Unicore İle Klasik Nüve Yapılarının Karşılaştırılması

Korhan AKGÜN, MKS Transformatör, korhan@mksltd.net

Transformatör kayıpları yükteki ve boştaki kayıpları olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır. Boştaki kayıpları transformatörün manyetik malzemesi ve bu malzemenin konstrüksiyonu etkilemektedir.

1. Giriş
Alternatif akımın gücünü ve frekansını değiştirmeden alçaltmaya veya yükseltmeye yarayan bir elektrik makinesi olarak transformatörlerin, elektrik enerjisinin A.C.'de iletilmesinde önemli bir yeri vardır. Transformatörler kullanım ömürleri boyunca sekonderlerinden yük çekilmese bile, devrede kalarak boşta çalışma akımı çeken devre elamanlarıdır. Bu nedenle transformatörlerin boşta çalışma kayıpları transformatörün maliyetlerini etkileyen en önemli parametrelerden bir tanesidir.

Şekil 2: Mantel Tipi Nüve Dizilimi
2. Nüve Yapısı ve Çeşitleri
Transformatör ve reaktörlerde manyetik nüve, oluşacak olan kayıpları (fuko ve histerisiz) önlemek için 0,23 – 0,30 mm kalınlığındaki birer yüzleri yalıtılmış silisli saçların paketlenmesinden meydana gelir. Silisli saçlar DIN EN 10 107-2005, IEC 404-8-7-1991, ASTM A 876-92 ve ASTM A 87692 standartlarında sınıflandırılmaktadır. Ancak ülkemizde DIN EN 10 107 standardına göre saçlar; M110-23S, M120-27S, M130-30S, M140-35S ve M105-30P olarak sınıflandırılmaktadır.

Oluşturulan dizayna bağlı olarak manyetik nüve bacak ve boyunduruk olmak üzere iki parçadan oluşur. Bacak, manyetik nüve üzerinde sargıların sarıldığı kısma; boyunduruk, ayakları birleştiren kısma denir.

Tek fazlı transformatör ve reaktör nüveleri genellikle iki şekilde yapılır. Bunlar;

* Çekirdek tipi nüve
* Mantel tipi nüve

2.1. Çekirdek Tipi Nüve
Çekirdek tip nüveli transformatörlerde yalıtma işi için daha fazla yer vardır. Bu bakımdan çekirdek tip nüveli transformatörler büyük güçlerde ve yüksek gerilimlerde kullanılır. Çekirdek tip nüveli transformatörlerin üstünlüklerinden biri de sargı kontrolünün kolay olmasıdır. Şekil 1'de çekirdek tip nüve, sac şekilleri ve çeşitli dizilişleri görülmektedir.

Şekil 3: M130-30S Saç için Histeresiz Eğrisi
2.2. Mantel Tipi Nüve
Mantel tip nüveli transformatörlerde ortalama manyetik alan yolu çekirdek tip nüveli transformatörlere göre daha kısadır. Bunun sonucu da demir kaybı daha az olacaktır. Mantel tip nüveli transformatörler alçak gerilimli ve küçük güçlü transformatörlerde kullanılır. Şekil 2'de mantel tip nüve, sac şekilleri ve çeşitli dizilişleri görülmektedir. Yukarıda ele alınan çekirdek ve mantel tipi yapılar piyasada sıklıkla transformatör ve reaktör dizaynlarında sıklıkla kullanılmaktadır. Bu çalışmada bu dizaynların yerine kullanılan alternatif bir nüve dizaynının üstünlükleri verilecektir. Ancak nüve kayıplarının sebeplerinin araştırılması konunun daha iyi anlaşılması adına daha yararlı olacaktır.

3. Nüve Kayıpları
Nüve kayıpları (boşta kayıplar) prensip olarak histeresiz ve eddy kayıpları olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır.

Şekil 4: 3 Fazlı Unicore Nüve Kesimi
3.1. Histeresiz Kaybı
Nüve malzemesinin temel manyetik parçacıklarının doğrultuya getirilmesi ve döndürülmesinde kullanılan enerjidir. Şekil 3'te, M130-30S saçına ait BH eğrisi verilmektedir.

3.2. Eddy Kaybı
Elektriksel olarak iletken manyetik nüvedeki sirkülasyon akımlarından dolayı kaynaklanır.
Transformatörün sekonder sargısında gerilimlerin indüklendiği aynı yolla nüvedeki değişken akı ile indüklenen gerilimlerin sonucu eddy akımları meydana gelmektedir. Eddy akımları manyetik akının yönüne normal dairesel yollar izler.

Şekil 5: 1 Fazlı 1 kVA 220/110 V trafonun Unicore Nüve Kesimi
4. Yeni Nüve Kesimi ve Simülasyonlar
Daha önceki bölümlerde ele alındığı üzere, boştaki kayıplar trafonun çalışma ömrü boyunca var olan kayıplardır. Bu nedenle bu kayıpları azaltmak için MKS firması tarafından Unicore ismi ile bir ve üç fazlı nüveler için yeni bir nüve kesim sistemi ortaya koyulmuştur. Üç fazlı bir nüve için örnek resim Şekil 4'te gösterilmektedir.

Unicore nüve yapısının, ikinci bölümde anlatılan geleneksel nüve yapılarına göre üstünlüklerini ortaya koyabilmek için sonlu elamanlar yöntemi ile analizler yapılmıştır. Analizler, 1 kVA 220/110 V tek fazlı örnek bir nüve üzerinde yapılmıştır. Buna göre oluşturulan nüvenin görüntüsü Şekil 5'te verilmektedir.

Simulasyon 1: İlk önce Şekil 1-b'de gösterildiği gibi çekirdek tipi nüve oluşturulmuştur. Nüve nominal akım ve gerilimde uyartılarak alan dağılımları çıkartılmıştır. Çekirdek tipi nüve Şekil 1-b'de olduğu gibi 170 adet saçın iki farklı boyda kesilerek üst üste dizilmesi neticesinde elde edilen bir nüve şeklidir. Oluşturulan dizayn 1.4T çalışacak şekilde projelendirilmiştir.

Şekil 6: Çekirdek tipi tek fazlı nüve analizi
Buna göre Şekil 6'dan anlaşılacağı üzere boyunduruk saçının köşe kısımlarından akı dağılımı geçmemektedir. Zaten bu simülasyon sonucuna bakarak Unicore nüvelerin daha uygun olacağını söylemekte mümkündür.

Simulasyon 2: Bir önceki simülasyonda kullanılan aynı sargılar, Şekil 5'te verilen nüve üzerine yerleştirilerek analizler tekrar edilmiştir. Bu durumda nüve üzerinde oluşan manyetik akının nüve üzerinde düzgün dağıldığı ve her noktayı kullandığı gözükmektedir.

Şekil 7: Unicore tek fazlı nüve analizi
Yapılan çalışmalar M110-23S, M120-27S, M130-30S, M140-35S ve M105-30P ile beş farklı saçtan oluşturulan nüve üzerinde tekrar edilmiştir. Her durumda yukarıda verilen analizlerin benzerleri elde edilmiştir.

Manyetik analizlerin yanında, nüvelerin boşta çalışma kayıpları ölçülmüştür. Her durumda boşta çalışma kayıpları yüzde 3 ile yüzde 5 arasında değişen oranlarda daha az çıkmıştır.

Bunun sebebi, çekirdek tipi transformatör oluşturulurken dört adet birleşme noktası oluşmakta ve bu birleşme noktaları birbirine karşı 90 derece açı yapmaktadır.

Ancak Unicore dizaynlarında sadece iki adet birleşme noktası mevcut ve bu birleşmelerde karşı karşıya gelmektedir. Karşı karşıya gelmesinin manyetik olarak anlamı; manyetik akı çizgilerini zorluk göstermediğinden dolayı boşta çalışma kayıpları daha düşük çıkmaktadır.

Şekil 8: Unicore nüve örnekleri
Ayrıca dizme nüvelerde, bacaklara sargı geçirildikten sonra boyunduruk el marifeti yardımıyla oluşturulmaktadır. Burada nüvenin toplanma hızı kişinin el alışkanlığından bağımsız değildir. Ancak, Unicore dizaynlar sargıların üzerine oluşturulan kalıplar vasıtası ile hızla monte edilebilmektir. Bu durum elektriksel özelliklerinin yanında, üretim hızını da arttıracağından çok tercih edilen bir durumdur.

Unicore nüve sadece yukarıda verildiği gibi, değil değişik kesim teknikleri ile tek ve üç fazlı olarak da ihtiyaca göre oluşturulabilmektedir. Yaklaşık 100 farklı şekilde konstrüksiyon oluşturmak mümkündür. Şekil 8'de farklı iki örnek gösterilmiştir.

5. Sonuç ve Değerlendirme
Yapılan analizler sonucunda, Unicore nüvelerin boşta çalışma akımları aynı kesitte kesilmiş klasik nüve yapılarına göre yüzde 3-5 oranında daha düşük çıktığı gözlemlenmiştir.
Bu sonuç, toplam transformatör demir çekirdek boyutunun aynı oranda azaltılabileceğini göstermektedir.

Bunun yanında, Unicore dizaynların manyetik alan dağılımlarının diğer nüvelere göre daha düzgün dağıldığı sonlu elamanlar yöntemi ile gösterilmiştir.

Nüvenin sargılar yerleştirildikten sonra toplanması, klasik dizaynlara göre çok daha kolaydır. Bu durum trafo ve reaktör imalatçılarını aynı sürede daha fazla cihaz imal etmelerini sağlayacaktır.

Teşekkür
Testlerin gerçekleştirilmesin de bobinlerin hazırlanmasında değerli yardımlarını esirgemeyen Sönmez Transformatör Sanayine teşekkür ederiz.

Kaynaklar
1. Transformatör-Çözümlü Problemlerle 1. Kısım, İlhami Çetin, İstanbul 1987.
2. Transformatör Deneyleri, Haluk Odoğlu, Bileşim Yayınevi, 2006.
3. www.mksltd.net
4. www.sonmeztrafo.com.tr
5. IEC 60076-1: Power Transformer Part-1-General.