralığını (range) 0 A (AC) olarak belirleyin ve giriş akımını ( ) okuyun. 5. Anahtar kutusundaki anahtar konumundayken PUT- kanalından ikinci bobindeki çıkış gerilimini (V ) Multimetre- den okuyun. 6. İkinci bobindeki alternatif çıkış akımını ölçmek için Multimetre-3 ölçüm aralığını (range) 0 A (AC) olarak belirleyin ve çıkış akımını (deneysel) okuyun. 7. Bobin sarım sayısı oranına (n) göre beklenen çıkış akımı (beklenen) değerini transformatör dönüştürme oranından hesaplayın. 8. Deneysel ölçülen çıkış akımını, beklenen çıkış akımı ile karşılaştırın. Aradaki farkı bularak hata oranını hesaplayın. 9. Aynı işlemleri giriş gerilimler (V ); V, 3V, 8V, 0V, ve 5V için yapın. 0. Çıkış akımının ( ) giriş akımına ( ) göre değişim grafiğini çizin ve yorumlayın.. Deneysel ölçülen gerilim ve akım değerlerini kullanarak transformatör giriş ve çıkış güçlerini (P ve P ) hesaplayın ve not edin.. Deneyde bulduğunuz transformatör giriş ve çıkış güçleri arasındaki farkı yorumlayın. 3. Deneyi farklı birinci ve ikinci bobinler için tekrarlayın.

12 Şekil-4: Transformatör yüklü durumdayken deney düzeneği.

13 Ad Soyad:... o:... Grup:... Tarih:... DEEY : TRASFORMATÖRLER Transformatör (boş) Yüksüz Durumdayken Giriş-Çıkış Gerilimleri ve Giriş Akımının Okunması: Transformatör Birinci Bobin Sarım Sayısı, = Transformatör İkinci Bobin Sarım Sayısı, = n( kuramsal) = Tablo-: Transformatör yüksüz (boş) durumdayken giriş-çıkış gerilimleri ve giriş akımı V (V) b (A) V (deneysel V (beklenen V (Fark) V (Fark) )(V) ) (V) (V) (±%) Tablo-: Farklı sarım sayıları kullanılarak tasarlanan her bir transformatöre göre, sarım sayısı oranının (n) deneysel ve kuramsal değerlerinin karşılaştırılması n n n (n-n ) n (Fark) (Deneysel) (Kuramsal) (Fark) (±%)

14 Grafik-: Çıkış geriliminin (V ) giriş gerilimine (V ) göre değişim grafiği. Transformatör Yüklü Durumdayken Giriş-Çıkış Gerilimleri ve Giriş-Çıkış Akımlarının Okunması Transformatör Birinci Bobin Sarım Sayısı, = Transformatör İkinci Bobin Sarım Sayısı, = n( kuramsal) = Tablo-3: Transformatör yüklü durumdayken giriş-çıkış gerilimleri ve giriş-çıkış akımları V V (V) (Ölçülen) (Ölçülen ) (Ölçülen (Beklenen (Fark) (A) ) (A) ) (A) (A) (V)

15 Grafik-: Çıkış akımının ( ) giriş akımına ( ) göre değişim grafiği. Tablo-4: Transformatör giriş-çıkış güçleri Ölçülen Veriler Ölçülen Veriler Ölçüm Verilerine Göre Hesaplanan Fark (P -P ) V (V) (A) V (V) (A) P (W) P (W) P(W)

16 Rapor: Amaç: Deneyin Yapılışı: Sonuç: