Οι μετασχηματιστές είναι ο πιο αναγνωρίσιμος εξοπλισμός στα συστήματα ισχύος. Είναι μεγάλα, διακριτικά, απλά στην αρχή αλλά απαιτούν πολλή συντήρηση, με αποτέλεσμα να φαίνονται πολύ πιο ουσιαστικά από τα «καλώδια». Στο διάγραμμα του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας, οι μετασχηματιστές είναι σαν τους κόμβους κορμού, ενώ ο άλλος εξοπλισμός χρησιμεύει ως συνδέσεις τους.

Αυτό το άρθρο θα εισαγάγει τα εξαρτήματα, τις αρχές, τις λειτουργίες, την ταξινόμηση και τα σενάρια εφαρμογής των μετασχηματιστών.

1.Σύνθεση Μετασχηματιστή

Ένας μετασχηματιστής αποτελείται κυρίως από έναν πυρήνα και περιελίξεις.

Ο πυρήνας χρησιμεύει ως η διαδρομή του μαγνητικού κυκλώματος του μετασχηματιστή, ενώ οι περιελίξεις είναι το τμήμα του ηλεκτρικού κυκλώματος, που δημιουργείται με την περιέλιξη ενός συγκεκριμένου αριθμού στροφών σύρματος με επίστρωση σμάλτου-.

Αυτό που συνδέεται με την πηγή ισχύος ονομάζεται πρωτεύον τύλιγμα, γνωστό και ως πρωτεύον πηνίο. Αυτό που συνδέεται με το φορτίο ονομάζεται δευτερεύον τύλιγμα, γνωστό και ως δευτερεύον πηνίο ή δευτερεύον πλευρικό τύλιγμα.

Οι βασικές μορφές δομών πυρήνα είναι ο τύπος πυρήνα σε σχήμα καρδιάς-και ο τύπος κελύφους.

• Μετασχηματιστής πυρήνα-σε σχήμα καρδιάς

Οι στήλες ενός μετασχηματιστή τύπου πυρήνα- περιβάλλονται από περιελίξεις. Με απλά λόγια, οι περιελίξεις περικυκλώνουν τον πυρήνα, καθιστώντας τη δομή σχετικά απλή και ευκολότερη στη συναρμολόγηση και τη μόνωση, γι' αυτό οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούν συχνά μια δομή τύπου πυρήνα-.

• Μετασχηματιστής τύπου Shell-

Σε έναν μετασχηματιστή-τύπου κελύφους, ο πυρήνας περιβάλλει την περιέλιξη. Οι μετασχηματιστές τύπου Shell-έχουν υψηλή μηχανική αντοχή και προεξέχουσες γωνίες, αλλά η διαδικασία κατασκευής τους είναι πολύπλοκη και απαιτεί περισσότερα υλικά. Συνήθως χρησιμοποιούνται μόνο σε μετασχηματιστές χαμηλής-τάσης, υψηλής-ρεύματος ή σε μετασχηματιστές ισχύος μικρής- χωρητικότητας.

2.Βασική αρχή λειτουργίας ενός μετασχηματιστή

Ένας μετασχηματιστής λειτουργεί με βάση την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.

Όταν ένα κατάλληλο τροφοδοτικό εναλλασσόμενου ρεύματος συνδέεται και στα δύο άκρα του πρωτεύοντος τυλίγματος, υπό την επίδραση της τάσης τροφοδοσίας u₁, ένα ρεύμα AC i₀ ρέει μέσω του πρωτεύοντος τυλίγματος, δημιουργώντας μια μαγνητοκινητική δύναμη στο πρωτεύον τύλιγμα. Αυτό διεγείρει μια εναλλασσόμενη μαγνητική ροή ϕ στον πυρήνα. Αυτή η εναλλασσόμενη ροή ϕ συνδέει τόσο τις πρωτεύουσες όσο και τις δευτερεύουσες περιελίξεις. Σύμφωνα με το νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, οι επαγόμενες ηλεκτροκινητικές δυνάμεις π₁και ε₂παράγονται στις πρωτεύουσες και δευτερεύουσες περιελίξεις, αντίστοιχα. Υπό την επίδραση της επαγόμενης ηλεκτροκινητικής δύναμης π₂, το δευτερεύον τύλιγμα μπορεί να παρέχει ισχύ στο φορτίο, επιτυγχάνοντας μεταφορά ενέργειας.

Ο λόγος των επαγόμενων ηλεκτροκινητικών δυνάμεων στις πρωτεύουσες και δευτερεύουσες περιελίξεις είναι ίσος με τον λόγο του αριθμού των στροφών στις πρωτεύουσες και δευτερεύουσες περιελίξεις. Το μέγεθος της επαγόμενης ηλεκτροκινητικής δύναμης e₁στην κύρια πλευρά είναι κοντά στην εφαρμοζόμενη τάση u₁στην κύρια πλευρά, ενώ το μέγεθος της επαγόμενης ηλεκτροκινητικής δύναμης e₂στη δευτερεύουσα πλευρά είναι κοντά στην τάση εξόδου u₂στη δευτερεύουσα πλευρά.

Επομένως, αλλάζοντας απλώς τον αριθμό των στροφών στο πρωτεύον ή δευτερεύον τύλιγμα μία ή δύο φορές, η τάση εξόδου u₂μπορεί να ρυθμιστεί. Αυτή είναι η βασική αρχή λειτουργίας ενός μετασχηματιστή, ο οποίος χρησιμοποιεί την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής για να μετατρέψει μια πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος ενός επιπέδου τάσης σε μια πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος της ίδιας συχνότητας αλλά διαφορετικής στάθμης τάσης.

2.Βασικές Λειτουργίες Μετασχηματιστή

Οι βασικές λειτουργίες ενός μετασχηματιστή περιλαμβάνουν μετατροπή τάσης, μετατροπή ρεύματος, μετατροπή σύνθετης αντίστασης, απομόνωση και ρύθμιση τάσης.

Μετασχηματισμός τάσης: Οι μετασχηματιστές μπορούν να αυξήσουν ή να μειώσουν την τάση του εναλλασσόμενου ρεύματος για να καλύψουν διαφορετικές ανάγκες ηλεκτρικής ενέργειας. Για παράδειγμα, ένας μετασχηματιστής step-επάνω χρησιμοποιείται για την αύξηση της τάσης από ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας για τη μείωση της απώλειας ενέργειας κατά τη μετάδοση, ενώ ένας μετασχηματιστής κατω-για τη μείωση της υψηλής τάσης σε μια ασφαλή τάση χρήσης.

Μετασχηματισμός ρεύματος: Με την αλλαγή της τάσης, ένας μετασχηματιστής αλλάζει αντίστοιχα και το ρεύμα. Σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης της ισχύος, όταν η τάση αυξάνεται, το ρεύμα μειώνεται και το αντίστροφο. Αυτό το χαρακτηριστικό καθιστά τους μετασχηματιστές πολύ σημαντικούς στη μετάδοση ισχύος, καθώς μπορούν να διαχειριστούν αποτελεσματικά τα τρέχοντα φορτία.

Μετασχηματισμός σύνθετης αντίστασης: Οι μετασχηματιστές μπορούν να αλλάξουν την σύνθετη αντίσταση ενός κυκλώματος, καθιστώντας το πιο κατάλληλο για διαφορετικές συνθήκες φορτίου. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε εξοπλισμό ήχου και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές, καθώς μπορεί να βελτιώσει την απόδοση μετάδοσης σήματος.

Απομόνωση: Οι μετασχηματιστές μπορούν να παρέχουν ηλεκτρική μόνωση, προστατεύοντας την ασφάλεια του εξοπλισμού και των χρηστών. Αυτή η απομόνωση μπορεί να αποτρέψει την καταστροφή του εξοπλισμού χαμηλής- τάσης από την υψηλή τάση, διασφαλίζοντας την ασφαλή λειτουργία του εξοπλισμού.

Ρύθμιση τάσης: Ορισμένοι τύποι μετασχηματιστών (όπως κορεσμένοι αντιδραστήρες) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη ρύθμιση της τάσης, συμβάλλοντας στη διατήρηση της σταθερότητας της τάσης και διασφαλίζοντας την αξιοπιστία και τη σταθερότητα του συστήματος ισχύος.

4.Ταξινόμηση Μετασχηματιστών

4.1 Ταξινόμηση ανά χωρητικότητα

• Μικρός μετασχηματιστής: τάση κάτω από 10KV, χωρητικότητα μεταξύ 1 και 500KVA.

• Μετασχηματιστές μικρού και μεσαίου μεγέθους-: τάση 35 kV και κάτω, χωρητικότητα από 630 έως 6300 kVA.

• Μεγάλοι μετασχηματιστές: τάση 110 kV και κάτω, χωρητικότητα μεταξύ 8000 και 63000 kVA.

4.2 Ταξινόμηση ανά χρήση

• Μετασχηματιστής ισχύος: Χρησιμοποιείται για την ανύψωση, τη μείωση, τη διανομή και τη διασύνδεση σε συστήματα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, ή χρησιμοποιείται ειδικά ως μετασχηματιστές για σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής και υποσταθμούς.

• Μετασχηματιστές οργάνων: όπως μετασχηματιστές τάσης και μετασχηματιστές ρεύματος, που χρησιμοποιούνται για όργανα μέτρησης και συσκευές προστασίας ρελέ.

• Μετασχηματιστής ισχύος: χρησιμοποιείται για τον έλεγχο τροφοδοσίας, φωτισμού και ενδείξεων γενικού μηχανολογικού εξοπλισμού.

• Ηλεκτρονικός μετασχηματιστής: χρησιμοποιείται σε ηλεκτρονικά κυκλώματα, όπως τροφοδοτικά λειτουργίας διακόπτη-, αντιστοίχιση ήχου, παλμών και αντίστασης.

• Δοκιμαστικός μετασχηματιστής: ικανός να παράγει υψηλή τάση για τη διεξαγωγή δοκιμών υψηλής-τάσης σε ηλεκτρικό εξοπλισμό.

• Ειδικοί μετασχηματιστές: όπως μετασχηματιστές ηλεκτρικών κλιβάνων, μετασχηματιστές ανορθωτών, μετασχηματιστές ρύθμισης τάσης κ.λπ.

4.3 Ταξινομείται με βάση τον αριθμό των φάσεων των περιελίξεων του μετασχηματιστή

• Μονοφασικός-μετασχηματιστής: χρησιμοποιείται για μονοφασικά φορτία-και τριφασικές-συστοιχίες μετασχηματιστών.

• Τριφασικός-μετασχηματιστής: Χρησιμοποιείται για την αύξηση ή τη μείωση της τάσης σε συστήματα τριών- φάσεων.

4.4 Ταξινομείται με μέθοδο ψύξης μετασχηματιστή

• Μετασχηματιστής ξηρού-τύπου: Ψύχεται με μεταφορά αέρα, που χρησιμοποιείται γενικά για μετασχηματιστές μικρής- χωρητικότητας όπως τοπικός φωτισμός και ηλεκτρονικά κυκλώματα.

• Μετασχηματιστής{0}}βυθισμένος σε λάδι: Ένας μετασχηματιστής που χρησιμοποιεί λάδι μετασχηματιστή ως μονωτικό και ψυκτικό μέσο, ​​με τον πυρήνα και τις περιελίξεις εντελώς βυθισμένα στο μονωτικό λάδι.

4.5 Ταξινομείται κατά τύπο σύνδεσης περιέλιξης μετασχηματιστή

• Μετασχηματιστής διπλής-περιέλιξης: Χρησιμοποιείται για τη σύνδεση δύο επιπέδων τάσης στο σύστημα ισχύος.

• Μετασχηματιστής τριών-περιέλιξης: Χρησιμοποιείται γενικά σε περιφερειακούς υποσταθμούς του συστήματος ισχύος για τη σύνδεση τριών επιπέδων τάσης.

• Αυτομετασχηματιστής: Το πρωτεύον και το δευτερεύον τύλιγμα συνδυάζονται σε ένα, που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση συστημάτων ισχύος διαφορετικών τάσεων. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως κανονικός μετασχηματιστής ανόδου-επάνω ή κατεβάσματος-.

4.6 Ταξινόμηση ανά συχνότητα λειτουργίας μετασχηματιστή

• Μετασχηματιστής συχνότητας ισχύος: η συχνότητα λειτουργίας του είναι 50Hz ή 60Hz.
• Μετασχηματιστής ενδιάμεσης συχνότητας: η συχνότητα λειτουργίας του είναι 400–1000 Hz.
• Μετασχηματιστής συχνότητας ήχου: η συχνότητα λειτουργίας του είναι 20Hz–20kHz.

• Υπερηχητικός μετασχηματιστής συχνότητας: Η συχνότητα λειτουργίας του είναι πάνω από 20 kHz, γενικά δεν υπερβαίνει τα 100 kHz.

• Μετασχηματιστής υψηλής-συχνότητας: Μετασχηματιστής με συχνότητα λειτουργίας που κυμαίνεται από 20 Hz έως πάνω από 100 kHz.

5.Σενάρια Εφαρμογής Μετασχηματιστών

5.1 Σύστημα ισχύος

• Εγκαταστάσεις ηλεκτροπαραγωγής: Οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται για την αύξηση της τάσης που παράγεται από τις γεννήτριες για μετάδοση στο ηλεκτρικό δίκτυο, επιτρέποντας τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις.

• Υποσταθμοί: Στους υποσταθμούς, οι μετασχηματιστές μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια υψηλής-τάσης σε ηλεκτρική ενέργεια χαμηλής-τάσης για να καλύψουν τις ανάγκες διαφόρων ηλεκτρικών συσκευών. Ταυτόχρονα, οι μετασχηματιστές μπορούν επίσης να εκτελούν λειτουργίες όπως αντιστάθμιση άεργου ισχύος και ρύθμιση τάσης, διασφαλίζοντας τη σταθερή λειτουργία του συστήματος ισχύος.

• Γραμμές μεταφοράς: Στις γραμμές μεταφοράς, οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται για την αύξηση της τάσης για τη μείωση της απώλειας ενέργειας, επιτυγχάνοντας αποτελεσματική μετάδοση ηλεκτρικής-απόστασης.

5.2 Πολιτικός Τομέας

• Οικιακός ηλεκτρισμός: Οι μετασχηματιστές ισχύος μετατρέπουν-ηλεκτρικό ρεύμα υψηλής τάσης σε ηλεκτρική ενέργεια χαμηλής-τάσης κατάλληλη για οικιακή χρήση, εξασφαλίζοντας κανονική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για τους κατοίκους.

• Φόρτιση μπαταριών: Είτε πρόκειται για φορητό υπολογιστή, τηλέφωνο ή ηλεκτρικό όχημα, αυτές οι συσκευές απαιτούν μπαταρίες για να λειτουργήσουν και η φόρτιση των μπαταριών απαιτεί μετασχηματιστή. Η κύρια λειτουργία ενός μετασχηματιστή είναι να ρυθμίζει την τάση και να εμποδίζει τα ρεύματα διαρροής ή τα ρεύματα υπέρτασης να περάσουν μέσα από τις συσκευές.

5.3 Πεδίο επικοινωνίας

Οι μετασχηματιστές επικοινωνίας χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα τηλεφωνικών τερματικών και προϊόντα γραμμής κορμού για τη ρύθμιση της ποιότητας και της κατάστασης των κυκλωμάτων επικοινωνίας. Επιπλέον, οι μετασχηματιστές επικοινωνίας χρησιμοποιούνται ευρέως σε καλωδιακά μόντεμ, κάρτες δικτύου, διανομείς, εξοπλισμό ευρυζωνικής επικοινωνίας xDSL, διακόπτες, πομποδέκτες οπτικών ινών, δρομολογητές, ενσωματωμένα συστήματα και συσκευές επικοινωνίας δικτύου VoIP.

5.4 Άλλες ειδικές εφαρμογές

• Εξοπλισμός ήχου: Οι μετασχηματιστές ήχου χρησιμοποιούνται συνήθως για να παρέχουν απομόνωση για σήματα που ρέουν μέσα από ένα κύκλωμα και βοηθούν στην αντιστοίχιση των τιμών αντίστασης της πηγής και του φορτίου. Μπορούν επίσης να εξαλείψουν τα ανεπιθύμητα ή θορυβώδη σήματα και να φιλτράρουν το σήμα εισόδου. Αυτοί οι τύποι μετασχηματιστών έχουν σχεδιαστεί ειδικά για να χειρίζονται σήματα εντός του ηχητικού εύρους, δηλαδή σημάτων με συχνότητες μεταξύ 20Hz και 20kHz.

• Όργανα μέτρησης: Οι μετρητές ρεύματος, οι μετρητές τάσης και διάφορα άλλα εργαλεία και συσκευές μέτρησης συνήθως χρησιμοποιούν μετασχηματιστές για γενική λειτουργία. Για παράδειγμα, οι μετασχηματιστές ρεύματος μέτρησης παρέχουν την απαραίτητη ασφάλεια για το κύκλωμα απομονώνοντας τη συσκευή μέτρησης από το υπόλοιπο κύκλωμα και καταστέλλοντας ή μειώνοντας τα μεγάλα ρεύματα σε βέλτιστες τιμές πριν τα τροφοδοτήσουν στο αμπερόμετρο.

• Διόρθωση: Οι μετασχηματιστές ανορθωτών μπορούν να μετατρέψουν το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές ρεύμα, με εφαρμογές όπως έλεγχος κινητήρα, εξόρυξη, ηλεκτρικοί φούρνοι, εργαστήρια Ε&Α, μετάδοση DC υψηλής-τάσης και άλλα.