Λύσεις Ερωτήσεων (σελ. 134) – ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ Γ΄ ΕΠΑΛ
Λύσεις Ερωτήσεων
Ερωτήσεις και Ασκήσεις κεφαλαίου 3
Γιατί χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές — εφαρμογές
Ερώτηση: Γιατί χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές και ποιες είναι οι εφαρμογές τους;
Απάντηση:
- §3.1. «Με τη χρήση του μετασχηματιστή εξυπηρετείται κυρίως η μεταφορά και η χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται επειδή κάθε στάδιο διακίνησης της ηλεκτρικής ενέργειας απαιτεί διαφορετικό επίπεδο τάσης: η παραγωγή γίνεται σε τάση 15-20 kV στις γεννήτριες, η μεταφορά σε πολύ υψηλότερη τάση (150 kV, ακόμη και 400-750 kV) ώστε να μειωθούν οι απώλειες θερμότητας στις γραμμές, και η τελική χρήση στο πιο κατάλληλο επίπεδο για κάθε καταναλωτική συσκευή (220 V στην Ευρώπη). Χρησιμοποιούνται επίσης όποτε χρειάζονται τάσεις χαμηλότερες των 220 V, π.χ. σε ηλεκτρονικές συσκευές, υπολογιστές και μικρές ηλεκτρικές συσκευές, καθώς και στις εγκαταστάσεις κλιματισμού για την τροφοδοσία θερμοστατών στα 24 V.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Τρεις βασικές εφαρμογές: παραγωγή→μεταφορά (ανύψωση), μεταφορά→χρήση (υποβιβασμός), ειδικές χαμηλές τάσεις συσκευών
Τι είναι ο μετασχηματιστής
Ερώτηση: Τι είναι ο μετασχηματιστής;
Απάντηση:
- §3.1. «Ο μετασχηματιστής είναι μια συσκευή μετατροπής του επιπέδου της ηλεκτρικής εναλλασσόμενης τάσης (από μία τιμή σε άλλη τιμή της τάσης)».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο μετασχηματιστής είναι μια ηλεκτρική συσκευή που μετατρέπει το επίπεδο μιας εναλλασσόμενης τάσης από μία τιμή σε άλλη, χωρίς να μεταβάλλει τη συχνότητα ούτε τη συνολική ισχύ που διακινείται (μόνο τον συνδυασμό τάσης-ρεύματος).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Συσκευή μετατροπής επιπέδου ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗΣ τάσης — όχι συνεχούς
Αρχή λειτουργίας του μετασχηματιστή
Ερώτηση: Ποια είναι η αρχή λειτουργίας του;
Απάντηση:
- §3.1. «Η ίδια ποσότητα ηλεκτρικής ισχύος p1 που εισέρχεται στο μετασχηματιστή εξέρχεται από αυτόν p2, όμως με αλλαγμένο το επίπεδο της τάσης (αρχή διατήρησης της ισχύος): p1 = V1·I1 = V2·I2 = p2».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η αρχή λειτουργίας στηρίζεται στη διατήρηση της ισχύος: η ηλεκτρική ισχύς p1 που εισέρχεται από το πρωτεύον τύλιγμα (μέσω κοινού μαγνητικού πεδίου Φ) μεταφέρεται στο δευτερεύον τύλιγμα ως ισχύς p2 ίσης τιμής (p1=p2), αλλά με διαφορετικό συνδυασμό τάσης-ρεύματος: V1·I1 = V2·I2. Έτσι, όταν η τάση ανυψώνεται το ρεύμα μειώνεται αντίστοιχα, και αντίστροφα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- p1=V1·I1=V2·I2=p2 — αλλάζει η τάση/ρεύμα, όχι η ισχύς
Κατασκευαστικά μέρη του μονοφασικού μετασχηματιστή
Ερώτηση: Ποια είναι τα κατασκευαστικά μέρη του μονοφασικού μετασχηματιστή;
Απάντηση:
- §3.1. «Ένας μονοφασικός μετασχηματιστής αποτελείται από δύο... τυλίγματα ηλεκτρικά, ανεξάρτητα όμως συνεζευγμένα, μέσω ενός αμοιβαίου μαγνητικού πεδίου Φ»· «Ως πυρήνας του μετασχηματιστή χρησιμοποιείται ένα σιδηρομαγνητικό υλικό».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο μονοφασικός μετασχηματιστής αποτελείται από: α) το πρωτεύον τύλιγμα (Ν1 σπείρες, είσοδος ισχύος), β) το δευτερεύον τύλιγμα (Ν2 σπείρες, έξοδος ισχύος), τα οποία είναι ηλεκτρικά ανεξάρτητα αλλά συνδέονται μαγνητικά μέσω κοινού μαγνητικού πεδίου Φ, και γ) τον πυρήνα — συνήθως σιδηρομαγνητικό υλικό, κατασκευασμένο από λεπτά μονωμένα ελάσματα (0,3-0,5 mm, σχήματος «πι», «διπλό πι» ή «γιώτα») για τη μείωση των δινορρευμάτων. Τα τυλίγματα είναι μονωμένοι χάλκινοι αγωγοί τυλιγμένοι σε καλούπια, και τα άκρα τους καταλήγουν σε ακροδέκτες πάνω σε βάση από βακελίτη (U-V στο πρωτεύον, u-v στο δευτερεύον). Κατασκευαστικά, οι μετασχηματιστές διακρίνονται σε τύπου πυρήνα και τύπου μανδύα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Πρωτεύον+δευτερεύον τύλιγμα, κοινό μαγνητικό πεδίο, πυρήνας από μονωμένα ελάσματα, ακροδέκτες σε βάση βακελίτη
Τι είναι ο λόγος μετασχηματισμού
Ερώτηση: Τι είναι ο λόγος μετασχηματισμού;
Απάντηση:
- §3.1. «Ο λόγος μετασχηματισμού α ορίζεται ως ο λόγος των ελιγμάτων του πρωτεύοντος Ν1 προς τον αριθμό ελιγμάτων του δευτερεύοντος Ν2: α = Ν1/Ν2».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο λόγος μετασχηματισμού α είναι ο λόγος του αριθμού σπειρών (ελιγμάτων) του πρωτεύοντος τυλίγματος Ν1 προς τον αριθμό σπειρών του δευτερεύοντος Ν2: α = Ν1/Ν2. Ισούται επίσης με τον λόγο των τάσεων V1/V2 και με το αντίστροφο του λόγου των ρευμάτων I2/I1. Αν α<1, ο μετασχηματιστής ανυψώνει την τάση· αν α>1, την υποβιβάζει.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- α=Ν1/Ν2=V1/V2 · α<1 ανύψωση, α>1 υποβιβασμός
Προσδιορισμός λόγου μετασχηματιστή στο εργαστήριο
Ερώτηση: Πώς γίνεται ο προσδιορισμός του λόγου του μετασχηματιστή στο εργαστήριο;
Απάντηση:
- §3.1. «Ο προσδιορισμός του λόγου του μετασχηματιστή α γίνεται στο εργαστήριο με τη δοκιμή ανοικτού δευτερεύοντος (δοκιμή κενού φορτίου)... Ο λόγος των δύο τάσεων V1 και V2 δίνει το λόγο του μετασχηματισμού α».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο λόγος μετασχηματισμού προσδιορίζεται με τη δοκιμή ανοικτού δευτερεύοντος (δοκιμή κενού φορτίου): αφαιρείται κάθε φορτίο από το δευτερεύον, το πρωτεύον τροφοδοτείται με την ονομαστική του τάση V1, και με πολύμετρο μετριέται η τάση V1 του πρωτεύοντος και η τάση V2 στα ανοικτά άκρα του δευτερεύοντος. Ο λόγος τους δίνει τον λόγο μετασχηματισμού: α = V1/V2.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Δοκιμή κενού φορτίου: ανοικτό δευτερεύον, μέτρηση V1 & V2, α=V1/V2
Λειτουργία μετασχηματιστή στο συνεχές ρεύμα
Ερώτηση: Πώς λειτουργεί ο μετασχηματιστής στο συνεχές ρεύμα;
Απάντηση:
- §3.1., ΠΡΟΣΟΧΗ: «Στο συνεχές ρεύμα, ο μετασχηματιστής δεν μπορεί να λειτουργήσει και συμπεριφέρεται σαν ανοικτό κύκλωμα».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο μετασχηματιστής δεν λειτουργεί στο συνεχές ρεύμα και συμπεριφέρεται σαν ανοικτό κύκλωμα. Αυτό συμβαίνει επειδή η λειτουργία του στηρίζεται στη μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή που επάγει τάση στο δευτερεύον τύλιγμα (νόμος επαγωγής)· ένα σταθερό (συνεχές) ρεύμα στο πρωτεύον δημιουργεί σταθερή, όχι μεταβαλλόμενη, μαγνητική ροή, άρα δεν επάγεται καμία τάση στο δευτερεύον.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- ΣΡ→σταθερή μαγνητική ροή→καμία επαγωγή→συμπεριφορά ανοικτού κυκλώματος
Βασικές σχέσεις λόγου μετασχηματισμού, τάσεων και ρευμάτων
Ερώτηση: Ποιες είναι οι βασικές σχέσεις μεταξύ λόγου μετασχηματισμού, τάσεων και ρευμάτων;
Απάντηση:
- §3.1. «Ο λόγος των τάσεων του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος ισούται με το λόγο μετασχηματισμού α... Ο λόγος των ρευμάτων ισούται με το αντίστροφο του λόγου μετασχηματισμού: V1/V2 = N1/N2 = α, I1/I2 = N2/N1 = 1/α».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι βασικές σχέσεις του ιδανικού μετασχηματιστή είναι: ο λόγος των τάσεων πρωτεύοντος-δευτερεύοντος ισούται με τον λόγο μετασχηματισμού, V1/V2 = N1/N2 = α, ενώ ο λόγος των ρευμάτων ισούται με το αντίστροφο του λόγου μετασχηματισμού, I1/I2 = N2/N1 = 1/α. Δηλαδή όταν η τάση πολλαπλασιάζεται επί α, το ρεύμα διαιρείται διά α — έτσι διατηρείται σταθερή η ισχύς (V1·I1 = V2·I2).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- V1/V2=α (ίδια φορά με α) · I1/I2=1/α (αντίστροφη φορά)
Δυνατά φορτία μετασχηματιστή
Ερώτηση: Ποιο ηλεκτρικό κύκλωμα μπορεί να είναι φορτίο του μετασχηματιστή;
Απάντηση:
- §3.1. «Το φορτίο μπορεί να είναι μία ωμική αντίσταση R, ή ένα πηνίο L, ή ένας πυκνωτής C, ή συνδυασμός των τριών στοιχείων αυτών, δηλαδή μια σύνθετη αντίσταση R-L-C».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το φορτίο που συνδέεται στο δευτερεύον ενός μετασχηματιστή μπορεί να είναι μία απλή ωμική αντίσταση R, ένα πηνίο L (επαγωγικό φορτίο), ένας πυκνωτής C (χωρητικό φορτίο), ή οποιοσδήποτε συνδυασμός των τριών, δηλαδή μια σύνθετη αντίσταση R-L-C.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Φορτίο: R, L, C ή συνδυασμός R-L-C
Βαθμός απόδοσης του μετασχηματιστή
Ερώτηση: Τι είναι ο βαθμός απόδοσης του μετασχηματιστή και πώς υπολογίζεται;
Απάντηση:
- §3.1. «Ο βαθμός απόδοσης του μετασχηματιστή η υπολογίζεται ως ο λόγος της ωφέλιμης ισχύος (ισχύς εξόδου) και της καταναλισκόμενης ισχύος (ισχύς εισόδου)... η = ισχύς εξόδου/ισχύς εισόδου = ισχύς εξόδου/(ισχύς εξόδου+απώλειες) = 1 − απώλειες/ισχύς εισόδου».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο βαθμός απόδοσης η εκφράζει πόσο αποτελεσματικά ο μετασχηματιστής μετατρέπει την ισχύ που δέχεται σε χρήσιμη ισχύ εξόδου. Υπολογίζεται ως ο λόγος της ωφέλιμης ισχύος εξόδου προς την καταναλισκόμενη ισχύ εισόδου: η = Ρεξόδου/Ρεισόδου = Ρεξόδου/(Ρεξόδου+απώλειες) = 1 − απώλειες/Ρεισόδου, όπου οι απώλειες = Pα (χαλκού, στις ωμικές αντιστάσεις r1, r2 των τυλιγμάτων) + Ρπ (πυρήνα, λόγω δινορρευμάτων και υστέρησης). Όσο μικρότερες οι απώλειες, τόσο μεγαλύτερος ο βαθμός απόδοσης (πλησιάζει το 1, δηλαδή 100%).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- η=Ρεξ/Ρεισ=1−απώλειες/Ρεισ · απώλειες=Pχαλκού+Pπυρήνα
Τι είναι ο αυτομετασχηματιστής
Ερώτηση: Τι είναι ο αυτομετασχηματιστής;
Απάντηση:
- §3.2. «Ένας μετασχηματιστής του οποίου τα δύο τυλίγματα συνδέονται σε σειρά ονομάζεται αυτομετασχηματιστής... μπορεί να κατασκευαστεί με ένα μόνο τύλιγμα, το πρωτεύον, και το δευτερεύον είναι ένα μέρος του πρωτεύοντος».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο αυτομετασχηματιστής είναι ένας μετασχηματιστής στον οποίο τα δύο τυλίγματα (πρωτεύον και δευτερεύον) συνδέονται ηλεκτρικά σε σειρά μεταξύ τους, αντί να είναι εντελώς ανεξάρτητα όπως στον κοινό μετασχηματιστή· μπορεί μάλιστα να κατασκευαστεί με ένα μόνο τύλιγμα, όπου το δευτερεύον είναι απλώς ένα τμήμα (μέρος) του πρωτεύοντος τυλίγματος. Σε σχέση με τον κοινό μετασχηματιστή έχει μειωμένη ένταση ρεύματος στο κοινό τμήμα, αγωγούς μικρότερης διατομής, χαμηλότερο κόστος κατασκευής, χαμηλότερες απώλειες και υψηλότερο βαθμό απόδοσης. Με κινητό ακροδέκτη (δρομέα) γίνεται ρυθμιζόμενος αυτομετασχηματιστής (variac), που λειτουργεί ως μετασχηματιστής υποβιβασμού με συνεχώς ρυθμιζόμενη τάση εξόδου.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Δύο τυλίγματα σε σειρά (ή ένα κοινό τύλιγμα) — μικρότερο κόστος/απώλειες, υψηλότερη απόδοση· variac=ρυθμιζόμενη έκδοση
Εφαρμογές τριφασικών μετασχηματιστών
Ερώτηση: Πού χρησιμοποιούνται τριφασικοί μετασχηματιστές;
Απάντηση:
- §3.3. «Σχεδόν το σύνολο της χρησιμοποιούμενης ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται από τριφασικές γεννήτριες και μεταφέρεται από τριφασικές γραμμές μεταφοράς. Οι μετασχηματιστές οι οποίοι χρησιμοποιούνται στις τριφασικές γραμμές μεταφοράς...».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι τριφασικοί μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται στις τριφασικές γραμμές μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, αφού σχεδόν όλη η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται από τριφασικές γεννήτριες και μεταφέρεται τριφασικά — δηλαδή σε υποσταθμούς παραγωγής (ανύψωση τάσης προς μεταφορά), σε υποσταθμούς μεταφοράς/διανομής (υποβιβασμός τάσης), καθώς και σε βιομηχανικές και μεγάλες εγκαταστάσεις που τροφοδοτούνται με τριφασικό ρεύμα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Τριφασικές γραμμές μεταφοράς/διανομής ενέργειας — παραγωγή, μεταφορά, διανομή
Δομή τριφασικού μετασχηματιστή
Ερώτηση: Από τι αποτελείται ένας τριφασικός μετασχηματιστής;
Απάντηση:
- §3.3. «Οι μετασχηματιστές... αποτελούνται είτε από τριφασικές συστοιχίες μονοφασικών μετασχηματιστών κατάλληλα συνδεδεμένες είτε από ολόσωμους τριφασικούς μετασχηματιστές».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ένας τριφασικός μετασχηματιστής αποτελείται είτε από τριφασική συστοιχία τριών μονοφασικών μετασχηματιστών (όμοιων, κατάλληλα συνδεδεμένων), είτε από έναν ολόσωμο τριφασικό μετασχηματιστή με κοινό πυρήνα, όπου τα μαγνητικά κυκλώματα των τριών φάσεων είναι αλληλοσυνδεδεμένα και τα ελάσματα του πυρήνα έχουν σχήμα «διπλού πι». Τα τρία τυλίγματα πρωτεύοντος και τα τρία δευτερεύοντος καταλήγουν σε ακροδέκτες πάνω σε βάση βακελίτη (U-V-W και u-v-w αντίστοιχα), με ενδεχόμενο ουδέτερο κόμβο (Ν στο πρωτεύον, n στο δευτερεύον).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Είτε 3 μονοφασικοί σε συστοιχία, είτε ολόσωμος τριφασικός με κοινό πυρήνα
Συνδέσεις τριφασικών μετασχηματιστών
Ερώτηση: Ποιες είναι οι συνδέσεις των τριφασικών μετασχηματιστών;
Απάντηση:
- §3.3. «Υπάρχουν τέσσερις συμμετρικές συνδέσεις των τριφασικών μετασχηματιστών: αστέρας-αστέρας Υ-Υ, τρίγωνο-τρίγωνο Δ-Δ, αστέρας-τρίγωνο Υ-Δ και τρίγωνο-αστέρας Δ-Υ».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Υπάρχουν τέσσερις βασικές συμμετρικές συνδέσεις τριφασικών μετασχηματιστών: αστέρας-αστέρας (Υ-Υ), τρίγωνο-τρίγωνο (Δ-Δ), αστέρας-τρίγωνο (Υ-Δ) και τρίγωνο-αστέρας (Δ-Υ). Σε όλες τις περιπτώσεις πρέπει να πληρούνται προϋποθέσεις συμμετρίας: όμοιοι μονοφασικοί μετασχηματιστές (αν χρησιμοποιούνται), συμμετρική τροφοδότηση/φόρτιση, συμμετρικό τριφασικό φορτίο (1/3 ανά φάση) και ίδια ακολουθία φάσεων στο πρωτεύον και το δευτερεύον (ABC-abc).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- 4 συνδέσεις: Υ-Υ, Δ-Δ, Υ-Δ, Δ-Υ — με προϋπόθεση συμμετρίας φόρτισης/ακολουθίας φάσεων
Χρήση μετασχηματιστών στις εγκαταστάσεις κλιματισμού
Ερώτηση: Ποια είναι η χρήση μετασχηματιστών στις εγκαταστάσεις κλιματισμού;
Απάντηση:
- §3.2. «Μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται στις εγκαταστάσεις κλιματισμού για τον υποβιβασμό της τάσης του δικτύου από 220 V στα 24 V. Η τάση των 24 V τροφοδοτεί τους θερμοστάτες και τους μηχανισμούς ελέγχου της ροής του ψυκτικού μέσου».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Στις εγκαταστάσεις κλιματισμού οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται ως μετασχηματιστές υποβιβασμού: υποβιβάζουν την τάση δικτύου από 220 V σε 24 V. Η χαμηλή αυτή τάση των 24 V τροφοδοτεί τα κυκλώματα ελέγχου του συστήματος — κυρίως τους θερμοστάτες και τους μηχανισμούς ελέγχου που ρυθμίζουν τη ροή του ψυκτικού μέσου — για λόγους ασφάλειας (χαμηλότερη τάση στα κυκλώματα χειρισμού/ελέγχου σε σχέση με το κύκλωμα ισχύος).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- 220 V → 24 V (υποβιβασμός) για θερμοστάτες/κυκλώματα ελέγχου ψυκτικού μέσου
