Μετασχηματιστές ρεύματος: σχεδιασμός, αρχή λειτουργίας και τύποι

Οι μετασχηματιστές ρεύματος χρησιμοποιούνται ευρέως στη σύγχρονη τεχνολογία ενέργειας ως εξοπλισμός για την αλλαγή διαφόρων ηλεκτρικών παραμέτρων, διατηρώντας παράλληλα τις βασικές τους τιμές. Η λειτουργία του εξοπλισμού βασίζεται στο νόμο της επαγωγής, ο οποίος ισχύει για μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία που μεταβάλλονται ημιτονοειδώς. Ο μετασχηματιστής μετασχηματίζει την τιμή του πρωτεύοντος ρεύματος σε σχέση με τη διαμόρφωση και τη γωνιακή μετάδοση ανάλογα με τα ακατέργαστα δεδομένα. Η επιλογή του εξοπλισμού πρέπει να γίνεται με βάση την περιοχή εφαρμογής και τον αριθμό των συνδεδεμένων καταναλωτών.

Τι είναι ο μετασχηματιστής ρεύματος;

Χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία, στη δημοτική και πολιτική μηχανική, στη βιομηχανία και σε άλλους τομείς για την εφαρμογή ρεύματος με καθορισμένες φυσικές παραμέτρους. Η τάση εφαρμόζεται στα πηνία του πρωτεύοντος τυλίγματος, όπου παράγεται εναλλασσόμενο ρεύμα ως αποτέλεσμα μαγνητικής ακτινοβολίας. Η ίδια ακτινοβολία ταξιδεύει μέσα από τα υπόλοιπα πηνία, προκαλώντας την κίνηση των δυνάμεων ΗΜΣ, και όταν τα δευτερεύοντα πηνία βραχυκυκλώνονται ή συνδέονται σε ηλεκτρικό κύκλωμα, δημιουργείται δευτερεύον ρεύμα στο σύστημα.

Οι σύγχρονοι μετασχηματιστές ρεύματος καθιστούν δυνατή τη μετατροπή της ενέργειας με τέτοιο τρόπο ώστε η χρήση της να μην προκαλεί βλάβες στον εξοπλισμό που τη χρησιμοποιεί. Επιτρέπουν επίσης τη μέτρηση υψηλότερων φορτίων με μέγιστη ασφάλεια για τα μηχανήματα και το προσωπικό, επειδή τα πρωτεύοντα και δευτερεύοντα τυλίγματα είναι αξιόπιστα μονωμένα μεταξύ τους.

Για ποιους μετασχηματιστές;

Είναι εύκολο να καταλάβει κανείς σε τι χρησιμεύει ένας μετασχηματιστής ρεύματος: οι εφαρμογές του καλύπτουν όλους τους τομείς στους οποίους μετασχηματίζονται τιμές ενέργειας. Οι συσκευές αυτές είναι βοηθητικές συσκευές που χρησιμοποιούνται παράλληλα με όργανα μέτρησης και ρελέ για τη δημιουργία κυκλώματος εναλλασσόμενου ρεύματος. Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι μετασχηματιστές μετατρέπουν την ενέργεια για να διευκολύνουν την αποκρυπτογράφηση των παραμέτρων ή τη σύνδεση εξοπλισμού με διαφορετικά χαρακτηριστικά στο ίδιο κύκλωμα.

Υπάρχει επίσης η λειτουργία μέτρησης των μετασχηματιστών: χρησιμοποιούνται για τη λειτουργία ηλεκτρικών κυκλωμάτων με υψηλότερες τάσεις, στα οποία πρέπει να συνδεθούν όργανα μέτρησης, αλλά δεν είναι δυνατόν να το κάνουν απευθείας. Η κύρια λειτουργία τους είναι να μεταδίδουν τις πληροφορίες σχετικά με τις τιμές ρεύματος στα όργανα μέτρησης που είναι συνδεδεμένα στο δευτερεύον τύλιγμα. Επιτρέπει επίσης την παρακολούθηση του ρεύματος στο κύκλωμα: όταν χρησιμοποιείται το ρελέ και επιτευχθεί η μέγιστη τιμή ρεύματος, ενεργοποιείται μια προστασία που διακόπτει τη λειτουργία του εξοπλισμού για να αποφευχθεί η καύση και η πρόκληση ζημιών στο προσωπικό.

Αρχή λειτουργίας

Η λειτουργία αυτού του εξοπλισμού βασίζεται στο νόμο της επαγωγής, σύμφωνα με τον οποίο η τάση εισέρχεται στα πρωτεύοντα τυλίγματα και το ρεύμα υπερνικά την αντίσταση που δημιουργείται από το τύλιγμα, γεγονός που προκαλεί τη μετάδοση μαγνητικής ροής στο μαγνητικό πηνίο. Η ροή είναι κάθετη στο ρεύμα, ελαχιστοποιώντας έτσι τις απώλειες, και καθώς διασχίζει τα δευτερεύοντα τυλίγματα ενεργοποιείται η ΗΕΔ. Αυτό προκαλεί ρεύμα στο σύστημα το οποίο είναι μεγαλύτερο από την αντίσταση του πηνίου και η τάση στο άκρο εξόδου των δευτερευόντων πηνίων μειώνεται.

Επομένως, η απλούστερη κατασκευή ενός μετασχηματιστή αποτελείται από έναν μεταλλικό πυρήνα και ένα ζεύγος περιελίξεων, οι οποίες δεν συνδέονται μεταξύ τους και κατασκευάζονται ως μονωμένα καλώδια. Σε ορισμένες περιπτώσεις το φορτίο βρίσκεται μόνο στα πρωτεύοντα τυλίγματα και όχι στο δευτερεύον: πρόκειται για τη λεγόμενη κατάσταση αδράνειας. Εάν στο δευτερεύον τύλιγμα συνδεθεί εξοπλισμός που καταναλώνει ενέργεια, ρεύμα διαρρέει τα πηνία και δημιουργείται ηλεκτροκινητική δύναμη. Η ΗΕΔ καθορίζεται από τον αριθμό των περιελίξεων. Ο λόγος της ηλεκτροκινητικής δύναμης για τα πρωτεύοντα και δευτερεύοντα σπειρώματα είναι γνωστός ως λόγος μετασχηματισμού, ο οποίος υπολογίζεται από το λόγο του αριθμού των σπειρωμάτων. Είναι δυνατή η ρύθμιση της τάσης τελικής χρήσης με την αλλαγή του αριθμού των στροφών του πρωτεύοντος ή του δευτερεύοντος.

Ταξινόμηση των μετασχηματιστών ρεύματος

Υπάρχουν διάφοροι τύποι μετασχηματιστών ρεύματος οι οποίοι ταξινομούνται σύμφωνα με διάφορα κριτήρια, όπως ο σκοπός, η μέθοδος εγκατάστασης, ο αριθμός των βημάτων μετατροπής και άλλοι παράγοντες. Αυτές οι παράμετροι πρέπει να λαμβάνονται υπόψη πριν από την επιλογή ενός μετασχηματιστή ρεύματος:

• Σκοπός. Αυτό χρησιμοποιείται για τη διάκριση μεταξύ των μοντέλων μέτρησης, των ενδιάμεσων μοντέλων και των μοντέλων προστασίας. Για παράδειγμα, οι ενδιάμεσοι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση συσκευών για υπολογιστικές λειτουργίες σε συστήματα προστασίας ρελέ και άλλα κυκλώματα. Οι ξεχωριστοί διακεκριμένοι εργαστηριακοί μετασχηματιστές, οι οποίοι παρέχουν αυξημένη ακρίβεια των δεικτών, έχουν μεγάλο αριθμό συντελεστών μετατροπής.
• Μέθοδος εγκατάστασης. Υπάρχουν μετασχηματιστές για εξωτερική και εσωτερική εγκατάσταση: όχι μόνο φαίνονται διαφορετικοί, αλλά και έχουν διαφορετικούς δείκτες αντοχής σε εξωτερικές επιδράσεις (για παράδειγμα, οι συσκευές για εξωτερική χρήση έχουν προστασία από βροχοπτώσεις και διακυμάνσεις θερμοκρασίας). Γίνεται επίσης διάκριση μεταξύ των μετασχηματιστών που τοποθετούνται σε βάσεις και των φορητών μετασχηματιστών- οι τελευταίοι έχουν συγκριτικά μικρό βάρος και διαστάσεις.
• Τύπος περιέλιξης. Οι μετασχηματιστές μπορεί να είναι μονής και πολλαπλής τάσης, πηνίου, πυρήνα ή ράβδου. Τόσο το πρωτεύον όσο και το δευτερεύον τύλιγμα μπορεί να είναι διαφορετικά και η μόνωση (ξηρή, πορσελάνη, βακελίτης, λάδι, ένωση κ.λπ.) είναι επίσης διαφορετική.
• Το επίπεδο των βημάτων μετασχηματισμού. Ο εξοπλισμός μπορεί να είναι μονοβάθμιος ή διβάθμιος (cascade), το όριο τάσης 1000 V μπορεί να είναι ελάχιστο ή μέγιστο.
• Σχεδιασμός. Υπάρχουν δύο τύποι μετασχηματιστών ρεύματος σύμφωνα με αυτό το κριτήριο - με λάδι και ξηρού τύπου. Στην πρώτη περίπτωση, τα τυλίγματα και ο μαγνητικός πυρήνας βρίσκονται σε δοχείο που περιέχει ένα ειδικό ελαιώδες υγρό: παίζει το ρόλο της μόνωσης και επιτρέπει τη ρύθμιση της θερμοκρασίας λειτουργίας του μέσου. Στη δεύτερη περίπτωση, η ψύξη είναι αερόψυκτη και τέτοια συστήματα χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικά και οικιστικά κτίρια, καθώς οι μετασχηματιστές πετρελαίου δεν μπορούν να εγκατασταθούν στο εσωτερικό τους λόγω του αυξημένου κινδύνου πυρκαγιάς.
• Τύπος τάσης. Οι μετασχηματιστές μπορούν να είναι step-down και step-up: στην πρώτη περίπτωση, η τάση του πρωτεύοντος τυλίγματος μειώνεται, ενώ στη δεύτερη περίπτωση, η τάση του πρωτεύοντος τυλίγματος αυξάνεται.
• Ένας άλλος τρόπος ταξινόμησης είναι η επιλογή ενός μετασχηματιστή ρεύματος ανάλογα με την ισχύ του. Η παράμετρος αυτή εξαρτάται από το σκοπό του εξοπλισμού, τον αριθμό των συνδεδεμένων καταναλωτών και τις ιδιότητές τους.

Παράμετροι και χαρακτηριστικά

Κατά την επιλογή τέτοιου εξοπλισμού, πρέπει να εξετάσετε τις κύριες τεχνικές παραμέτρους που επηρεάζουν το εύρος των εφαρμογών και το κόστος. Τα κύρια χαρακτηριστικά είναι:

• Ονομαστικό φορτίο ή ισχύς: η επιλογή μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας τον συγκριτικό πίνακα χαρακτηριστικών του μετασχηματιστή. Η τιμή αυτής της παραμέτρου καθορίζει τις άλλες ονομαστικές τιμές ρεύματος, καθώς είναι αυστηρά τυποποιημένη και χρησιμεύει για τον καθορισμό της ορθής λειτουργίας του εξοπλισμού στην επιλεγμένη κατηγορία ακρίβειας.
• Ονομαστικό ρεύμα. Αυτή η τιμή καθορίζει πόσο καιρό μπορεί να λειτουργήσει η συσκευή χωρίς υπερθέρμανση σε κρίσιμες θερμοκρασίες. Ο εξοπλισμός των μετασχηματιστών έχει συνήθως σημαντικό θερμικό απόθεμα και λειτουργεί κανονικά όταν υπερφορτώνεται έως και 18-20%.
• Τάση. Η τιμή αυτή είναι σημαντική για την ποιότητα της μόνωσης της περιέλιξης και εξασφαλίζει την ομαλή λειτουργία της μηχανής.
• Σφάλματα. Το φαινόμενο αυτό προκαλείται από τη μαγνητική ροή- η τιμή σφάλματος είναι η διαφορά μεταξύ του ακριβούς πρωτεύοντος και δευτερεύοντος ρεύματος. Η αυξημένη μαγνητική ροή στον πυρήνα του μετασχηματιστή συμβάλλει σε ανάλογη αύξηση του σφάλματος.
• Ο λόγος μετασχηματισμού, ο οποίος είναι ο λόγος του ρεύματος στα πρωτεύοντα τυλίγματα προς τα δευτερεύοντα τυλίγματα. Η πραγματική τιμή του συντελεστή διαφέρει από την ονομαστική κατά ένα ποσό ίσο με το βαθμό απώλειας μετατροπής ενέργειας.
• Οριακή πολλαπλότητα, εκφρασμένη ως ο λόγος του πραγματικού πρωτεύοντος ρεύματος προς το ονομαστικό ρεύμα.
• Πολλαπλασιασμός του ρεύματος που εμφανίζεται στα τυλίγματα του δευτερεύοντος τυλίγματος.

Τα βασικά στοιχεία ενός μετασχηματιστή ρεύματος καθορίζονται από ένα διάγραμμα συντελεστή ισχύος: αυτό επιτρέπει την εξέταση των χαρακτηριστικών του εξοπλισμού σε διάφορες καταστάσεις λειτουργίας, από το μηδενικό φορτίο έως το πλήρες φορτίο.

Οι κύριες τιμές επισημαίνονται στο σώμα της συσκευής με ειδική σήμανση. Μπορεί επίσης να περιέχει πληροφορίες σχετικά με τη μέθοδο ανύψωσης και εγκατάστασης του εξοπλισμού, προειδοποιητικές πληροφορίες σχετικά με τις υψηλές τάσεις στα δευτερεύοντα τυλίγματα (άνω των 350 βολτ), πληροφορίες σχετικά με την ύπαρξη επιφάνειας γείωσης. Ο μετατροπέας ενέργειας επισημαίνεται με αυτοκόλλητο ή με χρώμα.

Πιθανά σφάλματα

Όπως και κάθε άλλος εξοπλισμός, οι μετασχηματιστές παρουσιάζουν κατά καιρούς βλάβες και απαιτούν εξειδικευμένη συντήρηση με διάγνωση. Πριν από τον έλεγχο της συσκευής, είναι σημαντικό να γνωρίζετε ποιες βλάβες εμφανίζονται και ποια σημάδια αντιστοιχούν σε αυτές:

• Ανομοιόμορφος θόρυβος στο εσωτερικό του περιβλήματος, κρότος. Το φαινόμενο αυτό υποδηλώνει συνήθως σπάσιμο του στοιχείου γείωσης, επικάλυψη στο περίβλημα από τις στροφές περιέλιξης ή χαλαρή συμπίεση των φύλλων που χρησιμεύουν ως μαγνητικός πυρήνας.
• Υπερβολική θέρμανση του περιβλήματος, αυξημένο ρεύμα στην πλευρά του καταναλωτή. Το πρόβλημα μπορεί να προκληθεί από βραχυκυκλώματα τυλίγματος λόγω φθοράς ή μηχανικής βλάβης του μονωτικού στρώματος, συχνές υπερφορτώσεις που προκύπτουν από βραχυκυκλώματα.
• Ραγισμένοι μονωτήρες, ολισθαίνουσες εκκενώσεις. Αυτά συμβαίνουν σε περίπτωση σφαλμάτων παραγωγής που δεν ανιχνεύονται πριν από την έναρξη λειτουργίας, πτώσης ξένων σωμάτων και επικαλύψεων μεταξύ αγωγών φάσης διαφορετικών τιμών.
• Εκπομπές πετρελαίου κατά τις οποίες το διάφραγμα της δομής εξάτμισης έχει υποστεί ρήξη. Το πρόβλημα αποδίδεται σε διαφασικό βραχυκύκλωμα που προκαλείται από φθορά της μόνωσης, πτώση της στάθμης λαδιού, πτώση τάσης ή εμφάνιση υπερέντασης σε περίπτωση βραχυκυκλώματος από άκρο σε άκρο.
• Διαρροές λαδιού από κάτω από τα παρεμβύσματα ή από τις βρύσες του μετασχηματιστή. Οι κύριες αιτίες είναι η ελαττωματική συγκόλληση εξαρτημάτων, οι αδύναμες σφραγίδες, οι κατεστραμμένες φλάντζες ή τα μη επισκευασμένα βύσματα βαλβίδων.
• Ενεργοποίηση του ηλεκτρονόμου προστασίας αερίου. Το φαινόμενο αυτό εμφανίζεται όταν το λάδι αποσυντίθεται λόγω σφάλματος περιέλιξης, ανοικτού κυκλώματος, εξάντλησης των επαφών του διακόπτη ή σε περίπτωση βραχυκυκλώματος στο περίβλημα του μετασχηματιστή.
• Απενεργοποίηση του ρελέ προστασίας αερίου. Το πρόβλημα προκαλείται από την ενεργό αποσύνθεση του υγρού λαδιού ως αποτέλεσμα σφάλματος μεταξύ φάσεων, εσωτερικής ή εξωτερικής υπέρτασης ή λόγω της λεγόμενης "πυρκαγιάς χάλυβα".
• Ενεργοποιήθηκε η διαφορική προστασία. Αυτό το σφάλμα εμφανίζεται όταν υπάρχει βλάβη στο περίβλημα του τροφοδότη, όταν υπάρχει επικάλυψη μεταξύ των φάσεων ή σε άλλες περιπτώσεις.

Για τη μεγιστοποίηση της λειτουργικότητας της συσκευής, θα πρέπει να διενεργούνται τακτικοί έλεγχοι με τη χρήση θερμικής κάμερας: ο εξοπλισμός μπορεί να διαγνώσει την υποβάθμιση της ποιότητας των επαφών και τη μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας. Οι ειδικοί εκτελούν το ακόλουθο φάσμα εργασιών κατά την επαλήθευση:

• 1. Μετρήσεις τάσης και ρεύματος.
  2. Επαλήθευση φορτίου με χρήση εξωτερικής πηγής.
  3. Προσδιορισμός των παραμέτρων στο κύκλωμα λειτουργίας.
  4. Υπολογισμός του λόγου μετασχηματισμού, σύγκριση και ανάλυση των τιμών.

Υπολογισμός ενός μετασχηματιστή

Η βασική αρχή ορίζεται από τον τύπο U1/U2=n1/n2, τα στοιχεία του οποίου αποκρυπτογραφούνται ως εξής:

• U1 και U2 είναι οι τάσεις των στροφών του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος.
• n1 και n2 είναι ο αριθμός των τυλιγμάτων πρωτεύοντος και δευτερεύοντος αντίστοιχα.

Ένας άλλος τύπος χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της διατομής του πυρήνα: S=1,15 * √PΗ ισχύς μετριέται σε Watt και η επιφάνεια σε τετραγωνικά εκατοστά. Εάν ο πυρήνας που χρησιμοποιείται στον εξοπλισμό έχει σχήμα γράμματος S, το εμβαδόν διατομής υπολογίζεται για τον μεσαίο πυρήνα. Για να προσδιορίσετε τις στροφές στο τύλιγμα του πρωτεύοντος επιπέδου, χρησιμοποιήστε τον τύπο n=50*U1/S, όταν το εξάρτημα 50 δεν είναι αμετάβλητο, συνιστάται η αντικατάστασή του με 60, προκειμένου να αποφευχθεί η εμφάνιση ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών. Ένας άλλος τύπος είναι d=0,8*√Iόπου d είναι η διατομή του αγωγού και I είναι ο δείκτης έντασης ρεύματος, χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της διαμέτρου του καλωδίου.

Οι υπολογισμένοι αριθμοί στρογγυλοποιούνται προς τα πάνω (π.χ. η υπολογισμένη ισχύς 37,5 W στρογγυλοποιείται σε 40). Η στρογγυλοποίηση επιτρέπεται μόνο προς τα πάνω. Όλοι οι παραπάνω τύποι χρησιμοποιούνται για την επιλογή μετασχηματιστών που λειτουργούν σε δίκτυο 220 V. Κατά την κατασκευή γραμμών υψηλής συχνότητας χρησιμοποιούνται άλλες παράμετροι και μέθοδοι υπολογισμού.

Σχετικά άρθρα: