Λύσεις — Ενότητα 1.1: Χρήσεις και αρχή λειτουργίας Μ/Σ (σελ. 30-31) – ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Γ΄ ΕΠΑΛ
Λύσεις — Ενότητα 1.1: Χρήσεις και αρχή λειτουργίας Μ/Σ (σελ. 30-31)
Λύσεις των 22 ερωτήσεων της ενότητας 1.1: 13 ανοιχτές, 2 αριθμητικές (Κ και uK, U2/I2) και 7 πολλαπλής επιλογής.
Ερώτηση 1 — Τι είναι οι Μ/Σ και ποια η επίδρασή τους στην ανάπτυξη
Ερώτηση: Τι ονομάζουμε μετασχηματιστές (Μ/Σ) και ποια η επίδρασή τους στην οικονομική και τεχνολογική ανάπτυξη;
Απάντηση:
- Μετασχηματιστές (Μ/Σ) ονομάζουμε τα μηχανήματα με τα οποία η τάση (και η ένταση) του εναλλασσόμενου ρεύματος ανυψώνεται ή υποβιβάζεται εύκολα, γρήγορα και οικονομικά (σελ. 22). Είναι ειδικές μηχανές Ε.Ρ. που αυξομειώνουν τα βασικά ηλεκτρικά μεγέθη (Ανακεφαλαίωση, σελ. 73)· κύριο χαρακτηριστικό τους ότι δεν έχουν κινούμενα μέρη — γι' αυτό λέγονται στατοί μετασχηματιστές — και ότι ο μετασχηματισμός γίνεται με ελάχιστες απώλειες (μεγάλοι Μ/Σ με βαθμό απόδοσης έως 99 %).
- Επίδραση: έλυσαν το πρόβλημα της οικονομικής μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας (μεταφορά σε υψηλή τάση, υποβιβασμός για ακίνδυνη διανομή) που το ζεύγος κινητήρα-γεννήτριας του Σ.Ρ. έλυνε με μεγάλες απώλειες. Χάρη σε αυτούς επικράτησε το Ε.Ρ. και εξαπλώθηκαν ραγδαία τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας Ε.Ρ.· αναπτύχθηκε παράλληλα η τεχνολογία των καταναλωτών και συσκευών (όπου χρειάζεται διαφορετική τάση ή ένταση ο Μ/Σ δίνει απλή και οικονομική λύση), και μαζί με τις εφαρμογές του Ε.Ρ. όλοι σχεδόν οι τομείς της Τεχνολογίας και της Παραγωγής. Το Ε.Ρ. χρησιμοποιείται πλέον στα δίκτυα ηλεκτροδότησης όλων των χωρών.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Μ/Σ = στατές μηχανές Ε.Ρ. (χωρίς κινούμενα μέρη) που ανυψώνουν/υποβιβάζουν τάση και ένταση με ελάχιστες απώλειες· έκαναν οικονομική τη μεταφορά ενέργειας, επέβαλαν το Ε.Ρ. στα δίκτυα όλων των χωρών και στήριξαν την ανάπτυξη όλων σχεδόν των τομέων τεχνολογίας και παραγωγής.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ορισμός (στατή μηχανή Ε.Ρ., αυξομείωση μεγεθών) + οικονομική μεταφορά + επικράτηση Ε.Ρ. + ανάπτυξη τομέων.
Ερώτηση 2 — Σε ποιες τεχνολογικές εφαρμογές βοήθησαν οι Μ/Σ
Ερώτηση: Στην ανάπτυξη ποιών τεχνολογικών εφαρμογών βοήθησαν οι Μ/Σ;
Απάντηση:
- Οι Μ/Σ βοήθησαν (σελ. 23): ① στη ραγδαία εξέλιξη και εξάπλωση των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας Ε.Ρ. (οικονομική μεταφορά σε υψηλή τάση, διανομή σε χαμηλή)· ② στην ανάπτυξη της τεχνολογίας καταναλωτών και συσκευών που χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια, με συνεχή βελτίωση του βαθμού απόδοσής τους — όπου χρειάζεται διαφορετική τάση ή ένταση, ο Μ/Σ δίνει απλή και οικονομική λύση· ③ γενικότερα, στις εφαρμογές του εναλλασσόμενου ρεύματος και, μαζί με αυτές, σε όλους σχεδόν τους τομείς της Τεχνολογίας και της Παραγωγής· ④ η τεχνογνωσία τους βοήθησε και στην κατασκευή ειδικών μετασχηματιστών Σ.Ρ., όπως ο πολλαπλασιαστής των αυτοκινήτων.
- Συγκεκριμένα παραδείγματα εφαρμογών (σελ. 23): Μ/Σ διανομής (Σ.Η.Ε., βαριά βιομηχανία), ηλεκτροσυγκολλήσεων και φόρτισης συσσωρευτών (βιοτεχνία), ηλεκτρονικών υπολογιστών (γραφείο), ηλεκτρικής έλξης (συγκοινωνίες), κουδουνιού και ηλεκτρονικών συσκευών (σπίτι), τροφοδοτικού κινητού (τηλεπικοινωνίες).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας Ε.Ρ., στην τεχνολογία καταναλωτών/συσκευών, στις εφαρμογές του Ε.Ρ. σε όλους σχεδόν τους τομείς τεχνολογίας-παραγωγής και στους ειδικούς Μ/Σ Σ.Ρ. (πολλαπλασιαστής).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Συστήματα Ε.Ρ. + συσκευές + όλοι οι τομείς + πολλαπλασιαστής.
Ερώτηση 3 — Βασικοί τομείς παραγωγής με Μ/Σ
Ερώτηση: Σε ποιούς βασικούς τομείς παραγωγής υπάρχουν Μ/Σ;
Απάντηση:
- Οι Μ/Σ χρησιμοποιούνται σε όλους σχεδόν τους τομείς δραστηριότητας του ανθρώπου (σελ. 23): συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και βαριά βιομηχανία (π.χ. Μ/Σ διανομής), βιοτεχνία (Μ/Σ ηλεκτροσυγκολλήσεων, φόρτισης συσσωρευτών κ.ά.), γραφείο (Μ/Σ ηλεκτρονικών υπολογιστών), συγκοινωνίες και μεταφορές (Μ/Σ ηλεκτρικής έλξης), σπίτι (Μ/Σ ηλεκτρικού κουδουνιού, ηλεκτρονικών συσκευών) και τηλεπικοινωνίες (Μ/Σ τροφοδοτικού κινητού τηλεφώνου).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Συστήματα ηλ. ενέργειας και βαριά βιομηχανία, βιοτεχνία, γραφείο, συγκοινωνίες-μεταφορές, σπίτι, τηλεπικοινωνίες — με τα αντίστοιχα παραδείγματα Μ/Σ.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Οι έξι τομείς με ένα παράδειγμα ο καθένας.
Ερώτηση 4 — Πού και πώς χρησιμοποιούνται οι Μ/Σ στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας
Ερώτηση: Πού (και πώς) χρησιμοποιούνται οι Μ/Σ στην παραγωγή ηλ. ενέργειας;
Απάντηση:
- Στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας οι Μ/Σ χρησιμοποιούνται σε δύο βασικά σημεία (σελ. 22-24 και ερ. 19): ① Στους σταθμούς παραγωγής, ως Μ/Σ ανύψωσης της τάσης (π.χ. από 22 kV σε 220 kV): η μεταφορά της ενέργειας συμφέρει οικονομικά μόνο σε πολύ υψηλότερη τάση από αυτή της κατανάλωσης, γιατί με την ανύψωση της τάσης το ρεύμα της γραμμής μειώνεται με την ίδια αναλογία (I2 = I1/Κ) και έτσι μειώνονται οι απώλειες και η διατομή των αγωγών. ② Στους υποσταθμούς και στη διανομή, ως Μ/Σ υποβιβασμού (π.χ. Μ/Σ διανομής 15-20 kV/400 V): η τάση υποβιβάζεται σταδιακά, ώστε η ενέργεια να διανεμηθεί ακίνδυνα και να χρησιμοποιηθεί από τους καταναλωτές.
- Ο τρόπος είναι πάντα ο ίδιος: το πρωτεύον συνδέεται στο δίκτυο της μιας τάσης και το δευτερεύον δίνει, μέσω της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής και της σχέσης μεταφοράς Κ = W1/W2, την άλλη τάση — με ελάχιστες απώλειες (βαθμός απόδοσης μεγάλων Μ/Σ έως 99 %). Στα συστήματα ηλ. ενέργειας υπάρχουν επίσης Μ/Σ οργάνων μέτρησης (μέτρηση μεγάλων τάσεων/ρευμάτων) και Μ/Σ υπαίθρου / κλειστού χώρου ανάλογα με τον υποσταθμό.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Στους σταθμούς παραγωγής ως Μ/Σ ανύψωσης (μεταφορά σε υψηλή τάση, μικρό ρεύμα γραμμής, λίγες απώλειες) και στους υποσταθμούς/διανομή ως Μ/Σ υποβιβασμού (ακίνδυνη διανομή στους καταναλωτές)· λειτουργούν με επαγωγή κατά τη σχέση μεταφοράς, με απώλειες έως 1 %.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ανύψωση στην παραγωγή + υποβιβασμός στη διανομή + γιατί (απώλειες μεταφοράς).
Ερώτηση 5 — Τα κυριότερα είδη των Μ/Σ
Ερώτηση: Ποια τα κυριότερα είδη των Μ/Σ;
Απάντηση:
- Κατά το διάγραμμα Δ.1.1 (σελ. 23-24) οι Μ/Σ διακρίνονται ανάλογα με: ① τον προορισμό τους: Μ/Σ ισχύος (μεταφέρουν μεγάλες ποσότητες ισχύος) και Μ/Σ οργάνων μέτρησης (πολύ μικρές ισχείς, υποβιβάζουν κατά γνωστό λόγο την τάση ή την ένταση που μετράμε)· ② το είδος δικτύου: τριφασικοί (τριφασικά δίκτυα) και μονοφασικοί (μονοφασικά δίκτυα, οικιακές συσκευές)· ③ τον τρόπο ψύξης: ξηροί (μικρές ισχείς, ψύξη από τον αέρα) και λαδιού (μεγαλύτερες ισχείς, ψύξη με ορυκτέλαιο)· ④ τον χώρο τους στα Σ.Η.Ε.: υπαίθρου (υπαίθριοι υποσταθμοί) και κλειστού χώρου· ⑤ την ειδική κατασκευή και χρήση: ειδικοί Μ/Σ — Μ/Σ 1:1, Μ/Σ ηλεκτρικής έλξης, αυτομετασχηματιστές, Μ/Σ ηλεκτροσυγκολλήσεων. Γενικά, ως προς τη λειτουργία, κάθε Μ/Σ είναι Μ/Σ ανύψωσης ή υποβιβασμού της τάσης.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Κατά προορισμό (ισχύος / οργάνων), κατά δίκτυο (3~ / 1~), κατά ψύξη (ξηροί / λαδιού), κατά χώρο (υπαίθρου / κλειστού χώρου), ειδικοί (1:1, έλξης, αυτοΜ/Σ, συγκολλήσεων)· και γενικά ανύψωσης ή υποβιβασμού.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Τα πέντε κριτήρια διάκρισης με τα είδη τους.
Ερώτηση 6 — Από τι αποτελείται ο Μ/Σ· πρωτεύον και δευτερεύον
Ερώτηση: Από τι αποτελείται βασικά κάθε Μ/Σ; Τι λέμε πρωτεύον και τι δευτερεύον;
Απάντηση:
- Κάθε Μ/Σ αποτελείται βασικά από (σελ. 24): έναν πυρήνα, που αποτελεί το μαγνητικό κύκλωμα (από σιδηρομαγνητικά ελάσματα, με κάθετους κορμούς και οριζόντια ζυγώματα), και δύο τυλίγματα: το τύλιγμα υψηλής τάσης (Υ.Τ.) και το τύλιγμα χαμηλής τάσης (Χ.Τ.). Πυρήνας και τυλίγματα αποτελούν το ενεργό μέρος του Μ/Σ.
- Πρωτεύον λέγεται το τύλιγμα που συνδέεται με την ηλεκτρική πηγή (το δίκτυο ηλεκτροδότησης) και δευτερεύον το τύλιγμα που μας δίνει τη μετασχηματισμένη τάση (τροφοδοτεί τον καταναλωτή). Ποιο από τα δύο τυλίγματα είναι πρωτεύον εξαρτάται από τη χρήση: στους Μ/Σ υποβιβασμού πρωτεύον είναι το τύλιγμα Υ.Τ. και δευτερεύον το Χ.Τ., ενώ στους Μ/Σ ανύψωσης το αντίστροφο.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Πυρήνας (μαγνητικό κύκλωμα, κορμοί-ζυγώματα) + δύο τυλίγματα (Υ.Τ., Χ.Τ.)· πρωτεύον = συνδέεται με την πηγή/δίκτυο, δευτερεύον = δίνει τη μετασχηματισμένη τάση (υποβιβασμός: πρωτεύον Υ.Τ.).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Τρία μέρη + ορισμοί πρωτεύοντος/δευτερεύοντος με το παράδειγμα υποβιβασμού.
Ερώτηση 7 — Πώς λειτουργεί ένας μονοφασικός Μ/Σ
Ερώτηση: Πώς λειτουργεί με λίγα λόγια ένας (1~) Μ/Σ;
Απάντηση:
- Η λειτουργία στηρίζεται στην ηλεκτρομαγνητική επαγωγή (σελ. 25-26): ① Η εναλλασσόμενη τάση U1 του δικτύου προκαλεί στο πρωτεύον εναλλασσόμενο ρεύμα (χωρίς φορτίο, το ρεύμα I0). ② Το ρεύμα αυτό δημιουργεί μαγνητικό πεδίο με εναλλασσόμενη (μεταβαλλόμενη) μαγνητική ροή Φμ. ③ Η ροή κλείνει κύκλωμα μέσα από τον πυρήνα και διαπερνά («τέμνει») τις σπείρες του δευτερεύοντος. ④ Σε κάθε σπείρα του δευτερεύοντος αναπτύσσεται Η.Ε.Δ. από επαγωγή, εναλλασσόμενη και ίδιας συχνότητας με τα U1, I0, Φμ. ⑤ Οι σπείρες είναι συνδεδεμένες σε σειρά, οπότε οι Η.Ε.Δ. αθροίζονται και από το δευτερεύον παίρνουμε συνολική Η.Ε.Δ. Ε2 = 4,44·f·W2·Φμ, που μετράμε με βολτόμετρο.
- Η τάση του δευτερεύοντος είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη από του πρωτεύοντος ανάλογα με τον λόγο των σπειρών (σχέση μεταφοράς Κ = W1/W2): U2 = U1/Κ. Όταν στο δευτερεύον συνδεθεί φορτίο, το ρεύμα του (I2 = Κ·I1) «αντανακλάται» στο πρωτεύον, που απορροφά από το δίκτυο την ισχύ του φορτίου συν τις απώλειες. Ο 3~ Μ/Σ λειτουργεί όμοια — κάθε κορμός με τα δύο τυλίγματά του συμπεριφέρεται σαν 1~ Μ/Σ.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Εναλλασσόμενο ρεύμα στο πρωτεύον → μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή στον πυρήνα → η ροή τέμνει τις σπείρες του δευτερεύοντος → Η.Ε.Δ. από επαγωγή σε κάθε σπείρα (ίδια συχνότητα), αθροίζονται → Ε2 = 4,44·f·W2·Φμ· η τάση μεγαλώνει ή μικραίνει κατά τον λόγο σπειρών Κ.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Η αλυσίδα ρεύμα → ροή → επαγωγή → άθροιση + τύπος Ε2.
Ερώτηση 8 — Λειτουργία χωρίς φορτίο και με φορτίο
Ερώτηση: Πότε λέμε ότι ένας Μ/Σ λειτουργεί χωρίς φορτίο και πότε με φορτίο;
Απάντηση:
- Χωρίς φορτίο (ή στο κενό): όταν το δευτερεύον δεν τροφοδοτεί καμία κατανάλωση, δηλαδή είναι ανοικτό (μόνο ένα βολτόμετρο συνδεδεμένο, σχ. 1.2). Είναι μεταβατικό στάδιο: το πρωτεύον απορροφά μόνο το μικρό ρεύμα I0 (μαγνήτισης) και η τάση του δευτερεύοντος είναι ίση με την Η.Ε.Δ., U2 = E2· ισχύει U1/U2 = W1/W2 = Κ.
- Με φορτίο: όταν το δευτερεύον τροφοδοτεί έναν καταναλωτή (σχ. 1.3) ή τους ζυγούς ενός δικτύου — η κανονική λειτουργία. Την ισχύ που απορροφά ο καταναλωτής, μαζί με τις απώλειες του Μ/Σ, τη δίνει το δίκτυο, οπότε το πρωτεύον απορροφά μεγαλύτερο ρεύμα (I1 αντί I0)· η U2 είναι γενικά μικρότερη από την E2 λόγω πτώσης τάσης στα τυλίγματα, και ισχύουν προσεγγιστικά I2 = Κ·I1 και U2 = U1/Κ.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Χωρίς φορτίο = δευτερεύον ανοικτό (καμία κατανάλωση), μεταβατικό στάδιο, U2 = E2, ρεύμα I0· με φορτίο = δευτερεύον τροφοδοτεί καταναλωτή/δίκτυο, κανονική λειτουργία, μεγαλύτερο ρεύμα πρωτεύοντος, U2 < E2.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Δύο ορισμοί + τι συμβαίνει στα ρεύματα/τάσεις.
Ερώτηση 9 — Σχέση τάσεων, εντάσεων και σπειρών και πώς προκύπτει
Ερώτηση: Ποια η σχέση μεταξύ των τάσεων, των εντάσεων και των σπειρών πρωτεύοντος και δευτερεύοντος ενός Μ/Σ και πώς προκύπτει αυτή;
Απάντηση:
- Η σχέση (1.5): \( \frac{U_1}{U_2} = \frac{I_2}{I_1} = \frac{W_1}{W_2} = K \) — οι τάσεις είναι ανάλογες των σπειρών, οι εντάσεις αντιστρόφως ανάλογες (σελ. 27-28).
- Πώς προκύπτει: ① Στη λειτουργία χωρίς φορτίο, η Η.Ε.Δ. κάθε τυλίγματος είναι ανάλογη του αριθμού των σπειρών του (Ε = 4,44·f·W·Φμ, ίδια ροή Φμ και για τα δύο τυλίγματα), άρα U1/U2 = W1/W2 (1.1) — και ο λόγος W1/W2 ορίζεται ως σχέση μεταφοράς Κ (1.2). ② Στη λειτουργία με φορτίο, μετρώντας τις εντάσεις (σχ. 1.3) διαπιστώνουμε ότι προσεγγιστικά I2/I1 = W1/W2 ή I2 = Κ·I1 (1.3): η ισχύς που δίνει το δευτερεύον την απορροφά (συν τις απώλειες) το πρωτεύον, οπότε όταν η τάση υποβιβάζεται Κ φορές το ρεύμα ανεβαίνει Κ φορές. Η (1.1) ισχύει κατά προσέγγιση και με φορτίο (1.4). ③ Εξισώνοντας τα πρώτα μέλη των (1.3) και (1.4) προκύπτει U1/U2 = I2/I1 και άρα η (1.5).
- Συμπεράσματα: (α) Μ/Σ που ανυψώνει την τάση υποβιβάζει με την ίδια περίπου αναλογία την ένταση· (β) το τύλιγμα Χ.Τ.-μεγάλης έντασης έχει λίγες σπείρες και αγωγό μεγάλης διατομής, το Υ.Τ.-μικρής έντασης πολλές σπείρες και αγωγό μικρής διατομής. Παράδειγμα: I1 = 2 A, U1 = 220 V, U2 = 44 V → I2 = I1·U1/U2 = 10 A.
Σύνοψη: (ενδεικτική) U1/U2 = I2/I1 = W1/W2 = Κ· από την επαγωγή (Η.Ε.Δ. ανάλογη σπειρών) βγαίνει U1/U2 = W1/W2 στο κενό, από τη διατήρηση της ισχύος με φορτίο I2/I1 = W1/W2· εξίσωση των δύο δίνει U1/U2 = I2/I1· ανύψωση τάσης = υποβιβασμός έντασης.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Η τριπλή ισότητα + η προέλευση κάθε σκέλους + συμπεράσματα.
Ερώτηση 10 — Σχέση μεταφοράς και τι δείχνει
Ερώτηση: Τι ονομάζουμε σχέση μεταφοράς ενός Μ/Σ και τι δείχνει;
Απάντηση:
- Σχέση μεταφοράς Κ ονομάζουμε τον λόγο (πηλίκο) των σπειρών του πρωτεύοντος προς τις σπείρες του δευτερεύοντος: \( K = \frac{W_1}{W_2} \) (1.2, σελ. 26). Επειδή U1/U2 = W1/W2 (στο κενό, και προσεγγιστικά με φορτίο) και I2/I1 = W1/W2, ισούται και με τον λόγο των τάσεων U1/U2 και με τον αντίστροφο λόγο των εντάσεων I2/I1.
- Τι δείχνει: πόσες φορές ο Μ/Σ υποβιβάζει (Κ > 1) ή ανυψώνει (Κ < 1) την τάση — U2 = U1/Κ — και αντίστοιχα πόσες φορές αυξάνει ή μειώνει το ρεύμα (I2 = Κ·I1). Π.χ. Κ = 5 σημαίνει ότι η τάση στο δευτερεύον είναι 5 φορές μικρότερη και η ένταση 5 φορές μεγαλύτερη από του πρωτεύοντος. Καθορίζοντας τις σπείρες (δηλ. το Κ) ο κατασκευαστής πετυχαίνει την επιθυμητή τάση εξόδου. Στους Μ/Σ οργάνων η Κ είναι ο γνωστός λόγος με τον οποίο πολλαπλασιάζουμε την ένδειξη του οργάνου.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Κ = W1/W2 (= U1/U2 = I2/I1)· δείχνει πόσες φορές υποβιβάζεται (Κ > 1) ή ανυψώνεται (Κ < 1) η τάση και, αντίστροφα, το ρεύμα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ορισμός + ισοδύναμοι λόγοι + ερμηνεία.
Ερώτηση 11 — Τάση βραχυκύκλωσης και χρησιμότητα
Ερώτηση: Τι ονομάζουμε τάση βραχυκύκλωσης και σε τι μας χρησιμεύει;
Απάντηση:
- Τάση βραχυκύκλωσης Μ/Σ ονομάζουμε την τάση που πρέπει να εφαρμοστεί στο πρωτεύον του ώστε, με βραχυκυκλωμένο το δευτερεύον τύλιγμα, να έχουμε τα κανονικά (ονομαστικά) ρεύματα φόρτισης τόσο στο πρωτεύον όσο και στο δευτερεύον (σελ. 28). Μετριέται στο πείραμα βραχυκύκλωσης (σχ. 1.4) και εκφράζεται πρακτικά ως ποσοστό της ονομαστικής τάσης του πρωτεύοντος: \( u_K\% = \frac{U_{1K}}{U_{1N}} \cdot 100 \) (1.6). Τυπικές τιμές: μερικά % (π.χ. 4-5 %).
- Χρησιμότητα: ① γνωρίζοντας την uK% υπολογίζουμε την πιθανή ένταση βραχυκυκλώματος στο δευτερεύον, όταν το πρωτεύον τροφοδοτείται με την κανονική του τάση: \( I_{2K} = \frac{I_{2N} \cdot 100}{u_K\%} \) (1.6΄) — απαραίτητο για τη διαστασιολόγηση της προστασίας (ασφάλειες, αυτόματοι διακόπτες) και για την εκτίμηση του κινδύνου (όσο μικρότερη η uK, τόσο μεγαλύτερο και επικινδυνότερο το ρεύμα βραχυκύκλωσης)· ② χαρακτηρίζει τη συμπεριφορά του Μ/Σ με φορτίο (πτώση τάσης) και είναι στοιχείο της πινακίδας του, απαραίτητο και για την παράλληλη λειτουργία Μ/Σ (ειδικό έντυπο, σελ. 69)· ③ στο πείραμα βραχυκύκλωσης μετράμε επίσης τις ηλεκτρικές απώλειες (σελ. 63). Παράδειγμα: Μ/Σ 6000/400 V, U1K = 240 V → uK = 4 %, I2K = 180·100/4 = 4500 A.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η τάση στο πρωτεύον που, με βραχυκυκλωμένο δευτερεύον, δίνει τα ονομαστικά ρεύματα· uK% = U1K/U1N·100· χρησιμεύει για τον υπολογισμό του ρεύματος βραχυκύκλωσης I2K = I2N·100/uK (προστασία, επικινδυνότητα), χαρακτηρίζει τον Μ/Σ (πινακίδα, παράλληλη λειτουργία).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ορισμός + τύπος + χρήση για I2K και προστασία.
Ερώτηση 12 — Προβλήματα από βραχυκύκλωση του δευτερεύοντος
Ερώτηση: Ποια προβλήματα θα παρουσιαστούν, αν βραχυκυκλωθεί το δευτερεύον ενός Μ/Σ;
Απάντηση:
- Αν το δευτερεύον βραχυκυκλωθεί ενώ το πρωτεύον τροφοδοτείται με την κανονική του τάση, αναπτύσσονται πάρα πολύ μεγάλες εντάσεις ρεύματος — της τάξης των χιλιάδων αμπέρ — γιατί το ρεύμα βραχυκύκλωσης είναι I2K = I2N·100/uK% (π.χ. για uK = 4 % είναι 25 φορές το ονομαστικό: 180 A → 4500 A, σελ. 29). Τα ρεύματα αυτά είναι επικίνδυνα: ① για τον ίδιο τον Μ/Σ — υπερθέρμανση, καταστροφή των μονώσεων και των τυλιγμάτων (και μηχανικές καταπονήσεις)· ② για το δίκτυο που τον τροφοδοτεί (υπερφόρτιση, πτώση τάσης, ενεργοποίηση προστασιών). Τα βραχυκυκλώματα είναι τόσο πιο επικίνδυνα όσο μικρότερη είναι η τάση βραχυκύκλωσης. Γι' αυτό οι Μ/Σ προστατεύονται με ασφάλειες/αυτόματους διακόπτες, που ανοίγουν ή τήκονται σε βραχυκύκλωμα (πίνακας βλαβών 1.3, σελ. 68).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ρεύματα χιλιάδων αμπέρ (I2K = I2N·100/uK, π.χ. 25 φορές το ονομαστικό) → καταστροφή μονώσεων και τυλιγμάτων του Μ/Σ και κίνδυνος για το δίκτυο τροφοδοσίας· χειρότερα όσο μικρότερη η uK.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Μέγεθος ρεύματος + συνέπειες σε Μ/Σ και δίκτυο.
Ερώτηση 13 — Μ/Σ που λειτουργεί με βραχυκυκλωμένο δευτερεύον
Ερώτηση: Σε ποια περίπτωση ένας Μ/Σ λειτουργεί ουσιαστικά με βραχυκυκλωμένο το δευτερεύον του τύλιγμα και γιατί;
Απάντηση:
- Στην περίπτωση των Μ/Σ ηλεκτροσυγκολλήσεων (σελ. 29). Στην ηλεκτροσυγκόλληση θέλουμε μεγάλες εντάσεις ρεύματος (για να λιώσει το ηλεκτρόδιο και το μέταλλο) σε χαμηλή τάση· το ηλεκτρικό τόξο μεταξύ ηλεκτροδίου και τεμαχίου κλείνει το κύκλωμα του δευτερεύοντος σχεδόν σαν βραχυκύκλωμα. Έτσι ο Μ/Σ λειτουργεί με βραχυκυκλωμένο το δευτερεύον και το ρεύμα εργασίας του είναι ουσιαστικά το ρεύμα βραχυκύκλωσης. Οι Μ/Σ αυτοί σχεδιάζονται ειδικά γι' αυτό (μεγάλη τάση βραχυκύκλωσης / σκέδαση, ώστε το ρεύμα να περιορίζεται σε ασφαλή, ρυθμιζόμενη τιμή) — αντίθετα με τους κοινούς Μ/Σ, για τους οποίους το βραχυκύκλωμα είναι επικίνδυνο.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Στους Μ/Σ ηλεκτροσυγκολλήσεων — γιατί εκεί θέλουμε μεγάλες εντάσεις: το τόξο κλείνει το δευτερεύον σχεδόν σαν βραχυκύκλωμα και το ρεύμα εργασίας είναι ουσιαστικά το ρεύμα βραχυκύκλωσης.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ηλεκτροσυγκολλήσεις + η αιτία (μεγάλες εντάσεις).
Ερώτηση 14 — Σχέση μεταφοράς και τάση βραχυκύκλωσης Μ/Σ φωτεινών επιγραφών 220/9900 V
Ερώτηση: Στο πείραμα βραχυκύκλωσης ενός Μ/Σ 220/9.900V «φωτεινών επιγραφών», για να έχουμε τα κανονικά ρεύματα φόρτισης 2,25A/50mA χρειάστηκε να τροφοδοτήσουμε το πρωτεύον του τύλιγμα με τάση 11V. Ποια είναι α. η σχέση μεταφοράς του Μ/Σ και β. η τάση βραχυκύκλωσης; (ΑΠ. K=1/45, uK=5%)
Απάντηση:
- Δεδομένα: U1N = 220 V, U2N = 9900 V (Μ/Σ ανύψωσης — φωτεινές επιγραφές νέον), I1N = 2,25 A, I2N = 50 mA, U1K = 11 V.
- α. Σχέση μεταφοράς: \( K = \frac{U_1}{U_2} = \frac{220}{9900} = \frac{1}{45} \) (≈ 0,022). Επαλήθευση με τα ρεύματα: I2/I1 = 0,05/2,25 = 1/45 ✓. Το Κ < 1 δηλώνει Μ/Σ ανύψωσης.
- β. Τάση βραχυκύκλωσης: \( u_K\% = \frac{U_{1K}}{U_{1N}} \cdot 100 = \frac{11}{220} \cdot 100 = 5\,\% \).
- Απάντηση: Κ = 1/45, uK = 5 % — όπως δίνει το βιβλίο. (Ρεύμα βραχυκύκλωσης δευτερεύοντος με κανονική τάση: I2K = 50 mA·100/5 = 1 A.)
Σύνοψη: Κ = 220/9900 = 1/45 (ανύψωση)· uK% = 11/220·100 = 5 %.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σωστοί τύποι και αριθμητικά αποτελέσματα.
Ερώτηση 15 — Τάση και ένταση δευτερεύοντος Μ/Σ 300/1500 σπειρών
Ερώτηση: Το πρωτεύον τύλιγμα ενός Μ/Σ έχει 300 σπείρες και το δευτερεύον 1.500 σπείρες. Αν η τάση του πρωτεύοντος είναι 12V και διαρρέεται από ρεύμα εντάσεως 2Α, πόση είναι η τάση και η ένταση του ρεύματος στο δευτερεύον; (ΑΠ. U2=60V, Ι2=0,4Α) Ποιο πηνίο έχει σύρμα με αγωγό μεγαλύτερης διατομής;
Απάντηση:
- Δεδομένα: W1 = 300, W2 = 1500, U1 = 12 V, I1 = 2 A. Σχέση μεταφοράς \( K = \frac{W_1}{W_2} = \frac{300}{1500} = \frac{1}{5} \) — Μ/Σ ανύψωσης.
- Τάση δευτερεύοντος: \( U_2 = \frac{U_1}{K} = U_1 \cdot \frac{W_2}{W_1} = 12 \cdot \frac{1500}{300} = 60\,V \).
- Ένταση δευτερεύοντος: \( I_2 = K \cdot I_1 = 2 \cdot \frac{300}{1500} = 0{,}4\,A \). Έλεγχος ισχύος: U1·I1 = 12·2 = 24 VA = U2·I2 = 60·0,4 = 24 VA ✓.
- Διατομή αγωγού: το τύλιγμα με το μεγαλύτερο ρεύμα χρειάζεται αγωγό μεγαλύτερης διατομής (σελ. 28, συμπέρασμα β): εδώ το πρωτεύον (300 σπείρες, 2 A — τύλιγμα Χ.Τ.) έχει σύρμα μεγαλύτερης διατομής από το δευτερεύον (1500 σπείρες, 0,4 A — τύλιγμα Υ.Τ., πολλές λεπτές σπείρες).
Σύνοψη: Κ = 1/5· U2 = 12·1500/300 = 60 V· I2 = 2·300/1500 = 0,4 A· μεγαλύτερη διατομή έχει το πρωτεύον (Χ.Τ., 2 A).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σωστά U2, I2 + σωστή επιλογή τυλίγματος με αιτιολόγηση.
Ερώτηση 16 (πολλαπλής επιλογής) — Τι χρησιμοποιείται στα δίκτυα ηλεκτροδότησης
Ερώτηση: Σήμερα, στα δίκτυα ηλεκτροδότησης όλων των χωρών χρησιμοποιείται: α. το συνεχές ρεύμα (Σ.Ρ.). β. το εναλλασσόμενο ρεύμα (Ε.Ρ.). γ. το ζεύγος κινητήρα-γεννήτριας. δ. ο μετασχηματιστής (Μ/Σ) και όλα τα παραπάνω.
Απάντηση:
- Σωστή απάντηση: β. το εναλλασσόμενο ρεύμα (Ε.Ρ.) — «χάρη στους Μ/Σ, το εναλλασσόμενο ρεύμα χρησιμοποιείται πια στα δίκτυα ηλεκτροδότησης των καταναλωτών όλων των χωρών» (σελ. 23). Το Σ.Ρ. χρησιμοποιείται μόνο σε ειδικές εφαρμογές (με ανορθωτές), το ζεύγος κινητήρα-γεννήτριας ήταν η παλιά, ασύμφορη λύση, και το δ είναι λάθος γιατί περιλαμβάνει και τα α, γ.
Σύνοψη: β — το εναλλασσόμενο ρεύμα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σωστό γράμμα + αιτιολόγηση.
Ερώτηση 17 (πολλαπλής επιλογής) — Διάκριση Μ/Σ ανάλογα με τον προορισμό
Ερώτηση: Ανάλογα με τον προορισμό τους οι Μ/Σ διακρίνονται σε: α. ισχύος και οργάνων μέτρησης. β. τριφασικούς και μονοφασικούς. γ. αυτομετασχηματιστές και ηλ. έλξης. δ. ξηρούς, λαδιού και συγκολλήσεων.
Απάντηση:
- Σωστή απάντηση: α. ισχύος και οργάνων μέτρησης — κατά το διάγραμμα Δ.1.1 (σελ. 23) το κριτήριο «προορισμός» δίνει Μ/Σ ισχύος και Μ/Σ οργάνων μέτρησης. Τριφασικοί/μονοφασικοί είναι διάκριση κατά το είδος δικτύου, ξηροί/λαδιού κατά τον τρόπο ψύξης, αυτοΜ/Σ και έλξης είναι ειδικοί Μ/Σ.
Σύνοψη: α — ισχύος και οργάνων μέτρησης.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σωστό γράμμα + το κριτήριο.
Ερώτηση 18 (πολλαπλής επιλογής) — Μ/Σ 300/60 σπειρών σε 220 V
Ερώτηση: Μ/Σ με 300 σπείρες στο πρωτεύον και 60 στο δευτερεύον, όταν τροφοδοτείται από δίκτυο 220V, δίνει στο δευτερεύον του: α. τάση 44V. β. τάση 22V. γ. ένταση 20Α. δ. ένταση 4Α.
Απάντηση:
- Σωστή απάντηση: α. τάση 44 V — Κ = W1/W2 = 300/60 = 5, άρα U2 = U1/Κ = 220/5 = 44 V. Η ένταση δεν μπορεί να προσδιοριστεί χωρίς φορτίο, οπότε τα γ, δ αποκλείονται.
Σύνοψη: α — U2 = 220·60/300 = 44 V.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σωστό γράμμα + υπολογισμός.
Ερώτηση 19 (πολλαπλής επιλογής) — Μείωση ρεύματος με ανύψωση 22 kV → 220 kV
Ερώτηση: Στους μεγάλους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιούμε Μ/Σ ανύψωσης της τάσης, π.χ. από 22kV σε 220kV, με σκοπό να μειώσουμε το ρεύμα δευτερεύοντος (στη γραμμή μεταφοράς) κατά: α. 2 φορές. β. 5 φορές. γ. 10 φορές. δ. 20 φορές.
Απάντηση:
- Σωστή απάντηση: γ. 10 φορές — η τάση ανυψώνεται 220/22 = 10 φορές, και επειδή U1/U2 = I2/I1, το ρεύμα του δευτερεύοντος (γραμμής) είναι 10 φορές μικρότερο από του πρωτεύοντος — έτσι μειώνονται οι απώλειες μεταφοράς.
Σύνοψη: γ — 10 φορές (220/22 = 10).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σωστό γράμμα + η αναλογία τάσης-ρεύματος.
Ερώτηση 20 (πολλαπλής επιλογής) — Ο λόγος σπειρών πρωτεύοντος/δευτερεύοντος
Ερώτηση: Ο λόγος (πηλίκο) των σπειρών πρωτεύοντος και δευτερεύοντος τυλίγματος ενός Μ/Σ λέγεται: α. τάση βραχυκύκλωσης. β. ρεύμα βραχυκύκλωσης. γ. σχέση μεταφοράς. δ. σχέση μεταξύ U και I.
Απάντηση:
- Σωστή απάντηση: γ. σχέση μεταφοράς — Κ = W1/W2 ορίζεται ως η σχέση μεταφοράς του Μ/Σ (σελ. 26).
Σύνοψη: γ — σχέση μεταφοράς.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σωστό γράμμα.
Ερώτηση 21 (πολλαπλής επιλογής) — Η σχέση της Η.Ε.Δ. Ε2
Ερώτηση: Η ενεργός τιμή της Η.Ε.Δ. (Ε2) του δευτερεύοντος ενός μονοφασικού Μ/Σ δίνεται από τη σχέση: α. Ε2=Κ∙U2. β. Ε2=Κ∙U1. γ. E2=K∙f∙W2∙Φμ. δ. E2=K∙f∙W2.
Απάντηση:
- Σωστή απάντηση: γ. Ε2 = Κ·f·W2·Φμ — η Η.Ε.Δ. είναι ανάλογη της κατασκευαστικής σταθεράς (4,44), της συχνότητας f, του αριθμού σπειρών W2 και της χρήσιμης μαγνητικής ροής Φμ (σελ. 26)· η δ παραλείπει τη ροή.
Σύνοψη: γ — Ε2 = Κ·f·W2·Φμ = 4,44·f·W2·Φμ.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σωστό γράμμα + τα τέσσερα μεγέθη.
Ερώτηση 22 (πολλαπλής επιλογής) — Ρεύμα πρωτεύοντος Μ/Σ 2000/80 σπειρών με φορτίο 50 A
Ερώτηση: Μ/Σ με 2000 σπείρες στο πρωτεύον και 80 σπείρες στο δευτερεύον, όταν τροφοδοτεί καταναλωτή με ρεύμα έντασης 50Α, απορροφά από το δίκτυο: α. ρεύμα 1Α. β. ρεύμα 2Α. γ. τάση 220V. δ. ισχύ 2000W.
Απάντηση:
- Σωστή απάντηση: β. ρεύμα 2 A — Κ = 2000/80 = 25 και I2 = Κ·I1 → I1 = I2/Κ = 50/25 = 2 A. Τάση και ισχύς δεν προκύπτουν από τα δεδομένα.
Σύνοψη: β — I1 = 50·80/2000 = 2 A.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σωστό γράμμα + υπολογισμός.
