Τι είναι ο μετασχηματιστής ισχύος και πώς λειτουργεί;

Σε μερικά από τα προηγούμενα άρθρα μας έχουμε συζητήσει για τα βασικά του μετασχηματιστή και τους διαφορετικούς τύπους του. Ένας από τους σημαντικούς και συχνά χρησιμοποιούμενους μετασχηματιστές είναι ο μετασχηματιστής ισχύος. Χρησιμοποιείται ευρέως για αύξηση και μείωση της τάσης στο σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και στο σταθμό διανομής (ή υποσταθμό) αντίστοιχα.

Για παράδειγμα, εξετάστε το διάγραμμα μπλοκ που φαίνεται παραπάνω. Εδώ ο μετασχηματιστής ισχύος χρησιμοποιείται δύο φορές ενώ παρέχει ηλεκτρική ενέργεια σε έναν καταναλωτή που απέχει πολύ από το σταθμό παραγωγής.

• Η πρώτη φορά βρίσκεται στο σταθμό παραγωγής ενέργειας για να αυξήσει την τάση που παράγεται από την ανεμογεννήτρια.
• Το δεύτερο είναι στο σταθμό διανομής (ή στον υποσταθμό) για να κατεβάσει την τάση που λαμβάνεται στο τέλος της γραμμής μετάδοσης.

Απώλεια ισχύος σε γραμμές μετάδοσης

Υπάρχουν πολλοί λόγοι για τη χρήση μετασχηματιστή ισχύος σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Αλλά ένας από τους πιο σημαντικούς και απλούς λόγους για τη χρήση του μετασχηματιστή ισχύος είναι η μείωση των απωλειών ισχύος κατά τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας.

Τώρα ας δούμε πώς η απώλεια ισχύος μειώνεται σημαντικά χρησιμοποιώντας έναν μετασχηματιστή ισχύος:

Πρώτον, η εξίσωση της απώλειας ισχύος P = I * I * R.

Εδώ I = ρεύμα μέσω του αγωγού και R = Αντίσταση του αγωγού.

Έτσι, η απώλεια ισχύος είναι ευθέως ανάλογη με το τετράγωνο του ρεύματος που ρέει μέσω του αγωγού ή της γραμμής μετάδοσης. Έτσι χαμηλώστε το μέγεθος του ρεύματος που διέρχεται από τον αγωγό, μειώστε τις απώλειες ισχύος.

Το πώς θα εκμεταλλευτούμε αυτήν τη θεωρία εξηγείται παρακάτω:

• Πείτε αρχική τάση = 100V και τραβήξτε φορτίο = 5Α και ισχύς = 500 watt. Στη συνέχεια, οι γραμμές μετάδοσης εδώ πρέπει να μεταφέρουν ρεύμα μεγέθους 5Α από πηγή σε φόρτιση. Αλλά αν αυξήσουμε την τάση στο αρχικό στάδιο στα 1000V, τότε οι γραμμές μετάδοσης πρέπει να φέρουν μόνο 0,5Α για να αποδώσουν την ίδια ισχύ 500Watt.
• Έτσι, θα αυξήσουμε την τάση στην αρχή της γραμμής μετάδοσης χρησιμοποιώντας έναν μετασχηματιστή ισχύος και θα χρησιμοποιήσουμε έναν άλλο μετασχηματιστή ισχύος για να μειώσουμε την τάση στο τέλος της γραμμής μετάδοσης.
• Με αυτήν τη ρύθμιση, το μέγεθος της ροής ρεύματος μέσω της γραμμής μετάδοσης 100 + χιλιομέτρων μειώνεται σημαντικά μειώνοντας έτσι την απώλεια ισχύος κατά τη μετάδοση.

Διαφορά μεταξύ μετασχηματιστή ισχύος και μετασχηματιστή διανομής

• Ο μετασχηματιστής ισχύος λειτουργεί συνήθως με πλήρες φορτίο, επειδή έχει σχεδιαστεί για να έχει υψηλή απόδοση σε φορτίο 100%. Από την άλλη πλευρά, ο μετασχηματιστής διανομής έχει υψηλή απόδοση όταν το φορτίο παραμένει μεταξύ 50% και 70%. Έτσι, οι μετασχηματιστές διανομής δεν είναι κατάλληλοι για συνεχή λειτουργία με φορτίο 100%.
• Δεδομένου ότι ο μετασχηματιστής ισχύος οδηγεί σε υψηλές τάσεις κατά τη διάρκεια της αύξησης και της πτώσης, οι περιελίξεις έχουν υψηλή μόνωση σε σύγκριση με τους μετασχηματιστές διανομής και τους μετασχηματιστές οργάνων.
• Επειδή χρησιμοποιούν μόνωση υψηλού επιπέδου, έχουν πολύ ογκώδες μέγεθος και είναι επίσης πολύ βαρύ.
• Δεδομένου ότι οι μετασχηματιστές ισχύος συνήθως δεν συνδέονται απευθείας με σπίτια, αντιμετωπίζουν λιγότερες διακυμάνσεις φορτίου, ενώ από την άλλη έχουν μετασχηματιστές διανομής παρουσιάζουν διακυμάνσεις μεγάλου φορτίου.
• Αυτά φορτώνονται πλήρως για 24 ώρες την ημέρα, οπότε οι απώλειες χαλκού και σιδήρου λαμβάνουν χώρα καθ 'όλη τη διάρκεια της ημέρας και παραμένουν το ίδιο σχεδόν όλη την ώρα.
• Η πυκνότητα ροής στον μετασχηματιστή ισχύος είναι υψηλότερη από τον μετασχηματιστή διανομής.

Αρχή λειτουργίας μετασχηματιστή ισχύος

Ο μετασχηματιστής ισχύος λειτουργεί βάσει της αρχής του «νόμου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής του Faraday». Είναι ο βασικός νόμος του ηλεκτρομαγνητισμού που εξηγεί την αρχή λειτουργίας των επαγωγέων, κινητήρων, γεννητριών και ηλεκτρικών μετασχηματιστών.

Ο νόμος αναφέρει « Όταν ένας αγωγός κλειστού βρόχου ή βραχυκυκλώματος πλησιάζει ένα διαφορετικό μαγνητικό πεδίο τότε η τρέχουσα ροή δημιουργείται σε αυτόν τον κλειστό βρόχο» .

Για να κατανοήσουμε καλύτερα το νόμο, ας το συζητήσουμε με περισσότερες λεπτομέρειες. Αρχικά, ας εξετάσουμε ένα σενάριο παρακάτω.

Σκεφτείτε έναν μόνιμο μαγνήτη και ένας αγωγός πλησιάζει πρώτα ο ένας στον άλλο.

• Στη συνέχεια, ο αγωγός βραχυκυκλώνεται και στα δύο άκρα χρησιμοποιώντας ένα καλώδιο όπως φαίνεται στο σχήμα.
• Σε αυτήν την περίπτωση, δεν θα υπάρχει ροή ρεύματος στον αγωγό ή τον βρόχο επειδή το μαγνητικό πεδίο που κόβει τον βρόχο είναι ακίνητο και όπως αναφέρεται στον νόμο, μόνο ένα μεταβαλλόμενο ή μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο μπορεί να ωθήσει το ρεύμα στον βρόχο.
• Έτσι, στην πρώτη περίπτωση του σταθερού μαγνητικού πεδίου, θα υπάρχει μηδενική ροή στον αγωγό.

τότε το μαγνητικό πεδίο που κόβει τον βρόχο συνεχίζει να αλλάζει. Δεδομένου ότι υπάρχει ένα ποικίλο μαγνητικό πεδίο σε αυτήν την περίπτωση, οι νόμοι του Faraday θα έρθουν να παίξουν και έτσι μπορούμε να δούμε μια τρέχουσα ροή στον αγωγό.

Όπως μπορείτε να δείτε στο σχήμα, αφού ο μαγνήτης κινείται μπρος-πίσω βλέπουμε ένα ρεύμα «I» που ρέει μέσω του αγωγού και του κλειστού βρόχου.

για να το αντικαταστήσετε με άλλες πηγές μαγνητικού πεδίου όπως παρακάτω.

• Τώρα μια πηγή εναλλασσόμενης τάσης και ένας αγωγός χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ποικίλου μαγνητικού πεδίου.
• Αφού ο βρόχος αγωγού πλησιάσει το εύρος του μαγνητικού πεδίου, τότε μπορούμε να δούμε ένα EMF να δημιουργείται κατά μήκος του αγωγού. Λόγω αυτού του επαγόμενου EMF, θα έχουμε μια τρέχουσα ροή «I».
• Το μέγεθος της επαγόμενης τάσης είναι ανάλογο με την ισχύ πεδίου που βιώνει ο δεύτερος βρόχος, οπότε όσο υψηλότερη είναι η ισχύς του μαγνητικού πεδίου, τόσο υψηλότερη είναι η ροή ρεύματος στον κλειστό βρόχο.

Αν και είναι δυνατό να χρησιμοποιήσετε ένα μόνο αγωγό για να κατανοήσετε τον νόμο του Faraday. Αλλά για καλύτερη πρακτική απόδοση προτιμάται η χρήση πηνίου και στις δύο πλευρές.

Εδώ, ένα εναλλασσόμενο ρεύμα ρέει μέσω του πρωτεύοντος πηνίου 1 που παράγει το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο γύρω από τα πηνία αγωγού. Και όταν το πηνίο 2 μπαίνει στο εύρος του μαγνητικού πεδίου που παράγεται από το πηνίο 1 τότε δημιουργείται τάση EMF κατά μήκος του πηνίου 2 λόγω του νόμου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής του Faraday. Και λόγω αυτής της τάσης στο πηνίο, ένα ρεύμα «I» ρέει μέσω του δευτερεύοντος κλειστού κυκλώματος.

Τώρα πρέπει να θυμάστε ότι και τα δύο πηνία αιωρούνται στον αέρα, οπότε το μέσο αγωγιμότητας που χρησιμοποιείται από το μαγνητικό πεδίο είναι ο αέρας. Και ο αέρας έχει υψηλότερη αντίσταση σε σύγκριση με τα μέταλλα στην περίπτωση αγωγιμότητας μαγνητικού πεδίου, οπότε αν χρησιμοποιήσουμε έναν πυρήνα μετάλλου ή φερρίτη για να λειτουργήσουμε ως μέσο ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, τότε μπορούμε να βιώσουμε την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή πιο διεξοδικά.

Ας αντικαταστήσουμε λοιπόν το μέσο αέρα με το σίδερο για περαιτέρω κατανόηση.

Όπως φαίνεται στο σχήμα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε σίδηρο ή φερρίτη για να μειώσουμε την απώλεια μαγνητικής ροής κατά τη μετάδοση ισχύος από ένα πηνίο σε άλλο πηνίο. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου η μαγνητική ροή που διαρρέει στην ατμόσφαιρα θα είναι σημαντικά μικρότερη από τη στιγμή που χρησιμοποιήσαμε το μέσο αέρα καθώς ο πυρήνας είναι ένας πολύ καλός αγωγός του μαγνητικού πεδίου.

Μόλις το πεδίο δημιουργηθεί από το πηνίο1, θα ρέει μέσω του πυρήνα του σιδήρου φτάνοντας στο πηνίο2 και, λόγω του σήμερα, το πηνίο νόμου2 δημιουργεί ένα EMF το οποίο θα διαβάζεται από το γαλβανόμετρο συνδεδεμένο κατά μήκος του πηνίου2.

Τώρα, αν παρατηρήσετε προσεκτικά, θα βρείτε αυτή τη ρύθμιση παρόμοια με έναν μονοφασικό μετασχηματιστή. Και ναι, κάθε μετασχηματιστής που υπάρχει σήμερα λειτουργεί με την ίδια αρχή.

Τώρα ας δούμε την απλοποιημένη κατασκευή του τριφασικού μετασχηματιστή.

Τριφασικός μετασχηματιστής

• Ο σκελετός του μετασχηματιστή έχει σχεδιαστεί με τοποθέτηση πλαστικοποιημένων μεταλλικών φύλλων που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά μαγνητικής ροής. Στο διάγραμμα, μπορείτε να δείτε ότι ο σκελετός είναι βαμμένος γκρι. Ο σκελετός έχει τρεις στήλες στις οποίες τυλίγονται περιελίξεις τριών φάσεων.
• Το τύλιγμα χαμηλότερης τάσης τυλίγεται πρώτα και τυλίγεται πλησιέστερα στον πυρήνα ενώ το τύλιγμα υψηλότερης τάσης τυλίγεται πάνω από το τύλιγμα χαμηλότερης τάσης. Θυμηθείτε, και οι δύο περιελίξεις χωρίζονται από ένα μονωτικό στρώμα.
• Εδώ κάθε στήλη αντιπροσωπεύει μία φάση, οπότε για τρεις στήλες έχουμε τριφασική περιέλιξη.
• Ολόκληρη η εγκατάσταση του σκελετού και της περιέλιξης βυθίζεται σε μια σφραγισμένη δεξαμενή γεμάτη με βιομηχανικό λάδι για καλύτερη αγωγιμότητα και απομόνωση της θερμότητας.
• Μετά την περιέλιξη, οι ακραίοι ακροδέκτες και των έξι πηνίων βγήκαν από τη σφραγισμένη δεξαμενή μέσω ενός μονωτή HV.
• Οι ακροδέκτες στερεώνονται σε αρκετά καλή απόσταση μεταξύ τους για να αποφευχθούν άλματα σπινθήρων.

Χαρακτηριστικά του Power Transformer

Ονομαστική ισχύς	3 MVA έως 200 MVA
Κυρίως τάσεις	11, 22, 33, 66, 90, 132, 220 kV
Δευτερεύουσες τάσεις συνήθως	3.3, 6.6, 11, 33, 66, 132 kV ή προσαρμοσμένη προδιαγραφή
Φάσεις	Μονοφασικοί ή τριφασικοί μετασχηματιστές
Ονομαστική συχνότητα	50 ή 60 Hz
Τρύπημα	Μετατροπείς βρύσης κατά τη φόρτωση ή εκτός φορτίου
Ανοδος θερμοκρασίας	60 / 65C ή προσαρμοσμένη προδιαγραφή
Τύπος ψύξης	ONAN (λάδι φυσικός αέρας φυσικό) ή άλλοι τύποι ψύξης, όπως KNAN (μέγιστο 33kV) κατόπιν αιτήματος
Καλοριφέρ	Πάνελ ψυγείου ψυγείου με δεξαμενή
Διάνυσμα ομάδες	Dyn11 ή οποιαδήποτε άλλη ομάδα φορέα σύμφωνα με το IEC 60076
Ρύθμιση τάσης	Μέσω εναλλάκτη βρύσης σε φόρτωση (με το ρελέ AVR ως στάνταρ)
Τερματικά HV & LV	Τύπος κουτιού καλωδίου αέρα (μέγιστο 33kV) ή ανοιχτοί δακτύλιοι
Εγκαταστάσεις	Εσωτερική ή εξωτερική
Επίπεδο ήχου	Σύμφωνα με το ENATS 35 ή το NEMA TR1

Εφαρμογές μεταφοράς ισχύος

• Ο μετασχηματιστής ισχύος χρησιμοποιείται κυρίως στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και στους σταθμούς διανομής.
• Χρησιμοποιείται επίσης σε μετασχηματιστές απομόνωσης, μετασχηματιστές γείωσης, έξι μετασχηματιστές παλμού και δώδεκα ανορθωτές παλμών, μετασχηματιστές φωτοβολταϊκών φωτοβολταϊκών, μετασχηματιστές αιολικής ενέργειας και σε εκκινητή αυτόματου μετασχηματιστή Korndörfer.
• Χρησιμοποιείται για τη μείωση των απωλειών ισχύος κατά τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας.
• Χρησιμοποιείται για κλιμάκωση υψηλής τάσης και χαμηλή τάση.
• Προτιμάται σε περιπτώσεις καταναλωτών μεγάλων αποστάσεων.
• Και προτιμάται σε περιπτώσεις όπου το φορτίο λειτουργεί με πλήρη χωρητικότητα 24x7.