Η ιστορία και τα είδη των μετασχηματιστών

Ιστορική αναδρομή 

Η αρχή λειτουργίας του μετασχηματιστή διατυπώθηκε το 1831 από τον Μάικλ Φαραντέι, αν και την χρησιμοποίησε μόνο για επίδειξη των αρχών της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, χωρίς να προβλέψει την πρακτική της σημασία.

Ο πρώτος μετασχηματιστής σε ευρεία χρήση ήταν το πηνίο επαγωγής, το οποίο εφηύρε ο Ιρλανδός κληρικός Νίκολας Κάλαν το 1836. Ήταν ένας από τους πρώτους που κατάλαβαν την αρχή πως όσο περισσότερες περιελίξεις έχει το τύλιγμα ενός μετασχηματιστή, τόσο μεγαλύτερη ηλεκτρεγερτική δύναμη παράγει.
Τα πηνία επαγωγής δημιουργήθηκαν από τις προσπάθειες των επιστημόνων για παροχή υψηλότερων τάσεων από μπαταρίες. Δεν τροφοδοτούνταν από εναλλασσόμενο ρεύμα, αλλά από συνεχές, προερχόμενο από μπαταρίες, το οποίο διακόπτονταν από ένα δονούμενο διακοπτικό μηχανισμό.

Μεταξύ 1830-1870 οι προσπάθειες για δημιουργία καλύτερων επαγωγικών πηνίων, κυρίως με τη μέθοδο της δοκιμής και αποτυχίας (trial and error), αποκάλυψαν σταδιακά τις βασικές αρχές της λειτουργίας του μετασχηματιστή.
Αποδοτικοί σχεδιασμοί δεν ανακαλύφθηκαν παρά μετά το 1880, όμως μέσα σε λιγότερο από μια δεκαετία ο μετασχηματιστής αποδείχτηκε ουσιώδης στην επικράτηση των συστημάτων εναλλασσόμενου ρεύματος έναντι αυτών του συνεχούς, θέση την οποία κρατούν μέχρι και σήμερα.

Ο Ρώσος μηχανικός Πάβελ Γιαμπλότσκοφ εφηύρε το 1876 ένα σύστημα φωτισμού, βασισμένο σε ένα σύνολο από πηνία επαγωγής, όπου τα πρωτεύοντα τυλίγματα ήταν συνδεδεμένα σε πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος, ενώ τα δευτερεύοντα μπορούσαν να συνδεθούν σε αρκετά "κεριά Γιαμπλότσκοφ" (είδος ηλεκτρικού λαμπτήρα τόξου). Στην πατέντα ισχυριζόταν ότι το σύστημα μπορούσε να "παρέχει ανεξάρτητα ισχύ σε διάφορους λαμπτήρες, με διαφορετική ισχύ φωτεινότητας, από μία πηγή ηλεκτρικής ισχύος". Προφανώς, το πηνίο επαγωγής σε αυτό το σύστημα λειτουργούσε ως μετασχηματιστής.

Οι Λουσιέν Γκολάρ και Τζον Ντίξον Γκιμπς επέδειξαν πρώτοι το 1882 στο Λονδίνο μια συσκευή με ανοιχτό πυρήνα σιδήρου που αποκαλούσαν "δευτερεύουσα γεννήτρια", ιδέα που πούλησαν στη συνέχεια στην αμερικανική εταιρεία Ουέστινγκχαους. Την ίδια συσκευή επέδειξαν και το 1884 στο Τορίνο, όπου υιοθετήθηκε για ένα ηλεκτρικό σύστημα φωτισμού.

Οι Ούγγροι μηχανικοί Κάρολι Ζιπερνόφσκι, Όττο Μπλάθι και Μίκσα Ντέρι, από την εταιρεία Γκαντζ στην Βουδαπέστη δημιούργησαν το αποδοτικό μοντέλο κλειστού πυρήνα "ZBD" το 1885, βασισμένοι σε ένα σχέδιο των Γκολάρ και Γκιμπς.

Μεταξύ 1883 και 1886 έγιναν οι πρώτες δοκιμές σε γραμμές με συνεχές ρεύμα που έδειξαν ότι υπάρχουν εγγενείς δυσκολίες στο σύστημα Συνεχούς Ρεύματος υπό υψηλή τάση δεδομένου ότι στην πράξη το όριο στο συλλέκτη μιας μηχανής είναι τα 7000 V.

Στη Γαλλία την περίοδο αυτή για να υπερβούν τον περιορισμό στην τάση του συνεχούς ρεύματος στο σταθμό παραγωγής συνέδεσαν εν σειρά μερικές γεννήτριες και στους υποσταθμούς της εποχής εν σειρά μερικούς κινητήρες για να τροφοδοτηθεί μια σύγχρονη γραμμή με συνεχές ρεύμα σε τάση 57,6 KV από τη Mautier στη Lyon σε μια απόσταση 180 km και συνολική ισχύ 4650 kW.

Ένας φυσικός της Ουέστινγκχαους, ο Ουίλλιαμ Στάνλεϊ, δημιούργησε την πρώτη εμπορική υλοποίηση μετασχηματιστή το 1885, μετά την αγορά από τον Τζορτζ Ουέστινγκχαους των πατεντών των Γκολάρ και Γκιμπς. Ο πυρήνας ήταν κατασκευασμένος από πλάκες σιδήρου σχήματος "Ε", οι οποίες έμπαιναν η μία μέσα στην άλλη. Αυτό το σχέδιο χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στο εμπόριο (Μασαχουσέτη) το 1886. Η αίτηση ευρεσιτεχνίας έκανε για πρώτη φορά αναφορά στη λέξη "μετασχηματιστής".

Ο Ρώσος μηχανικός Μικαΐλ Ντόλιβο-Ντομπροβόλσκι ανέπτυξε τον πρώτο τριφασικό μετασχηματιστή το 1889.

Το 1891 ο Νίκολα Τέσλα εφηύρε το πηνίο Τέσλα, ένα μετασχηματιστή συντονισμού με πυρήνα αέρα, για την παραγωγή πολύ υψηλών τάσεων σε υψηλές συχνότητες.

Το 1891 ο πρώτος εμπορικής χρήσης μετασχηματιστής ξηρού τύπου κατασκευάζεται στη Ρωσία.
Την ίδια χρονιά εντελώς ανεξάρτητα στην Ελβετία κατασκευάζεται ο πρώτος μετασχηματιστής με λάδι με τάση 330, ενώ στη διεθνή έκθεση Φρακφούρτης δίνεται φορτίο 200 kV από υποσταθμό που βρίσκεται 170 χιλιόμετρα μακριά.

μετασχηματιστής του 1920

εργοστάσιο κατασκευής μετασχηματιστών του 1910

Στον εικοστό αιώνα, το 1929 γίνεται η εφεύρεση του H. N. Buchholtz και στη δεκαετία του 1960 άρχισαν να κατασκευάζονται μεταλλοεπενδεδυμένοι μετασχηματιστές καθώς μετασχηματιστές τύπου GIS. Στη δεκαετία του 1970 εισάγονται οι Η/Υ.

μετασχηματιστής του 1930

μετασχηματιστής του 1954

1952-εργοστάσιο της General electric

Τέλος στη δεκαετία του 1980 κατασκευάζονται υποσταθμοί 1200 kV. Στους υποσταθμούς επίσης χρησιμοποιούνται στατοί ηλεκτρονόμοι και Expert Systems στους υποσταθμούς.

Είδη και χρήσεις μετασχηματιστών

Συσκευές οι οποίες μετασχηματίζουν το πλάτος της εναλλασόμενης τάσης

Στην εποχή μας οι μετασχηματιστές κατασκευάζονται σε διάφορα μεγέθη, τύπους και  παραλλαγές και χρησιμοποιούνται σε όλους τους τομείς δραστηριότητας του ανθρώπου. Από τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και τη βαριά βιομηχανία (π.χ Μ/Σ διανομής), τη βιοτεχνία (π.χ Μ/Σ ηλεκτροσυγγολήσεων, φόρτισης συσσωρευτών κ.α), το γραφείο (π.χ Μ/Σ ηλεκτρονικών υπολογιστών), τις συγκοινωνίες και μεταφορές (π.χ Μ/Σ ηλ.έλξης), το σπίτι (π.χ Μ/Σ ηλ.κουδουνιού, ηλεκτρονικών συσκευών), μέχρι τις τηλεπικοινωνίες (π.χ Μ/Σ τροφοδοτικού κινητού τηλεφώνου).

Οι µετασχηµατιστές διακρίνονται ως προς την ισχύ τους σε:

-Μετασχηµατιστές οργάνων: Είναι µικρής ισχύος και χρησιµοποιούνται σε όργανα µέτρησης και σε πίνακες εσωτερικών ηλεκτρικών εγκαταστάσεων, για να υποβιβάζουν κατά ένα λόγο την τάση ή την ένταση του ρεύματος που θέλουμε να μετρήσουμε

  -Μετασχηµατιστές ισχύος: Μεταβιβάζουν σηµαντικές ισχύς και χρησιµοποιούνται στα δίκτυα µεταφοράς και διανοµής της ηλεκτρικής ενέργειας.  

Οι µετασχηµατιστές ισχύος διακρίνονται:  

Ως προς τον αριθµό των φάσεών τους σε :

- Τριφασικούς µετασχηµατιστές: Χρησιµοποιούνται για τη µετατροπή της τάσεως σε τριφασικό σύστηµα      

- Μονοφασικούς µετασχηµατιστές: Χρησιµοποιούνται για τη µετατροπή της τάσεως µίας φάσεως του τριφασικού συστήµατος .

 Ως προς τον τρόπο ψύξης τους σε:   
 - Μετασχηµατιστές ξηρού τύπου : Οι µετασχηµατιστές ξηρού τύπου ψύχονται µε αέρα και χρησιμοποιούνται για μικρές σχετικά ισχείς .     

- Μετασχηµατιστές λαδιού: Οι µετασχηµατιστές λαδιού ψύχονται µε κυκλοφορία λαδιού και χρησιμοποιούνται για μεγαλύτερες ισχείς.

Ως προς τον χώρο τοποθέτησής τους σε :

 - Μετασχηµατιστές υπαίθρου : τοποθετούνται σε υπαίθριες εγκαταστάσεις  (υπαίθριους υποσταθμούς)  

 - Μετασχηµατιστές κλειστού χώρου: τοποθετούνται μέσα σε κλειστούς χώρους .

Ως προς τη χρήση τους στο σύστηµα ηλεκτροδότησης

 - Μετασχηµατιστές µονάδος ή ανυψώσεως : Συνδέονται στην έξοδο των γεννητριών και ανυψώνουν την τάση ώστε να οδηγηθεί στη γραµµή µεταφοράς . Χρησιμοποιούνται για τη μείωση των απωλειών γραμμής στα συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας.    

 - Μετασχηµατιστές υποσταθµών ή υποβιβασµού : Συνδέονται στο τέλος των γραµµών µεταφοράς και υποβιβάζουν την τάση στα επίπεδα διανοµής . Χρησιμοποιούνται για τον υποβιβασμό της υψηλής τάσης στα επίπεδα που τίθονται για την ασφαλή χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας από τους διάφορους καταναλωτές (βιομηχανία, οικιακή χρήση, μετρήσεις κλπ).   

 - Μετασχηµατιστές διανοµής : Υποβιβάζουν την τάση στα επίπεδα χρησιµοποίησης .

Ως προς τον τύπο του πυρήνα

 - Μετασχηµατιστές τύπου πυρήνα : Τα τυλίγµατα του µετασχηµατιστή τοποθετούνται γύρω από τις δύο πλευρές (σκέλη) ενός ορθογώνιου πυρήνα .    

 - Μετασχηµατιστές τύπου κελύφους ή µανδύα: Σε αυτού του τύπου τους µετασχηµατιστές τα τυλίγµατα του µετασχηµατιστή τοποθετούνται στο µεσαίο σκέλος και η ροή κλείνει κύκλωµα από τα ακριανά σκέλη και το ζύγωµα . Ο πυρήνας περιβάλλει τα τυλίγµατα .
Οι µετασχηµατιστές τύπου κελύφους έχουν µικρότερη ροή σκεδάσεως από τους µετασχηµατιστές τύπου πυρήνα .

Τέλος κατασκευάζονται και χρησιμοποιούνται και ειδικοί μετασχηματιστές όπως π.χ είναι:

Οι μετασχηματιστές απομόνωσης 1:1
Οι μετασχηματιστές έλξης
Οι αυτομετασχηματιστές
Οι μετασχηματιστές ηλεκτροσυγκολλήσεων