ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ 1 . Εισαγωγή Ο μετασχηματιστής είναι μια συσκευή η οποία μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια μεταξύ δύο κυκλωμάτων , διαμέσου ενός πυρήνα από σιδηρομαγνητικό υλικό που συνδέει μαγνητικά τα δύο κυκλώματα . Οι μετασχηματιστές είναι ανάμεσα στις πιο αποδοτικές ηλεκτρικές μηχανές,   με κάποιες μεγάλες μονάδες να αποδίδουν έως και το 99.75% της ισχύος εισόδου τους στην έξοδό τους.Οι μετασχηματιστές κατασκευάζονται σε ευρεία γκάμα μεγεθών, που κυμαίνονται από μέγεθος νυχιού (όπως αυτοί που βρίσκονται μέσα σε ένα μικρόφωνο) έως τεράστιες μονάδες με βάρος εκατοντάδων τόνων που χρησιμοποιούνται για τη διασύνδεση τμημάτων των εθνικών δικτύων ηλεκτροδότησης. Όλοι λειτουργούν με βάση τις ίδιες αρχές, αν και υπάρχει πληθώρα διαφορετικών υλοποιήσεων. 2 . Είδη και Χρήσεις Μετασχηματιστών Ο μετασχηματιστής είναι μια ηλεκτρική συσκευή που χρησιμοποιείται για να μεταβάλλει την τάση (και την ένταση) ενός εναλλασσόμενου ρεύματος (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 υλικό Δύο   πηνία   (τυλίγματα)   γύρω από τον πυρήνα. Ένα τύλιγμα υψηλής τάσης (Υ.Τ.) και ένα τύλιγμα χαμηλής τάσης (Χ.Τ.) Συμβατικά ονομάζονται πρωτεύον και δευτερεύον αντίστοιχα . Στην πράξη οι Μ/Σ χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις που απαιτείται να έχουμε μέγεθος τάσης διαφορετικό από αυτό που διαθέτουμε . Ο Μ/Σ έχει δύο ονομαστικές τιμές τάσης : μία για το πρωτεύον (U 1 ) και μία για το δευτερεύον (U 2 ) . Ερώτηση Προβληματισμού : Τι νομίζεις ότι θα συμβεί στην τάση ενός κυκλώματος αν τυλίξουμε περισσότερα ή λιγότερα πηνία στο δευτερεύον πηνίο ενός μετασχηματιστή; ……………………………………………………………………………………. Πείραμα & Παρατήρηση Υλικά (πραγματικά ή μέσω προσομοίωσης): Πηγή εναλλασσόμενης τάσης (AC) Μετασχηματιστής με δυνατότητα αλλαγής σπειρών στο πρωτεύον και δευτερεύον τύλιγμα Πολύμετρο Οδηγίες : 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 & Συμπεράσματα Απάντησε 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 μετασχηματιστές 1. Φορτιστές κινητών τηλεφώνων Περιέχουν 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 μετασχηματιστή Πολλά LED φωτιστικά έχουν εσωτερικό μετασχηματιστή για να μετατρέπουν την τάση από AC σε χαμηλή DC. 4. Μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας Στους 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 μικροκυμάτων Περιέχει μετασχηματιστή υψηλής τάσης που αυξάνει την τάση για να λειτουργήσει η λυχνία μικροκυμάτων. 6. Ενισχυτές ήχου και μουσικά όργανα Οι ενισχυτές ηλεκτρικής κιθάρας περιλαμβάνουν μετασχηματιστές για την παροχή σωστής τάσης στα κυκλώματα ή τα λαμπάκια (βαλβίδες). 7. Τρένα & Τραμ (Ηλεκτροκίνηση) Στο σύστημα ηλεκτροδότησης των μέσων μαζικής μεταφοράς χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές για τη ρύθμιση της τάσης ανάλογα με τις 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 1:1 Μ/Σ ηλεκτρικής έλξης Αυτομετασχηματιστές Μ/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 Μετασχηματιστών Όταν το πρωτεύον του Μ/Σ διαρρέεται από εναλλασσόμενο ρεύμα τότε στο εσωτερικό του πυρήνα δημιουργείται μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή (Φ). Αυτή η μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή μεταφέρεται ,μέσω του πυρήνα που είναι σιδηρομαγνητικό υλικό, στο δευτερεύον πηνίο του Μ/Σ. Όταν ένας αγωγός βρίσκεται μέσα σε ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο τότε στα άκρα του εμφανίζεται ηλεκτρεγερτική δύναμη από επαγωγή .Αυτό θα συμβεί στο δευτερεύον πηνίο του Μ/Σ στο οποίο θα εμφανισθεί ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) από επαγωγή που η τιμή της δίνεται από σχέση : Ε 2 = 4,44 f W 2 Φμ Όπου : f : Η συχνότητα σε Hz Φμ : Η μέγιστη τιμή της χρήσιμης μαγνητικής ροής σε Vs W2 : Ο αριθμός των σπειρών του δευτερεύοντος τυλίγματος 4 . Λειτουργία Μετασχηματιστή Λειτουργία Μ/Σ χωρίς φορτίο (εν κενό) : Το δευτερεύον δεν τροφοδοτεί κάποια κατανάλωση. Το δευτερεύον είναι ανοιχτό και δεν υπάρχει ρεύμα Ι 2 . Ενώ το ρεύμα του πρωτεύοντος είναι πολύ μικρό Ι 0 . Λειτουργία Μ/Σ με φορτίο : Το δευτερεύον τροφοδοτεί μια κατανάλωση ή τους ζυγούς ενός δικτύου . α . Λειτουργία Μ/Σ χωρίς φορτίο (εν κενό) – Σχέση Μεταφοράς Ο λόγος των τάσεων του πρωτεύοντος και δευτερεύοντος είναι ίσος με τον λόγο των σπειρών του πρωτεύοντος και δευτερεύοντος . O παραπάνω λόγος ονομάζεται σχέση μεταφοράς Κ δηλαδή: β . Λειτουργία Μ/Σ με φορτίο – Σχέση Τάσεων – Εντάσεων Στην περίπτωση αυτή υπάρχει ρεύμα Ι 2 , ενώ το ρεύμα του πρωτεύοντος είναι Ι 1 > Ι 0 . Αν μετρήσουμε τις εντάσεις ρεύματος πρωτεύοντος και δευτερεύοντος , θα διαπιστώσουμε ότι : ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ Τύλιγμα Χ.Τ. (χαμηλής τάσης) και Μεγάλης Έντασης --> Μικρός Αριθμός Σπειρών και Μεγάλη Διατομή Σπειρών Τύλιγμα Υ.Τ. (υψηλής τάσης) και Μικρής Έντασης --> Μεγάλος Αριθμός Σπειρών και Μικρή Διατομή Σπειρών 5 . Τάση Βραχυκύκλωσης Για 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 U 1 του πρωτεύοντος η ένταση στο βραχυκυκλωμένο δευτερεύον θα γίνει ίση με την ονομαστική ένταση δευτερεύοντος Ι ενώ και η ένταση του πρωτεύοντος θα γίνει ίση με την ονομαστική Ι . Αυτή η τιμή της τάσης είναι η τάση βραχυκύκλωσης . Τάση βραχυκύκλωσης (U ) είναι η τάση που πρέπει να εφαρμοσθεί στο πρωτεύον του Μ/Σ για να διέλθει μέσα από το βραχυκυκλωμένο δευτερεύον , ένταση ρεύματος ίδιας τιμής με το ονομαστικό ) . Εκφράζεται σαν ποσοστό επί της εκατό (u k %) , όπου : ΣΗΜΕΙΩΣΗ : Με συνεχή αύξηση της τάσης στο πρωτεύον έως την ονομαστική τιμή U , μπορούμε να μετρήσουμε στο δευτερεύον του Μ/Σ μία ένταση ρεύματος Ι , που ονομάζεται ένταση βραχυκύκλωσης και συνδέεται με την τάση βραχυκύκλωσης (u k %) με την σχέση : Σημείωση : Οι Τριφασικοί Μ-Σ κατασκευάζονται όπως οι μονοφασικοί Μ/Σ. Έχουν 3 όμοιους κορμούς και σε κάθε ένα κατανέμονται 2 τυλίγματα (ένα Χ.Τ. και ένα Υ.Τ. ανά φάση) Εφαρμογή της Τάσης Βραχυκύκλωσης: Ηλεκτροσυγκολήσεις --> Η συσκευή ηλεκτροσυγκόλησης περιλαμβάνει έναν μετασχηματιστή. Όταν τα δύο ηλεκτρόδια του δευτερεύοντος του μετασχημετιστή ενωθούν, τότε έχουμε την περίπτωση βραχυκύκλωσης. Ως αποτέλεσμα αναπτύσσετε υπερένταση η οποία δημιουργεί ηλεκτρικό τόξο και υψηλή θερμότητα. Αυτή η θερμότητα λιώνει το συγκολλητικό υλικό ώστε να κολλήσει τα δύο κομμάτια μετάλλου 6 . Τυποποίηση συνδέσεων 7 . Ισχύς Μετασχηματιστή Η 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 P b . Η σύνθεση της πραγματικής και της άεργης ισχύος ονομάζεται φαινόμενη ισχύς P S . Η πραγματική ισχύς που απορροφά από το δίκτυο ο Μ/Σ δίνεται από τις σχέσεις : Για μονοφασικό μετασχηματιστή : Ρ 1 = U 1 I 1 συνφ 1 Για τριφασικό μετασχηματιστή : Ρ 1 = 1,73 U 1 I 1 συνφ 1 Επίσης η πραγματική ισχύς που παρέχει σε φορτίο μέσω του δευτερεύοντος ο Μ/Σ δίνεται από τις σχέσεις : Για μονοφασικό μετασχηματιστή : Ρ 2 = U 2 I 2 συνφ 2 Για τριφασικό μετασχηματιστή : Ρ 2 = 1,73 U 2 I 2 συνφ 2 Θα πρέπει να ξεκαθαρίσουμε ότι στο Τριφασικό Δίκτυο εμφανίζονται δυο είδη τάσης, η πολική τάση και η φασική τάση. Την πολική τάση την 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. Παρακάτω βλέπουμε τρία φορτία με άκρα U1-U2, V1-V2, W1-W2 τα οποία έχουν συνδεθεί μεταξύ τους σε αστέρα και σε τρίγωνο και παράλληλα 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 σχέση Στην 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 τάση 8 . Εφαρμογές Μ/Σ - Ειδικοί Μ/Σ 8.1 Μετασχηματιστές 1:1 Έχουν σχέση μεταφοράς 1 , που σημαίνει ότι η τάση U 1 του πρωτεύοντος είναι ίση με τη τάση U 2 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' ένα δίκτυο με γείωση, ηλεκτροπληξία προκαλείται με την επαφή του αγωγού φάσης. Το ανθρώπινο σώμα κλείνει το κύκλωμα ανάμεσα στον αγωγό και στη γη. Η παρεμβολή ενός μετασχηματιστή 1:1, προκαλεί τη γαλβανική απομόνωση μεταξύ του δικτύου και του φορτίου. Για να προκληθεί ηλεκτροπληξία, απαιτείται πλέον η ταυτόχρονη επαφή και με τους δύο αγωγούς κάτι που είναι λιγότερο πιθανό. Ο μετασχηματιστής που παρεμβάλλεται λέγεται και μετασχηματιστής απομόνωσης ή προστασίας. Ο μετασχηματιστής απομόνωσης είναι μέτρο προστασίας έναντι της ηλεκτροπληξίας . Άσκηση Αυτοαξιολόγησης 1 Στις ακόλουθες τρεις περιπτώσεις παρατηρούμε τα εξής: α) στην πρώτη περίπτωση ο χειριστής στο δευτερεύον τύλιγμα δεν παθαίνει ηλεκτροπληξία, σε αντίθεση με τον χειριστή του πρωτεύοντος τυλίγματος β) στη δεύτερη περίπτωση, τόσο ο χειριστής του πρωτεύοντος όσο και του δευτερεύοντος τυλίγματος παθαίνουν ηλεκτροπληξία γ) στην τρίτη περίπτωση ο χειριστής του δευτερεύοντος τυλίγματος παθαίνει ηλεκτροπληξία. Εξηγήστε για ποιο λόγο συμβαίνουν τα παραπάνω. 8.2 Αυτομετασχηματιστές Έχουν μόνο ένα τύλιγμα ,όπου ένα τμήμα του είναι κοινό και για το πρωτεύον και για το δευτερεύον . Η βασική διαφορά (μειονέκτημα ) με τους Μ/Σ με δυο τυλίγματα είναι ότι δεν παρέχουν ηλεκτρική απομόνωση . Ενδείκνυνται για μικρές αλλαγές της τάσης ενός κυκλώματος . Πλεονεκτήματα Χαμηλότερο κόστος κατασκευής Λιγότερες Απώλειες Καλύτερο βαθμό απόδοσης Αποδίδει πολύ μεγαλύτερη φαινόμενη ισχύ εξόδου από αυτή του 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 Μέτρησης Χρησιμεύουν για την μέτρηση μεγάλων τάσεων ή εντάσεων Διακρίνονται σε Μετασχηματιστές Τάσης και Μετασχηματιστές Έντασης Παρεμβάλλονται μεταξύ των αγωγών του δικτύου και του οργάνου μέτρησης και υποβιβάζουν , με βάση τη σχέση μεταφοράς, την τάση ή την ένταση που θέλουμε να μετρήσουμε . Στους Μ/Σ οργάνων μέτρησης έχουμε μεταφορά μικρής ποσότητας ισχύος, σε αντίθεση με τους μετασχηματιστές ισχύος Για λόγους ασφαλείας, το ένα άκρο του δευτερεύοντος γειώνεται Είδη Μ/Σ Οργάνων Μέτρησης Μ/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. ΑΣΚΗΣΕΙΣ 1. 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: ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ Εργασία
· · · · · · · · · ·
ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ, ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ                                                                                                                       1o ΕΠΑΛ ΑΜΑΡΟΥΣΙΟΥ ΤΕΧΝΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ, ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΚΑΙ ΔΙΚΤΥΩΝ                                                                                                 3ο ΕΚ Β ΑΘΗΝΑΣ (ΑΜΑΡΟΥΣΙΟΥ)
Σκοπός του Κεφαλαίου Γνωστικοί Στόχοι Όταν θα έχετε ολοκληρώσ ει τη μελέτη του κεφαλαίου, θα είστε σε θέση να: 1 . αναφέρετε τις κυριότερες διακρίσεις ενός Μετασχηματιστή 2 . εξηγείτε την Αρχή Λειτουργίας ενός Μετασχηματιστή 3 . διακρίνετε τη διαφορά μεταξυ της λειτουργίας ενός Μετασχηματιστή με φορτίο και χωρίς φορτίο 4 . ορίζετε τη σχέση μεταφοράς ενός Μετασχηματιστή 5 . περιγράφετε τό πείραμα βραχυκύκλωσης ενός μετασχηματιστή 6 . ορίσετε τη σχέση της εκατοστιαίας τάσης βραχυκύκλωσης και της έντασης ρεύματος βραχυκυκλώματος 7 . ορίζετε τις σχέσεις που δίνουν τις ισχύς ενός Μετασχηματιστή 8 . εξηγείτε τη χρησιμότητα ενός Μετασχηματιστή 1:1 9 . περιγράφετε τον Αυτομετασχηματιστή και να εξηγείτε τη βασική του διαφορά σε σχέση με έναν τυπίκό Μετασχηματιστή 1 0 . ορίσετε τη σχέση που συσχετίζει τη φαινόμενη ισχύ ενός Αυτομετασχηματιστή με τη φαινόμενη ισχύ ενός αντίστοιχου τυπικού Μετασχηματιστή 1 1 . περιγράφουν τους Μετασχηματιστές οργάνων μέτρησης και να τους διακρίνουν στις κατηγορίες τους Συναισθηματικοί Στόχοι (Στάσεις) 1 2 . Ο μαθητής θα επιδεικνύει ενδιαφέρον για την τεχνική εφαρμογή των μετασχηματιστών στην καθημερινότητα και στη βιομηχανία. 13. Ο μαθητής θα τηρεί θετική και υπεύθυνη στάση απέναντι στη συνεργασία και στην ακρόαση των απόψεων των συμμαθητών του. Ψυχοκινητικοί Στόχοι (Δεξιότητες) 14. Ο μαθητής θα μπορεί να σχεδιάζει ένα απλό σχηματικό διάγραμμα μετασχηματιστή με πρωτεύον και δευτερεύον τύλιγμα και ενδείξεις των τάσεων.ατος. 15. Ο μαθητής θα μπορεί να χειρίζεται (εφόσον υπάρχει στο εργαστήριο) απλό επιτραπέζιο μοντέλο μετασχηματιστή για παρατήρηση μεταβολής τάσης.
Γιατί να μην αντικαταστήσουμε τους μετασχηματιστές οργάνων μέτρησης - μετασχηματιστές τάσης ή έντασης - με διαιρέτες τάσης ή έντασης Η απάντηση σχετίζετε με την κατανάλωση ισχύος. Συγκεκριμένα οι μετασχηματιστές οργάνων μέτρησης καταναλώνουν μικρή ισχύ, σε αντίθεση με τους διαιρέτες τάσης και έντασης
Γιατί μας ενδιαφέρει το ρεύμα βραχυκύκλωσης: Η γνώση της τιμής του ρεύματος βραχυκυκλώματος στην πλευρά χαμηλής τάσης του Μ/Σ είναι πολύ σημαντική, διότι με βάση αυτή την τιμή πρέπει να επιλέξουμε τον εξοπλισμό χαμηλής τάσης (ασφάλειες, διακόπτες ισχύος κ.λπ.) ως προς την αντοχή του σε βραχυκύκλωμα.
Διαφορές Αυτοματασχηματιστή με Συμβατικό Μετασχηματιστή
Τι είναι ένας ιδανικός μετασχηματιστής; Ένας ιδανικός μετασχηματιστής είναι ένα θεωρητικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για την απλοποίηση της ανάλυσης πραγματικών μετασχηματιστών. Προϋποθέτει τέλειες συνθήκες όπως μηδενικές απώλειες, 100% απόδοση και άπειρη διαπερατότητα του πυρήνα.
Γιατί βουίζουν οι μετασχηματιστές; Ελβετοί επιστήμονες εξήγησαν για πρώτη φορά σε μικροσκοπικό επίπεδο, γιατί οι μεγάλοι μετασχηματιστές που μετασχηματίζουν το εναλλασσόμενο ρεύμα από υψηλότερη σε χαμηλότερη τάση κάνουν κάποιο βόμβο όταν λειτουργούν Όταν το ρεύμα αντιστρέφει την πολικότητά του 50 φορές το δευτερόλεπτο, ο σιδερένιος πυρήνας του μετασχηματιστή παθαίνει μαγνητοσυστολή δύο φορές σε κάθε κύκλο του ρεύματος. Με άλλα λόγια, 100 φορές το δευτερόλεπτο, τα επαγόμενα πεδία κάνουν τον πυρήνα να μεταβάλλει το μέγεθός του ελαφρά, - ένας πυρήνας μεγέθους ενός μέτρου διαστέλλεται ή συστέλλεται μόνο κατά ένα μικρόμετρο - αλλά έστω και αυτή η μικρή διαστολή είναι ικανή να παράγει ένα βόμβο συχνότητας 100 Hz. ίδια η Γη είναι ένας μαγνήτης. Εξαιτίας του δικού της μαγνητικού πεδίου, η διάμετρος της Γης μεταβάλλεται συστελλόμενη κατά 10 cm. Αν υποτεθεί ότι μηδενιζόταν το γήινο μαγνητικό πεδίο η Γη θα επανερχόταν στο κανονικό της μέγεθος, το εμβαδόν της επιφανείας της θα αυξανόταν τότε κατά περίπου 10 τετραγωνικά χιλιόμετρα.) Η νέα πειραματική δουλειά διερευνά θεωρίες που ανάγονται στην εποχή του Werner Heisenberg την δεκαετία του 1920, για το πως προκύπτει η συστολή από τις μαγνητικές αλληλεπιδράσεις (ανταλλαγή σπιν) μεταξύ των ζευγών των ατόμων (διμερή), τα οποία έχουν ένα κοινό ηλεκτρόνιο. Τα δύο μαγνητικά ιόντα προσπαθούν με την αλληλεπίδρασή τους αυτή να πλησιάσουν μεταξύ τους. Ο σίδηρος δεν είναι το πιο κατάλληλο υλικό για τη μελέτη του φαινομένου, και οι Ελβετοί επιστήμονες του εργαστηρίου ΕΤΗ της Ζυρίχης και του πανεπιστημίου της Βέρνης, χρησιμοποιούν ένα άλλο μαγνητικό άτομο, αυτό του μαγγανίου. Το Mn είναι ένα κοινό υλικό που χρησιμοποιείται σε συστήματα που εμφανίζουν μαγνητοαντίσταση και χρησιμεύουν για αποθήκευση δεδομένων στους περισσότερους σκληρούς δίσκους. Σε ένα καθαρό κρύσταλλο, τα άτομα του Mn θα διαταχθούν συνήθως σε ατελείωτες ευθείες αλυσίδες. Αλλά στο πείραμα αυτό τα άτομα του Mn είναι απομονωμένα, ανά δυάδες, ενώ μεταξύ τους παρεμβάλλονται πολλά άτομα μαγνησίου. Αυτό επιτρέπει στους ερευνητές να μεταβάλλουν εξασθενίζοντας όσο επιθυμούν τις μαγνητικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων του Mn. Η ισχύς αυτών των αλληλεπιδράσεων για να είμαστε πιο ακριβείς, τα ενεργειακά επίπεδα που καταλαμβάνουν τα διεγερμένα από την αλληλεπίδραση άτομα του μαγγανίου), μετρείται με σκέδαση μιας δέσμης νετρονίων από το δείγμα. Η διαδικασία αυτή αποτελεί τη μέθοδο φασματοσκοπίας νετρονίων. Η μαγνητοσυστολή που παρατηρήθηκε μοιάζει με τη συστολή που παρατηρείται σε μακροσκοπικό επίπεδο, αλλά διαφέρει σημαντικά από την πρόβλεψη του απλού μοντέλου του Heisenberg.
Ο ρόλος των μετασχηματιστών στο δίκτυο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας είναι καθοριστικός για την αποδοτική και ασφαλή λειτουργία του. Τι κάνουν οι μετασχηματιστές στο δίκτυο: Ανυψώνουν την τάση στα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας: Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται με τάση π.χ. 10–30 kV. Μετασχηματιστές ανυψώνουν την τάση σε πολύ υψηλά επίπεδα (μέχρι και 400.000 V). Αυτό γίνεται για να μειωθούν οι απώλειες ενέργειας κατά τη μεταφορά σε μεγάλες αποστάσεις. Υποβιβάζουν την τάση κοντά στα σπίτια και τις πόλεις: Πριν φτάσει η ενέργεια στον καταναλωτή, οι μετασχηματιστές υποβιβάζουν την τάση στα 230 V (οικιακή χρήση) ή 400 V (βιομηχανική χρήση). Αυτό γίνεται για ασφάλεια και συμβατότητα με τις ηλεκτρικές συσκευές. Τι πρόβλημα θα υπήρχε χωρίς μετασχηματιστές; Η μεταφορά σε χαμηλή τάση θα είχε τεράστιες απώλειες ενέργειας (ως θερμότητα). Τα καλώδια θα έπρεπε να είναι τεράστια σε πάχος, κάτι που είναι ανέφικτο και πολύ ακριβό. Η ηλεκτρική ενέργεια δεν θα μπορούσε να μεταφερθεί σε μεγάλες αποστάσεις. Η παροχή ρεύματος στα σπίτια θα ήταν επικίνδυνη ή ασταθής. Συμπέρασμα: Οι μετασχηματιστές είναι απαραίτητοι για την αποτελεσματική, ασφαλή και οικονομική μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας από τα εργοστάσια παραγωγής έως τον τελικό καταναλωτή.
Τι μας λέει πρακτικά η Τάση Βραχυκύκλωσης; Όσο μικρότερη είναι η τάση βραχυκύκλωσης, τόσο καλύτερη η ποιότητα του μετασχηματιστή (μικρότερες απώλειες, μικρότερη πτώση τάσης). Είναι σημαντική για τον υπολογισμό των βραχυκυκλωματικών ρευμάτων στο δίκτυο. Βοηθά στον σχεδιασμό των μέτρων προστασίας (ασφάλειες, διακόπτες, κ.λπ.).
Να μετρήσουμε την τάση βραχυκύκλωσης ενός Μ/Σ Υλικά: 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 ελεγχόμενο εργαστηριακό 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 το αμπερόμετρο 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. Χρησιμοποιούνται για προστασία, θωράκιση και απομόνωση κυκλωμάτων, όχι για μεταβολή τάσης Πού χρησιμοποιούνται οι Μ/Σ 1:1; Συστήματα ασφαλείας ή εργαστηριακά κυκλώματα, για απομόνωση του χρήστη από το ηλεκτρικό δίκτυο. Ιατρικές συσκευές, για να προστατεύεται ο ασθενής από ηλεκτροπληξία. Ηχητικά συστήματα, για να απομονωθούν παρεμβολές ή θόρυβος (hum isolation). Δοκιμές ηλεκτρονικών, όπου χρειάζεται να χωρίσεις ηλεκτρικά δύο κυκλώματα χωρίς να αλλάξεις τις ηλεκτρικές τους τιμές. Παράδειγμα : Αν έχεις ένα μετασχηματιστή 1:1 και εφαρμόσεις 230V στο πρωτεύον, θα πάρεις περίπου 230V και στο δευτερεύον, αλλά χωρίς άμεση ηλεκτρική σύνδεση.
Που χρησιμοποιούνται οι Αυτομετασχηματιστές: Ρυθμιζόμενα τροφοδοτικά (π.χ. variac) Συστήματα ελέγχου τάσης σε οικιακές ή βιομηχανικές εγκαταστάσεις Μείωση ή αύξηση τάσης σε δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας (όπου δεν απαιτείται απομόνωση)