Transformatörlerde Enerji Verimliliği, Amorf Nüve Kullanımı YazıDizisi-1

Transformatörlerde Enerji Verimliliği, Amorf Nüve Kullanımı

YazıDizisi-1

Selim Aygören

Teknolojik gelişmelerle birlikte dünya üzerinde enerjiye duyulan gereksinim günden güne artmaktadır. Enerjiye yönelik talep artışı yenilenmeyen fosil kaynaklara dayalı enerji üretimini artırmış ve çevre kirliliği ile kaynak kıtlığı sorunlarını beraberinde getirmiştir. Sosyal altyapımızın önemli bir parçası olan elektrik şebekesinin verimliliği, ortaya çıkan çevre kirliliği ve kaynak kıtlığı sorunları nedeniyle büyük önem taşımaktadır. Elektrik şebekesinin verimi şebekeden çekilen enerji miktarının şebekeye giren enerji miktarına oranı olarak tanımlanabilir. Dolayısıyla şebekenin verimini belirleyen etken şebekedeki elemanların üzerinde kayıp olarak yitirilen elektrik enerjisidir.

İspanyol ENDESA firmasının “3. Uluslar arası Enerji İnovasyon Konferansı” nda yaptığı sunuma göre Avrupa Birliği’ ne üye 27 ülkede üretilen elektrik enerjisinin 8%’ i şebekelerde kayıp olarak tüketilmektedir. Şebekelerdeki toplam kaybın 30%’ u dağıtım transformatörleri üzerinde, bunun da 70%’ i nüve kaybı olarak tüketilmektedir. Şebeke kayıplarının çoğunluğunu oluşturması nedeniyle transformatörlerde verimliliği artırıcı çalışmalar genelde nüve kayıplarını ( boşta kayıpları ) üzerine yapılmıştır. Bu amaçla yapılan çalışmaların şimdiye kadar ulaştığı en son nokta amorf çekirdekli transformatörlerdir. Amorf çekirdekli transformatörler, tanecikli yapıya sahip silisli saclı transformatörlere göre boşta kayıpları 60%-70% oranında düşürmektedirler.

Bu yazının amacı yüksek verimli transformatör üretiminde kullanılan amorf ( kristal yapıda olmayan ) metal nüveleri tanıtmak, transformatör verimine etkilerini açıklamaktır.

AMORF METAL ALAŞIM MALZEMENİN TARİHİ

Amorf kelimesinin sözlük anlamı “kristal yapıda olmayan” dır. Normalde metal alaşımları oluşturacak elementler erime noktasının üzerinde bir sıcaklıkta sıvı karışım halinde düzensiz bir yapıdayken soğutularak kristalleşmiş katı elde edilir. Kristal yapıda olmayan amorf metal alaşımının elde edilmesi için katılaşma aşamasındaki eriyik karışıma özel teknikler uygulanarak 10⁶ K / s gibi yüksek hızlarda soğutma uygulanmalıdır.

Şekil.1. Amorf yapı ile kristal yapı görünüşleri.

Kristal yapıda olmayan (amorf) metal alaşımlar (Ni-P) ilk defa 1950 yılında “Ulusal Standartlar Bürosu” nda (National Bureau of Standards) elde edilmiş, fakat pek fazla dikkat çekememiştir. Amorf metallerin keşfi genellikle, 1960 yılında sıvı haldeki AU₇₅Si₂₅alaşımının hızlı katılaştırılmasıyla amorf örnekler üretmiş olan Pol Duwez’ e atfedilir[2]. Önceleri amorf metal alaşımlar altın ve paladyum gibi değerli metallere dayalı üretilirken, 1967’ de Pol Duwez amorf Fe₈₀P₁₃C₇ alaşımını üretti. Böylece hem demir (Fe) gibi kolay bulunabilir, ucuz metalik bileşenlerle de amorf metal üretilebileceği hem de ferromanyetik özelliğin oda sıcaklığında amorf malzemeler içerisinde var olabileceği görülmüş oldu. 1975 yılında Narasimhan ergimiş metali tabaka formunda hızlı katılaştırabilen yöntemi (“Planar flow Casting”) geliştirmeden önce ancak birkaç milimetre genişliğinde amorf metal şeritler üretilebiliyordu. “Planar Flow Casting” yöntemiyle piyasada satılabilecek şekilde 210 mm genişliğe kadar amorf metal şeritler üretilmeye başlandı. [3] Günümüzde amorf nüveli dağıtım transformatörlerinde kullanılan malzemeler bu yöntemle üretilmektedir.

s2-1

s2-2

Şekil.2. Düzlemsel Akış Döküm İşlemini gösteren çizimler (Planar Flow Casting Process) [3]

AMORF METAL ALAŞIM MALZEMELERİN ÖZELLİKLERİ VE TANECİKLİ YAPIDAKİ SİLİSLİ SACLA KARŞILAŞTIRILMASI

Dağıtım transformatörleri nüvelerinde kullanılan amorf malzemeler Demir (Fe), Silisyum (Si) ve Bor (B) içeren alaşımlardır. Amorf metal saclar yaklaşık 25 μm kalınlığındadır. Bu değer kristal yapıdaki silisli sacın yaklaşık 10%’ u kadardır.

Nüve kaybını oluşturan iki temel öğe vardır: Hysterezis kayıpları ve eddy (girdap) akımı kayıpları. Hysterezis kayıpları nüvenin manyetik geçirgenliğiyle ters orantılıdır. Nüveye enerji verildiğinde mıknatıslanma ne kadar kolay oluyorsa, manyetik koersivite (Hc) ne kadar düşükse hysterezis kayıp da o kadar azdır. Amorf metal nüvelerde kristalleşme olmadığı için mıknatıslanma kolay gerçekleşir.

Şekil.3. Fe-bazlı amorf alaşım ve tanecikleri yönlendirilmiş silisli saca ait B/H eğrileri [4]

Eddy kayıplarını, nüve saclarında oluşan girdap akımları meydana getirir. Amorf nüve sacının silisli saca göre çok ince ve elektriksel direncinin yüksek olmasından dolayı amorf metal nüvenin eddy kayıpları daha azdır. Sonuç olarak amorf nüvelerin toplam boşta kayıpları en iyi kalitedeki silisli sacdan bile çok daha düşüktür.

s-4

Şekil.4. Nüve Kayıpları vs. Manyetik İndüksiyon[1]

Amorf nüvenin kullanımını zorlaştıran dezavantajları düşük manyetik doyma noktası ile düşük doldurma faktörüdür. Tanecikli yapıdaki silisli nüvelerde 2 Tesla civarında olan manyetik doyma noktası amorf nüvelerde 1,6 Tesla civarındadır. Ayrıca yine silisli sacda 0,97 olan doldurma faktörü amorf nüvede 0,86’ dır. Amorf metal malzeme ile silisli sac (CRGO) malzeme arasındaki karşılaştırma için aşağıdaki tablo incelenmelidir:

tablo1

Tablo.1. Amorf metal malzeme ile CRGO malzeme karşılaştırma tablosu.[5]

Doldurma faktörü ve manyetik doyma noktasının düşük olması amorf nüvelerin konvansiyonel silisli sac nüvelere göre daha büyük kesitli yapılmasına neden olmaktadır. Dolayısıyla amorf nüveli transformatörlerde sargılar ve transformatör boyutları silisli saca göre daha büyüktür.

Bundan sonraki yazımızda "Amorf Nüvenin Performansına Harmoniklerin Etkisi , Çevresel Etkiler, Ekonomik Boyutlar" ile devam edeceğiz.

Paylaş: