Akım trafosu, yüksek akımların ölçülebilir bir akım aralığına dönüştürülmesini sağlar. Çeşitli koruma sistemlerinde bulunan röleler, bir akım trafosu tarafından sağlanan akımın onları harekete geçirmek için kullanılabileceği şekilde uygulanır. Yüksek büyüklükteki alternatif akımların normal düşük aralıklı ampermetreler kullanılarak ölçülmesi de zor görülmekte ve bu nedenle akım trafoları ölçüm ve izolasyon amacıyla ara kademe olarak kullanılmaktadır.
Şekil 1. Çeşitli akım transformatörleri. Görüntü Talema Group'un izniyle.
Manyetik bileşenlerGenel olarak onlarca yıldır farklı güç elektroniği cihazlarında kullanılmaktadır. Elektrik gücünün farklı aşamalarda ve birden çok biçimde kontrolü, aktarımı ve koşullandırılması için kullanılırlar.
Tasarımcılar performansı artırmak için her zaman daha yeni malzemeler, topolojiler ve süreçler arayışındadırlar. Tarihte manyetik tasarımının bilimden çok sanat olarak görüldüğü bir dönem vardı. Bunun nedeni, tasarımın çoğunlukla deneme yanılma tekniklerine, ampirik formüllere ve genel kural değerlendirmelerine bağlı olmasıdır. Ayrıca, tasarım sürecini daha güvenilir ve tekrarlanabilir hale getirmek amacıyla standartlaştırmaya yönelik çeşitli girişimlerde bulunulmuştur.
Bir akım transformatörünün çalışma prensibi ve ilgili temel kavramlar hakkında daha fazla bilgi edinmek için okumaya devam edin.
Akım Transformatörleri ve Devreye Genel Bakış
Akım transformatörleri, yüksek güç devrelerinde, tipik olarak ölçüm veya geri besleme devrelerinde akan akımı ölçmek için kullanılır. Akım transformatörlerinin kullanımı, akım yolu ile seri halinde akım şöntleri kullanarak akımları ölçmek yerine tercih edilir; çünkü bir akım transformatörünün güç devresi ile ölçüm devresi arasında izolasyon sağlaması, güç kayıplarına daha az katkı sağlaması ve iyi ortak mod reddi gibi avantajları vardır. [1] Genel olarak bir transformatör AC bağlantısını destekler, Voltaj ve DC izolasyonu ile birlikte akım seviyesi dönüşümü [2].
Şekil 2. Yüksek akımı ölçmek için akım transformatörünün kullanılması. [3]
Akım transformatörleri için pratik tasarım hususları, birincil ve ikincil sargı akımlarının gerekli değerlerini etkin bir şekilde iletme yeteneği ile yönetilir. Bu, yeterli güç bağlantısı sağlama kapasitesinin yanı sıra doğru iletken seçimi anlamına gelir. İdeal olarak, sızıntının olmadığı ve akım kaybının (histerezis veya girdap) olmadığı sıkı bir voltaj regülasyonu ve ayrıca düşük genel heyecan verici akım distorsiyonu arzu edilir.
Tüm bu tasarım hedeflerinin tamamen karşılanması gerekiyorsa, ortaya çıkan ürün hantal olabilir ve bu da amaçlanmamıştır. Bu nedenle, bu hususlara dayanarak mümkün olan en iyi tasarımın elde edilmesi açısından kurulması son derece zor bir dengedir.
Çalışma prensibi
Akım transformatörleri, birincil taraftan akan akımla orantılı olarak ikincil bir akım üreten akım dönüştürücüler ailesine aittir.
Birincil sargı, geniş bir kesit alanına sahip bir veya daha fazla sarımdan oluşacak ve tipik olarak akım akışı için algılanması gereken devreye seri olarak bağlanacak şekilde tasarlanmıştır [4].
İkincil sargının dönüş sayısı daha fazladır ve daha küçük kesit alanına sahip bir telden yapılır. İkincil sargı, rölenin çalışma bobinine veya akım ölçüm cihazına bağlanır.
Şekil 3. Bir akım trafosunun gösterimi [4]
Belirli bir akım transformatörü tipinin uygulama alanı, hassasiyeti, birincil ve ikincil akımların oranı, kullanılan yalıtım türü, mekanik yapı ve harici çalışma koşulları tarafından yönetilir.
Akım transformatörünün çalışması, temel olarak yükseltici gerilim transformatörü olarak işlev gördüklerinden geleneksel güç transformatörlerininkine benzer. Tipik olarak, akımın değeri yüksek gerilim tarafında daha düşük olacaktır ve bunun tersi de geçerlidir. Böylece, birincil tarafa enerji verildiğinde, birincil taraftaki amper dönüşleri çekirdekte bir manyetik alan üretecektir.
Üretilen manyetik akı nedeniyle ikincil tarafta bir elektromotor kuvvet indüklenir ve bu da ikincil akımı yönlendirir. Amper dönüşleri birincil ve ikincilde dengelidir ve ayrıca birincildeki voltaj düşüşü çok daha azdır, bu da birincil akımı ikincil akımdan bağımsız hale getirir.
Akım Transformatörleri için Tasarım Anlayışları
Akım transformatörünün tasarımı maliyet, ağırlık, sarımdaki sarım sayısı ve genel performansından ödün verilmesidir [1]. Çekirdek alanın arttırılması performansı artırır ancak maliyeti ve genel boyutu olumsuz yönde etkiler. Ferrit veya çelik çekirdekler kullanılır ve daha fazla sayıda ikincil dönüş tercih edilir. Tipik olarak iyi bir akım transformatörü tasarımı, ikincil taraftaki düşük gerilime, yüksek geçirgenliğe sahip malzemenin kullanımına, yüksek çekirdek alanına ve büyük ikincil dönüşlere odaklanır.
Çekirdek malzemelerinin seçiminde genel hususlar arasında düşük çekirdek kaybı, düşük isteksizlik değeri ve düşük akı yoğunluğu yer alır. Yalıtım amaçlı olarak kağıt, vernik, bant malzemeleri ve bunların çeşitleri kullanılmaktadır.
Akım trafosu sargı tipi veya çubuk tipi olabilir. Yara tipi alçak gerilim uygulamalarında, ikincil sarımlar bakalit üzerine sarılır ve ardından katmanlar arasında uygun izolasyonlu birincil sarımlar yapılır. Çubuk tipinde, tek bir çubuk birincil sargıyı oluşturur ve çekirdeğin merkezinden geçer.
Şekil 4. Akım transformatörleri çubuk tipi veya sargılı tip olabilir.
Anahtar referanslar:
- L. Umanand, SR Bhat, “Manyetik Tasarım bileşenler Anahtarlamalı Mod Güç Dönüştürücüleri için”, Wiley Eastern Limited.
- Marian K. Kazimierczuk, "Yüksek Frekanslı Manyetik Bileşenler", John Wiley and Sons, Ltd.
- Marcel Dekkar, “Transformatör ve İndüktör Tasarımı El Kitabı”, 2004.
- Akım trafosu