Πώς    ένας    μετασχηματιστής    αλλάζει    την    τάση    χωρίς    κινούμενα    μέρη (μέρος Β); Ιδανικός και πραγματικός μετασχηματιστής Οι μαθητές εξετάζουν τον ισχυρισμό: «Αν ένας μετασχηματιστής παίρνει 1.000 W, αποδίδει πάντοτε ακριβώς 1.000 W». Καλούνται να συμφωνήσουν ή να διαφωνήσουν. Ιδανικός μετασχηματιστής • μηδενικές απώλειες, • τέλεια μαγνητική σύζευξη, • μηδενική αντίσταση τυλιγμάτων, • βαθμός απόδοσης 100%. Πραγματικός μετασχηματιστής Παρουσιάζει: • απώλειες χαλκού I 2 R, • απώλειες υστέρησης, • απώλειες από δινορρεύματα, • μαγνητικές διαρροές, • θέρμανση, • πτώση της τάσης εξόδου υπό φορτίο, • μηχανικό θόρυβο. Ο βαθμός απόδοσης είναι: Θεωρητικό παράδειγμα Αν: P1​=2.000W,P2​=1.900W τότε: η = (1900 / 2000) 100%=95% και οι συνολικές απώλειες είναι: Pαπ​=100W Γιατί ο πυρήνας κατασκευάζεται από ελάσματα; Δίνονται δύο υποψήφιες κατασκευές: • συμπαγής μεταλλικός πυρήνας, • πυρήνας από λεπτά μονωμένα ελάσματα. Οι μαθητές επιλέγουν ποια κατασκευή θεωρούν καταλληλότερη και αιτιολογούν. Συμπέρασμα: Ο πυρήνας κατασκευάζεται από λεπτά, ηλεκτρικά μονωμένα μεταξύ τους ελάσματα, ώστε να περιορίζονται τα δινορρεύματα και η αντίστοιχη θέρμανση. Πρόσθετη ερώτηση: Γιατί ο μετασχηματιστής βουίζει, παρόλο που δεν διαθέτει περιστρεφόμενα μέρη; Το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο προκαλεί πολύ μικρές περιοδικές μεταβολές στις διαστάσεις του πυρήνα — φαινόμενο μαγνητοσυστολής. Σε δίκτυο 50 Hz ο χαρακτηριστικός βόμβος εμφανίζεται συνήθως στα 100 Hz. Τάση βραχυκύκλωσης ως τεχνικό χαρακτηριστικό Η τάση βραχυκύκλωσης να παρουσιαστεί ως θεωρητικό μέγεθος και όχι ως εργαστηριακή διαδικασία. Ορισμός Τάση βραχυκύκλωσης είναι η μειωμένη τάση που, όταν εφαρμοστεί στο ένα τύλιγμα με το άλλο βραχυκυκλωμένο, προκαλεί τη διέλευση των ονομαστικών ρευμάτων. Διερευνητικό σενάριο Δύο μετασχηματιστές έχουν την ίδια ισχύ και τις ίδιες ονομαστικές τάσεις: Οι μαθητές προβλέπουν ποιος θα εμφανίσει μεγαλύτερο ρεύμα βραχυκύκλωσης. Κατά προσέγγιση: Άρα: μικρότερο uk% --> μεγαλύτερο ρεύμα βραχυκύκλωσης, μεγαλύτερο uk% --> μικρότερο ρεύμα βραχυκύκλωσης αλλά μεγαλύτερη πτώση τάσης υπό φορτίο. Τεχνική απόφαση Ποιο χαρακτηριστικό πρέπει να γνωρίζει ο τεχνικός για να επιλέξει τη διακοπτική ικανότητα των ασφαλειών και των διακοπτών στην πλευρά χαμηλής τάσης; Το αναμενόμενο ρεύμα βραχυκύκλωσης. Τριφασικός μετασχηματιστής – Αποκωδικοποίηση συμβόλων Οι μαθητές εξετάζουν τις ενδείξεις: • Yy, • Dd, • Dyn, • Yd. Ανακαλύπτουν ότι: • κεφαλαίο γράμμα: τύλιγμα υψηλής τάσης, • πεζό γράμμα: τύλιγμα χαμηλής τάσης, • Y/y: αστέρας, • D/d: τρίγωνο, • n: διαθέσιμος ουδέτερος κόμβος. Πρόβλημα επιλογής Ένα δίκτυο διανομής πρέπει να τροφοδοτήσει τριφασικά φορτία 400 V και μονοφασικά φορτία 230 V. Στη χαμηλή τάση απαιτείται ουδέτερος αγωγός. Ποια ένδειξη πρέπει οπωσδήποτε να περιλαμβάνει η συνδεσμολογία; Απάντηση: το γράμμα n, όπως στη συνδεσμολογία Dyn. Μελέτη περιπτώσεων ειδικών μετασχηματιστών Κάθε ομάδα λαμβάνει μία εφαρμογή και επιλέγει τον κατάλληλο τύπο μετασχηματιστή. Μετασχηματιστής απομόνωσης ή αυτομετασχηματιστής; Παρουσιάζεται το σενάριο: Χρειαζόμαστε τάση εξόδου ίση περίπου με την τάση εισόδου, αλλά βασική απαίτηση είναι η γαλβανική απομόνωση. Οι μαθητές επιλέγουν μεταξύ: • μετασχηματιστή απομόνωσης 1:1, • αυτομετασχηματιστή. Σύγκριση Κρίσιμο συμπέρασμα: Η ίση ή διαφορετική τάση δεν καθορίζει από μόνη της την ασφάλεια. Καθοριστική είναι και η ύπαρξη ή όχι γαλβανικής απομόνωσης. Μετασχηματιστές οργάνων μέτρησης Το αρχικό πρόβλημα Σε έναν υποσταθμό πρέπει να μετρηθούν: • τάση δικτύου 20 kV, • ένταση ρεύματος 500 A. Τα διαθέσιμα όργανα είναι: • βολτόμετρο περιοχής 0–100 V, • αμπερόμετρο περιοχής 0–5 A. Οι μαθητές καλούνται να απαντήσουν: Μπορούν τα όργανα να συνδεθούν απευθείας στο δίκτυο; Αν όχι, πώς μπορούν να πραγματοποιηθούν με ασφάλεια οι μετρήσεις; Γιατί δεν συνδέουμε απευθείας τα όργανα; Οι μαθητές εξετάζουν την ονομαστική περιοχή των οργάνων και τη συγκρίνουν με τα μεγέθη του δικτύου. Διερευνητική ερώτηση 24: Τι θα συμβεί αν το βολτόμετρο των 100 V συνδεθεί σε τάση 20 kV; Διερευνητική ερώτηση 25: Μπορεί ένα κοινό αμπερόμετρο να διαρρέεται από 500 A; Διερευνητική ερώτηση 26: Τι κίνδυνοι δημιουργούνται για τον χειριστή, το όργανο και την εγκατάσταση; Διερευνητική ερώτηση 27: Πώς θα μπορούσε μια μεγάλη τάση ή ένταση να μετατραπεί σε μικρότερο, αναλογικό και μετρήσιμο μέγεθος; Πρώτο συμπέρασμα: Για τη μέτρηση πολύ μεγάλων τάσεων και εντάσεων χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές οργάνων μέτρησης. Παρεμβάλλονται μεταξύ του δικτύου και των οργάνων και μετατρέπουν το μετρούμενο μέγεθος σε μικρότερη, τυποποιημένη τιμή. Δεν προορίζονται να τροφοδοτούν ηλεκτρικά φορτία. Μεταφέρουν μόνο τη μικρή ισχύ που χρειάζονται τα όργανα μέτρησης και προστασίας. Ποιος μετασχηματιστής είναι κατάλληλος για κάθε μέγεθος; Παρουσιάζονται δύο άγνωστες συσκευές: • η πρώτη μετατρέπει τα 20 kV σε 100 V, • η δεύτερη μετατρέπει τα 500 A σε 5 A. Διερευνητική ερώτηση 28: Ποια συσκευή πρέπει να συνδεθεί με το βολτόμετρο; Διερευνητική ερώτηση 29: Ποια πρέπει να συνδεθεί με το αμπερόμετρο; Διερευνητική ερώτηση 30: Ποιο ηλεκτρικό μέγεθος αναπαράγει αναλογικά το δευτερεύον κάθε συσκευής; Διερευνητική ερώτηση 31: Γιατί δεν μπορεί ο ίδιος μετασχηματιστής να χρησιμοποιηθεί και για τις δύο μετρήσεις; Συμπέρασμα: Οι μετασχηματιστές οργάνων μέτρησης διακρίνονται σε: • Μετασχηματιστές τάσης — VT ή PT, για μέτρηση μεγάλων τάσεων. • Μετασχηματιστές έντασης — CT, για μέτρηση μεγάλων ρευμάτων. Α. Μετασχηματιστής τάσης – VT/PT Πώς πρέπει να συνδεθεί; Οι μαθητές θυμούνται ότι το βολτόμετρο μετρά τη διαφορά δυναμικού ανάμεσα σε δύο σημεία. Πρόβλημα επιλογής Ποια σύνδεση είναι σωστή; • το πρωτεύον του VT σε σειρά με τον αγωγό, • το πρωτεύον του VT παράλληλα στο δίκτυο. Διερευνητική ερώτηση 32: Πώς συνδέεται κανονικά ένα βολτόμετρο; Διερευνητική ερώτηση 33: Πρέπει ο μετασχηματιστής τάσης να «δει» ολόκληρη την τάση του δικτύου; Διερευνητική ερώτηση 34: Τι θα συνέβαινε αν το πρωτεύον του συνδεόταν σε σειρά; Διερευνητική ερώτηση 35: Πώς πρέπει να συνδεθεί το βολτόμετρο στο δευτερεύον; Συμπέρασμα: Στον μετασχηματιστή τάσης: • το πρωτεύον συνδέεται παράλληλα στο δίκτυο, • το δευτερεύον συνδέεται παράλληλα με το βολτόμετρο ή τα πηνία τάσης των οργάνων, • η υψηλή τάση μετατρέπεται σε μικρή, τυποποιημένη τάση. Ανακάλυψη του λόγου μετασχηματισμού Για έναν VT: Αν: U1​=20.000V, U2​=100V τότε: K U ​=20000 / 100​=200 Αν το βολτόμετρο δείξει 80 V, η πραγματική τάση του δικτύου είναι: U1​=K U ​U 2 ​=200 80=16000V Διερευνητική ερώτηση 36: Το βολτόμετρο μετρά απευθείας την τάση του δικτύου ή ένα μικρότερο, αναλογικό αντίγραφό της; Απάντηση προς ανακάλυψη: Μετρά την τάση του δευτερεύοντος. Η πραγματική τάση προκύπτει με τη βοήθεια του λόγου μετασχηματισμού. Β. Μετασχηματιστής έντασης – CT Πώς μετράμε ένα πολύ μεγάλο ρεύμα; Το ρεύμα των 500 A πρέπει να μετρηθεί με αμπερόμετρο 5 A. Πρόβλημα επιλογής Ποια σύνδεση επιτρέπει στον CT να «αντιληφθεί» ολόκληρο το ρεύμα του φορτίου; • παράλληλη σύνδεση προς τον αγωγό, • σύνδεση σε σειρά με τον αγωγό. Διερευνητική ερώτηση 37: Πώς συνδέεται κανονικά ένα αμπερόμετρο; Διερευνητική ερώτηση 38: Πρέπει το πρωτεύον του CT να διαρρέεται από το ρεύμα που μετράμε; Διερευνητική ερώτηση 39: Γιατί σε αρκετούς CT το πρωτεύον αποτελείται μόνο από τον αγωγό που περνά μέσα από τον πυρήνα; Διερευνητική ερώτηση 40: Πώς πρέπει να συνδεθεί το αμπερόμετρο στο δευτερεύον; Συμπέρασμα: Στον μετασχηματιστή έντασης: • το πρωτεύον συνδέεται σε σειρά με το κύκλωμα ισχύος, • το δευτερεύον σχηματίζει κλειστό κύκλωμα με το αμπερόμετρο ή το ρελέ προστασίας, • το μεγάλο πρωτεύον ρεύμα μετατρέπεται σε μικρό, αναλογικό ρεύμα, συνήθως 5 A ή 1 A. Ανακάλυψη του λόγου μετασχηματισμού Για CT με ονομαστική σχέση: 500/5A ο λόγος μετασχηματισμού είναι: K I​ =I 2 / ​I 1 ​​ = 500​ / 5 = 100 Αν το αμπερόμετρο δείξει 3,5 A, το πρωτεύον ρεύμα είναι: I 1 ​=K I​ I 2​ =100 3,5=350A Διερευνητική ερώτηση 41: Το αμπερόμετρο των 5 A διαρρέεται ποτέ από τα 500 A του κυκλώματος ισχύος; Απάντηση προς ανακάλυψη: Όχι. Μετρά το μειωμένο ρεύμα του δευτερεύοντος, το οποίο παραμένει ανάλογο προς το πρωτεύον ρεύμα. Γιατί γειώνεται το δευτερεύον; Στους μαθητές παρουσιάζεται ένα δευτερεύον κύκλωμα χωρίς γείωση και ένα με γειωμένο το ένα άκρο του. Διερευνητική ερώτηση 42: Τι θα συμβεί αν παρουσιαστεί αστοχία μόνωσης ανάμεσα στο πρωτεύον και στο δευτερεύον; Διερευνητική ερώτηση 43: Θα μπορούσε το κύκλωμα των οργάνων να βρεθεί σε επικίνδυνη τάση ως προς τη γη; Διερευνητική ερώτηση 44: Πώς βοηθά η γείωση στην προστασία χειριστών και οργάνων; Διερευνητική ερώτηση 45: Γιατί γειώνεται ένα μόνο σημείο και όχι πολλά διαφορετικά σημεία του δευτερεύοντος; Συμπέρασμα: Για λόγους ασφαλείας, το ένα άκρο του δευτερεύοντος γειώνεται. Έτσι: • περιορίζεται η τάση του κυκλώματος μέτρησης ως προς τη γη, • προστατεύονται οι χειριστές και τα όργανα σε περίπτωση αστοχίας μόνωσης, • διευκολύνεται η σωστή λειτουργία των διατάξεων προστασίας. Τι θα συμβεί αν αφαιρέσουμε το αμπερόμετρο - Το μυστήριο του ανοικτού CT Ο μετασχηματιστής έντασης λειτουργεί κανονικά και το πρωτεύον του διαρρέεται από μεγάλο ρεύμα. Κάποιος αποσυνδέει το αμπερόμετρο χωρίς να βραχυκυκλώσει προηγουμένως το δευτερεύον. Οι μαθητές κάνουν πρόβλεψη • Δεν θα συμβεί τίποτα. • Θα μηδενιστεί μόνο η ένδειξη. • Θα δημιουργηθεί επικίνδυνα υψηλή τάση. • Θα λειτουργήσει όπως ένας μετασχηματιστής χωρίς φορτίο. Θεωρητική διερεύνηση Σε κανονική λειτουργία, το ρεύμα του δευτερεύοντος δημιουργεί μαγνητική επίδραση που αντισταθμίζει σε μεγάλο βαθμό την επίδραση του πρωτεύοντος. Αν ανοίξει το δευτερεύον: • το δευτερεύον ρεύμα μηδενίζεται, • παύει η αντισταθμιστική μαγνητική του επίδραση, • αυξάνεται έντονα η μαγνητική ροή στον πυρήνα, • αυξάνονται οι απώλειες και η θερμοκρασία, • μπορεί να επαχθεί πολύ υψηλή τάση στους ακροδέκτες, • κινδυνεύουν ο χειριστής, η μόνωση και τα όργανα. Κρίσιμος κανόνας ασφαλείας: Δεν αφήνουμε ποτέ ανοικτό το δευτερεύον ενός CT όταν το πρωτεύον διαρρέεται από ρεύμα. Πριν αφαιρεθεί το αμπερόμετρο ή το ρελέ: • απομονώνεται το πρωτεύον κύκλωμα ή • βραχυκυκλώνεται με τον προβλεπόμενο ασφαλή τρόπο το δευτερεύον του CT. VT και CT: ανακάλυψε τις διαφορές Τελική διερευνητική πρόκληση Σε έναν υποσταθμό υπάρχουν: • δίκτυο 20 kV, • γραμμή φορτίου 600 A, • βολτόμετρο 0–100 V, • αμπερόμετρο 0–5 A. Οι μαθητές πρέπει να: • επιλέξουν τον κατάλληλο VT και CT, • σχεδιάσουν τη σύνδεση των πρωτευόντων, • συνδέσουν σωστά τα όργανα στα δευτερεύοντα, • σημειώσουν το σημείο γείωσης, • υπολογίσουν την πραγματική τάση και ένταση από δύο ενδείξεις, • εντοπίσουν ποια λανθασμένη σύνδεση δημιουργεί τον μεγαλύτερο κίνδυνο. Τελικό συμπέρασμα Οι μετασχηματιστές οργάνων μέτρησης δεν χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά σημαντικής ισχύος. Δημιουργούν ένα μικρότερο και αναλογικό αντίγραφο της υψηλής τάσης ή του μεγάλου ρεύματος, ώστε να είναι δυνατή η ασφαλής μέτρηση, η καταγραφή και η προστασία των ηλεκτρικών εγκαταστάσεων. Διόρθωσε τον τεχνικό Οι μαθητές χαρακτηρίζουν κάθε πρόταση ως σωστή ή λανθασμένη και τη διορθώνουν. • «Ο μετασχηματιστής λειτουργεί το ίδιο με AC και DC».  /  Λάθος. Απαιτείται μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή. • «Ο μετασχηματιστής υποβιβασμού μειώνει και την τάση και το διαθέσιμο ρεύμα».  /  Λάθος. Στον ιδανικό Μ/Σ, όταν μειώνεται η τάση αυξάνεται η διαθέσιμη ένταση. • «Τα δύο τυλίγματα συνδέονται ηλεκτρικά μέσω του πυρήνα».  /  Λάθος. Ο πυρήνας παρέχει μαγνητική και όχι ηλεκτρική σύζευξη. • «Ο μετασχηματιστής 1:1 δεν έχει χρησιμότητα επειδή δεν αλλάζει την τάση».  /  Λάθος. Χρησιμοποιείται για γαλβανική απομόνωση. • «Ο αυτομετασχηματιστής παρέχει γαλβανική απομόνωση».  /  Λάθος. Το πρωτεύον και το δευτερεύον μοιράζονται κοινό τύλιγμα. • «Όσο μικρότερη είναι η \(u_k\%\), τόσο μεγαλύτερο μπορεί να είναι το ρεύμα βραχυκύκλωσης».  /  Σωστό. • «Ένας πραγματικός μετασχηματιστής έχει βαθμό απόδοσης 100%».  /  Λάθος. Παρουσιάζει απώλειες χαλκού και πυρήνα. • «Το δευτερεύον ενός CT μπορεί να μένει ανοικτό».  /  Λάθος και επικίνδυνο. • «Ένας μετασχηματιστής αλλάζει τη συχνότητα».  /  Λάθος. Η συχνότητα εξόδου παραμένει ίδια με τη συχνότητα εισόδου. • «Κάθε φορτιστής κινητού περιέχει απλό μετασχηματιστή 50 Hz».  /  Λάθος. Οι σύγχρονοι φορτιστές χρησιμοποιούν συνήθως διακοπτικά τροφοδοτικά υψηλής συχνότητας. Δραστηριότητα τεχνικής επιλογής Κάθε ομάδα αναλαμβάνει έναν ρόλο: • μηχανικοί συστήματος μεταφοράς, • σχεδιαστές υποσταθμού, • τεχνικοί βιομηχανικού πίνακα, • υπεύθυνοι οργάνων μέτρησης, • σύμβουλοι ηλεκτρικής ασφάλειας. Κάθε ομάδα πρέπει να συντάξει θεωρητική πρόταση 100–150 λέξεων που να αναφέρει: • ποιος τύπος μετασχηματιστή απαιτείται, • αν πρέπει να είναι ανύψωσης, υποβιβασμού ή 1:1, • αν απαιτείται γαλβανική απομόνωση, • ποια ονομαστικά μεγέθη πρέπει να εξεταστούν, • ποιοι κίνδυνοι πρέπει να ληφθούν υπόψη, • ποια τεχνική πληροφορία θα αναζητούσαν στην πινακίδα. Τελική πρόκληση – Σχεδιάζοντας τη διαδρομή της ενέργειας Οι μαθητές συμπληρώνουν την παρακάτω ακολουθία: Σταθμός παραγωγής  μετασχηματιστής ..................  δίκτυο μεταφοράς υψηλής τάσης  μετασχηματιστής ..................  δίκτυο διανομής μέσης τάσης  μετασχηματιστής ..................  καταναλωτής 230/400 V Αναμενόμενη συμπλήρωση: ανύψωσης, υποβιβασμού, υποβιβασμού διανομής. Στη συνέχεια εξηγούν γιατί δεν αρκεί ένας μόνο μετασχηματισμός. Αναμενόμενο τελικό συμπέρασμα Οι μαθητές πρέπει να μπορούν να διατυπώσουν: Ο μετασχηματιστής είναι στατική ηλεκτρική μηχανή που μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια μεταξύ δύο κυκλωμάτων μέσω μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου. Μεταβάλλει την τάση και την ένταση, χωρίς να μεταβάλλει τη συχνότητα. Η λειτουργία του εξαρτάται από την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, τον λόγο των σπειρών και τη μαγνητική σύζευξη των τυλιγμάτων. Δεν παράγει ενέργεια, ενώ στους πραγματικούς μετασχηματιστές υπάρχουν απώλειες χαλκού και πυρήνα. Ανακεφαλαίωση με «εισιτήριο εξόδου» Κάθε μαθητής απαντά ατομικά: • Γιατί ο μετασχηματιστής απαιτεί εναλλασσόμενο ρεύμα; • Τι συμβαίνει στην τάση όταν W2 > W1; • Γιατί το τύλιγμα χαμηλής τάσης έχει αγωγό μεγαλύτερης διατομής; • Ποια είναι η διαφορά ενός μετασχηματιστή 1:1 από έναν αυτομετασχηματιστή; • Γιατί μας ενδιαφέρει η uk%; • Γιατί δεν αφήνουμε ανοικτό το δευτερεύον ενός CT; • Ποια ενεργειακή μετατροπή πραγματοποιεί ο μετασχηματιστής; Στην τελευταία ερώτηση αναμένεται η επισήμανση ότι δεν μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε διαφορετική μορφή. Μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια μέσω μαγνητικού πεδίου, αλλάζοντας τα επίπεδα τάσης και έντασης.

Μαθησιακοί στόχοι Με την ολοκλήρωση του μαθήματος οι μαθητές θα μπορούν: Γνώσεις  να εξηγούν την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής,  να περιγράφουν τη λειτουργία του πυρήνα και των τυλιγμάτων,  να εφαρμόζουν τη σχέση μεταφοράς,  να συσχετίζουν τάσεις, ρεύματα και αριθμό σπειρών,  να διακρίνουν ιδανικό και πραγματικό μετασχηματιστή,  να εξηγούν την τάση βραχυκύκλωσης,  να διακρίνουν τους βασικούς ειδικούς μετασχηματιστές. Δεξιότητες  να ερμηνεύουν διαγράμματα και τεχνικά σύμβολα,  να αποκωδικοποιούν στοιχεία πινακίδας,  να εκτελούν θεωρητικούς υπολογισμούς,  να συγκρίνουν τεχνικές λύσεις,  να αιτιολογούν την επιλογή ενός μετασχηματιστή,  να εντοπίζουν εσφαλμένους ή επικίνδυνους ισχυρισμούς. Στάσεις  να αναγνωρίζουν τη σημασία των μετασχηματιστών στο ηλεκτρικό σύστημα,  να αντιμετωπίζουν τις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις με υπευθυνότητα,  να τεκμηριώνουν τις αποφάσεις τους με δεδομένα,  να μην ταυτίζουν τη χαμηλή τάση με την απόλυτη ασφάλεια,  να συνεργάζονται και να ακούν διαφορετικές τεχνικές απόψεις.