ΤΜΗΜΑ: ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ ΘΕΜΑ: Περιγράψτε τον τρόπο λειτουργίας ενός μονοφασικού μετασχηματιστή. ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: κ. Δημήτριος Καλπακτσόγλου ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ: Αικατερίνης-Χρυσοβαλάντης Γιουσμά Α.Ε.Μ: 6747 1
ΣΚΟΠΟΣ Μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας με προσαρμογή στην εκάστοτε τάση. Ανύψωση ή υποβίβαση της εναλλασσόμενης τάσης. Λιγότερες απώλειες κατά την μεταφορά ενέργειας μέσω ηλεκτρικών γραμμών. 2
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Ο μετασχηματιστής είναι συσκευή η οποία μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια μεταξύ δύο κυκλωμάτων, διαμέσου επαγωγικά συζευγμένων ηλεκτρικών αγωγών. Οι μετασχηματιστές έχουν μεγάλο εύρος μεγεθών, που κυμαίνεται από μέγεθος μερικών κυβικών χιλιοστών (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. Ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στο πρώτο κύκλωμα (το "πρωτεύον") δημιουργεί ανάλογα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Αυτό το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο επάγει μεταβαλλόμενη τάση στο δεύτερο κύκλωμα (το "δευτερεύον"). Το φαινόμενο αυτό καλείται αμοιβαία επαγωγή. 3
ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ: Είναι συνηθισμένο φαινόμενο να χρειάζεται η χρήση ηλεκτρικής ενέργειας με τάση διαφορετική από αυτή που έχει το ηλεκτρικό δίκτυο. Στο συνεχές ρεύμα αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί με μία αντίσταση η πτώση τάσης στα άκρα της οποίας δίνει την απαραίτητη χαμηλή τάση τροφοδοσίας μιας συσκευής με μικρότερη τάση. Το βασικό μειονέκτημα στην περίπτωση αυτή είναι οι μεγάλες απώλειες ενέργειας λόγω της θερμότητας που αναπτύσσεται στην αντίσταση. Σε σοβαρές περιπτώσεις θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ζεύγος γεννήτριας κινητήρα με τον κινητήρα να τροφοδοτείται από το δίκτυο και την γεννήτρια να δίνει την απαραίτητη τάση μεταβολή της έντασης διέγερσής της. Πάλι όμως ο συνολικός βαθμός απόδοσης του συστήματος θα είναι χαμηλός. Η μεταφορά μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας, για να συμφέρει οικονομικά πρέπει να γίνεται με υψηλή τάση που θα διατηρεί χαμηλό το ρεύμα ώστε να μειώνονται οι θερμικές απώλειες μεταφοράς. Στη συνέχεια η υψηλή τάση πρέπει να μειώνεται σημαντικά ώστε να μπορεί να διανεμηθεί στους καταναλωτές χωρίς κίνδυνο. Για το συνεχές ρεύμα τέτοιες μετατροπές τάσεις δεν είναι οικονομικά δυνατές, ενώ στο εναλλασσόμενο υπάρχουν συσκευές που μπορούν να κάνουν τις απαραίτητες μετατροπές χωρίς κινούμενα τμήματα με ελάχιστες απώλειες ισχύος. Οι συσκευές αυτές είναι γνωστές με το όνομα μετασχηματιστές και έχουν βαθμούς απόδοσης που ξεπερνούν και το 98%. Οι μετασχηματιστές κάνουν δυνατή τη χρησιμοποίηση 4
συσκευών σχεδιασμένων να λειτουργούν με οποιαδήποτε τάση αρκεί να υπάρχουν μετασχηματιστές που μπορούν να δώσουν τέτοιες τάσεις. Όταν οι μετασχηματιστές είναι κατασκευασμένοι για να χρησιμοποιούνται στην μετατροπή της τάσης τριφασικού συστήματος ονομάζονται τριφασικοί μετασχηματιστές. Κατασκευάζονται επίσης και μονοφασικοί μετασχηματιστές, οι οποίοι χρησιμοποιούνται στο μονοφασικό ρεύμα ή για την μετατροπή της τάσης μιας φάσης τριφασικού συστήματος. 5
ΚΥΡΙΟ ΜΕΡΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΩΝ: Το κύριο μέρος κάθε μετασχηματιστή που ονομάζεται και ενεργό μέρος αποτελείται από ένα μαγνητικό κύκλωμα στο οποίο είναι τυλιγμένα δύο τυλίγματα, το τύλιγμα υψηλής τάσης και το τύλιγμα χαμηλής τάσης. Το μαγνητικό κύκλωμα, που ονομάζεται και πυρήνας του μετασχηματιστή, κατασκευάζεται από πολλά μαγνητικά ελάσματα, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή του πυρήνα του επαγωγικού τυμπάνου των ηλεκτρικών μηχανών. Τα ελάσματα αυτά είναι επιφανειακά μονωμένα και έχουν εξαιρετικά χαμηλές ολικές απώλειες με αποτέλεσμα πολύ καλό βαθμό απόδοσης. Το τύλιγμα υψηλής τάσης αποτελείται από πολλές σπείρες μονωμένου χάλκινου αγωγού κυκλικής διατομής. Το τύλιγμα χαμηλής τάσης κατασκευάζεται συνήθως από αγωγό ορθογωνικής ή τετραγωνικής διατομής μονωμένου με χαρτί ή βαμβάκι, έχει μικρότερο αριθμό σπειρών από το τύλιγμα υψηλής τάσης και μεγαλύτερη διατομή. Και τα δύο τυλίγματα είναι πολύ καλά μονωμένα μεταξύ τους. Στην περίπτωση μετασχηματιστών υποβιβασμού τάσης, το τύλιγμα υψηλής τάσης συνδέεται με την πηγή της ηλεκτρικής ενέργειας και από το τύλιγμα χαμηλής τάσης τροφοδοτούνται οι καταναλωτές. Στην περίπτωση αυτή το τύλιγμα υψηλής τάσης ονομάζεται πρωτεύον τύλιγμα ή απλά πρωτεύον και το τύλιγμα χαμηλής τάσης ονομάζεται δευτερεύον τύλιγμα ή δευτερεύον. Στους μετασχηματιστές ανύψωσης τάσης συμβαίνει το αντίθετο. 6
ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗ: Συγκεντρικά ή κυλινδρικά τυλίγματα: Το σχήμα παριστάνει έναν μικρό μονοφασικό μετασχηματιστή. Ο πυρήνας του μετασχηματιστή κατασκευάσματος από μαγνητικά ελάσματα, αποτελείται από τους δύο κορμούς, δηλαδή τα κατακόρυφα μέρη και από τα δύο ζυγώματα, δηλαδή τα οριζόντια μέρη. Το άνω ζύγωμα αποχωρίζεται από τον υπόλοιπο πυρήνα για να είναι δυνατή η τοποθέτηση των τυλιγμάτων επί των κορμών. Στους μεγάλους μετασχηματιστές και το κάτω ζύγωμα αποτελεί ιδιαίτερο τμήμα του πυρήνα. Τα τυλίγματα με τον τρόπο αυτόν ονομάζονται συγκεντρικά ή κυλινδρικά τυλίγματα. Τύλιγμα κατά δίσκους: Άλλος τρόπος κατασκευής των τυλιγμάτων είναι κατά δίσκους. Κάθε τύλιγμα αποτελείται από πολλά τμήματα διαμορφωμένα σε δίσκους τα οποία συνδέονται πάλι σε σειρά για να προκύψουν δύο άκρα σε κάθε τύλιγμα. Οι μετασχηματιστές με τυλίγματα στους δύο κορμούς λέγονται μετασχηματιστές τύπου πυρήνα. Ένας άλλος τύπος μετασχηματιστή είναι εκείνος του τύπου μανδύα. Στους μετασχηματιστές αυτούς ο πυρήνας έχει τρείς κορμούς των οποίων ο μεσαίος είναι διπλάσιας διατομής των ακραίων. 7
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗ: 1) Στο κενό: U 1 =E 1 & U 2 =E 2 έτσι: U 1 U 2 = 4.44fw 1Φ μ 4.44fw 2 Φ μ = w 1 w 2 =k Δηλαδή στη λειτουργία του μετασχηματιστή στο κενό ο λόγος των τάσεων πρωτεύοντος και δευτερεύοντος είναι ίσος με τον λόγο των αριθμών σπειρών των αντίστοιχων τυλιγμάτων. Ο τελευταίος αυτός λόγος λέγεται σχέση μεταφοράς k του μετασχηματιστή. 2) Υπό φορτίο: I 2 I 1 = w 1 w 2 = k ή I 2 =kl 1 Με προσέγγιση επίσης ισχύει και υπό φορτίο η σχέση: U 1 = w 1 = k ή U U 2 w 2 = U 1 2 k Η προσέγγιση στις σχέσεις αυτές είναι τόσο μεγαλύτερη, όσο μικρότερες είναι οι απώλειες και οι ροές σκέδασης του μετασχηματιστή. Δηλαδή οι σχέσεις θα ισχύουν ακριβώς στον ιδανικό μετασχηματιστή. Από τις παραπάνω σχέσεις διαπιστώνεται ότι αν ένας μετασχηματιστής ανυψώνει την τάση στον δεύτερο, τότε υποβιβάζει κατά την ίδια σχέση την ένταση που κυκλοφορεί σ αυτό. Έτσι το τύλιγμα χαμηλής τάσης και μεγάλης έντασης θα έχει μικρό αριθμό σπειρών και αγωγό μεγάλης διατομής, ενώ το τύλιγμα υψηλής τάσης και μικρής έντασης θα έχει μεγάλο αριθμό σπειρών και αγωγό μικρής διατομής. Με αμελητέες τις απώλειες του μετασχηματιστή, η ισχύς P 1 που απορροφά το πρωτεύον από το δίκτυο είναι περίπου ίση με την ισχύ P 2 που δίνει το δευτερεύον. P 1 =P 2 ή U 1 I 1 συνφ 1 = U 2 I 2 συνφ 2 και με βάση τις σχέσεις υπολογισμού του δευτερεύοντος: U 2 I 2 =U 1 I 1 οπότε συνφ 1 =συνφ 2 Δηλαδή η φασική απόκλιση μεταξύ έντασης και τάσης στο πρωτεύον είναι ίση με αυτή που προκύπτει απ τον συντελεστή ισχύος του φορτίου του μετασχηματιστή. 3) Πτώση τάσεως: Καθένα από τα δύο τυλίγματα ενός πραγματικού μετασχηματιστή έχει ορισμένη ωμική αντίσταση και δημιουργεί ορισμένη ροή σκέδασης, με αποτέλεσμα όταν ο μετασχηματιστής εργάζεται υπό φορτίο να δημιουργείται σε κάθε τύλιγμά του πτώση τάσης. Έτσι η τάση U 2 υπό φορτίο ποτέ δεν είναι ίση με την τάση του δευτερεύοντος στο κενό. Η μεταβολή της τάσης του δευτερεύοντος από την λειτουργία στο κενό μέχρι την λειτουργία στο ονομαστικό φορτίο λέγεται διακύμανση τάσης και 8
εκφράζεται σαν επί τις εκατό ποσοστό της τάσης του δευτερεύοντος στο ονομαστικό φορτίο. Επειδή στην λειτουργία στο κενό η τάση του δευτερεύοντος είναι ίση με την ηλεκτρεγερτική δύναμη, η διακύμανση τάσης θα είναι: ε% = Ε-U 2N U 2N 100%. Το μέγεθος της ε% ενός μετασχηματιστή είναι χαρακτηριστικό της ποιότητάς του και συνήθως δεν ξεπερνά το 5% για μετασχηματιστές μέσου και μεγάλου μεγέθους. 4) Τάση βραχυκύκλωσης: U k = U 1K U 1N 100% όπου U 1K η τάση στο πρωτεύον όταν το βραχυκυκλωμένο δευτερεύον διαρρέεται από το ονομαστικό ρεύμα I 2N. Η τάση βραχυκύκλωσης καθορίζει την διανομή των φορτίων σε παράλληλα λειτουργούντες μετασχηματιστές και συνήθως δεν ξεπερνά το 6 με 7%. Με γνωστή την τάση βραχυκύκλωσης είναι δυνατόν να υπολογισθεί η πιθανή ένταση βραχυκύκλωσης στο δευτερεύον του μετασχηματιστή όταν το πρωτεύον τροφοδοτείται με την ονομαστική του τάση από την σχέση: I 2k = I 2N U K 100. ΙΔΑΝΙΚΗ ΕΞΙΣΩΣΗ ΙΣΧΥΟΣ: P incoming =I P V P =P outgoing =I S V S Αν το δευτερεύον είναι συνδεδεμένο σε φορτίο που επιτρέπει την ροή ρεύματος, τότε έχουμε μετάδοση ισχύος από το πρωτεύον κύκλωμα στο δευτερεύον κύκλωμα. Ιδανικά ο μετασχηματιστής έχει τέλεια αποδοτικότητα, δηλαδή όλη η εισερχόμενη ενέργεια μεταφέρεται από το πρωτεύον, μέσω του μαγνητικού πεδίου, στο δευτερεύον. Αν αυτή η συνθήκη ισχύει, η εισερχόμενη ηλεκτρική ισχύς πρέπει να ισούται με την εξερχόμενη ισχύ. δίνοντας την εξίσωση του ιδανικού μετασχηματιστή V S V P = N S N P = I P I S Αν η τάση αυξηθεί, τότε το ρεύμα μειώνεται κατά τον ίδιο συντελεστή. Οι μετασχηματιστές έχουν υψηλή αποδοτικότητα, οπότε αυτός ο τύπος αποτελεί ρεαλιστική προσέγγιση. ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ ΚΥΚΛΩΜΑ: Οι φυσικοί περιορισμοί των πραγματικών μετασχηματιστών μπορούν να συνοψιστούν σε ένα μοντέλο ισοδύναμου κυκλώματος, το οποίο "χτίζεται" γύρω από το μοντέλο του ιδανικού, χωρίς απώλειες, μετασχηματιστή. Η απώλεια ισχύος στα τυλίγματα εξαρτάται από το ρεύμα και αναπαρίσταται με τις σε σειρά συνδεδεμένες 9
αντιστάσεις R P και R S. Η απώλεια ροής οδηγεί στην πτώση κλάσματος της εφαρμοζόμενης τάσης, πτώση η οποία δεν συνεισφέρει στην αμοιβαία σύζευξη και, κατά συνέπεια, μπορεί να μοντελοποιηθεί με τις επαγωγικές αντιδράσεις X P και X S, συνδεδεμένες σε σειρά με την τέλεια συζευγμένη περιοχή. Οι απώλειες του πυρήνα οφείλονται κυρίως στην υστέρηση και στις επιπτώσεις των δινορευμάτων στον πυρήνα, ενώ είναι ανάλογα του τετραγώνου της ροής του πυρήνα για λειτουργία σε συγκεκριμένη συχνότητα. Καθώς η ροή στον πυρήνα είναι ανάλογη της εφαρμοζόμενης τάσης, οι απώλειές του μπορούν να εκφραστούν με μια αντίσταση R C τοποθετημένη παράλληλα με τον ιδανικό μετασχηματιστή. ΑΥΤΟΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ: Μονοφασικός αυτομετασχηματιστής είναι ο μετασχηματιστής που έχει μόνο ένα τύλιγμα, του οποίου τα άκρα αποτελούν τους ακροδέκτες A και B της υψηλής τάσης. Οι ακροδέκτες C και B της χαμηλής τάσης είναι συνδεδεμένοι με το ένα άκρο B του τυλίγματος και με μια ενδιάμεση λήψη C όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Άρα το τμήμα CΒ του τυλίγματος ανήκει και στο πρωτεύον και στο δευτερεύον. Όλες οι σχέσεις τάσεων και ρευμάτων του μονοφασικού μετασχηματιστή ισχύουν και για τον μονοφασικό αυτομετασχηματιστή, αλλά το κοινό τμήμα διαρρέεται από την διαφορά των ρευμάτων πρωτεύοντος και δευτερεύοντος και για τον λόγο αυτό κατασκευάζεται από αγωγό μικρότερης διατομής. Οι αυτομετασχιματιστές έχουν ένα βασικό μειονέκτημα που αφορά το ότι το τύλιγμα χαμηλής τάσης δεν είναι μονωμένο από την πλευρά υψηλής, πράγμα που συνεπάγει κινδύνους στη χρήση τους. 10
ΕΠΙΛΟΓΟΣ Παρότι νέες τεχνολογίες έχουν καταστήσει τους μετασχηματιστές παρωχημένους για ορισμένες ηλεκτρονικές εφαρμογές, μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται ακόμα σε πολλές ηλεκτρονικές συσκευές. Οι μετασχηματιστές είναι επίσης βασικοί στην μετάδοση ρευμάτων υψηλής τάσης, τεχνική που κάνει οικονομικά βιώσιμη τη μετάδοση ηλεκτρικής ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις. 11
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Google https://el.wikipedia.org/wiki/μετασχηματιστής file:///e:/desktop/%ce%97%ce%9b%ce%95%ce%9a%ce%a4%ce%a1%ce%99%ce %9A%CE%95%CE%A3%20%CE%9C%CE%97%CE%A7%CE%91%CE%9D%CE%95%CE% A3/e_b00033.pdf file:///e:/desktop/%ce%97%ce%9b%ce%95%ce%9a%ce%a4%ce%a1%ce%99%ce %9A%CE%95%CE%A3%20%CE%9C%CE%97%CE%A7%CE%91%CE%9D%CE%95%CE% A3/Transformerin-Greek.pdf file:///e:/desktop/%ce%97%ce%9b%ce%95%ce%9a%ce%a4%ce%a1%ce%99%ce %9A%CE%95%CE%A3%20%CE%9C%CE%97%CE%A7%CE%91%CE%9D%CE%95%CE% A3/%CE%9C%CE%B5%CF%84%CE%B1%CF%83%CF%87%CE%B7%CE%BC%CE%B1%C F%84%CE%B9%CF%83%CF%84%CE%AD%CF%82.pdf file:///e:/desktop/ηλεκτρικεσ%20μηχανεσ/μετασχηματιστές.pdf 12