Μετασχηµατιστής γαλβανικής αποµόνωσης

Transcript

1 Μετασχηµατιστής γαλβανικής αποµόνωσης άρθρο του george hmmy Ο µετασχηµατιστής γαλβανικής αποµόνωσης, ή µετασχηµατιστής ένα προς ένα, είναι µια ειδική περίπτωση µετασχηµατιστή όπου τόσο το πρωτεύον τύλιγµα όσο και το δευτερεύον, δουλεύουν µε την ίδια τάση. Με το τρόπο αυτό έχουµε τη δυνατότητα να δηµιουργούµε ένα κύκλωµα ανεξάρτητο από αυτό της εταιρείας παροχής ηλεκτρικού ρεύµατος µε απώτερο στόχο την προστασία µας από την περίπτωση διαρροής. Τι είναι όµως ρεύµα, µετασχηµατιστής, διαρροή? Τι είναι το ρεύµα και τι η τάση Το ρεύµα ορίζεται ως η προσανατολισµένη κίνηση των ηλεκτρονίων τα οποία αποτελούν τους φορείς του ηλεκτρικού ρεύµατος. Το ρεύµα είναι αποτέλεσµα της εφαρµογής διαφοράς δυναµικού, της συνθήκης δηλαδή που θα προκαλέσει τη κίνηση των ηλεκτρονίων. Το δυναµικό (η τάση) µετριέται σε volt προς τιµή του Ιταλού φυσικού Αλεσάντρο Βόλτα, ο οποίος ανακάλυψε τη βολταϊκή στήλη, τον πρόδροµο των σύγχρονων µπαταριών. Alessandro Guiseppe Antonio Anastasio olta Γεννήθηκε στις 18 Φεβρουαρίου 1745 και µεγάλωσε στο Como του Lombardy. Άργησε πολύ να µιλήσει, µετά τα 4 χρόνια, και πολλοί είχαν θεωρήσει ότι είναι αποτέλεσµα νοητικής καθυστέρησης. Σύντοµα, σε ηλικία εφτά ετών, έφτασε το επίπεδο των συµµαθητών του και άρχισε σταδιακά να ξεχωρίζει. Οι γονείς του ήθελαν να γίνει δικηγόρος, το πάθος του όµως για τη φυσική ήταν ανίκητο και το 1774 έγινε καθηγητής φυσικής στο λύκειο του Como. Μετά από µια διένεξη που είχε µε το Luigi Galvani, έθεσε ως στόχο την κατασκευή της στήλης Βόλτα, κάτι το οποίο πέτυχε το Πέθανε στις 5 Μαρτίου του Η τάση χωρίζεται σε δύο µεγάλες κατηγορίες ανάλογα µε την κίνηση που προκαλεί στα ηλεκτρόνια, το συνεχές ρεύµα (DC Direct Current) και το εναλλασσόµενο ρεύµα (AC Alternative Current). Συνεχές ρεύµα έχουν όλες οι µπαταρίες ενώ εναλλασσόµενο οι πρίζες του σπιτιού µας. Αρχικά, στα πρώτα βήµατα του ανθρώπου στο τοµέα του ηλεκτρισµού, οι παραγωγικοί σταθµοί και οι συσκευές ήταν κατασκευασµένες για να λειτουργούν µε συνεχές ρεύµα. Στη πορεία ανακαλύφθηκε το εναλλασσόµενο, το οποίο υπερτερούσε σε σχέση µε το συνεχές κυρίως σε ένα σηµείο, το οποίο αµέσως το έβαλε πρώτο στη σειρά προτίµησης µε αποτέλεσµα το συνεχές να έχει σήµερα σχεδόν εξαφανιστεί. Το πλεονέκτηµα αυτό ήταν ότι το εναλλασσόµενο µπορούσε να µετασχηµατισθεί, να µεταβάλλεται δηλαδή η τιµή της τάσης του κατά βούληση. Αυτό είναι αποτέλεσµα της ιδιότητας του εναλλασσόµενου ρεύµατος (ΕΡ) να µεταβάλει διαρκώς την τιµή της τάσης και κατ επέκταση του ρεύµατος που το διαρρέει. Οι πρίζες του σπιτιού µας έχουν παροχή αρµονικά εναλλασσόµενου ρεύµατος, ρεύµα δηλαδή το οποίο µεταβάλλεται ηµιτονικά µε την πάροδο του χρόνου. Μάλιστα, ανάλογα µε τη συχνότητα του ρεύµατος, αλλάζει η περίοδος της µεταβολής. Στην Ελλάδα και σχεδόν στις περισσότερες χώρες της Ευρώπης, έχει καθιερωθεί η συχνότητα των 50Hz το οποίο σηµαίνει ότι σε ένα δευτερόλεπτο έχουν πραγµατοποιηθεί 50 περίοδοι.

2 Η γραφική απεικόνιση µίας περιόδου ηµιτονικά ΕΡ φαίνεται στο σχήµα που ακολουθεί, όπου είναι ξεκάθαρο ότι εναλλάσσεται η φορά του ρεύµατος, χονδρικά ας πούµε το συν και το πλην. Στη συγκεκριµένη περίπτωση, ο χρόνος εναλλαγής του προσήµου της τάσης είναι η µισή περίοδος. Αντίθετα, στο συνεχές ρεύµα η φορά της τάσης και του ρεύµατος παραµένουν σταθερά στη διάρκεια του χρόνου. Μπορεί να µεταβάλλεται η τιµή τους, το πρόσηµο όµως παραµένει σταθερό. Τα ακόλουθα φαίνονται καλύτερα στο παρακάτω διάγραµµα:

3 Συσκευές παραγωγής εναλλασσόµενου ρεύµατος Το ρεύµα πλέον αποτελεί την ικανή και αναγκαία συνθήκη για τη λειτουργία των πάντων στη ζωή µας. Στα µέσα συγκοινωνίας (µετρό, τρόλεϊ), στο φωτισµό, στη θέρµανση, στη διασκέδαση, παντού. Για να καταλάβει κανείς τη σπουδαιότητά του ας αναλογιστεί τις ώρες εκείνες που διακόπτεται η παροχή του. Αλλάζει η ζωή µας µέσα σε λίγα λεπτά. Ακριβώς λοιπόν επειδή είναι τόσο απαραίτητο και καθόσον βρίσκονται διαρκώς και νέες εφαρµογές, αυτό έχει ως συνέπεια την αυξηµένη ζήτησή του. Οι τρόποι παραγωγής είναι οι θερµοηλεκτρικοί σταθµοί, οι υδροηλεκτρικοί, οι ατµοηλεκτρικοί και πιλοτικά ακόµα στην Ελλάδα, οι αιολικοί και οι ηλιακοί σταθµοί, ως ανανεώσιµες πηγές ενέργειας. Επίσης, υπάρχουν και πυρηνικοί σταθµοί, αλλά στη χώρα µας εξαιτίας της υψηλής επικινδυνότητας (καθότι είµαστε σεισµογενείς περιοχή) η δηµιουργία ενός τέτοιου σταθµού είναι αδύνατη. Η βασική ιδέα στην οποία στηρίζεται η παραγωγή του ΕΡ φαίνεται στο σχήµα που ακολουθεί. Ανάµεσα στις δυναµικές γραµµές ενός µαγνητικού πεδίου περιστρέφεται συρµάτινο πλαίσιο (πηνίο) το οποίο έχει ως αποτέλεσµα την επαγωγή τάσης. Οι συσκευές που παράγουν το εναλλασσόµενο ρεύµα ονοµάζονται γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος και για λόγους οικονοµίας, συµµετρίας και ευκολίας, οι σύγχρονες µηχανές παράγουν τριφασικό ρεύµα το οποίο είναι απλώς µια σύνθετη αρµονικά εναλλασσόµενη τάση. Η γραφική παράσταση της τάσης αυτής φαίνεται στο σχήµα που ακολουθεί. Τα ηµίτονα (οι τάσεις δηλαδή) έχουν διαφορά φάσης µεταξύ τους 120.

4 Η αρχή λειτουργίας για τις γεννήτριες παραγωγής τριφασικού ΕΡ φαίνεται στο παρακάτω σχήµα: Υπάρχουν και φορητές συσκευές παραγωγής ρεύµατος, προκειµένου να καλύψουµε τις ανάγκες µας, είτε σε µια περίπτωση διακοπής, είτε σε περιπτώσεις που δεν έχουµε µόνιµη παροχή από την εταιρεία ηλεκτρικού ρεύµατος. εν είναι λίγες οι φορές όπου σε ευαίσθητα σηµεία (λόγου χάρη νοσοκοµεία) υπάρχει σύστηµα που τίθεται αυτόµατα σε λειτουργία σε περίπτωση διακοπής. Ένα τέτοιο φαίνεται στην παρακάτω φωτογραφία:

5 Ο µετασχηµατιστής και η αρχή λειτουργίας του Ο µετασχηµατιστής εν γένει, αποτελείται από δύο πηνία συνήθως τυλιγµένο το ένα µέσα στο άλλο ή και σε διαφορετική διάταξη. Το σηµαντικό είναι τα πηνία αυτά να βρίσκονται σε µαγνητική επαφή, κάτι το οποίο επιτυγχάνεται µε τη βοήθεια µαλακών σιδηροµεταλλευµάτων, λόγου χάρη φερίτη. Στη µία πλευρά του µετασχηµατιστή, στο ένα ζευγάρι ακροδεκτών του δηλαδή, τοποθετείται η τάση που θέλουµε είτε να υποβιβάσουµε είτε να ανυψώσουµε. Κατά σύµβαση η πλευρά αυτή του µετασχηµατιστή ονοµάζεται πρωτεύον. Η πλευρά εξόδου ονοµάζεται δευτερεύον. Αν είµαστε σε θέση να γνωρίζουµε τις στροφές του κάθε πηνίου ή τις τάσεις εισόδου και εξόδου, είναι εύκολο να βρούµε το λόγο µετασχηµατισµού. Έστω ότι στο πρωτεύον τύλιγµα έχουµε 1000 (Ν 1 ) στροφές και στο δευτερεύον 100 (Ν 2 ). (αν οι στροφές στο πρωτεύον είναι περισσότερες από το δευτερεύον αυτό έχει ως συνέπεια η τάση εξόδου να είναι µικρότερη από αυτή της τάσης εισόδου µε αποτέλεσµα ο µετασχηµατιστής να χαρακτηρίζεται ως διαιρέτης ενώ στην αντίθετη περίπτωση ως πολλαπλασιαστής) Αυτοµάτως ξέρουµε για την τάση εισόδου ( in ) και την τάση εξόδου ( out ) ότι ισχύουν τα εξής: IN OUT N N 1 = = n 2 = 1000 = Άρα, σαν συµπέρασµα έχουµε ότι η τάση εξόδου είναι το ένα δέκατο της τάσης εισόδου. Στο µετασχηµατιστή ένα προς ένα εύκολα παρατηρούµε ότι ισχύει: IN OUT = 1 IN = OUT

6 Η γραφική απόδοση των παραπάνω συνοψίζεται εδώ: Για ποιο λόγο όµως είναι τόσο σπουδαία ανακάλυψη ο µετασχηµατιστής ένα προς ένα? Ακριβώς γιατί ο ρόλος του είναι να µας προστατεύει από τον κίνδυνο της ηλεκτροπληξίας! Αυτό γίνεται χάρη σε αυτό που ειπώθηκε παραπάνω, ότι για να υπάρχει ηλεκτρικό ρεύµα δεν αρκεί η ύπαρξη δυναµικού αλλά διαφοράς δυναµικού. Άρα, όταν ο µετασχηµατιστής δίνει τάση εξόδου όση και η πρίζα, µε τη διαφορά ότι είναι αποµονωµένο από το κύκλωµα της ΕΗ, αυτόµατα δεν κινδυνεύουµε και να πιάσουµε γυµνό το ένα καλώδιο από την έξοδο του. Βέβαια, θα αναρωτηθεί κάποιος για ποιο λόγο ενώ ακουµπώ το ένα καλώδιο της πρίζας πολλές φορές µε χτυπάει το ρεύµα? Αυτό είναι αποτέλεσµα του εξής πράγµατος: η ΕΗ στις γεννήτριες παραγωγής τριφασικού ρεύµατος γειώνει τον ουδέτερο µε αποτέλεσµα όταν ακουµπάµε το καλώδιο της φάσης να κλείνουµε κύκλωµα και το σώµα µας να διαρρέεται από ρεύµα. Οι γεννήτριες αυτές έχουν σαν έξοδο 4 άκρα. Τα τρία από αυτά ονοµάζονται φάσεις, συµβολίζονται µε τα λατινικά γράµµατα R, S, T ενώ το τέταρτο, ο ουδέτερος, συµβολίζεται µε το γράµµα Ν, και η φασική τάση µεταξύ τους είναι (για την Ελλάδα) 380volt ενώ η πολική 220volt. Τα παραπάνω συνοψίζονται στο ακόλουθο σχήµα όπου φαίνεται η µονάδα παραγωγής καθώς και το τριφασικό φορτίο: Το σύµβολο αυτό συµβολίζει τη γείωση.

7 Η µέθοδος της γαλβανικής αποµόνωσης πλέον χρησιµοποιείται κατά κόρον σε περιπτώσεις που είτε υπάρχει άµεση επαφή µε νερό, λόγου χάρη σε πισίνες και σιντριβάνια, σε περιπτώσεις υψηλής επικινδυνότητας για ατύχηµα, λόγου χάρη σχολεία και εργαστήρια, και εν γένει χρησιµοποιείται όπου θέλουµε να ελαχιστοποιήσουµε την πιθανότητα ηλεκτροπληξίας. Στα ενυδρεία µας τώρα µπορούµε πολύ εύκολα να παρεµβάλουµε µόνοι µας έναν τέτοιο µετασχηµατιστή στο ηλεκτρικό κύκλωµα καθώς δεν απαιτεί ιδιαίτερες γνώσεις παρά µόνο να αθροίσουµε την αναγραφόµενη ισχύ όλων των συσκευών του ενυδρείου και να προµηθευτούµε από µαγαζί µε ηλεκτρολογικό υλικό τον κατάλληλο µετασχηµατιστή. εν πρέπει να ξεχνάµε ότι αν η συνολική κατανάλωση είναι 1.000watt θα πρέπει να προµηθευτούµε ένα µετασχηµατιστή τουλάχιστον 1.500watt ώστε αφενός αυτός να µην δουλεύει στο 100% του και αφετέρου να έχουµε τη δυνατότητα στο µέλλον να προσθέσουµε κάποια ακόµη συσκευή, εάν χρειαστεί. Επιπλέον, η µεγαλύτερη κατανάλωση στο ενυδρείο είναι τα φωτιστικά σώµατα, τα οποία στη περίπτωση που βρίσκονται σε απόσταση από το ενυδρείο είναι περιττό να παρεµβληθούν στο κύκλωµα της γαλβανικής αποµόνωσης, καθότι εφόσον δεν βρίσκονται σε επαφή ή πλησίον του νερού, δεν κινδυνεύουµε. Και επιπλέον στη συντριπτική πλειοψηφία των περιπτώσεων, αυτά είναι ήδη γειωµένα. Το να µην παρεµβληθούν τα φωτιστικά σώµατα στο κύκλωµα εξυπηρετεί σε έναν ακόµη σκοπό, ο µετασχηµατιστής όσο περισσότερο ρεύµα του ζητάµε τόσο µεγαλύτερη εσωτερική κατανάλωση έχει και όσο πιο µικρός τόσο µεγαλύτερη είναι. (πρακτικά σηµαίνει ότι αν έχω κατανάλωση 1.000watt και ο µετ/της είναι 1.500watt έχει µεγαλύτερη εσωτερική κατανάλωση, για το ίδιο φορτίο, από ένα µετ/τη 3.000watt) Με τον τρόπο αυτό πρακτικά µηδενίζουµε το ρεύµα που καταναλώνεται εσωτερικά στο µετασχηµατιστή µας. Τι είναι η διαρροή Ο σηµαντικότερος κίνδυνος που έχουµε να αντιµετωπίσουµε στα ενυδρεία µας, είναι ο κίνδυνος της ηλεκτροπληξίας σε περίπτωση διαρροής ηλεκτρικού ρεύµατος από κάποια συσκευή. Αυτό µπορεί να συµβεί είτε γιατί το νερό διαπέρασε τη µόνωση της συσκευής (λόγω κακής στεγανότητας για παράδειγµα), είτε γιατί σε κάποιο σηµείο έχει φθαρεί η µόνωση από το καλώδιο, είτε από κάποια άλλη απροσεξία. Σε αυτήν την περίπτωση το δυναµικό του ενυδρείου γίνεται (πάντα) ίσο µε της πρίζας και στην περίπτωση που βάλουµε το χέρι µας µέσα θα υποστούµε το σοκ της ηλεκτροπληξίας. Αρκετά µέσα έχουν ανακαλυφθεί - και οι ερευνητές προβληµατίζονται για την προσθήκη κι άλλων - τα οποία µειώνουν την πιθανότητα ηλεκτροπληξίας. Το κυριότερο από αυτά είναι το ρελέ προστασίας το οποίο για να λειτουργήσει προϋποθέτει την ύπαρξη γείωσης. Στην περίπτωση που δεν υπάρχει γείωση και ακουµπήσουµε το χέρι µας στη διαρροή, το ρόλο της γείωσης τον κάνει το σώµα µας και το ρελέ πέφτει. Στα ενυδρεία, η προσωπική µου εκτίµηση είναι ότι η γείωση κάνει κακό στα ψάρια µας, γιατί δηµιουργεί µονίµως αγώγιµο δρόµο για τις τυχόν απώλειες από κάποια συσκευή. Στο σηµείο αυτό να πω ότι το καλύτερο µέσο προστασίας και αποφυγής ατυχήµατος, είναι πριν από κάθε παρέµβαση στο ενυδρείο µας να βγάζουµε όλες τις πρίζες. Αυτό βέβαια πέρα από βαρετό είναι πολλές φορές και δύσκολο, οπότε καλό είναι να διαλέξουµε και κάποια άλλη µέθοδο προστασίας.

8 ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΠΛΗΞΙΑΣ Παρά τα µέτρα πρόληψης, δυστυχώς, υπάρχει πάντα η περίπτωση να υποστούµε ηλεκτροπληξία. Παρακάτω αναφέρονται ενδεικτικά µερικές από τις συνέπειες που µπορεί να έχει στον ανθρώπινο οργανισµό η διέλευση ρεύµατος. Σε στιγµιαία επαφή µε ηλεκτρικό αγωγό, προκαλείται κυτταρική βλάβη (θραύση και λύση κυττάρων) µη σχετιζόµενη µε ελευθέρωση θερµότητας. Σε πιο παρατεταµένη επαφή προστίθεται το στοιχείο του θερµικού εγκαύµατος. To φάσµα των κακώσεων που µπορούν να προκληθούν ποικίλει από περιορισµένη δερµατική βλάβη µέχρι βαριά πολυσυστηµατική νόσο ή άµεσο θάνατο. Η σοβαρότητα και έκταση των βλαβών συχνά διαφεύγει κατά την αρχική εκτίµηση. Παράγοντες που καθορίζουν τις συνέπειες της ηλεκτροπληξίας Ένταση του ρεύµατος. Τάση του ρεύµατος. Γενικά, οι συνέπειες από ρεύµα υψηλής τάσης είναι σοβαρότερες. ιαδροµή του ρεύµατος στο σώµα ιάρκεια επαφής µε το ρεύµα Εκτίναξη και πρόκληση µηχανικής βλάβης Τέλος, αναφέρονται οι άµεσες κλινικές συνέπειες της ηλεκτροπληξίας Κακοήθεις κοιλιακές αρρυθµίες οµική µυοκαρδιακή βλάβη Βλάβες από το κεντρικό νευρικό και περιφερικά νεύρα Μυονέκρωση, ραβδοµυόλυση, µυοσφαιρινουρία και οξεία νεφρική ανεπάρκεια Σύνδροµο διαµερίσµατος Βλάβες αναπνευστικών µυών ιαταραχές κεντρικής ρύθµισης αναπνοής george hmmy 2007