Ο μετασχηματιστής είναι μια ηλεκτρομαγνητική διάταξη που χρησιμοποιείται για τη μετατροπή εναλλασσόμενου ρεύματος μιας τάσης και συχνότητας σε εναλλασσόμενο ρεύμα άλλης (ή ίσης) τάσης και ίδιας συχνότητας.
Περιεχόμενα
Σχεδιασμός και λειτουργία ενός μετασχηματιστή
Στην απλούστερη περίπτωση Μετασχηματιστής περιέχει ένα πρωτεύον τύλιγμα με αριθμό τυλιγμάτων W1 και ένα δευτερεύον με W2. Η ενέργεια συνδέεται στο πρωτεύον τύλιγμα, το φορτίο συνδέεται στο δευτερεύον τύλιγμα. Η μεταφορά ενέργειας πραγματοποιείται μέσω ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Για να ενισχυθεί η ηλεκτρομαγνητική σύζευξη, οι περιελίξεις τοποθετούνται συνήθως σε κλειστό πυρήνα (μαγνητικό πυρήνα).
Εάν η εναλλασσόμενη τάση U1εφαρμόζεται στο πρωτεύον τύλιγμα, το εναλλασσόμενο ρεύμα I1η οποία προκαλεί μαγνητική ροή F του ίδιου σχήματος στον πυρήνα. Αυτή η μαγνητική ροή επάγει μια ΗΕΔ στο δευτερεύον τύλιγμα. Εάν ένα φορτίο συνδεθεί στο δευτερεύον κύκλωμα, ένα δευτερεύον ρεύμα I2.
Η τάση στο δευτερεύον τύλιγμα καθορίζεται από τον λόγο των στροφών W1 και W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, όπου k αναλογία μετασχηματισμού.
Εάν k<1 τότε U2>U1, και ένας τέτοιος μετασχηματιστής ονομάζεται μετασχηματιστής ανύψωσης. Εάν k>1 , τότε το U2
Ένας μετασχηματιστής μπορεί να έχει περισσότερα από ένα δευτερεύοντα τυλίγματα με διαφορετικούς λόγους μετασχηματισμού. Για παράδειγμα, ένας μετασχηματιστής 220 βολτ για την τροφοδοσία οικιακών λαμπτήρων μπορεί να έχει ένα δευτερεύον τύλιγμα, π.χ. 500 βολτ για την τροφοδοσία των κυκλωμάτων ανόδου και 6 βολτ για την τροφοδοσία των κυκλωμάτων πυράκτωσης. Στην πρώτη περίπτωση k<1, στη δεύτερη περίπτωση k>1.
Ένας μετασχηματιστής λειτουργεί μόνο με εναλλασσόμενες τάσεις - η μαγνητική ροή πρέπει να αλλάξει για να εμφανιστεί ΗΕΔ στο δευτερεύον τύλιγμα.
Τύποι πυρήνων για μετασχηματιστές
Στην πράξη, χρησιμοποιούνται πυρήνες όχι μόνο του αναφερόμενου σχήματος. Ανάλογα με τη χρήση για την οποία προορίζεται η συσκευή, οι μαγνητικοί πυρήνες μπορούν να κατασκευαστούν με διαφορετικούς τρόπους.
Πυρήνες πυρήνων
Οι πυρήνες των μετασχηματιστών χαμηλών συχνοτήτων κατασκευάζονται από χάλυβα με έντονες μαγνητικές ιδιότητες. Για τη μείωση των δινορευμάτων η συστοιχία πυρήνων αποτελείται από μεμονωμένες πλάκες που είναι ηλεκτρικά μονωμένες μεταξύ τους. Για υψηλές συχνότητες, χρησιμοποιούνται άλλα υλικά όπως ο φερρίτης.
Ο πυρήνας που συζητήθηκε παραπάνω ονομάζεται συστοιχία πυρήνων και αποτελείται από δύο ράβδους. Για μονοφασικούς μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται επίσης πυρήνες τριών πυρήνων. Έχουν χαμηλότερη μαγνητική ροή διασποράς και υψηλότερη απόδοση. Στην περίπτωση αυτή, τόσο το πρωτεύον όσο και το δευτερεύον τύλιγμα τοποθετούνται στον κεντρικό πυρήνα.
Οι τριφασικοί μετασχηματιστές κατασκευάζονται επίσης σε τριφασικούς πυρήνες. Τα πρωτεύοντα και δευτερεύοντα τυλίγματα κάθε φάσης βρίσκονται σε ξεχωριστό πυρήνα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, χρησιμοποιούνται πυρήνες πέντε πυρήνων. Έχουν την ίδια διάταξη, με τον πρωτεύοντα και τον δευτερεύοντα πυρήνα σε κάθε πλευρά του πυρήνα, ενώ οι δύο ακραίοι πυρήνες σε κάθε πλευρά χρησιμοποιούνται για τη σύζευξη των μαγνητικών ροών σε ορισμένες λειτουργίες.
Θωρακισμένοι πυρήνες
Οι μονοφασικοί μετασχηματιστές κατασκευάζονται με θωρακισμένους πυρήνες - και τα δύο πηνία τοποθετούνται στον κεντρικό πυρήνα του μαγνητικού πυρήνα. Η μαγνητική ροή σε αυτόν τον πυρήνα συνδέεται παρόμοια με μια μονάδα τριών πυρήνων, δηλαδή μέσω των πλευρικών τοιχωμάτων. Η ροή σκέδασης είναι πολύ μικρή σε αυτή την περίπτωση.
Το πλεονέκτημα αυτού του σχεδιασμού είναι ότι υπάρχει κάποιο κέρδος σε μέγεθος και βάρος λόγω της δυνατότητας πλήρωσης του παραθύρου του πυρήνα πιο πυκνά με περιελίξεις, οπότε είναι συμφέρουσα η χρήση θωρακισμένων πυρήνων για μετασχηματιστές χαμηλής ισχύος. Αυτό έχει επίσης ως συνέπεια ένα μικρότερο μαγνητικό κύκλωμα, το οποίο οδηγεί σε χαμηλότερες απώλειες χωρίς φορτίο.
Τα μειονεκτήματα είναι ότι η πρόσβαση στα τυλίγματα είναι πιο δύσκολη για επιθεώρηση και επισκευή και ότι η μόνωση για υψηλές τάσεις είναι πιο περίπλοκη στην κατασκευή.
Τοροειδές
Με τους τοροειδείς πυρήνες η μαγνητική ροή περικλείεται πλήρως μέσα στον πυρήνα και δεν υπάρχει σχεδόν καμία διαρροή μαγνητικής ροής. Όμως, οι μετασχηματιστές αυτοί είναι δύσκολο να τυλιχτούν, οπότε χρησιμοποιούνται σπάνια, π.χ. σε ελεγχόμενους αυτομετασχηματιστές μικρής χωρητικότητας ή σε εφαρμογές υψηλής συχνότητας όπου η ανοσία στις παρεμβολές είναι σημαντική.
Αυτόματος μετασχηματιστής
Σε ορισμένες περιπτώσεις είναι σκόπιμο να χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές στους οποίους δεν υπάρχει μόνο μαγνητική σύζευξη μεταξύ των περιελίξεων, αλλά και ηλεκτρική σύζευξη μεταξύ των περιελίξεων. Δηλαδή, σε μια διάταξη ανύψωσης, το πρωτεύον τύλιγμα είναι μέρος του δευτερεύοντος τυλίγματος και σε μια διάταξη μείωσης, το δευτερεύον τύλιγμα είναι μέρος του πρωτεύοντος τυλίγματος. Μια τέτοια συσκευή ονομάζεται αυτομετασχηματιστής (ΑΤ).
Ένας αυτομετασχηματιστής υποβιβασμού δεν είναι ένας απλός διαιρέτης τάσης - η μαγνητική σύζευξη εμπλέκεται επίσης στη μεταφορά ενέργειας στο δευτερεύον κύκλωμα.
Τα οφέλη των αυτομετασχηματιστών είναι:
- χαμηλότερες απώλειες,
- τη δυνατότητα αδιαβάθμητης ρύθμισης της τάσης,
- μικρότερες διαστάσεις (οι αυτομετασχηματιστές είναι φθηνότεροι, ευκολότεροι στη μεταφορά),
- Χαμηλότερο κόστος λόγω χαμηλότερης απαίτησης υλικών.
Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν την ανάγκη για μόνωση υψηλότερης τάσης και των δύο τυλιγμάτων και την έλλειψη γαλβανικής απομόνωσης μεταξύ εισόδου και εξόδου, η οποία μπορεί να μεταφέρει τα αποτελέσματα των καιρικών συνθηκών από το πρωτεύον στο δευτερεύον κύκλωμα. Ταυτόχρονα, τα στοιχεία του δευτερεύοντος κυκλώματος δεν πρέπει να γειώνονται. Επίσης, τα αυξημένα ρεύματα βραχυκυκλώματος θεωρούνται μειονέκτημα του ΑΤ. Στους τριφασικούς αυτομετασχηματιστές, τα τυλίγματα συνδέονται γενικά σε σύνδεση αστέρα με γειωμένο ουδέτερο, ενώ είναι δυνατή η χρήση άλλων διαγραμμάτων σύνδεσης, αλλά είναι πολύ περίπλοκα και δυσκίνητα. Αυτό είναι επίσης ένα μειονέκτημα που μπορεί να περιορίσει τη χρήση των αυτόματων μετασχηματιστών.
Εφαρμογές μετασχηματιστών
Η ιδιότητα των μετασχηματιστών να αυξάνουν ή να μειώνουν την τάση χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία και στα ιδιωτικά νοικοκυριά.
Μετασχηματισμός τάσης
Το βιομηχανικό επίπεδο τάσης έχει διαφορετικές απαιτήσεις σε διαφορετικές φάσεις. Για διάφορους λόγους, η χρήση γεννητριών υψηλής τάσης για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας δεν είναι επικερδής. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο, για παράδειγμα, οι γεννήτριες των 6...35 kV χρησιμοποιούνται σε υδροηλεκτρικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αντίθετα, η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας απαιτεί υψηλότερες τάσεις - από 110 kV έως 1.150 kV, ανάλογα με την απόσταση. Στη συνέχεια, η τάση αυτή μειώνεται και πάλι σε 6...10 kV, διανέμεται σε τοπικούς υποσταθμούς, από όπου μειώνεται σε 380 (220) βολτ και παραδίδεται στον τελικό καταναλωτή. Για οικιακές και βιομηχανικές συσκευές, πρέπει επίσης να μειωθεί, συνήθως στα 3...36 βολτ.
Όλα αυτά τα βήματα εκτελούνται με τη βοήθεια μετασχηματιστές ισχύος. Αυτά μπορεί να είναι ξηρού τύπου ή τύπου λαδιού. Στο τελευταίο, ο πυρήνας και τα τυλίγματα περιέχονται σε μια δεξαμενή λαδιού, η οποία λειτουργεί ως μονωτικό και ψυκτικό μέσο.
Γαλβανική απομόνωση
Η γαλβανική απομόνωση αυξάνει την ασφάλεια των ηλεκτρικών συσκευών. Εάν η μονάδα δεν τροφοδοτείται απευθείας από το δίκτυο 220 volt, όπου ένας από τους αγωγούς συνδέεται με τη γη, αλλά μέσω μετασχηματιστή 220/220 volt, η τάση τροφοδοσίας παραμένει η ίδια. Εάν όμως η γείωση και τα δευτερεύοντα μέρη που μεταφέρουν ρεύμα ακουμπήσουν ταυτόχρονα, δεν θα υπάρχει κύκλωμα για τη ροή του ρεύματος και ο κίνδυνος ηλεκτροπληξίας θα είναι πολύ μικρότερος.
Μέτρηση τάσης
Σε όλες τις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις πρέπει να παρακολουθείται το επίπεδο τάσης. Εάν χρησιμοποιείται κλάση τάσης έως 1000 βολτ, τα βολτόμετρα τοποθετούνται απευθείας στα ηλεκτροφόρα μέρη. Σε εγκαταστάσεις άνω των 1000 βολτ αυτό δεν είναι δυνατό - οι συσκευές θα είναι πολύ δύσχρηστες και μπορεί να μην είναι ασφαλείς σε περίπτωση σφάλματος μόνωσης. Επομένως, σε τέτοια συστήματα, τα βολτόμετρα συνδέονται με αγωγούς υψηλής τάσης μέσω μετασχηματιστών με κατάλληλο λόγο μετασχηματισμού. Για παράδειγμα, για δίκτυα 10 kV, χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές 1:100 και η τάση εξόδου είναι τυπική 100 βολτ. Εάν η τάση του πρωτεύοντος μεταβάλλεται σε πλάτος, μεταβάλλεται ταυτόχρονα και στο δευτερεύον. Η κλίμακα ενός βολτομέτρου είναι συνήθως διαβαθμισμένη στην περιοχή της πρωτεύουσας τάσης.
Ο μετασχηματιστής είναι ένα μάλλον πολύπλοκο και ακριβό εξάρτημα για την κατασκευή και τη συντήρησή του. Ωστόσο, σε πολλές εφαρμογές οι συσκευές αυτές είναι απαραίτητες και δεν υπάρχει εναλλακτική λύση.
Σχετικά άρθρα:
