T.C. ADIYAMAN ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRİK MAKİNALARI LABORATUVARI I DENEY FÖYLERİ Hazırlayan Arş. Gör. Ahmet NUR
DENEY-1 TRANSFORMATÖRLERDE POLARİTE TAYİNİ Kapaksız raporlar değerlendirilmeyecektir. 1. Teorik Bilgi 1.1 Elektrik Makinaları Elektrik Makinaları elektrik enerjisini mekanik enerjiye veya mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren cihazlardır. Transformatörler, alternatif akımda gerilim veya akım seviyesini yükseltmek veya düşürmek için kullanılırlar. Transformatörler, manyetik devre yapısı bakımından motor ve generatörlere benzediklerinden elektrik makineleri ile birlikte değerlendirilmektedirler. 1.2 Manyetik Alan Manyetik alanlar, elektrik makinelerinde enerji dönüşümünü sağlayan temel mekanizmadır. Manyetik alanların elektrik makinelerinde kullanılması dört ana prensip ile açıklanır: 1. Akım taşıyan bir tel etrafında bir manyetik alan üretilir. 2. Zamanla değişen bir manyetik alan eğer bir sargıyı keserse, sargıda bir gerilim endüklenir. Bu olay transformatör prensibini açıklar. 3. Akım taşıyan bir iletken manyetik alan içinde bulunursa, iletkende bir kuvvet üretilir. Bu olay motor prensibini açıklar. 4. Manyetik alan içindeki bir iletken hareket ederse, üzerinde bir gerilim endüklenir. Bu olay generatör prensibini açıklar. Manyetik alan kavramını daha iyi anlayabilmek için bir mıknatısı ele alalım. Bir mıknatıs demir gibi manyetik bir malzemeye yaklaştırıldığında, belirli bir mesafeden sonra demir parçasını kendisine doğru çektiği görülür. Bu durumda, demir parçasına bir kuvvet etki etmektedir. Bu kuvvet manyetik alan olarak tanımlanır. Manyetik alanı göstermek için kullanılan çizgiler kuvvet çizgisi veya akı olarak tanımlanır. 2
1.3 Manyetik Akı Bir mıknatısta manyetik alan yönünü gösteren kuvvet çizgileri manyetik akı olarak tanımlanır ve F sembolü ile gösterilir, birimi weber dir. Manyetik akı yönü N kutbundan S kutbuna doğru olup kapalı bir devre oluşturur. Manyetik alandaki kuvvet çizgilerinin sayısı manyetik akının değerini verir. Manyetik akı yolunda demir gibi bir manyetik malzeme varsa, manyetik akı yolunu değiştirir. Plastik gibi manyetik olmayan bir malzeme varsa, yolunu değiştirmez. 1.4 Elektromanyetik Alan İçinden akım geçen bir iletkenin etrafında bir manyetik alan meydana gelir. Oluşan manyetik alanın büyüklüğü geçen akım miktarına bağlıdır ve yönü sağ el kuralı ile bulunur. Eğer iletken bir bobin şeklinde sarılırsa, toplam manyetik alan her bir iletkenden geçen manyetik alanların toplamına eşit olur. İletken bir manyetik nüve (çekirdek) üzerine sarılır ise, manyetik akı nüve üzerinden devresini tamamlar. 3
Nüve etrafına sarılı sargıdan geçen akım tarafından manyetik alanın üretilmesini açıklayan temel kanun Ampere Kanunu dur. Burada H manyetik alan şiddeti olup I net akımı tarafından üretilir. l (L) manyetik akı yolunun uzunluğudur ve birimi metredir. Çekirdek (nüve); demir veya ferromanyetik malzemeler olarak bilinen belirli diğer metallerin alaşımından yapılmış ise, akım tarafından üretilen bütün manyetik alanın nüve içerisinde kaldığı varsayılacaktır. Böylelikle, Ampere Kanunu ndaki integralin yolu, nüvenin ortalama yol uzunluğu l core olacaktır. Akım taşıyan sargı telleri bu yolu N defa keserler. Böylece integral alanı içinden geçen akım, manyetik alan şiddeti ile manyetik alan yolu uzunluğunun çarpımına eşit olur. Elektrik makinalarında kullanılan önemli bir manyetik büyüklük de manyetik akı yoğunluğudur. Manyetik akı yoğunluğu manyetik alana dik bir birim alandan geçen akı miktarıdır. Manyetik akı yoğunluğu B harfi ile gösterilir ve birimi Wb/m 2 veya Tesladır (T). Manyetik alan şiddeti H ve manyetik akı yoğunluğu B arasındaki ilişki ise: şeklindedir. Burada; μ malzemenin manyetik geçirgenliğidir. 1.5 Manyetik geçirgenlik Manyetik geçirgenlik (μ), malzeme içerisinden manyetik alanın geçişini tanımlayan bir parametredir. Her malzeme bir manyetik geçirgenliğe sahiptir. Manyetik geçirgenliği yüksek olan malzemelerde daha kolay manyetik alan oluşur. Boşluğun manyetik geçirgenliği μ 0 ile temsil edilir ve değeri sabittir, μ 0 = 4π 10 7 H/m. Herhangi bir malzemenin geçirgenliği ile havanın geçirgenliğinin oranlanması bağıl geçirgenliği μ r verir. Bağıl geçirgenliğin yüksek olması malzemenin manyetik özelliğinin yüksek olduğu anlamına gelir. Örneğin elektrik 4
makinalarında kullanılan çeliğin bağıl manyetik geçirgenlikleri 2000-6000 arasındadır. Bu nedenle elektrik makinalarında manyetik akı, hava yerine 2000-6000 kat daha geçirgen olan çelik üzerinden geçmektedir. Sonuç olarak bir nüvedeki akı yoğunluğunun genliği: Toplam manyetik akının değeri ise: 2. Deney Transformatörlerin birbirleriyle seri ve paralel bağlantılarının sağlıklı yapılabilmesi için, bağlanacak transformatörlerin polaritelerinin bilinmesi zorunludur. Polarite, transformatörün bobin gerilimlerinin ani yönlerini belirtir. Transformatörlerin primer ve sekonder sargılarının her iki uçları, alternatif gerilimin frekansına bağlı olarak zaman zaman işaret değiştirirler. Bunun için, transformatörün hangi ucunun hangi işareti taşıdığının yani polaritesinin bilinmesi çok önemlidir. Sargıların polaritelerinin bilinmesi, transformatörlerin birbirleri ile paralel bağlanmalarında veya çeşitli sargıların kendi aralarında bağlanmalarında büyük kolaylık sağlar. Bir transformatörde, yan yana bulunan primer ve sekonder uçları birbirine bağlanır ve primere nominal gerilim uygulanırsa, boşta kalan diğer uçlar arassna voltmetre bağlandığında bir gerilim değeri okunur. Bu değer; primer ve sekonder gerilimlerinin toplamını verirse transformatör artı polariteli, farkını verirse eksi polaritelidir (şekil 1). Şekil 1. (a) Eksi Polariteli, (b) Artı polariteli transformatör 5
2.1 Deneyin Yapılışı Şekil 2 deki devre şemasını kurunuz. Düşüren tip transformatörün giriş ve çıkış uçlarından birer tanesini birbiriyle kısa devre ediniz. Boşta kalan diğer uçlar arasına bir voltmetre bağlayınız. Transformatörün giriiine 220V/50Hz gerilim uygulayarak voltmetrede okunan değeri kaydediniz. Eğer voltmetrede okunan değer, giriş gerilim değerinden fazla ise transformatör pozitif (+) polariteli, düşük ise negatif polaritelidir (-). Şekil 2. Polarite tayini deneyi bağlantı şeması Çalışma Soruları 1. Manyetik alanların elektrik makinelerinde kullanılması hangi prensipler ile açıklanır? 2. A transformer core with an effective mean path length of 10 in has a 300-turn coil wrapped around one leg. Its cross-sectional area is 0.25 in 2, and its magnetization curve is shown in Figure below. If current of 0.25 A is flowing in the coil, what is the total flux in the core? What is the flux density? (Solution H=295 A.t/m, B 1.27 T, Φ=0.000205 Wb) 6