ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ1 . ΕισαγωγήΟμετασχηματιστήςείναιμιασυσκευήηοποίαμεταφέρειηλεκτρικήενέργειαμεταξύδύοκυκλωμάτων,διαμέσουενόςπυρήνααπό σιδηρομαγνητικόυλικόπουσυνδέειμαγνητικάταδύοκυκλώματα.Οιμετασχηματιστέςείναιανάμεσαστιςπιοαποδοτικέςηλεκτρικέςμηχανές,με κάποιεςμεγάλεςμονάδεςνααποδίδουνέωςκαιτο99.75%τηςισχύοςεισόδουτουςστηνέξοδότους.Οιμετασχηματιστέςκατασκευάζονταισε ευρείαγκάμαμεγεθών,πουκυμαίνονταιαπόμέγεθοςνυχιού(όπωςαυτοίπουβρίσκονταιμέσασεέναμικρόφωνο)έωςτεράστιεςμονάδεςμεβάρος εκατοντάδωντόνωνπουχρησιμοποιούνταιγιατηδιασύνδεσητμημάτωντωνεθνικώνδικτύωνηλεκτροδότησης.Όλοιλειτουργούνμεβάσητις ίδιες αρχές, αν και υπάρχει πληθώρα διαφορετικών υλοποιήσεων.2 . Είδη και Χρήσεις ΜετασχηματιστώνΟμετασχηματιστήςείναιμιαηλεκτρικήσυσκευήπουχρησιμοποιείταιγιαναμεταβάλλειτηντάση(καιτηνένταση)ενόςεναλλασσόμενουρεύματος (AC), χωρίς να αλλάζει η συχνότητά του. Δηλαδή αυξομειώνει τα βασικά ηλεκτρικά μεγέθη (τάση-ένταση) ανάλογα με το είδος του. Είναι μη στρεφόμενη ηλεκτρική μηχανή που αποτελείται από:Ένα πυρήνα από σιδηρομαγνητικό υλικόΔύο πηνία (τυλίγματα) γύρωαπότονπυρήνα.Ένατύλιγμαυψηλήςτάσης(Υ.Τ.)καιένατύλιγμαχαμηλήςτάσης(Χ.Τ.)Συμβατικάονομάζονται πρωτεύον και δευτερεύον αντίστοιχα .ΣτηνπράξηοιΜ/Σχρησιμοποιούνταισεπεριπτώσειςπουαπαιτείταιναέχουμεμέγεθοςτάσηςδιαφορετικόαπόαυτόπουδιαθέτουμε.ΟΜ/Σέχει δύο ονομαστικές τιμές τάσης : μία για το πρωτεύον (U1) και μία για το δευτερεύον(U2) .ΕρώτησηΠροβληματισμού:Τινομίζειςότιθασυμβείστηντάσηενόςκυκλώματοςαντυλίξουμεπερισσότεραήλιγότεραπηνίαστοδευτερεύον πηνίο ενός μετασχηματιστή; …………………………………………………………………………………….Πείραμα & ΠαρατήρησηΥλικά (πραγματικά ή μέσω προσομοίωσης):Πηγή εναλλασσόμενης τάσης (AC)Μετασχηματιστής με δυνατότητα αλλαγής σπειρών στο πρωτεύον και δευτερεύον τύλιγμαΠολύμετροΟδηγίες:Συνδέστε την πηγή στο πρωτεύον.Αλλάξτε τον αριθμό των σπειρών στο δευτερεύον (π.χ. 20, 40, 80).Καταγράψτε την έξοδο (τάση) κάθε φορά.Πίνακας Καταγραφής:Ανάλυση & ΣυμπεράσματαΑπάντησε στις παρακάτω ερωτήσεις:Παρατήρησες κάποια σχέση μεταξύ των σπειρών και της τάσης εξόδου; Ποια; …………………………………………………………………………………….Πότε ο μετασχηματιστής λειτούργησε ως ανύψωσης και πότε ως υποβίβασης; …………………………………………………………………………………….Πώς συνδέεται η αναλογία σπειρών με την αναλογία τάσεων; …………………………………………………………………………………….Ποια είναι η βασική αρχή λειτουργίας ενός μετασχηματιστή (υπόδειξη: ηλεκτρομαγνητική επαγωγή); …………………………………………………………………………Παραδείγματα από την καθημερινή ζωή όπου χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές1. Φορτιστές κινητών τηλεφώνωνΠεριέχουν μικρούς μετασχηματιστές που μετατρέπουν την υψηλή τάση από το δίκτυο (230V) σε χαμηλή τάση (π.χ. 5V ή 9V) κατάλληλη για φόρτιση.2. Τροφοδοτικά ηλεκτρονικών συσκευών (π.χ. υπολογιστές, τηλεοράσεις)Τα τροφοδοτικά χρησιμοποιούν μετασχηματιστές για να μειώσουν την τάση και να παρέχουν την κατάλληλη για τη λειτουργία του κυκλώματος.3. Φωτιστικά LED με μετασχηματιστήΠολλά LED φωτιστικά έχουν εσωτερικό μετασχηματιστή για να μετατρέπουν την τάση από AC σε χαμηλή DC.4. Μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειαςΣτους πυλώνες υψηλής τάσης, οι μετασχηματιστές ανυψώνουν την τάση ώστε να μειωθούν οι απώλειες κατά τη μεταφορά.Στους υποσταθμούς κοντά στις πόλεις και τα σπίτια, άλλοι μετασχηματιστές υποβιβάζουν την τάση για οικιακή χρήση (230V).5. Φούρνος μικροκυμάτωνΠεριέχει μετασχηματιστή υψηλής τάσης που αυξάνει την τάση για να λειτουργήσει η λυχνία μικροκυμάτων.6. Ενισχυτές ήχου και μουσικά όργαναΟι ενισχυτές ηλεκτρικής κιθάρας περιλαμβάνουν μετασχηματιστές για την παροχή σωστής τάσης στα κυκλώματα ή τα λαμπάκια (βαλβίδες).7. Τρένα & Τραμ (Ηλεκτροκίνηση)Στοσύστημαηλεκτροδότησηςτωνμέσωνμαζικήςμεταφοράςχρησιμοποιούνταιμετασχηματιστέςγιατηρύθμισητηςτάσηςανάλογαμετις ανάγκες.Οι Μετασχηματιστές χωρίζονται σε κατηγορίες ανάλογα με : 1.Το είδος του δικτύου που προορίζονται σε : Μονοφασικοί μετασχηματιστές , για μονοφασικά συστήματα . Τριφασικοί μετασχηματιστές , για τριφασικά συστήματα . 2.Το μέγεθος της ισχύος που πρόκειται να μεταβιβάσουν , σε :Μετασχηματιστές οργάνων μέτρησης , για μεταβίβαση πολύ μικρής ισχύος Μετασχηματιστές ισχύος , για μεταβίβαση σημαντικής ισχύος . 3.Την ειδική κατασκευή και χρήση τους , σε ειδικούς Μ/Σ :Μ/Σ 1:1Μ/Σ ηλεκτρικής έλξηςΑυτομετασχηματιστέςΜ/Σ ηλεκτροσυγκολλήσεων 4.Τον τρόπο ψύξεως , σε : Ξηρούς μετασχηματιστές , στους οποίους η ψύξη γίνεται απ’ ευθείας από τον αέρα που τους περιβάλει . Μετασχηματιστές λαδιού , που η ψύξη γίνεται από κατάλληλο ορυκτέλαιο μέσα στο οποίο βρίσκεται ο Μ/Σ . 5.Τον χώρο τους στα Σ.Η.Ε (συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας) , σε : Μετασχηματιστές υπαίθρου , που είναι κατασκευασμένοι για να τοποθετηθούν σε υπαίθριες εγκαταστάσεις . Μετασχηματιστές κλειστού χώρου , που είναι κατασκευασμένοι για να τοποθετηθούν σε κλειστούς χώρους .3 . Αρχή Λειτουργίας Μονοφασικών ΜετασχηματιστώνΌταντοπρωτεύοντουΜ/Σδιαρρέεταιαπόεναλλασσόμενορεύματότεστοεσωτερικότουπυρήναδημιουργείταιμεταβαλλόμενημαγνητικήροή (Φ).Αυτήημεταβαλλόμενημαγνητικήροήμεταφέρεται,μέσωτουπυρήναπουείναισιδηρομαγνητικόυλικό,στοδευτερεύονπηνίοτουΜ/Σ.Ότανέναςαγωγόςβρίσκεταιμέσασεέναμεταβαλλόμενομαγνητικόπεδίοτότεσταάκρατουεμφανίζεταιηλεκτρεγερτικήδύναμηαπόεπαγωγή .ΑυτόθασυμβείστοδευτερεύονπηνίοτουΜ/Σστοοποίοθαεμφανισθείηλεκτρεγερτικήδύναμη(ΗΕΔ)απόεπαγωγήπουητιμήτηςδίνεταιαπόσχέση :Ε2 = 4,44 f W2 ΦμΌπου : f : Η συχνότητα σε HzΦμ : Η μέγιστη τιμή της χρήσιμης μαγνητικής ροής σε VsW2 : Ο αριθμός των σπειρών του δευτερεύοντος τυλίγματος4 . Λειτουργία Μετασχηματιστή ΛειτουργίαΜ/Σχωρίςφορτίο(ενκενό):Τοδευτερεύονδεντροφοδοτείκάποιακατανάλωση.Τοδευτερεύονείναιανοιχτόκαιδενυπάρχει ρεύμα Ι2 . Ενώ το ρεύμα του πρωτεύοντος είναι πολύ μικρό Ι0 .Λειτουργία Μ/Σ με φορτίο : Το δευτερεύον τροφοδοτεί μια κατανάλωση ή τους ζυγούς ενός δικτύου . α . Λειτουργία Μ/Σ χωρίς φορτίο (εν κενό) – Σχέση ΜεταφοράςΟλόγοςτωντάσεωντουπρωτεύοντοςκαιδευτερεύοντοςείναιίσοςμετονλόγοτωνσπειρώντουπρωτεύοντοςκαιδευτερεύοντος.O παραπάνω λόγος ονομάζεται σχέση μεταφοράς Κ δηλαδή:β . Λειτουργία Μ/Σ με φορτίο – Σχέση Τάσεων – ΕντάσεωνΣτηνπερίπτωσηαυτήυπάρχειρεύμαΙ2,ενώτορεύματουπρωτεύοντοςείναιΙ1>Ι0 .Ανμετρήσουμετιςεντάσειςρεύματοςπρωτεύοντοςκαι δευτερεύοντος , θα διαπιστώσουμε ότι :ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ Τύλιγμα Χ.Τ. (χαμηλής τάσης) και Μεγάλης Έντασης --> Μικρός Αριθμός Σπειρών και Μεγάλη Διατομή ΣπειρώνΤύλιγμα Υ.Τ. (υψηλής τάσης) και Μικρής Έντασης --> Μεγάλος Αριθμός Σπειρών και Μικρή Διατομή Σπειρών5 . Τάση ΒραχυκύκλωσηςΓια να βρούμε την τιμή της τάσεως βραχυκύκλωσης, βραχυκυκλώνουμε το δευτερεύον του Μ/Σ και τροφοδοτούμε το πρωτεύον με τάση την οποία αυξάνουμε σταδιακά ξεκινώντας από πολύ μικρές τιμές. Για κάποια τιμή τάσεως U1 του πρωτεύοντος η ένταση στο βραχυκυκλωμένο δευτερεύον θα γίνει ίση με την ονομαστική ένταση δευτερεύοντος Ι2Ν ενώ και η ένταση του πρωτεύοντος θα γίνει ίση με την ονομαστική Ι1Ν. Αυτή η τιμή της τάσης είναι η τάση βραχυκύκλωσης .Τάσηβραχυκύκλωσης(U1Κ)είναιητάσηπουπρέπειναεφαρμοσθείστοπρωτεύοντουΜ/Σγιαναδιέλθειμέσααπότοβραχυκυκλωμένο δευτερεύον , ένταση ρεύματος ίδιας τιμής με το ονομαστικό (Ι2Ν).Εκφράζεται σαν ποσοστό επί της εκατό (uk%) , όπου :ΣΗΜΕΙΩΣΗ:ΜεσυνεχήαύξησητηςτάσηςστοπρωτεύονέωςτηνονομαστικήτιμήU1Ν ,μπορούμεναμετρήσουμεστοδευτερεύοντουΜ/Σμία ένταση ρεύματος Ι2Κ , που ονομάζεται ένταση βραχυκύκλωσης και συνδέεται με την τάση βραχυκύκλωσης (uk%) με την σχέση :Σημείωση:ΟιΤριφασικοίΜ-ΣκατασκευάζονταιόπωςοιμονοφασικοίΜ/Σ.Έχουν3όμοιουςκορμούςκαισεκάθεένακατανέμονται2τυλίγματα (ένα Χ.Τ. και ένα Υ.Τ. ανά φάση)ΕφαρμογήτηςΤάσηςΒραχυκύκλωσης:Ηλεκτροσυγκολήσεις-->Ησυσκευήηλεκτροσυγκόλησηςπεριλαμβάνειένανμετασχηματιστή.Ότανταδύο ηλεκτρόδιατουδευτερεύοντοςτουμετασχημετιστήενωθούν,τότεέχουμετηνπερίπτωσηβραχυκύκλωσης.Ωςαποτέλεσμα αναπτύσσετευπερέντασηηοποίαδημιουργείηλεκτρικότόξοκαιυψηλήθερμότητα.Αυτήηθερμότηταλιώνειτοσυγκολλητικόυλικό ώστε να κολλήσει τα δύο κομμάτια μετάλλου6 . Τυποποίηση συνδέσεων7 . Ισχύς ΜετασχηματιστήΗ ηλεκτρική ισχύς που παράγει έργο (θερμικό , φωτεινό , μηχανικό κλπ.) ονομάζεται πραγματική ισχύς P .Η ηλεκτρική ισχύς που δεν παράγει έργο αλλά δημιουργεί μαγνητικό πεδίο ονομάζεται άεργη ισχύς Pb .Η σύνθεση της πραγματικής και της άεργης ισχύος ονομάζεται φαινόμενη ισχύς PS .Η πραγματική ισχύς που απορροφά από το δίκτυο ο Μ/Σ δίνεται από τις σχέσεις : Για μονοφασικό μετασχηματιστή : Ρ1 = U1 I1συνφ1Για τριφασικό μετασχηματιστή : Ρ1 = 1,73 U1 I1συνφ1Επίσης η πραγματική ισχύς που παρέχει σε φορτίο μέσω του δευτερεύοντος ο Μ/Σ δίνεται από τις σχέσεις :Για μονοφασικό μετασχηματιστή : Ρ2 = U2 I2συνφ2Για τριφασικό μετασχηματιστή : Ρ2 = 1,73 U2 I2συνφ2ΘαπρέπειναξεκαθαρίσουμεότιστοΤριφασικόΔίκτυοεμφανίζονταιδυοείδητάσης,ηπολικήτάσηκαιηφασικήτάση.Τηνπολικήτάσητην μετράμε μεταξύ δύο οποιονδήποτε φάσεων ενώ την φασική τάση την μετράμε μεταξύ οποιασδήποτε φάσης και του ουδετέρου.Επίσης θα πρέπει να καταλάβουμε ότι ένας τριφασικός μετασχηματιστής έχει τρία τυλίγματα στο πρωτεύον και τρία στο δευτερεύον - ένα για κάθε φάση. Με ποιον τρόπο όμως συνδέονται τα τρία τυλίγματα του πρωτεύοντος και τα τρία τυλίγματα του δευτερεύοντος μεταξύ τους; Όπως όλα τα τριφασικά φορτία, έτσι και τα τυλίγματα των τριφασικών μετασχηματιστών, συνδέονται μεταξύ τους με έναν από τους ακόλουθους τρόπους: σε αστέρα ή σε τρίγωνο.ΠαρακάτωβλέπουμετρίαφορτίαμεάκραU1-U2,V1-V2,W1-W2ταοποίαέχουνσυνδεθείμεταξύτουςσεαστέρακαισετρίγωνοκαιπαράλληλα εχουν τροφοδοτηθεί από το τριφασικό δίκτυο L1, L2, L3.Παρακάτω βλέπουμε τα δύο είδη τάσεων που εμφανίζονται σε ένα τριφασικό δίκτυο καθώς και την μεταξύ τους σχέσηΣτην περίπτωση του τριφασικού μετασχηματιστή, υπάρχει ένδειξη στο ταμπελάκι του σχετικά με το εάν το πρωτεύον και το δευτερεύον τύλιγμα είναι συνδεδεμένα σε αστέρα ή σε τρίγωνο. Την συνδεσμολογία σε αστέρα την συμβολίζουμε με “Υ” ή “y” ανάλογα αν πρόκειται για υψηλή ή χαμηλή τάση ενώ την συνδεσμολογία σε τρίγωνο την συμβολίζουμε με “D” ή “d” ανάλογα αν πρόκειται για υψηλή ή χαμηλή τάση8 . Εφαρμογές Μ/Σ - Ειδικοί Μ/Σ 8.1 Μετασχηματιστές 1:1 Έχουν σχέση μεταφοράς 1 , που σημαίνει ότι η τάση U1 του πρωτεύοντος είναι ίση με τη τάση U2 του δευτερεύοντος. Το δευτερεύον τύλιγμα δεν έχει καμιά σύνδεση με την γη (γείωση) , οπότε έχουμε ηλεκτρική απομόνωση (διαχωρισμό) του πρωτεύοντος από το δευτερεύον. Έτσι επιτυγχάνουμε προστασία του κυκλώματος κατανάλωσης χωρίς να ανυψώνουμε ή να υποβιβάζουμε την τάση . Σ'έναδίκτυομεγείωση,ηλεκτροπληξίαπροκαλείταιμετηνεπαφήτουαγωγούφάσης.Τοανθρώπινοσώμακλείνειτοκύκλωμαανάμεσαστον αγωγόκαιστηγη.Ηπαρεμβολήενόςμετασχηματιστή1:1,προκαλείτηγαλβανικήαπομόνωσημεταξύτουδικτύουκαιτουφορτίου.Γιανα προκληθείηλεκτροπληξία,απαιτείταιπλέονηταυτόχρονηεπαφήκαιμετουςδύοαγωγούςκάτιπουείναιλιγότεροπιθανό.Ομετασχηματιστήςπου παρεμβάλλεταιλέγεταικαιμετασχηματιστήςαπομόνωσηςήπροστασίας.Ομετασχηματιστήςαπομόνωσηςείναιμέτροπροστασίαςέναντιτης ηλεκτροπληξίας .Άσκηση Αυτοαξιολόγησης 1Στιςακόλουθεςτρειςπεριπτώσειςπαρατηρούμεταεξής:α)στηνπρώτηπερίπτωσηοχειριστήςστοδευτερεύοντύλιγμαδενπαθαίνει ηλεκτροπληξία,σεαντίθεσημετονχειριστήτουπρωτεύοντοςτυλίγματοςβ)στηδεύτερηπερίπτωση,τόσοοχειριστήςτουπρωτεύοντοςόσοκαι τουδευτερεύοντοςτυλίγματοςπαθαίνουνηλεκτροπληξίαγ)στηντρίτηπερίπτωσηοχειριστήςτουδευτερεύοντοςτυλίγματοςπαθαίνει ηλεκτροπληξία. Εξηγήστε για ποιο λόγο συμβαίνουν τα παραπάνω.8.2 ΑυτομετασχηματιστέςΈχουνμόνοένατύλιγμα,όπουένατμήματουείναικοινόκαιγιατοπρωτεύονκαιγιατοδευτερεύον.Ηβασικήδιαφορά(μειονέκτημα)μετους Μ/Σ με δυο τυλίγματα είναι ότι δεν παρέχουνηλεκτρική απομόνωση . Ενδείκνυνται για μικρές αλλαγές της τάσης ενός κυκλώματος . Πλεονεκτήματα •Χαμηλότερο κόστος κατασκευής •Λιγότερες Απώλειες •Καλύτερο βαθμό απόδοσης•Αποδίδειπολύμεγαλύτερηφαινόμενηισχύεξόδουαπόαυτήτου αντίστοιχου κανονικού Μ/Σ .Άσκηση Αυτοαξιολόγησης Στον ακόλουθο πίνακα, προσπαθήστε να διακρίνετε τις διαφορές μεταξύ ενός Αυτομετασχηματιστή και ενός Συμβατικού Μετασχηματιστή. 8.3 Μετασχηματιστές Οργάνων ΜέτρησηςΧρησιμεύουν για την μέτρηση μεγάλων τάσεων ή εντάσεωνΔιακρίνονται σε Μετασχηματιστές Τάσης και Μετασχηματιστές ΈντασηςΠαρεμβάλλονταιμεταξύτωναγωγώντουδικτύουκαιτουοργάνουμέτρησηςκαιυποβιβάζουν,μεβάσητησχέσημεταφοράς,τηντάσηήτην ένταση που θέλουμε να μετρήσουμε . Στους Μ/Σ οργάνων μέτρησης έχουμε μεταφορά μικρής ποσότητας ισχύος, σε αντίθεση με τους μετασχηματιστές ισχύοςΓια λόγους ασφαλείας, το ένα άκρο του δευτερεύοντος γειώνεταιΕίδη Μ/Σ Οργάνων ΜέτρησηςΜ/Σ τάσης (Voltage Transformers – VT ή PT) Το πρωτεύον συνδέεται παράλληλα στο δίκτυο και το δευτερεύον παράλληλα με το βολτόμετρο .Μ/Σ έντασης (Current Transformers – CT) Το πρωτεύον συνδέεται σε σειρά στο δίκτυο και το δευτερεύον σε σειρά με το αμπερόμετρο .Προσοχή:Ποτέ δεν αφήνουμε ανοικτό το δευτερεύον κύκλωμα των CT — μπορεί να δημιουργηθεί υψηλή τάση και να προκληθεί ηλεκτροπληξία ή ζημιά.ΑΣΚΗΣΕΙΣ1.Σε 1Φ M/Σ 5000V/50V βραχυκυκλώνουμε το δευτερεύον και εφαρμόζουμε τάση 100 V στο πρωτεύον . Αν το πρωτεύον και το δευτερεύον διαρέονται από τα ονομαστικά τους ρεύματα , να υπολογιστεί η επί τοις εκατό τάση βραχυκύκλωσης .Ποιες τιμές έχουν τα ονομαστικά ρεύματα πρωτεύοντος και δευτερεύοντος εάν το βραχυκυκλωμένο δευτερεύον διαρρέεται από ρεύμα 5000 Α και στο πρωτεύον εφαρμόζεται η ονομαστική του τάση .2.1Φ Μ/Σ ισχύος 5000VA και εκατοστιαίας τάσης βραχυκύκλωσης 5%, τροφοδοτεί φορτίο 50Ω. Να υπολογίσετε το ρεύμα βραχυκύκλωσης Ι2Κ του Μ/Σ.3.Σε 1Φ Μ/Σ, 5000/500V, ισχύος S=5000VA να υπολογίσετε το ρεύμα πρωτεύοντος και δευτερεύοντος, καθώς και τη σχέση μεταφοράς. 4.Ο πυρήνας ενός μετασχηματιστή διαρρέεται από μαγνητική ροή 0,001 Vs και η συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος που τροφοδοτεί το πρωτεύον είναι f = 50 Hz . Να βρεθεί η ηλεκτρεγερτική δύναμη που δημιουργείται στο δευτερεύον , όταν αυτό έχει W2 = 500 σπείρες .5.Ποιος είναι ο αριθμός των σπειρών W1 ενός μετασχηματιστή , ο οποίος έχει W2 = 1500 και ο οποίος στη λειτουργία χωρίς φορτίο όταν τροφοδοτήθηκε με τάση U1 = 10 Volts έδωσε U2 = 100 Volts . Ποια η σχέση μεταφοράς του μετασχηματιστή ;6.Ένας μονοφασικός μετασχηματιστής δίνει ένταση δευτερεύοντος Ι2 = 1 Α με τάση U2 = 10 Volts ενώ η τάση του δικτύου τροφοδοτήσεως είναι 100 Volts . Ποια ένταση ρεύματος παρουσιάζει αυτός ο μετασχηματιστής στο δίκτυο τροφοδοτήσεως .7.Ποια είναι η επί τις εκατό τάση βραχυκύκλωσης ενός μετασχηματιστή 6000 / 400 V , στον οποίο στο πείραμα βραχυκυκλώσεως , για να έχουμε την ονομαστική ένταση στο δευτερεύον , χρειάσθηκε να τροφοδοτήσουμε το πρωτεύον με τάση 300 V.8.Να υπολογισθεί το ρεύμα βραχυκυκλώματος στο δευτερεύον τύλιγμα ενός Μ/Σ 20/0,4KV ονομαστικής ισχύος 400 KVA με τάση βραχυκύκλωσης 10% . 9.Μονοφασικός μετασχηματιστής έχει πραγματική ισχύ 1000 W και συντελεστή ισχύος 0,9 . Να υπολογίσετε την φαινόμενη και την άεργη ισχύ . Να επαναλάβετε την άσκηση για τριφασικό μετασχηματιστή .QUIZ: ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣΕργασία
Σκοπός του Κεφαλαίου Γνωστικοί ΣτόχοιΌτανθαέχετεολοκληρώσειτημελέτητουκεφαλαίου,θα είστε σε θέση να:1.αναφέρετετιςκυριότερεςδιακρίσειςενός Μετασχηματιστή2.εξηγείτε την Αρχή Λειτουργίας ενός Μετασχηματιστή3.διακρίνετετηδιαφοράμεταξυτηςλειτουργίαςενός Μετασχηματιστή με φορτίο και χωρίς φορτίο4.ορίζετε τη σχέση μεταφοράς ενός Μετασχηματιστή5.περιγράφετετόπείραμαβραχυκύκλωσηςενός μετασχηματιστή6.ορίσετετησχέσητηςεκατοστιαίαςτάσης βραχυκύκλωσηςκαιτηςέντασηςρεύματος βραχυκυκλώματος7.ορίζετετιςσχέσειςπουδίνουντιςισχύςενός Μετασχηματιστή8.εξηγείτε τη χρησιμότητα ενός Μετασχηματιστή 1:19.περιγράφετετονΑυτομετασχηματιστήκαιναεξηγείτε τηβασικήτουδιαφοράσεσχέσημεέναντυπίκό Μετασχηματιστή10.ορίσετετησχέσηπουσυσχετίζειτηφαινόμενηισχύ ενόςΑυτομετασχηματιστήμετηφαινόμενηισχύενός αντίστοιχου τυπικού Μετασχηματιστή11.περιγράφουντουςΜετασχηματιστέςοργάνων μέτρησης και να τους διακρίνουν στις κατηγορίες τουςΣυναισθηματικοί Στόχοι (Στάσεις)12.Ομαθητήςθαεπιδεικνύειενδιαφέρονγιατηντεχνική εφαρμογήτωνμετασχηματιστώνστηνκαθημερινότητα και στη βιομηχανία.13.Ομαθητήςθατηρείθετικήκαιυπεύθυνηστάση απέναντιστησυνεργασίακαιστηνακρόασητων απόψεων των συμμαθητών του. Ψυχοκινητικοί Στόχοι (Δεξιότητες)14.Ομαθητήςθαμπορείνασχεδιάζειένααπλόσχηματικό διάγραμμαμετασχηματιστήμεπρωτεύονκαι δευτερεύον τύλιγμα και ενδείξεις των τάσεων.ατος.15.Ομαθητήςθαμπορείναχειρίζεται(εφόσονυπάρχειστο εργαστήριο)απλόεπιτραπέζιομοντέλο μετασχηματιστή για παρατήρηση μεταβολής τάσης.
Γιατίναμηναντικαταστήσουμετους μετασχηματιστέςοργάνωνμέτρησης- μετασχηματιστέςτάσηςήέντασης-μεδιαιρέτες τάσης ή έντασηςΗαπάντησησχετίζετεμετηνκατανάλωσηισχύος. Συγκεκριμέναοιμετασχηματιστέςοργάνων μέτρησηςκαταναλώνουνμικρήισχύ,σεαντίθεση με τους διαιρέτες τάσης και έντασης
Γιατί μας ενδιαφέρει το ρεύμα βραχυκύκλωσης: Ηγνώσητηςτιμήςτουρεύματοςβραχυκυκλώματος στηνπλευράχαμηλήςτάσηςτουΜ/Σείναιπολύ σημαντική,διότιμεβάσηαυτήτηντιμήπρέπεινα επιλέξουμετονεξοπλισμόχαμηλήςτάσης(ασφάλειες, διακόπτεςισχύοςκ.λπ.)ωςπροςτηναντοχήτουσε βραχυκύκλωμα.
Διαφορές Αυτοματασχηματιστή με Συμβατικό Μετασχηματιστή
Τι είναι ένας ιδανικός μετασχηματιστής;Έναςιδανικόςμετασχηματιστήςείναιέναθεωρητικό μοντέλοπουχρησιμοποιείταιγιατηναπλοποίησητης ανάλυσηςπραγματικώνμετασχηματιστών.Προϋποθέτει τέλειεςσυνθήκεςόπωςμηδενικέςαπώλειες,100% απόδοση και άπειρη διαπερατότητα του πυρήνα.
Γιατί βουίζουν οι μετασχηματιστές;Ελβετοίεπιστήμονεςεξήγησανγιαπρώτηφοράσε μικροσκοπικόεπίπεδο,γιατίοιμεγάλοι μετασχηματιστέςπουμετασχηματίζουντο εναλλασσόμενορεύμααπόυψηλότερησεχαμηλότερη τάση κάνουν κάποιο βόμβο όταν λειτουργούνΌταντορεύμααντιστρέφειτηνπολικότητάτου50φορέςτο δευτερόλεπτο,οσιδερένιοςπυρήναςτουμετασχηματιστή παθαίνειμαγνητοσυστολήδύοφορέςσεκάθεκύκλοτου ρεύματος.Μεάλλαλόγια,100φορέςτοδευτερόλεπτο,τα επαγόμεναπεδίακάνουντονπυρήναναμεταβάλλειτο μέγεθόςτουελαφρά,-έναςπυρήναςμεγέθουςενόςμέτρου διαστέλλεταιήσυστέλλεταιμόνοκατάέναμικρόμετρο- αλλά έστω και αυτή η μικρή διαστολή είναι ικανή να παράγει ένα βόμβο συχνότητας 100 Hz. (ΗίδιαηΓηείναιέναςμαγνήτης.Εξαιτίαςτουδικούτης μαγνητικούπεδίου,ηδιάμετροςτηςΓηςμεταβάλλεται συστελλόμενηκατά10cm.Ανυποτεθείότιμηδενιζόταντο γήινομαγνητικόπεδίοηΓηθαεπανερχότανστοκανονικό τηςμέγεθος,τοεμβαδόντηςεπιφανείαςτηςθααυξανόταν τότε κατά περίπου 10 τετραγωνικά χιλιόμετρα.) Ηνέαπειραματικήδουλειάδιερευνάθεωρίεςπουανάγονται στηνεποχήτουWernerHeisenbergτηνδεκαετίατου1920, γιατοπωςπροκύπτειησυστολήαπότιςμαγνητικές αλληλεπιδράσεις(ανταλλαγήσπιν)μεταξύτωνζευγώντων ατόμων(διμερή),ταοποίαέχουνένακοινόηλεκτρόνιο.Τα δύομαγνητικάιόνταπροσπαθούνμετηναλληλεπίδρασή τους αυτή να πλησιάσουν μεταξύ τους. Οσίδηροςδενείναιτοπιοκατάλληλουλικόγιατημελέτη τουφαινομένου,καιοιΕλβετοίεπιστήμονεςτου εργαστηρίουΕΤΗτηςΖυρίχηςκαιτουπανεπιστημίουτης Βέρνης,χρησιμοποιούνέναάλλομαγνητικόάτομο,αυτό τουμαγγανίου.ΤοMnείναιένακοινόυλικόπου χρησιμοποιείταισεσυστήματαπουεμφανίζουν μαγνητοαντίστασηκαιχρησιμεύουνγιααποθήκευση δεδομένωνστουςπερισσότερουςσκληρούςδίσκους.Σεένα καθαρόκρύσταλλο,ταάτοματουMnθαδιαταχθούν συνήθωςσεατελείωτεςευθείεςαλυσίδες.Αλλάστοπείραμα αυτόταάτοματουMnείναιαπομονωμένα,ανάδυάδες,ενώ μεταξύτουςπαρεμβάλλονταιπολλάάτομαμαγνησίου.Αυτό επιτρέπειστουςερευνητέςναμεταβάλλουνεξασθενίζοντας όσοεπιθυμούντιςμαγνητικέςαλληλεπιδράσειςμεταξύτων ατόμων του Mn. Ηισχύςαυτώντωναλληλεπιδράσεων(ηγιαναείμαστεπιο ακριβείς,ταενεργειακάεπίπεδαπουκαταλαμβάνουντα διεγερμένααπότηναλληλεπίδρασηάτοματουμαγγανίου), μετρείταιμεσκέδασημιαςδέσμηςνετρονίωναπότοδείγμα. Ηδιαδικασίααυτήαποτελείτημέθοδοφασματοσκοπίας νετρονίων.Ημαγνητοσυστολήπουπαρατηρήθηκεμοιάζει μετησυστολήπουπαρατηρείταισεμακροσκοπικόεπίπεδο, αλλάδιαφέρεισημαντικάαπότηνπρόβλεψητουαπλού μοντέλου του Heisenberg.
Ορόλοςτωνμετασχηματιστώνστοδίκτυομεταφοράς ηλεκτρικήςενέργειαςείναικαθοριστικόςγιατην αποδοτική και ασφαλή λειτουργία του.Τι κάνουν οι μετασχηματιστές στο δίκτυο:Ανυψώνουντηντάσησταεργοστάσιαπαραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας:Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται με τάση π.χ. 10–30 kV.Μετασχηματιστέςανυψώνουντηντάσησεπολύυψηλά επίπεδα (μέχρι και 400.000 V).Αυτόγίνεταιγιαναμειωθούνοιαπώλειεςενέργειαςκατά τη μεταφορά σε μεγάλες αποστάσεις.Υποβιβάζουν την τάση κοντά στα σπίτια και τις πόλεις:Πρινφτάσειηενέργειαστονκαταναλωτή,οι μετασχηματιστέςυποβιβάζουντηντάσηστα230V (οικιακή χρήση) ή 400 V (βιομηχανική χρήση).Αυτόγίνεταιγιαασφάλειακαισυμβατότηταμετις ηλεκτρικές συσκευές.Τι πρόβλημα θα υπήρχε χωρίς μετασχηματιστές;Ημεταφοράσεχαμηλήτάσηθαείχετεράστιεςαπώλειες ενέργειας (ως θερμότητα).Τακαλώδιαθαέπρεπεναείναιτεράστιασεπάχος,κάτι που είναι ανέφικτο και πολύ ακριβό.Ηηλεκτρικήενέργειαδενθαμπορούσεναμεταφερθείσε μεγάλες αποστάσεις.Ηπαροχήρεύματοςστασπίτιαθαήτανεπικίνδυνηή ασταθής.Συμπέρασμα:Οιμετασχηματιστέςείναιαπαραίτητοιγιατην αποτελεσματική,ασφαλήκαιοικονομικήμεταφορά ηλεκτρικήςενέργειαςαπόταεργοστάσιαπαραγωγήςέως τον τελικό καταναλωτή.
Τι μας λέει πρακτικά η Τάση Βραχυκύκλωσης;Όσομικρότερηείναιητάσηβραχυκύκλωσης,τόσο καλύτερηηποιότητατουμετασχηματιστή(μικρότερες απώλειες, μικρότερη πτώση τάσης).Είναισημαντικήγιατονυπολογισμότων βραχυκυκλωματικών ρευμάτων στο δίκτυο.Βοηθάστονσχεδιασμότωνμέτρωνπροστασίας (ασφάλειες, διακόπτες, κ.λπ.).
Να μετρήσουμε την τάση βραχυκύκλωσης ενός Μ/ΣΥλικά:Μετασχηματιστής (γνωστής ονομαστικής ισχύος και τάσης)Βαθμονομημένο αμπερόμετρο (στο πρωτεύον κύκλωμα)Βολτόμετρο (για μέτρηση τάσης στο πρωτεύον)AC τροφοδοτικό (ρυθμιζόμενης τάσης)Καλώδια σύνδεσης Προσοχή:Η διαδικασία πρέπει να γίνει σε ελεγχόμενοεργαστηριακό περιβάλλον και υπό επίβλεψη καθηγητή, γιατί περιλαμβάνει βραχυκύκλωση.Διαδικασία:Βραχυκύκλωσε με ασφάλεια το δευτερεύον τύλιγμα (σύνδεσέ το με καλώδιο πολύ χαμηλής αντίστασης).Σύνδεσε το πρωτεύον τύλιγμα με ρυθμιζόμενη AC πηγή.Τοποθέτησε αμπερόμετρο και βολτόμετρο στο πρωτεύον κύκλωμα.Αύξανε σταδιακά την τάση μέχρι να δείξει τοαμπερόμετρο το ονομαστικό ρεύμα του μετασχηματιστή.Κατέγραψε την τιμή της τάσης στο βολτόμετρο. Αυτή είναι η τάση βραχυκύκλωσης
Τι κάνουν οι Μ/Σ 1:1;Δεν αλλάζουν την τάση ή το ρεύμα (στη θεωρία).Παρέχουν ηλεκτρική απομόνωση μεταξύ εισόδου και εξόδου.Χρησιμοποιούνταιγιαπροστασία,θωράκισηκαιαπομόνωση κυκλωμάτων, όχι για μεταβολή τάσηςΠού χρησιμοποιούνται οι Μ/Σ 1:1;Συστήματαασφαλείαςήεργαστηριακάκυκλώματα,για απομόνωση του χρήστη από το ηλεκτρικό δίκτυο.Ιατρικέςσυσκευές,γιαναπροστατεύεταιοασθενήςαπό ηλεκτροπληξία.Ηχητικάσυστήματα,γιανααπομονωθούνπαρεμβολέςή θόρυβος (hum isolation).Δοκιμέςηλεκτρονικών,όπουχρειάζεταιναχωρίσειςηλεκτρικά δύο κυκλώματα χωρίς να αλλάξεις τις ηλεκτρικές τους τιμές.Παράδειγμα:Ανέχειςέναμετασχηματιστή1:1καιεφαρμόσεις230Vστο πρωτεύον,θαπάρειςπερίπου230Vκαιστοδευτερεύον,αλλά χωρίς άμεση ηλεκτρική σύνδεση.
Που χρησιμοποιούνται οι Αυτομετασχηματιστές:Ρυθμιζόμενα τροφοδοτικά (π.χ. variac)Συστήματαελέγχουτάσηςσεοικιακέςήβιομηχανικές εγκαταστάσειςΜείωσηήαύξησητάσηςσεδίκτυαηλεκτρικήςενέργειας (όπου δεν απαιτείται απομόνωση)