Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)

[Costas Coyias]

Κάποτε είχα ποστάρει στο avforum ένα θέμα για το εναλλασσόμενο ρεύμα - οι παλαιότεροι ίσως να το θυμάστε. Μιας και βρήκα σε έναν παλιό δίσκο κάποια από εκείνα τα αρχεία που είχα φτιάξει, αλλά και διότι λέγονται διάφορα κατά καιρούς, είπα να το φρεσκάρω λιγάκι και να το τοποθετήσω εδώ - έτσι να υπάρχει. Θεωρώντας ότι κάποια πράγματα ίσως να μην είναι αυτονόητα, ας πάρουμε το θέμα από την αρχή, ώστε να γίνει πιο εύκολα κατανοητό, αλλά και πληρέστερα τεκμηριωμένο, και χωρίς ακαταλαβίστικα μαθηματικά.

Όπως είναι ίσως ευρέως γνωστό, το ρεύμα της οικιακής κατανάλωσης στην Ευρωπαϊκή ήπειρο είναι ονομαστικής τάσης 230Volt, και είναι εναλλασσόμενο, (AC, alternating current). Με άλλα λόγια - και σε αντιδιαστολή με το συνεχές τοιούτο, το εναλλασσόμενο ρέει αμφίδρομα σε ένα κύκλωμα. Η πηγή του εναλλασσόμενου ρεύματος χαρακτηρίζεται από το γεγονός, ότι οι ακροδέκτες της εναλλάσσουν την πολικότητα μεταξύ τους στο πέρασμα του χρόνου. Η αρχή λειτουργίας της μηχανής που αναλαμβάνει ρόλο παραγωγής εναλλασσόμενου ρεύματος, βασίζεται στο ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο, κατά το οποίο, όταν ένας αγωγός που βρίσκεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα i, τότε αναπτύσσεται επάνω του μια δύναμη F, γνωστή ως δύναμη Laplace, που είναι κάθετη προς το επίπεδο που ορίζουν η μαγνητική ροή του πεδίου και το ρεύμα. Μάλιστα, το άνυσμα αυτής της δύναμης βρίσκεται με κατάλληλη διάταξη των δακτύλων του δεξιού χεριού.

Τα παραπάνω φαίνονται σ' αυτή την εικόνα. Εάν προτείνουμε τον αντίχειρα του δεξιού χεριού προς την κατεύθυνση του ρεύματος i (current intensity) που διαρρέει τον αγωγό (επάνω), και τον δείκτη προς την κατεύθυνση των μπλε βελών της μαγνητικής ροής, τότε η δύναμη που ασκείται επάνω στον αγωγό θα είναι κάθετη προς την παλάμη του χεριού και προς την κατεύθυνση που λυγίζει ο μέσος δάκτυλος. Εννοείται βέβαια, ότι αυτή η δύναμη ασκείται μόνο στο τμήμα του αγωγού που βρίσκεται μέσα στο χώρο της μαγνητικής ροής.

Εάν τα πράγματα εφαρμοστούν στην πράξη έτσι όπως φαίνονται στην εικόνα, το αποτέλεσμα είναι κινητήρας, δηλαδή μια μηχανή που καταναλώνει την ηλεκτρική ηλεκτρική ενέργεια που δίνουμε στον αγωγό της και παράγει μηχανική ενέργεια, κίνηση. Η συνήθης περίπτωση κινητήρα είναι αυτή, όπου αυτός δημιουργεί περιστροφική κίνηση, ενώ ειδική περίπτωση αποτελεί ο κινητήρας του ηλεκτροδυναμικού μεγαφώνου, όπου η κίνηση που παράγεται είναι παλινδρομική. Σ' αμφότερες τις περιπτώσεις ο αγωγός περνά πάντα από το ίδιο σημείο, δηλαδή δεν κινείται προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, απομακρυνόμενος στο διηνεκές από το σημείο εκκίνησής του. Άρα, είναι αναγκαία η χρήση ηλεκτρικού ρεύματος εναλλασσόμενης φοράς, ώστε ο αγωγός να απομακρύνεται μεν έως και προς κάποιο μέγιστο σημείο, αλλά να επιστρέφει πάλι στην αρχική του θέση και να ξεκινά νέα περίοδο κίνησης. Βέβαια, στην περίπτωση περιστροφικού κινητήρα, όπως όλα τα ηλεκτρικά μοτέρ, είναι εφικτή η αντιστροφή της συνδεσμολογίας του αγωγού με τέτοιο τρόπο, ώστε αυτός να τροφοδοτείται πάντα με συνεχές ρεύμα, οπότε έχουμε την περίπτωση του μοτέρ συνεχούς ρεύματος.

Σε έναν παλινδρομικό ηλεκτρικό κινητήρα όπως αυτός του μεγαφώνου, αυτό δεν είναι εφικτό, οπότε η χρήση εναλλασσόμενου ρεύματος είναι μονόδρομος. Βέβαια, το μεγάφωνο θα λειτουργήσει και με συνεχές ρεύμα, αλλά ο αγωγός του (το πηνίο φωνής) θα κινηθεί προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, θα τερματίσει τη διαδρομή που του επιτρέπει η ανάρτησή του και μετά θα εμποδίζεται να κινηθεί. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ελαχιστοποίηση της αντίστασης του αγωγού και συνεπακόλουθα τη μεγιστοποίηση του ρεύματος που θα τον διαρρέει. Το αποτέλεσμα θα είναι η υπερθέρμανση του αγωγού και η καταστροφή της εξωτερικής του μόνωσης, πράγμα που θα καταστήσει άχρηστο το μεγάφωνο. Έτσι λέμε ότι το μεγάφωνο "κάηκε".

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)


Μονοφασικός εναλλακτήρας. Κάντε κλικ στην εικόνα για να τη δείτε σε κίνηση.

Εάν στο σενάριο αυτό αντιστρέψουμε τους ρόλους, τότε μπορούμε να έχουμε, όχι κινητήρα, αλλά γεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος. Στην εικόνα αυτή φαίνεται η αρχή λειτουργίας μιας περιστροφικής ηλεκτρογεννήτριας εναλλασσόμενου ρεύματος, (ενός εναλλακτήρα, alternator). Αντιστοίχως, παράδειγμα παλινδρομικής γεννήτριας εναλλασσόμενου ρεύματος είναι το δυναμικό μικρόφωνο. Στην περιστροφική γεννήτρια που είναι το θέμα μας, είναι ο αγωγός που είναι ακίνητος (stator), και ο μαγνήτης που κινείται (rotor), ωθούμενος από κάποια εξωτερική πηγή περιστροφικής κίνησης, όπως ο στροφαλοφόρος ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης, ο έλικας μιας ανεμογεννήτριας ή ένας ατμοστρόβιλος που κινείται από ατμό υπό πίεση. Δηλαδή, ο ρότορας μιας γεννήτριας αποτελεί δομικό τμήμα ενός μετατροπέα ενέργειας. Στην περίπτωση του κινητήρα εσωτερικής καύσης, η ενέργεια που περιέχεται στο καύσιμό του (συνήθως πετρέλαιο diesel) μετουσιώνεται με καύση, της οποίας το καυσαέριο κινεί υπό πίεση τα έμβολα, μετατρέποντας την ενέργεια σε μηχανική, στην περίπτωση της ανεμογεννήτριας η κίνηση του αέρα πιέζει τον έλικα, ο οποίος μετατρέπει την κίνηση του αέρα σε περιστροφική κίνηση, το αντίστοιχο συμβαίνει με κάποια υδατόπτωση, η οποία περιστρέφει κάποιον υδροστρόβιλο, ενώ αντίστοιχη διαδικασία συμβαίνει σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα, του οποίου η εκλυόμενη θερμότητα θερμαίνει νερό, του οποίου ο ατμός κινεί έναν ατμοστρόβιλο. Σε όλες τις περιπτώσεις, η περιστροφική κίνηση του στροβίλου μεταφέρεται στον ρότορα, ο οποίος παράγει ρεύμα. Περνώντας οι πόλοι του ρότορα μπροστά από τον αγωγό που είναι σε μορφή πηνίου, προκαλούν στο τελευταίο την παρουσία εναλλασσόμενης τάσης μεταξύ των ακροδεκτών του, ανάλογα με τον πόλο που περνά κάθε στιγμή.

Πρακτικά, η τάση του ρεύματος μεγιστοποιείται όταν ο μαγνήτης βρίσκεται ακριβώς μπροστά από το πηνίο, δηλαδή όταν στην εικόνα φαίνεται σε κατακόρυφη διάταξη, και μηδενίζεται όταν ο μαγνήτης βρίσκεται σε οριζόντια διάταξη. Εάν η γεννήτρια περιστρέφεται με σταθερή γωνιακή ταχύτητα, δηλαδή σταθερό αριθμό στροφών στη μονάδα του χρόνου, τότε η τάση που θα παράγει θα σχηματίζει μια καμπύλη ημιτονοειδούς μορφής, όπως δείχνει και η εικόνα. Στην εικόνα, η γεννήτρια ξεκινά με το ρότορα σε οριζόντια θέση. Αν θέλετε να τη δείτε σε κίνηση, κάντε κλικ επάνω της, ώστε να τη δείτε σε νέα καρτέλα.

Πραγματοποιώντας το πρώτο τέταρτο της πλήρους περιστροφής του, μόλις ο ρότορας έρθει σε κατακόρυφη θέση και ο βόρειος πόλος του βρίσκεται ακριβώς μπροστά στο πηνίο, η τάση που θα εμφανίζεται στους ακροδέκτες του τελευταίου θα είναι μέγιστη.

Συνεχίζοντας ο ρότορας την περιστροφή του, κάνει το δεύτερο τέταρτο της περιστροφής του και φθάνει πάλι σε οριζόντια θέση, οπότε η τάση μηδενίζεται.

Στο τρίτο τέταρτο της περιστροφής του, ο ρότορας επανέρχεται σε κατακόρυφη θέση και είναι η σειρά του νοτίου πόλου να έρθει μπροστά στο πηνίο, οπότε και η τάση μεγιστοποιείται και πάλι, αλλά με αντίστροφη φορά.

Τέλος, ο ρότορας συμπληρώνει την περιστροφή του, επανερχόμενος στην αρχική του θέση.



Αυτός ο κύκλος είναι μια περίοδος, κατά την οποία ο ρότορας, έτσι δηλαδή όπως φαίνεται στην εικόνα, πραγματοποίησε μια ολόκληρη περιστροφή. Εάν περιστρέφεται με 3000 στροφές το λεπτό, τότε θα πραγματοποιεί 50 πλήρεις περιστροφές το δευτερόλεπτο, σχηματίζοντας 50 τέτοιες ημιτονοειδείς περιόδους, οπότε και θα παράγει εναλλασσόμενο ρεύμα συχνότητας 50Hz. Όπως φαίνεται στην εικόνα, η γεννήτρια φέρει μόνον ένα πηνίο, έναν οπλισμό, μια φάση, οπότε λέμε πως είναι μονοφασική. Η συχνότητα του ρεύματος μιας μονοφασικής γεννήτριας υπολογίζεται ως

f=(P/2) * (N/60),

όπου f είναι η συχνότητα, P το πλήθος των πόλων του ρότορα και Ν το πλήθος των στροφών ανά λεπτό. Με βάση το νόμο του Maxwell, όσο περισσότερες είναι οι σπείρες του οπλισμού, τόσο υψηλότερη θα είναι η παραγόμενη τάση. Με βάση το νόμο του Ohm, όσο πιο χοντρό είναι το σύρμα από το οποίο είναι κατασκευασμένος ο οπλισμός, τόσο περισσότερο ρεύμα αυτός θα αντέχει. Έτσι, παρά τη δυνατότητα να έχουμε και σταθερό μαγνήτη με περιστρεφόμενο πηνίο, λύση που εφαρμόζεται στα μοτέρ συνεχούς ρεύματος, η λύση σταθερού πηνίου (οπλισμού) και περιστρεφόμενου μαγνήτη, όπως δείχνει η εικόνα δηλαδή, είναι προτιμότερη στα μοτέρ και τις γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος, αφού μεταξύ άλλων η λύση αυτή τοποθετεί το πηνίο στο εξωτερικό μέρος της γεννήτριας, καθιστώντας την ψύξη του ευκολότερη.

Εκτός αυτού, στην πραγματικότητα τα πράγματα είναι διαφορετικά και για τον ρότορα. Αυτός δεν αποτελείται από φυσικό μαγνήτη, καθώς οι φυσικοί μαγνήτες είναι πολύ αδύναμοι, οπότε η χρήση τους είναι οικονομικά ασύμφορος. Στη θέση του μαγνήτη τοποθετείται ηλεκτρομαγνήτης, δηλαδή ράβδος από μαγνητικό μέταλλο, με τυλιγμένο γύρω της ένα πηνίο. Αυτό το πηνίο διαρρέεται από συνεχές ρεύμα, καθιστώντας τις άκρες της ράβδου μόνιμα πολωμένες. Συνηθέστατα, αυτό το συνεχές ρεύμα το παράγει ο ίδιος ο εναλλακτήρας με την περιστροφή του, μέσω μιας ενσωματωμένης γεννήτριας συνεχούς ρεύματος.

Πριν προχωρήσουμε, παρατηρήστε το βολτόμετρο που είναι συνδεδεμένο παράλληλα με το φορτίο. Για λόγους παραστατικότητας, το βολτόμετρο είναι σχηματοποιημένο με τρόπο τέτοιον, ώστε να μετρά "θετική" και "αρνητική" τάση, δηλαδή είναι "αμφίδρομο" βολτόμετρο συνεχούς ρεύματος. Επίσης, είναι βαθμονομημένο με μέγιστη ένδειξη 325V, και τα μέγιστα της τάσης εντοπίζονται σ' αυτήν ακριβώς την τιμή, ενώ διαιρώντας αυτήν την τιμή με τη ρίζα του 2, βρίσκουμε την ονομαστική τιμή RMS της τάσης, η οποία είναι 230V RMS. Σε κάποιο παλαιότερο θέμα είχα αναφέρει τον τρόπο υπολογισμού της τιμής RMS μιας εναλλασσόμενης τάσης, και είναι αυτή που μας ενδιαφέρει, καθώς αντιπροσωπεύει την πραγματική -ας την πούμε έτσι- υπόστασή της, καθώς, εάν ένα φορτίο καταναλώνει ισχύ από εναλλασσόμενο ρεύμα, η ισχύς που καταναλώνει είναι ίση με την ισχύ που θα κατανάλωνε εάν τροφοδοτούνται με συνεχές ρεύμα, τάσης ίσης με την τάση RMS του εναλλασσόμενου ρεύματος.

Αυτόν τον τρόπο χρησιμοποιεί και ένα πολύμετρο για να μετρήσει εναλλασσόμενη τάση. Άρα, η τάση της πρίζας του σπιτιού μας αναφέρεται μεν ως τάση 230V, η οποία είναι RMS, οπότε η τάση παρουσιάζει μέγιστη τιμή 325V, και δεδομένου πως η συχνότητα του ρεύματος είναι 50Hz, αυτή παρουσιάζει μέγιστη τιμή 100 φορές το δευτερόλεπτο, 50 φορές "θετική" και 50 φορές "αρνητική", σε σχέση με τον ουδέτερο πόλο, ο οποίος ονομάζεται "ουδέτερος" διότι έχει την ίδια τάση με το έδαφος, τη γη, η οποία εκλαμβάνεται ως σημείο αναφοράς.

Στη γεννήτρια αυτή, αμφότεροι οι πόλοι παρουσιάζουν τάση, αλλά με αντίθετο πρόσημο καθένας σε σχέση με τον άλλον, οπότε το φορτίο, μια λάμπα εν προκειμένω, "βλέπει" τη διαφορά αυτών των δύο τάσεων. Έτσι, λέμε πως αυτο το εναλλασσόμενο ρεύμα είναι διαφορικό, και μάλιστα balanced. Δηλαδή, ισχύει η σχέση...

Vt = |V1| + |V2|

... όπου Vt είναι η συνολική τάση μεταξύ των ακροδεκτών της γεννήτριας, V1 η τάση του ενός ακροδέκτη σε σχέση με τον άλλον, και V2 η αντίστοιχη τάση του άλλου ακροδέκτη σε σχέση με τον πρώτο. Έτσι, στη γραφική παράσταση της τάσης, κάθε ακροδέκτης παρουσιάζει μέγιστη τάση 162,5V σε σχέση με τον οριζόντιο άξονα.

Όπως ανέφερα και παραπάνω, η γεννήτρια της εικόνας αυτής είναι μονοφασική και διπολική, και στην πραγματικότητα δεν είναι οικονομοτεχνικά συμφέρουσα. Μια βελτιωμένη εκδοχή της αναπαρίσταται στην επόμενη εικόνα, όπου φέρει δύο οπλισμούς, τοποθετημένους αντιδιαμετρικά, οπότε το ρεύμα που παράγει καθένας από αυτούς έχει διαφορά φάσης 180°. Επομένως, συνδέοντας τους οπλισμούς σε παραλληλία, αλλά και με τους ακροδέκτες των πηνίων αντίστροφα μεταξύ τους, η γεννήτρια αξιοποιεί καλύτερα κάθε περιστροφή της, καθώς με κάθε περιστροφή παράγει ηλεκτρική ενέργεια της ιδίας τάσης, αλλά με δυνατότητα παροχής διπλασίου ρεύματος. Δείτε την επόμενη εικόνα.


Μια βελτιωμένη εκδοχή μονοφασικής διπολικής γεννήτριας εναλλασσόμενου ρεύματος. Κάντε κλικ στην εικόνα για να τη δείτε σε κίνηση.

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)


Τριφασική γεννήτρια τοπολογίας τριγώνου (delta alternator). Κάντε κλικ πάνω στην εικόνα για να τη δείτε σε κίνηση.

Έχοντας εξετάσει τη μονοφασική γεννήτρια, ας περάσουμε τώρα στην πλέον διαδεδομένη εκδοχή γεννήτριας μαζικής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, που είναι η τριφασική τοιαύτη. Μια απλοποιημένη εκδοχή τέτοιας γεννήτριας αναπαρίσταται στην εικόνα αυτή, όπου η γεννήτρια είναι και πάλι διπολική, όπως η προηγούμενη, αλλά με τρεις οπλισμούς, καθένας των οποίων είναι τοποθετημένος στον νοητό κύκλο περιστροφής του ρότορα με διαφορά φάσης ±120° σε σχέση με τους άλλους δύο. Δηλαδή, αν η τάση ενός ακροδέκτη της γεννήτριας σε σχέση με τον επόμενό του, κατά την έννοια της φοράς του ρότορα, είναι V1, τότε η αντίστοιχη τάση των δύο επομένων ακροδεκτών V2 και V3 εξάγεται από τις σχέσεις...

Μια πολύ σημαντική διαφορά εντοπίζεται στον τρόπο συνδεσμολογίας των οπλισμών της γεννήτριας, οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι σε σειρά μεταξύ τους, σχηματίζοντας έναν κλειστό βρόχο που μοιάζει με κεφαλαίο Δ, εξ ου και η διεθνής ονομασία της, delta alternator, ενώ στην ελληνική ονομάζεται γεννήτρια τοπολογίας τριγώνου. Η γεννήτρια οδηγεί συγχρόνως τρία φορτία με τη συνδεσμολογία που αναπαριστά η ακόλουθη εικόνα.

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)


Τριφασική γεννήτρια τοπολογίας αστέρα. Κάντε κλικ πάνω στην εικόνα για να τη δείτε σε κίνηση.

Ο άλλος τρόπος συνδεσμολογίας μιας τριφασικής γεννήτριας αναπαρίσταται στην εικόνα αυτή, όπου η άκρη κάθε πηνίου, και μάλιστα η μια συγκεκριμένης πολικότητας άκρη, είναι συνδεδεμένη με το αντίστοιχο φορτίο του πηνίου, που μπορεί να είναι η φάση ενός μοτέρ, ή η φάση μιας ολόκληρης συνοικίας, ενώ στο άλλο άκρο τους, τα πηνία είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους, και μάλιστα γειωμένα. Με αυτήν την τοπολογία, οι οπλισμοί της γεννήτριας σχηματίζουν το κεφαλαίο γράμμα Υ, και έτσι η γεννήτρια ονομάζεται διεθνώς wye alternator, ενώ στα ελληνικά λέμε πως η γεννήτρια λειτουργεί σε τοπολογία αστέρα.

Αυτός ο τρόπος συνδεσμολογίας φαίνεται και σ' αυτό το σχήμα. Με τη συνδεσμολογία αυτή είναι πρακτικά εμφανής η δημιουργία των τριών φάσεων των 230Volt που ξέρουμε στην οικιακή κατανάλωση, ενώ ο "ουδέτερος" είναι το κέντρο του αστέρα, και γειώνεται. Εκτός όμως από αυτές τις τάσεις, μπορούμε να πάρουμε και τις τάσεις μεταξύ των φάσεων, που είναι μεγαλύτερες κατά 1,73 φορές (ρίζα 3) από την τάση φάσης-γείωσης. Ας μη ξεχνάμε, ότι η τάση είναι άνυσμα. Έτσι, εάν σε δεδομένη στιγμή μια φάση είναι "πάνω" από τη γη 68 βολτ, ενώ η διπλανή της είναι "κάτω" από τη γή 60 βολτ, τότε η τάση μεταξύ αυτών των φάσεων στη δεδομένη στιγμή είναι 128 βολτ. Μέσα από αυτό το σχήμα μπορεί, νομίζω, να γίνει κατανοητή και η ανάγκη της συμμετρίας φορτίου, που είναι τεχνικοοικονομικής φύσης. Από ηλεκτρικής πλευράς, η γεννήτρια μπορεί να παρέχει ισχύ μόνο σε μια ή δύο φάσεις, χωρίς πρόβλημα. Πάντως, για τεχνικούς λόγους, η τοπολογία του φορτίου πρέπει να είναι ίδια με αυτήν της γεννήτριας. Έτσι, τοπολογίας τριγώνου μπορούν να είναι μόνο κινητήρες ή άλλα φορτία πολύ μεγάλης ισχύος, ενώ όλα τα υπόλοιπα, μικρότερης ισχύος τριφασικά φορτία είναι τοπολογίας αστέρα, ώστε να είναι συμβατά με την τοπολογία του ρεύματος της τελικής κατανάλωσης.

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)


Δύο τριφασικές γεννήτριες διαφορετικού πλήθους πόλων, συγχρονισμένες, συνδεδεμένες σε τοπολογία αστέρα. Κάντε κλικ πάνω στην εικόνα για να τη δείτε σε κίνηση.

Πριν προχωρήσουμε, ας δούμε και το ρόλο του πλήθους των πόλων σε μια γεννήτρια. Οι δύο προηγούμενες κινούμενες εικόνες αναπαριστούν διπολικές γεννήτριες. Σ' αυτή εδώ την εικόνα φαίνεται το πλεονέκτημα μιας γεννήτριας με περισσότερους πόλους, σε σχέση με μια διπολική. Παρά τις διαφορές τους, οι δύο γεννήτριες λειτουργούν συγχρονισμένα, αλλά η δεξιά με τον τριπλάσιο αριθμό στροφών, σε σχέση με την αριστερή. Η αριστερή (εξαπολική) γεννήτρια, είναι ακόμη πιο αποδοτική, καθώς απέναντι από κάθε πηνίο μιας φάσης υπάρχει ακόμα ένα πηνίο, ώστε την ίδια στιγμή να αξιοποιείται και ο άλλος πόλος του ρότορα, ενώ κάθε πλήρης περιστροφή της δεξιάς αντιπροσωπεύει γ' αυτήν περιστροφή μόλις 120 μοιρών. Στην εικόνα, τα πηνία Α(0) είναι απέναντι από τα πηνία Α(π) και παράγουν αντίστροφο ρεύμα. Όμως, σε σχέση με τα πηνία Α(0), τα πηνία Α(π) είναι συνδεδεμένα και εδώ με ανάστροφη πολικότητα επάνω στον ακροδέκτη της αντίστοιχης φάσης, με αποτέλεσμα όλα μαζί να παράγουν ομόρροπο ρεύμα. Βέβαια, ανάλογα με τη γεωμετρία και την πολικότητα του ρότορα, τα πηνία είναι χωροτακτικά διατεταγμένα, αλλά και η συνδεσμολογία τους τέτοια, ώστε το αποτέλεσμα να είναι οι τρεις φάσεις με διαφορά 120 μοιρών.

Για λόγους απλότητας, στην εικόνα φαίνεται μόνο η συνδεσμολογία του πηνίου Α(0) της "δωδεκάτης ώρας", στην κορυφή της γεννήτριας, και του αντικριστού πηνίου (Απ), που είναι τοποθετημένο στην "έκτη ώρα". Όπως είναι προφανές, οι γεννήτριες πολλών πόλων είναι ο κανόνας. Με δεδομένη δε τη συχνότητα του ρεύματος που καλείται να παράγει μια γεννήτρια, όσο περισσότερους πόλους έχει, τόσο πιο αργόστροφη είναι, πράγμα που μεταξύ άλλων συνεπάγεται μειωμένες τριβές, μειωμένο θόρυβο (αν υποθέσουμε πως αυτό το χαρακτηριστικό είναι κρίσιμο), αλλά και αποτελεσματικότερη εκμετάλλευση κάθε πλήρους περιστροφής του στροβίλου που κινεί τον ρότορα. Όμως, όσο πιο αργόστροφη είναι, τόσο πιο δύσκολος είναι ο ακριβής έλεγχος των στροφών της, και άρα της συχνότητας του ρεύματος που θα παράγει. Πρακτικά, η ρύθμιση αυτή γίνεται με σερβοελεγχόμενο σύστημα, που ρυθμίζει την ταχύτητα πρόσπτωσης του νερού επάνω στο στρόβιλο, ή την πίεση του ατμού, εάν πρόκειται για ατμοηλεκτρική γεννήτρια. Με αντίστοιχης φιλοσοφίας τρόπο ελέγχονται και οι στροφές, σε περίπτωση που η γεννήτρια κινείται από κινητήρα εσωτερικής καύσης. Πάντως, όταν μια γεννήτρια δεν λειτουργεί παρέχοντας ρεύμα σε αυτόνομο καταναλωτή, αλλά είναι ενταγμένη σε δίκτυο ηλεκτροδότησης, στο οποίο λειτουργούν και άλλες γεννήτριες, τότε αναγκαστικά θα κλειδώσει τις στροφές της στην συχνότητα του υπολοίπου δικτύου, οπότε ο σερβοέλεγχος καθεμιάς από αυτές γίνεται ευκολότερος, καθιστώντας τη σταθερότητα της συχνότητας του ρεύματος μια σχετικά εύκολη υπόθεση.

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)

Πρέπει να σημειωθεί εμφατικά, πως η πεπατημένη είναι οι γεννήτριες σε συνδεσμολογία τριγώνου, κι αυτό συμβαίνει για οικονομοτεχνικούς λόγους. Το πλεονέκτημα της συνδεσμολογίας τριγώνου είναι βασικά το γεγονός, ότι σε περίπτωση βλάβης μιας φάσης, το σύστημα εξακολουθεί να λειτουργεί πλήρως, δηλαδή παρέχοντας ρεύμα και στις τρεις φάσεις, αλλά υπό την προϋπόθεση, ότι οι εναπομείναντες σε λειτουργία οπλισμοί είναι σε θέση να αντεπεξέλθουν στις αυξημένες απαιτήσεις σε ρεύμα. Σ' αυτήν την περίπτωση, το σύστημα λειτουργεί αναγκαστικά σε τοπολογία ανοικτού τριγώνου (λάμδα, "Λ"). Το αντίστοιχο ισχύει και για βλάβη σε τριφασικό κινητήρα της ιδίας τοπολογίας. Αντίθετα, εάν "πέσει" μια φάση σε συνδεσμολογία αστέρα, η αντίστοιχη μονοφασική τάση παύει να υφίσταται. Το ανάλογο ισχύει και σε πολλές άλλες εφαρμογές, όπως ένα πολυκινητήρο πλοίο, ή αεροπλάνο: Εάν υποστεί βλάβη ένας κινητήρας, τότε το σκάφος μπορεί να συνεχίσει με τους εναπομείναντες σε λειτουργία κινητήρες.

Ας δούμε ένα υποθετικό παράδειγμα. Ας πούμε πως έχουμε μια τριφασική γεννήτρια 36 πόλων, η οποία προδιαγράφεται με ισχύ 36MW, δηλαδή κάθε οπλισμός της έχει ισχύ 1MW, οπότε σε κάθε φάση η γεννήτρια μπορεί να δώσει μέγιστη ισχύ 12MW (3 x 12 = 36). Έστω ότι αυτή η γεννήτρια τροφοδοτεί με ρεύμα μια σχετικά μικρή πόλη, της οποίας οι μέγιστες ενεργειακές ανάγκες είναι 20MW. Εάν σε δεδομένη στιγμή υποστεί καταστροφική βλάβη μια φάση, για κάποιο χρονικό διάστημα ας πούμε 24 ωρών, τότε σ' αυτό το διάστημα η γεννήτρια είναι σε θέση να εξακολουθήσει να τροφοδοτεί πλήρως την πόλη με ρεύμα, καθώς η ισχύς των εναπομεινασών σε λειτουργία φάσεων είναι μεγαλύτερης ισχύος, 24MW.

Αυτή η αυξημένη διαθεσιμότητα της συνδεσμολογίας τριγώνου, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι χρειάζεται τρεις αγωγούς (αντί τεσσάρων στον αστέρα), για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας, είναι ο βασικός λόγος της σχεδόν καθολικής επικράτησης της παραγωγής ρεύματος με αυτήν την τοπολογία. Επιπροσθέτως, και εν συγκρίσει προς το μονοφασικό ρεύμα, για τη μεταφορά του οποίου χρειάζονται δύο αγωγοί, στο τριφασικό ρεύμα, με αύξηση του κόστους αγωγού κατά 50% (+1 αγωγός) επιτυγχάνεται αύξηση της δυναμικότητας κατά 200%, αφού με τρεις αγωγούς μπορεί να μεταφερθεί τριπλάσιο ρεύμα, τριπλάσια ισχύς, με το πλεονέκτημα της αυξημένης διαθεσιμότητας να παραμένει.

Εν συγκρίσει προς το συνεχές ρεύμα, που μπορεί να μεταφερθεί σε πολύ μικρές αποστάσεις, μέχρι κάποια 50χλμ., το εναλλασσόμενο μπορεί να μετασχηματισθεί, ώστε η τάση του να ανυψωθεί πολύ, και να μεταφερθεί προς κατανάλωση πολύ μακρύτερα, σε αποστάσεις έως και 1000χλμ. Για δεδομένη ισχύ, αυτή η ανύψωση της τάσης οδηγεί σε μείωση του ρεύματος, και επομένως η ισχύς μπορεί να μεταφερθεί με πιο λεπτούς αγωγούς, που είναι συρματόσχοινα ειδικής κατασκευής. Αυτά τα συρματόσχοινα αποτελούνται από ένα ή περισσότερα χαλύβδινα σύρματα, συνεστραμμένα με σύρματα κατασκευασμένα από αλουμίνιο. Έτσι, τα χαλύβδινα σύρματα προσδίδουν στον αγωγό την απαραίτητη αντοχή στον εφελκυσμό, καθιστώντας εφικτό το τέντωμα του αγωγού από σημείο σε σημείο, ώστε το βάρος που φέρουν οι μονωτήρες των πυλώνων να είναι σχετικά μικρό, ενώ τα αλουμινένια σύρματα μεταφέρουν το ρεύμα, αφού έχουν υψηλότερη αγωγιμότητα από τα χαλύβδινα. Δείγματα τέτοιων συρματόσχοινων φαίνονται στην ακόλουθη εικόνα.

Τα επτά εσωτερικά σκουρόχρωμα σύρματα είναι τα χαλύβδινα που υποστηρίζουν μηχανικά το συρματόσχοινο, ενώ τα ανοικτόχρωμα περιφερειακά είναι τα αλουμινένια, που μεταφέρουν την ενέργεια. Παρατηρήστε το σχήμα της διατομής των αλουμινένιων αγωγών στο δεξιό στιγμιότυπο, το οποίο είναι τέτοιο, ώστε να αφήνει μικρότερα διάκενα, κάτι που για δεδομένη συνολική διατομή σημαίνει αυξημένη ικανότητα μεταφοράς ρεύματος (δηλαδή ισχύος).

Στο σχήμα αυτό φαίνεται ο μετασχηματισμός της τάσης με συνδεσμολογία τριγώνου. Δεν λείπουν και περιπτώσεις, όπου η συνδεσμολογία πραγματοποιείται επί τούτου σε σχήμα ανοικτού τριγώνου, "Λ", με χρήση μόνο δύο τυλιγμάτων. Κατά βάση, ένας τριφασικός μετασχηματιστής είναι στην ουσία τρεις μονοφασικοί, δηλαδή τρία ζεύγη τυλιγμάτων σε ενιαίο πυρήνα, ή ακόμη και τρεις εντελώς χωριστοί μετασχηματιστές, αλλά για να λειτουργήσει το σύστημα θα πρέπει να τηρηθούν οι πολικότητες, όπως φαίνεται στο σχήμα. Κάθε ένα από τα πρωτεύοντα τυλίγματα συνδέεται παράλληλα με τον οπλισμό μιας φάσης. Όσον αφορά τα δευτερεύοντα τυλίγματα, ο εναρκτήριος ακροδέκτης καθενός από αυτά συνδέεται με τον αντίστροφο ακροδέκτη του κυκλικά προηγούμενου μετασχηματιστή, ώστε όλα μαζί τα δευτερεύοντα να σχηματίσουν πάλι τρίγωνο, κάθε κορυφή του οποίου αποτελεί τον ακροδέκτη μιας φάσης. Θεωρητικά μιλώντας, (ας μη μπλέξουμε με συντελεστές ισχύος, απώλειες κλπ.), εάν η γεννήτρια του σχήματος είναι 30MW, τότε κάθε φάση της είναι σε θέση να παρέχει ισχύ 10MW. Εάν η τριφασική της τάση είναι ας πούμε 5KV, τότε το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να παρέχει είναι 2000 αμπέρ. Εάν τώρα ανυψώσουμε την τάση στα 150KV, τότε το ρεύμα θα πέσει στα 67 αμπέρ, αλλά θα μπορεί να διανύσει πολύ μεγάλη απόσταση.

Αυτή η μεγάλη απόσταση είναι ένας από τους παράγοντες που καθόρισαν τη συχνότητα του ρεύματος στις στάνταρ δύο τιμές ανά τον πλανήτη, 50 ή 60Hz. Πρόκειται για μια χρυσή τομή, ώστε η συχνότητα να μην είναι πολύ μεγάλη, και επομένως να επιτρέπει στο ρεύμα να διανύσει μεγάλες αποστάσεις, χωρίς να αποσβένεται από το επαγωγικό μέρος των γραμμών μεταφοράς, και συγχρόνως αρκετά μικρή, ώστε να μην χρειάζονται υπερβολικά ογκώδεις - και ακριβοί - μετασχηματιστές καθ' όλη τη διαδρομή του.


Στην εικόνα αυτή φαίνεται εύλογα η ευκολία που προσφέρει η ανύψωση της τάσης. Κάντε κλικ στην εικόνα για να τη δείτε σε κίνηση.

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)

Όπως είναι φυσικό, αναλόγως της επιθυμητής ισχύος, η μαζική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας συνεπάγεται μηχανές που είναι μάλλον εντυπωσιακές για τον όγκο τους, όπως μπορείτε να δείτε στις ακόλουθες εικόνες, όπου φαίνονται ρότορες κατά την τοποθέτησή τους στη γεννήτρια. Στις δύο κάτω εικόνες φαίνονται ένας ρότορας και ο αντίστοιχος στρόβιλος Francis που τον κινεί, και ανήκουν στις Τρεις κλεισούρες, που σήμερα είναι η μεγαλύτερη ηλεκτροπαραγωγός μονάδα του πλανήτη, ισχύος 18GW (μέγεθος περίπου διπλάσιο της πανελλαδικής ζήτησης). Η μονάδα αυτή ετέθη σε λειτουργία το έτος 2006, παίρνοντας τα πρωτεία από την Itaipu Binacional, στα σύνορα Βραζιλίας - Παραγουάης.

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)

Μετά την ανύψωση της τάσης, το ρεύμα αποστέλλεται μέσω συρματόσχοινων αναρτημένων στους γνωστούς χαλύβδινους πυλώνες σε μεγάλη απόσταση, τάξης εκατοντάδων χιλιομέτρων, (υψηλή τάση). Κοντά στην κατανάλωση ακολουθείται η αντίστροφη διαδικασία, ώστε να δοθεί στην κατανάλωση. Φθάνοντας το ρεύμα στην περιοχή κατανάλωσης, μετασχηματίζεται σε ρεύμα μέσης τάσης - συνήθως 20KV, και πάλι σε τρίγωνο, χωρίς ουδέτερο πόλο. Αυτό το ρεύμα μεταφέρεται σε μέσες αποστάσεις (τάξης λίγων δεκάδων χιλιομέτρων), μέσα από τα τρία συρματόσχοινα, αναρτημένα σε χαρακτηριστική οριζόντια διάταξη σε ξύλινους στύλους. Αναλόγως του μέτρου της ισχύος που θα καταναλώνει ένας πελάτης της ΔΕΗ, μπορεί να χρειάζεται και υψηλότερη τάση, οπότε και ειδικής χρήσης μετασχηματιστή.

Τέλος, πολύ κοντά στον τόπο του καταναλωτή, το ρεύμα υποβιβάζεται στη στάνταρ χαμηλή τάση των 400V από φάση σε φάση, ενώ συγχρόνως η τοπολογία του μετατρέπεται από τρίγωνο σε αστέρα. Έτσι, μπορούν να τροφοδοτηθούν, τόσον οι τριφασικές συσκευές, που είναι σχετικά μεγάλης ισχύος, (όπως ένας επαγγελματικός φούρνος, ένας μεγάλος τόρνος ή μια πριονοκορδέλα), αλλά και όλες οι μονοφασικές, όπως ένας φορτιστής κινητού τηλεφώνου, ή ένα πλυντήριο.

Σ' αυτή τη μορφή, το ρεύμα διανέμεται στην τελική κατανάλωση, μέσω τεσσάρων αγωγών, που είναι οι τρεις φάσεις και ο ουδέτερος πόλος, ο οποίος εξάγεται όπως φαίνεται στις δύο μεθεπόμενες εικόνες. Αυτή η δουλειά γίνεται με αυτούς τους χαρακτηριστικούς μετασχηματιστές που είναι διεσπαρμένοι μέσα σε κάθε πόλη, οι οποίοι είναι αναρτημένοι συνήθως σε εναέρια θέση, σε ζεύγος στύλων, ενώ μικρότεροι τοιούτοι μπορούν να είναι αναρτημένοι σε έναν στύλο. Ένας τέτοιος είναι ο μετασχηματιστής της επόμενης εικόνας, μέγιστης τάσης πρωτεύοντος 21900V, προορισμένος να λειτουργεί στα 20KV. Φαίνονται χαρακτηριστικά οι τρεις ακροδέκτες των πρωτευόντων τυλιγμάτων του Δ, αυτοί με τους μεγάλους μονωτήρες, καθώς και οι τέσσερις ακροδέκτες των δευτερευόντων τυλιγμάτων, οι τρεις φάσεις και ο ουδέτερος.

Όντας σε χαμηλή τάση, το ρεύμα μεταφέρεται στους καταναλωτές, σε ακτίνα λίγων εκατοντάδων μέτρων γύρω από τον μετασχηματιστή, συνήθως με συρματόσχοινα αναρτημένα σε κατακόρυφη διάταξη σε ξύλινους στύλους, με το συρματόσχοινο του ουδετέρου πόλου πάντα στο άνω μέρος, (αναρτημένο σε μονωτή σκούρου χρώματος), ώστε αυτός να λειτουργήσει και ως αλεξικέραυνο, αν χρειαστεί. Ο ουδέτερος πόλος γειώνεται αμέσως κάτω από τον μετασχηματιστή, με σύρμα που κατεβαίνει στερεωμένο στο στύλο, (αν το παρατηρήσετε, μπορείτε να το πιάσετε με γυμνό χέρι χωρίς κανέναν κίνδυνο), ενώ γειώνεται και εκ νέου ανά τακτά διαστήματα, συνήθως ανά δεύτερο στύλο. Ο ουδέτερος πόλος είναι υποχρεωτικά γειωμένος, ώστε να διατηρείται στο "κέντρο" του τριγώνου, δηλαδή να υπάρχει συμμετρία τάσης και των τριών φάσεων μ' αυτόν. Δεδομένης της ασυμμετρίας φορτίου, μιας και είναι στατιστικά αδύνατο όλες οι φάσεις να βλέπουν ίσα φορτία στη μονάδα του χρόνου, το δευτερεύον τύλιγμα κάθε φάσης διαρρέεται από διαφορετικό ρεύμα, οπότε, αν ο ουδέτερος δεν ήταν γειωμένος, η τάση του προς καθεμιά από τις φάσεις θα "έπαιζε" συνεχώς, δημιουργώντας προβλήματα στα φορτία του δικτύου, (καθώς και περισσότερη παραμόρφωση στο ρεύμα και την τάση κάθε φάσης). Γειώνοντας τον ουδέτερο, στέλνουμε ό,τι παρασιτικό ρεύμα δημιουργείται στη Γη, που είναι ο μεγαλύτερος πυκνωτής που υπάρχει διαθέσιμος. Ένα πέμπτο συρματόσχοινο είναι αναρτημένο από κάτω, που τροφοδοτεί τον δημοτικό φωτισμό, ενώ ο στύλος πρέπει να έχει το ανάλογο ύψος, ώστε αυτό το κατώτατο συρματόσχοινο να απέχει από το έδαφος κατ' ελάχιστον 8 μέτρα. Εκτός αυτού του τρόπου, ένας άλλος είναι με χρήση τεσσάρων μονωμένων συνεστραμμένων αγωγών, και εφαρμόζεται συνήθως για μεταφορά σχετικά μικρής ισχύος, όπως στην περίπτωση κάποιου απομονωμένου σπιτιού, που βρίσκεται κοντά σε μετασχηματιστή διανομής. Αντιθέτως, αν ένα τέτοιο σπίτι βρίσκεται μακριά, τότε το ρεύμα μεταφέρεται έως εκεί σε τρίγωνο μέσης τάσης, και μετασχηματίζεται τοπικά, ώστε οι απώλειες κατά τη μεταφορά να είναι οι ελάχιστες δυνατές.

Από τον στύλο και μετά, οι αγωγοί είναι χάλκινοι 4Ν, (χαλκός καθαρότητας τυπικά 99,996%). Στην ηλεκτρική εγκατάσταση της κατασκευής, η "φάση" της πρίζας παρέχεται πάντοτε με μαύρο καλώδιο και είναι συνδεδεμένη σε κάποια από τις τρεις φάσεις του στύλου, ο ουδέτερος έχει πάντοτε γκρι καλώδιο, ενώ η γείωση της πρίζας αποτελεί καλώδιο που υπάρχει μόνο μέσα στην εγκατάσταση της κατασκευής, του οποίου ο κορμός καταλήγει στο έδαφος. Το καλώδιο της γείωσης είναι πάντα κιτρινοπράσινο.

Αυτή η διαδικασία συνάγεται σ' αυτές τις εικόνες, ενώ βεβαίως το σύστημα περιέχει και άλλα στοιχεία, διακόπτες, ασφάλειες και πυκνωτές καθ΄ όλη τη διαδρομή του από το σταθμό παραγωγής έως τον τελευταίο καταναλωτή, ώστε αυτό να είναι αποδοτικό και η διαχείρισή του ευχερής. Επιπλέον, στο δίκτυο περιλαμβάνονται και οι σχετικοί κόμβοι (υποσταθμοί), ώστε να είναι εφικτή η κατανομή της ζήτησης ομοιόμορφα, αναλόγως των διαθεσίμων γεννητριών και της γεωγραφικής κατανομής της ζήτησης. Όπως μπορείτε να παρατηρήσετε στην κάτω εικόνα, ο αγωγός της γείωσης δεν έχει καμιά σχέση με το δίκτυο ηλεκτροδότησης. Από το δίκτυο παρέχονται μόνον οι τρεις φάσεις και ο ουδέτερος πόλος.

Αξίζει να σημειωθεί πως, ενώ η εναέρια μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε υψηλή τάση είναι σχεδόν αναγκαστική, καθώς η υπόγεια ή υποβρύχια μεταφορά της εγείρει τεχνικά προβλήματα των οποίων η λύση είναι εξόχως δαπανηρή και υλοποιείται μόνον όταν δεν γίνεται αλλιώς, το ρεύμα μέσης και χαμηλής τάσης μπορεί να μεταφερθεί με υπόγεια καλώδια, η εγκατάσταση των οποίων έχει κι αυτή τα ίδια προβλήματα αλλά σε μικρότερο βαθμό, ενώ η μετατροπή μιας ήδη υπάρχουσας εναέριας εγκατάστασης σε υπόγεια είναι πολύ μεγάλο μερεμέτι, ειδικά μέσα στον αστικό ιστό. Πάντως, σε μεγάλες λεωφόρους τα καλώδια είναι συνήθως υπόγεια, ακόμα και σε μια φτωχή και ανοργάνωτη χώρα όπως η Ελλάδα, ενώ κλασικό παράδειγμα πόλης με πλήρως υπόγειο δίκτυο ηλεκτροδότησης είναι η Βενετία.

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)

Στην εικόνα αυτή φαίνεται το σχήμα ενός τυπικού πυλώνα 3 αγωγών για τη μεταφορά ενέργειας σε υψηλή τάση. Πιο σύγχρονοι, μεγαλύτεροι κι ακριβότεροι είναι οι πυλώνες που μεταφέρουν από μια, δύο, ή ακόμη και τρεις τριάδες αγωγών σε κάθε πλευρά τους και έχουν πιο "στενό" κατακόρυφο μέτωπο. Στην εικόνα φαίνονται με χρώμα τα ηλεκτροφόρα συρματόσχοινα των 3 φάσεων, ενώ τα δύο συρματόσχοινα που υπερίπτανται είναι γειωμένα σε κάθε πυλώνα και λειτουργούν ως αλεξικέραυνα. Όσο μεγαλύτερη είναι η τάση, τόσο μεγαλύτερη θα πρέπει να είναι και η απόσταση ανάμεσα στους αγωγούς, αλλά και καθενός από αυτούς από το σώμα του πυλώνα, με τη χρήση μονωτήρα αναλόγου μήκους, καθώς το διηλεκτρικό υλικό αυτών των αγωγών είναι ο ατμοσφαιρικός αέρας. Ενδεικτικά, οι μονωτήρες των 400KV έχουν μήκος της τάξης των 5 μέτρων.

Ένας τέτοιος μονωτήρας φαίνεται στην επάνω εικόνα, στον οποίον είναι αναρτημένοι δύο αγωγοί της ίδιας φάσης, ενώ το ίδιο συμβαίνει και με τις άλλες δύο φάσεις, προφανώς για τη μεταφορά διπλάσιας ισχύος (δύο αγωγοί, διπλάσια διατομή, διπλάσιο ρεύμα). Το ίδιο ακριβώς συμβαίνει και στον μονωτήρα της κάτω εικόνας, που ανήκει στο backbone Λάρισας - Λαμίας. Ένθεν και ένθεν του σημείου ανάρτησης, φαίνονται τοποθετημένοι πάνω στα συρματόσχοινα ειδικοί αποσβεστήρες των υψίσυχνων κραδασμών που ο αέρας δημιουργεί σ' αυτά, οι οποίοι μπορεί να προκαλέσουν βλάβη, ή ακόμα και σπάσιμο των μονωτήρων. Ειδικά στις περιπτώσεις που ο πυλώνας φέρει περισσότερα του ενός συρματόσχοινα σε κάθε φάση, αυτά είναι σταθεροποιημένα στο χώρο με ειδικά παρεμβύσματα (spacers), ώστε να συμπεριφέρονται μηχανικά σαν μια ολότητα, και να αποφεύγονταιοι εκτός φάσης χαμηλόσυχνες ταλαντώσεις μεταξύ τους από τον αέρα, (μιας και η απόσταση μεταξύ των πυλώνων είναι αρκετά μεγάλη, της τάξης των 250 - 500 μέτρων). Η ράβδος με τις χαρακτηριστικές κυρτώσεις χρησιμεύει για να απορροφά τυχόν τόξα που μπορεί να δημιουργηθούν από τους αγωγούς προς τα επάνω, προς το σημείο ανάρτησης του μονωτήρα.

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)

Μύθοι, παρεξηγήσεις και ιστορίες καθημερινής τρέλας

Τα "καθαρά αυτοκίνητα"

...δηλαδή τα ηλεκτρικά τοιαύτα, αλλά και κάθε λογής άλλα τροχοφόρα, που δεν είναι παρά οχήματα που κινούνται με ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος τροφοδοτείται προφανώς από κάποια συστοιχία μπαταριών, οι οποίες με τη σειρά τους φορτίζονται ανά τακτά διαστήματα από το δίκτυο ηλεκτροδότησης, από κάποια πρίζα. Βεβαίως, δεν πρόκειται εντελώς για μύθο, αλλά για μύθο υπό συνθήκη.

Ένα ηλεκτρικό όχημα είναι τόσο καθαρό, οικολογικό ή ό,τι άλλο, όσο καθαρός, οικολογικός κλπ. είναι ο μετατροπέας ενέργειας από τον οποίο φορτίζονται οι μπαταρίες του. Αν ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο φορτίζεται από κάποια πρίζα, στην οποία δίνει ρεύμα μια γεννήτρια που κινείται με καύση λιγνίτη ή πετρελαίου, τότε δεν είναι καθόλου καθαρό, είναι τόσο καθαρό, όσο καθαρή είναι η κάμινος που καίει το λιγνίτη, ή ο ντηζελοκινητήρας που κινεί τη γεννήτρια. Απλώς, αντί των καυσαερίων που θα εξέλυε το όχημα αν είχε κινητήρα εσωτερικής καύσης, τα αντίστοιχα εκλύει για λογαριασμό του η θερμική μονάδα παραγωγής που παρέχει το ρεύμα. Αντιθέτως, αν αυτή η γεννήτρια παίρνει κίνηση από κάποια ανεμογεννήτρια ή μια θερμοπυρηνική ή υδροηλεκτρική μονάδα, τότε η φόρτιση του οχήματος δεν επιβαρύνει καθόλου την ατμόσφαιρα, τουλάχιστον πρωτογενώς, δηλαδή μη λαμβάνοντας υπ' όψιν το ενεργειακό ισοζύγιο της κατασκευής της γεννήτριας. Ένα κλασικό παράδειγμα ελληνικής νεοπλουτίστικης συμπεριφοράς είναι η ηλεκτροκίνηση των σιδηροδρομικών συρμών στη γραμμή Αθηνών - Θεσσαλονίκης. Τους πείραζε η παλιά ντηζελοηλεκτρική μηχανή, που διέσπειρε το καυσαέριό της σε μια πολύ μεγάλη περιοχή, γύρω από τη γραμμή αυτή, ενώ τώρα που αυτό το καυσαέριο συγκεντρώνεται στην Πτολεμαΐδα ή σε άλλες θερμικές μονάδες ηλεκτροπαραγωγής, δεν τους πειράζει. Βέβαια, σε μακροπρόθεσμη βάση, αυτή η επένδυση μπορεί να αποβεί προς όφελος της ατμόσφαιρας, υπό την προϋπόθεση πως θα αλλάξει η τεχνολογία ηλεκτροπαραγωγής που την κινεί, κάτι που δεν γίνεται από τη μια μέρα στην άλλη.

Το αντίστοιχο ισχύει και με την αντικατάσταση ενός λαμπτήρα πυρακτώσεως με κάποιον άλλο χαμηλής κατανάλωσης, "οικολογικό" όπως τον λένε, όπου ένας ακραιφνής οικολόγος θα σας πει πως μια τέτοια αντικατάσταση θα μειώσει το διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα κατά τόσα κιλά κάθε χρόνο. Βεβαίως, αυτή η ατάκα δεν στερείται βάσης εντελώς, αλλά θεωρεί ως δεδομένο πως η λάμπα αυτή τροφοδοτείται με ρεύμα από κάποιον ηλεκτρικό σταθμό που κινείται με καύση, κάτι σύνηθες αλλά όχι σίγουρο, ενώ δεν λαμβάνει υπ' όψιν της και το γεγονός, πως το διοξείδιο του άνθρακα είναι απαραίτητο στην ατμόσφαιρα, βεβαίως εντός κάποιων ορίων, σε κάποια ισορροπημένη αναλογία.

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)

Οι μετασχηματιστές απομόνωσης

...που "καθαρίζουν" και "σταθεροποιούν" το ρεύμα, και άλλα τέτοια θαυμαστά και απόκοσμα. Είναι χρήσιμη μια τέτοια συσκευή, και πόσο χρήσιμη μπορεί να είναι; Βεβαίως είναι χρήσιμη σε πολλές περιπτώσεις, ίσως μάλιστα να μπορεί να ισχυρισθεί κανείς ότι είναι απαραίτητη, και θα έπρεπε να υπάρχει σε κάθε σπίτι, αλλά για ποιο λόγο; Άραγε, για να καθαρίζει το ρεύμα, ή μήπως για κάποιον άλλο λόγο; Ας πάρουμε τα πράγματα με τη σειρά.

Στην εικόνα αυτή βλέπετε τον τρόπο σύνδεσης ενός μετασχηματιστή απομόνωσης. Κατ' ουσίαν, αυτός παρεμβάλλεται μεταξύ της πρίζας και της ηλεκτρικής συσκευής που πρέπει να συνδεθεί στο ρεύμα, ενώ, βεβαίως, η συσκευή μπορεί να συνδεθεί και κατ' ευθείαν στην πρίζα.

Στο αριστερό τμήμα της εικόνας αναπαρίσταται το τύλιγμα μιας εκ των τριών φάσεων του μετασχηματιστή διανομής της ΔΕΗ. Τα άλλα δύο τυλίγματα δεν μας ενδιαφέρουν, αφού η τροφοδοσία της συσκευής που θέλουμε να συνδέσουμε στο ρεύμα είναι μονοφασική. Το πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή διανομής παίρνει ενέργεια από τον προηγούμενο ΜΤΣ του δικτύου ηλεκτροδότησης, σε μορφή διαφορικής τάσης 20.000V (τάση από φάση σε φάση σε τοπολογία τριγώνου), και δίνει στο δευτερεύον τύλιγμα της φάσης που θα τροφοδοτήσει τη συσκευή μονοτελή τάση 230V, καθώς ο ένας από τους δύο πόλους του δευτερεύοντος είναι συνδεδεμένος με τους αντιστοίχους των υπολοίπων δύο φάσεων, και γειωμένος. Έτσι, ο γειωμένος πόλος, ο ουδέτερος δηλαδή, παρουσιάζει μηδενική τάση σε σχέση με τη γη, ενώ ο άλλος παρουσιάζει τάση με εναλλασσόμενο πρόσημο προς τον ουδέτερο, και επομένως και με τη γη. Αυτός είναι ο λόγος, για τον οποίον ο ακροδέκτης της φάσης είναι επικίνδυνος, καθώς εάν τον αγγίξει κάποιος, θα υποστεί ηλεκτροπληξία, δηλαδή θα περάσει ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από το σώμα του, αφού θα πατά στο έδαφος με αγώγιμο τρόπο, (όπως ας πούμε, πατώντας σε μαρμάρινο δάπεδο και φορώντας παπούτσια με σολόδερμα, ή, ακόμα χειρότερα, ξυπόλητος σε φρεσκοσφουγγαρισμένο μαρμάρινο δάπεδο). Βέβαια, αν το δάπεδο είναι ξύλινο, τότε δεν θα υποστεί ηλεκτροπληξία, αλλά περί αυτών περισσότερα σε άλλο θέμα. Εδώ, θεωρήστε πως ο πόλος της φάσης είναι θανατηφόρος, και πάμε παρακάτω.

Όπως βλέπετε, ο μετασχηματιστής απομόνωσης στο μέσο της εικόνας έχει αναλογία τυλιγμάτων 1:1, δηλαδή, όση τάση του δοθεί στο αριστερό τούλιγμα από τον μετασχηματιστή της ΔΕΗ, τόση θα βγάλει στο δευτερεύον του, στο δεξιό τύλιγμα, (πρακτικά, οι μετασχηματιστές 1:1 μπορούν να συνδεθούν και με τους δύο τρόπους). Όμως, η τάση που δίνει στο δευτερεύον τύλιγμά του ο μετασχηματιστής απομόνωσης, εξακολουθεί να είναι η ίδια, 230VRMS, αλλά έχει αλλάξει η τοπολογία της, καθώς αυτή η τάση είναι πλέον διαφορική, παρουσιάζοντας τάση μόνον μεταξύ των ακροεδκτών του δευτερεύοντος, ενώ καθένας καθένας από αυτούς τους δύο ακροδέκτες παρουσιάζει μηδενική τάση σε σχέση με το έδαφος. Έτσι, ο μετασχηματιστής απομόνωσης παρέχει αυξημένη ασφάλεια, καθώς, εάν κάποιος έλθει σε επαφή με έναν -οποιονδήποτε- από τους δύο ακροδέκτες του δευτερεύοντος, δεν θα υποστεί ηλεκτροπληξία, ακόμη κι αν πατάει ξυπόλητος στις λάσπες. Βεβαίως, θα υποστεί ηλεκτροπληξία αν πιάσει και τους δύο ακροδέκτες, αλλά αυτό είναι στατιστικά εξόχως απίθανο, καθώς η όποια πιθανότητα θα καταδεικνύει μάλλον κάποιο πρόσωπο με αυτοκτονική τάση.

Προχωρώντας, στο δεξιό τμήμα της εικόνας φαίνεται και ο μετασχηματιστής μιας τυπικής ηλεκτρικής συσκευής hi-fi, η οποία λειτουργεί με γραμμικό τροφοδοτικό, και η οποία τροφοδοτείται από το δευτερεύον του μετασχηματιστή απομόνωσης χωρίς κανένα πρόβλημα. Εννοείται, βεβαίως, πως η ισχύς του μετασχηματιστή απομόνωσης είναι ίση ή υψηλότερη από την ισχύ που θα καταναλώνει η συσκευή ως ηλεκτρικό φορτίο. Φυσικά, αναλόγως της κατασκευής της, η συσκευή ίσως να έχει και ακροδέκτη γείωσης, ο οποίος συνδέεται με το δένδρο γείωσης της οικοδομής, και δεν έχει καμιά σχέση με τους ακροδέκτες παροχής ηλεκτρικής ενέργειας της ΔΕΗ. Θέλω να πω δηλαδή, πως μια ηλεκτρική συσκευή μπορεί να μην έχει γείωση, και επομένως να μην γειώνεται, και να εξακολουθεί να λειτουργεί απολύτως σωστά, καθώς η γείωση είναι δικλείδα ασφαλείας και τίποτε άλλο.

Τέλος, πρέπει να σημειωθεί πως, για οικονομικούς λόγους, ένας τέτοιος μετασχηματιστής πρέπει να περιέχει πυρήνα άριστης ποιότητας, ώστε να μην παρουσιάζει υστέρηση, καθώς κάτι τέτοιο κάνει τον ίδιο το μετασχηματιστή να συμπεριφέρεται ως φορτίο, και να καταναλώνει ισχύ την οποία αποβάλλει στο περιβάλλον υπό μορφή θερμότητας, αυξάνοντας το λογαριασμό του ρεύματος χωρίς λόγο. Αν συμβαίνει κάτι τέτοιο, θα συμβαίνει ακόμα και με τον μετασχηματιστή απλώς συνδεδεμένο στο ρεύμα, και χωρίς να τροφοδοτεί ούτε μια συσκευή. Προσωπικά έχω δει σε φιλικά σπίτια δυό - τρεις τέτοιους μετασχηματιστές γνωστού έλληνα (χαϊεντά) κατασκευαστή, του οποίου οι μετασχηματιστές έκαιγαν το χέρι, ακόμη και χωρίς φορτίο - και το νόστιμο της υπόθεσης είναι πως οι ιδιοκτήτες τους αυτό το θεωρούν φυσιολογικό...

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)

Ας κάνουμε εδώ μια παρένθεση. Μιας και έκανα αυτό το σχήμα, ας το δούμε λίγο αλλαγμένο, ώστε να αναπαριστά τον τρόπο διανομής του ηλεκτρικού ρεύματος στα αμερικανικά και καναδικά νοικοκυριά. Όπως βλέπετε σ' αυτήν την εικόνα, και εδώ το σύστημα τροφοδοτείται με περίπου την ίδια χαμηλή τάση, 240V RMS, με την οποία τροφοδοτούνται μόνον οι συσκευές μεγάλης ισχύος που έχει το νοικοκυριό, όπως ο θερμοσίφωνας, ή η ηλεκτρική κουζίνα, ενώ όλες οι υπόλοιπες, χαμηλής ισχύος συσκευές, τροφοδοτούνται από έναν μετασχηματιστή υποβιβασμού που περιλαμβάνεται στην ηλεκτρική εγκατάσταση του σπιτιού. Πρόκειται για τον μετασχηματιστή στο μέσο της εικόνας, ο οποίος φέρει δύο ανεξάρτητα δευτερεύοντα τυλίγματα, καθένα από τα οποία υποβιβάζει τα 240 στα 120V. Το ένα άκρο ενός εκάστου αυτών των τυλιγμάτων γειώνεται, λειτουργώντας ως ουδέτερος πόλος, ενώ συνδυασμένο με το άλλο, τροφοδοτεί κάποια ηλεκτρική συσκευή. Έτσι, αυτός δεν είναι μετασχηματιστής απομόνωσης, αφού δεν αποκόπτει τη φάση, αλλά υποβιβάζει την τάση του ρεύματος σε επίπεδο αρκετά χαμηλό, ώστε να είναι τυπικά ενοχλητική, αλλά όχι θανάσιμη, σε περίπτωση που κάποιος έλθει σε επαφή με τον ακροδέκτη των 120V.

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)

Συνελόντι ειπείν, οι μετασχηματιστές απομόνωσης δεν "καθαρίζουν" το ηλεκτρικό ρεύμα, ούτε το εξομαλύνουν, ούτε το σταθεροποιούν, ούτε ο,τιδήποτε άλλο. Αυτό που κάνουν είναι η αποκοπή της φάσης της πρίζας στην οποία θα συνδεθούν, δίνοντας στην έξοδό τους ρεύμα μορφής τέτοιας, ώστε αυτό να είναι απολύτως ασφαλές σε περίπτωση επαφής με έναν από τους δύο πόλους παροχής αυτού του ρεύματος. Μα καλά, θα μου πείτε, κι όλοι αυτοί που πουλάνε μετασχηματιστές απομόνωσης που καθαρίζουν το ρεύμα, λένε ψέμματα; Χμ, και ναι, και όχι. Κατά βάσιν, απευθύνονται σε ένα κοινό, τον τυπικό χαϊεντά, που δεν τον ενδιαφέρει σχεδόν καθόλου η ασφάλεια και η ζωή του, αλλά τον ενδιαφέρει πολύ να είναι "καθαρό" το ρεύμα που θα περάσει μέσα από το πανάκριβο στερεοφωνικό του, ώστε να μην του χαλάσει τις "χροιές", και να του δίνει "δυναμικά", και άλλα τέτοια νόστιμα. Έτσι, λοιπόν, μιας και αυτός ο πολύπαθος τυπικός χαϊεντάς δίνει πολύ μεγάλη σημασία σ' αυτό που βλέπουν τα μάτια του και σηκώνουν τα χέρια του, του πασσάρει έναν ογκώδη και ασήκωτο μετασχηματιστή, ώστε να βλέπει τα λεφτά του να πιάνουν τόπο, έχοντας τοποθετήσει μέσα στη συσκευασία του μετασχηματιστή και κάποια ακόμη πραγματάκια, που από μόνα τους δεν θα δικαιολογούσαν με τίποτε τα χιλιάρικα που του χρεώνει. Για να δούμε λοιπόν τί βάζει μέσα ο εξυπνάκιας...

Στην εικόνα αυτή φαίνεται ο γνώριμός μας, πλέον, μετασχηματιστής απομόνωσης, συνοδευμένος από κάποια πρόσθετα παθητικά εξαρτήματα, τα οποία περιλαμβάνονται μέσα στο σασί του ή μέσα στα καπάκια του, που συμβολίζονται με το χαρακτηριστικό διακεκομμένο πλαίσιο. Κατ' αρχάς, στην είσοδό του, δηλαδή στην πλευρά όπου το πρωτεύον του συνδέεται με τον μετασχηματιστή διανομής της ΔΕΗ, υπάρχουν δύο πολύ μικρά πηνία σε σειρά, καθώς επίσης και ο μαύρος πυκνωτής παράλληλα με το πρωτεύον του μετασχηματιστή. Αυτά τα στοιχεία δημιουργούν ένα φίλτρο δεύτερης τάξης, που χρησιμεύει στην αποκοπή τυχόν υψίσυχνων σχετικά παρασίτων που περιέχονται στο ηλεκτρικό ρεύμα που δίνει η ΔΕΗ, καθώς και στην αποκοπή τυχόν θορύβων που μπορεί να προέρχονται από κάποιον φθαρμένο διακόπτη που λειτουργεί κοντά του, προφανώς κάπου μέσα στο νοικοκυριό, όπως το ρελέ ελέγχου του κινητήρα κάποιου ηλικιωμένου πληντυρίου ή ψυγείου, ή ακόμη και διακόπτη φωτισμού. Αν σας έχει τύχει, θα έχετε παρατηρήσει πως ένας τέτοιος φθαρμένος διακόπτης ακούγεται μέσα από τα ηχεία σαν "τσικ" ή "τσακ", αναλόγως της στάθμης και της συχνότητάς του. Επίσης, τέτοια παράσιτα μπορεί να προέρχονται ακόμη κι από τον ταλαιπωρημένο κινητήρα του δράπανου που δουλεύει ο γείτονας, ή την ανάφλεξη κάποιου διερχομένου αυτοκινήτου.

Βεβαίως, αυτά τα παράσιτα δεν μπορούν να προκαλέσουν βλάβη, αλλά όπως και να το κάνουμε, είναι ενοχλητικά, αλλά και καταβαραθρώνουν το κύρος και τη μούρη κάποιου πανάκριβου ενισχυτή, αν περάσουν από μέσα του. Θα μου πείτε, καλά, δεν υπάρχει τρόπος να λυθεί αλλιώς το πρόβλημα; Να σας πω, εξαρτάται από τις συνθήκες και το πόσο έχει κανείς τη διάθεση να ασχοληθεί. Πάντως, αν σας κάνει τέτοια κόλπα το πλυντήριο ή το ψυγείο, βγάλτε το από το ρεύμα, βάλτε στην πρίζα του ένα διακλαδωτήρα (ταύ), ξαναβάλτε το στην πρίζα, σε μια από τις υποδοχές του διακλαδωτήρα, και σε μια άλλη υποδοχή του βάλτε ένα σκέτο φις, του οποίου οι ακροδέκτες θα είναι βραχυκυκλωμένοι με έναν πυκνωτή 100nF - 1μF στα 630V, και φυσικά οι ακροδέκτες του πυκνωτή που τυχόν θα είναι εκτεθειμένοι εκτός του σώματος του φις, πρέπει να είναι μονωμένοι καλά με πολλές στρώσεις μονωτικής ταινίας, ώστε να μην κινδυνεύετε από το ρεύμα της πρίζας.

Ενδιαφέρον παρουσιάζει επίσης το πράσινο στοιχείο, που είναι ένα varistor (variable resistor), που μεταβάλλει την αντίστασή του σε συνάρτηση με την τάση στα άκρα του. Όσο η τάση είναι εντός των προδιαγραφών του, αυτό έχει πολύ μεγάλη, σχεδόν άπειρη αντίσταση, και επομένως είναι σαν να μην υπάρχει στο κύκλωμα. Αν η τάση αυξηθεί πρόσκαιρα, δηλαδή το ρεύμα παρουσιάσει αυτό που λέμε στιγμιαία υπέρταση, τότε η αντίσταση του βαρίστορ μειώνεται, με αποτέλεσμα ένα μέρος του ρεύματος να περνά μέσα από αυτό (κατά την έννοια του πράσινου βέλους), προστατεύοντας έτσι το υπόλοιπο σύστημα από τυχόν βλάβη. Μ' αυτόν τον τρόπο ελέγχεται, κατά κάποιον τρόπο, σταθεροποιείται η τάση. Βεβαίως, αντ' αυτού μπορεί να υπάρχει κάποιο ενεργό κύκλωμα, που κάνει την ίδια δουλειά, και ίσως και άλλες. Μένουν να σχολιάσουμε τους δύο άλλους, τον κόκκινο και τον μπλε πυκνωτή, οι οποίοι βελτιώνουν τον συντελεστή ισχύος. Αν και στο παρελθόν έχω αναφερθεί σχετικά, ας ξαναδούμε αυτό το θέμα από πιο κοντά.

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)

Τί είναι ο συντελεστής ισχύος

Με απλά λόγια, ο συντελεστής ισχύος είναι καθαρός αριθμός, κυμαινόμενος μεταξύ του μηδενός και της μονάδας, και εκφράζει πόσο αμιγώς ωμικό είναι ένα φορτίο που καταναλώνει ισχύ, τροφοδοτούμενο με εναλλασσόμενο ρεύμα. Λίγο πιο αναλυτικά...

Όπως ξέρετε, ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά ενός ηχείου είναι το μέτρο της φάσης του ανά το ακουστικό φάσμα, όπου σε κάποια τμήματα του φάσματος, το μέτρο της φάσης του ηχείου είναι θετικό, ενώ στα υπόλοιπα είναι λίγο - πολύ αρνητικό. Αυτό συμβαίνει διότι το ηχείο από τη φύση του είναι ένα ηλεκτρικό φορτίο, του οποίου η αντίσταση μεταβάλλεται, βαίνοντας αύξουσα ή φθίνουσα, αναλόγως της συχνότητας του ρεύματος που το διαρρέει στη μονάδα του χρόνου. Το αντίστοιχο συμβαίνει και με όλα τα φορτία που καταναλώνουν ισχύ, τροφοδοτούμενα από το ρεύμα του δικτύου ηλεκτροδότησης, με τη διαφορά πως αυτό το ρεύμα έχει σταθερή συχνότητα, και επομένως καθένα τέτοιο φορτίο παρουσιάζει αντίσταση της οποίας το μιγαδικό μέρος είναι διαζευκτικά επαγωγικό, ή χωρητικό, ποτέ και τα δύο. Το είδος της μιγαδικής αντίστασης εξαρτάται από τη φύση του φορτίου, από τον τρόπο που είναι κατασκευασμένο. Πάντως, σε όλες τις περιπτώσεις, αντικειμενικός στόχος είναι, το φορτίο να συμπεριφέρεται κατά το δυνατόν περισσότερο ως ωμικό, δηλαδή η αντίστασή του να μην έχει επαγωγική ή χωρητική συμπεριφορά. Γιατί όμως; Όλο το παιχνίδι παίζεται στην προσπάθεια της χρονικής ταύτισης της καμπύλης του ρεύματος μ' αυτήν της τάσης. Ας δούμε σχηματοποιημένο αυτό το φαινόμενο.

Στην εικόνα αυτή βλέπετε στοιχισμένες τις καμπύλες της τάσης, του ρεύματος και της ισχύος, με την τάση να οδηγεί ένα αμιγώς ωμικό φορτίο. Σ' αυτήν την περίπτωση, η καμπύλη του ρεύματος ταυτίζεται χρονικά με την καμπύλη της τάσης, και ανάλογη μορφή έχει η καμπύλη της ισχύος. Έτσι, όταν κατά τη χρονική στιγμή t1 η τάση φθάνει στο θετικό της μέγιστο (επάνω διάγραμμα), ακριβώς την ίδια στιγμή το ίδιο κάνει και το ρεύμα (μέσο διάγραμμα), όπως επίσης και η ισχύς (κάτω διάγραμμα). Όλα καλά, όλα ανθηρά. Ας δούμε τώρα τί συμβαίνει, όταν το φορτίο δεν είναι αμιγώς ωμικό, αλλά παρουσιάζει επαγωγική συμπεριφορά.

Αυτή η κατάσταση αναπαρίσταται σ' αυτήν την εικόνα, όπου η καμπύλη του ρεύματος παρουσιάζει καθυστέρηση σε σχέση με το ρεύμα, οπότε λέμε ότι η τάση προηγείται του ρεύματος, ή αντίστοιχα, το ρεύμα έπεται της τάσης, δηλαδή κορυφώνεται λίγο πιο δεξιά, σε μεταγενέστερη χρονική στιγμή t2, δηλαδή με διαφορά φάσης. Μάλιστα, στη συγκεκριμένη εικόνα η διαφορά φάσης είναι 60 μοίρες, (δηλαδή, το ρεύμα κορυφώνεται 60 μοίρες μετά την τάση). Το αποτέλεσμα αυτής της χρονικής καθυστέρησης φαίνεται στην καμπύλη της ισχύος, τμήμα της οποίας εντοπίζεται κάνω από τον οριζόντιο άξονα, έχοντας τρόπον τινά "αρνητική" τιμή. Στο διάγραμμα της ισχύος, η σκιασμένη με μπλε χρώμα επιφάνεια αναπαριστά την ωφέλιμη ισχύ, η οποία ονομάζεται πραγματική ισχύς, ενώ η καφέ επιφάνεια αντιπροσωπεύει την λεγόμενη αντιδραστική ισχύ.

Το αντίστοιχο συμβαίνει και στην περίπτωση που το φορτίο παρουσιάζει χωρητική συμπεριφορά, με τη διαφορά πως εδώ το ρεύμα προηγείται της τάσης, καθώς η χρονική στιγμή t2 κατά την οποίαν αυτό κορυφώνεται, προηγείται χρονικά της στιγμής t1 κατά την οποίαν κορυφώνεται η τάση. Αντιστοίχως κι εδώ, η ισχύς διακρίνεται στην πραγματική και την αντιδραστική, ενώ και στις δύο περιπτώσεις, το άθροισμα των δύο ονομάζεται είναι ίσο με την φαινομένη ισχύ.

Τέλος, στην ακραία και απολύτως ανεπιθύμητη περίπτωση, κατά την οποίαν το φορτίο είναι πλήρως επαγωγικό ή πλήρως χωρητικό, το ρεύμα παρουσιάζει διαφορά φάσης 90 μοιρών σε σχέση με την τάση, οπότε τα εμβαδά των μπλε και καφέ επιφανειών είναι ίσα, όπως φαίνεται σ' αυτήν την εικόνα, όπου το φορτίο είναι πλήρως χωρητικό. Σε μια τέτοια περίπτωση, το φορτίο δεν καταναλώνει καθόλου ωφέλιμη ισχύ.

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)

Αν αναπαραστήσουμε αυτό το φαινόμενο πάνω στον τριγωνομετρικό κύκλο, νομίζω πως καθίσταται σαφές γιατί ο συντελεστής ισχύος είναι ταυτόσημος με αυτό που είναι ευρέως γνωστό ως "συνημίτονο φ", καθώς κι αυτό το "τρίγωνο" με το οποίο αναπαρίσταται ο ρόλος του συντελεστή ισχύος. Όπως είναι γνωστό, η φορά μέτρησης γωνίας στον τριγωνομετρικό κύκλο είναι αριστερόστροφη, με το σημείο μηδέν στο "ανατολικό άκρο" του κύκλου. Η κίνηση του σημείου Α πάνω στον κύκλο εκφράζει τη γωνία που σχηματίζει αυτό σε σχέση με το σημείο μηδέν, αντιπροσωπεύοντας το πόσο νωρίτερα ή αργότερα παρουσιάζετο το ρεύμα σε σχέση με την τάση. Επομένως, όταν το σημείο Α βρίσκεται "κάτω", πριν το σημείο μηδέν, το ρεύμα προηγείται, παρουσιάζοντας αρνητική γωνία σε σχέση με την τάση. Έτσι, το μπλε βέλος εκφράζει πάντοτε το μέτρο της πραγματικής, της ωφέλιμης ισχύος, το καφέ βέλος εκφράζει το μέτρο της αντιδραστικής ισχύος, ενώ η υποτείνουσα τη φαινομένη ισχύ. Έτσι, αν το καφέ βέλος εκτείνεται προς τα κάτω, αυτό σημαίνει πως το ρεύμα παρουσιάζεται νωρίτερα, οπότε αυτή η αντιδραστική ισχύς παρουσιάζεται σε χωρητικό φορτίο, ενώ αντίστοιχα, εάν παρουσιάζεται στο επάνω τεταρτημόριο, η αντιδραστική ισχύς προέρχεται από επαγωγικό φορτίο.

Εάν το σημείο Α ταυτισθεί στο σημείο 0, το μήκος του καφέ τόξου μηδενίζεται οπότε μηδενίζεται και η αντιδραστική ισχύς, το ρεύμα ταυτίζεται χρονικά με την τάση, οπότε η πραγματική ισχύς καθίσταται μέγιστη, ταυτιζόμενη με την φαινομένη ισχύ, η γωνία φ μηδενίζεται, οπότε το συνημίτονό της λαμβάνει τη μέγιστη τιμή του, ίση με 1.

Στην όλως αντίθετη περίπτωση, αν το φορτίο είναι πλήρως χωρητικό, το σημείο Α εντοπίζεται στη θέση 3π/2, ενώ αν είναι πλήρως επαγωγικό πηγαίνει στη θέση π/2. Σε αμφότερες τις περιπτώσεις, η αντιδραστική ισχύς μεγιστοποιείται, ταυτιζόμενη με την φαινομένη ισχύ, η πραγματική, η εκμεταλλεύσιμη ισχύς μηδενίζεται, ενώ και στις δύο περιπτώσεις η γωνία φ γίνεται 90 μοίρες, οπότε το συνημίτονό της ισούται με μηδέν.

Γιατί τόσος ντόρος και τόσο ενδιαφέρον για τη συμπεριφορά του ρεύματος σε σχέση με την τάση; Διότι από αυτό ακριβώς το φαινόμενο εξαρτάται πόση ισχύ θα καταναλώσει το φορτίο, εξαρτάται πόση από τη μέγιστη δυναμικότητά του είναι εκμεταλλεύσιμη. Εάν το συνφ ισούται με 1, τότε το φορτίο είναι πλήρως εκμεταλλεύσιμο, δηλαδή καταναλώνει τη μέγιστη ισχύ που μπορεί να καταναλώσει, καθώς οι καφέ επιφάνειες στα προηγούμενα διαγράμματα μηδενίζονται, και μεγιστοποιούνται οι μπλε επιφάνειες. Στην αντίθετη περίπτωση, όταν το συνφ ισούται με μηδέν, οι καφέ επιφάνειες εξισώνονται με τις μπλε, και το φορτίο δεν καταναλώνει καθόλου ισχύ, κάτι εξόχως απίθανο, καθώς στις περισσότερες περιπτώσεις η κατάσταση εντοπίζεται κάπου ανάμεσα στα δύο άκρα, με απώτερο σκοπό να την κάνουμε τέτοια, ώστε το συνφ να είναι όσο γίνεται κοντά στη μονάδα, καθώς μια τιμή 0,95 - 0,98 είναι ό,τι πρέπει. Η παρακάτω εικόνα λέει τα πράγματα με το όνομά τους.

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)

Το φαινόμενο της αντιδραστικής ισχύος δημιουργεί τεχνικά και οικονομικά προβλήματα. Η αντιδραστική ισχύς είναι ισχύς που το φορτίο ανακλά, επιστρέφει προς το μετασχηματιστή της ΔΕΗ, ο οποίος με τη σειρά του την επιστρέφει ακόμη πιο πολύ προς τα "πίσω", και τελικά, αν αυτή δεν συναντήσει κάποια μπάνκα με πυκνωτές, θα εφαρμοσθεί επάνω στη γεννήτρια, εμποδίζοντάς την να περιστραφεί. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα αυξημένη κατανάλωση καυσίμου, υδατόπτωσης ή ό,τι άλλο, ενώ το φαινόμενο, στην έκταση που εμφανίζεται, προκαλεί πρόσθετη θέρμανση στους αγωγούς μεταφοράς του ρεύματος. Γ' αυτούς τους λόγους, η αντιδραστική ισχύς μετράται από τη ΔΕΗ και χρεώνεται στους μεγάλης ισχύος καταναλωτές, αλλά όχι και στα νοικοκυριά, μιας και εκεί τα φορτία είναι μικρά και διεσπαρμένα, ενώ στις περισσότερες περιπτώσεις, ειδικά στις καταναλωτικές συσκευές που φέρουν διακοπτικό τροφοδοτικό, περιλαμβάνεται και κύκλωμα που ελαττώνει την αντιδραστική ισχύ, είτε με παθητικά εξαρτήματα είτε με ενεργό κύκλωμα, μια πρακτική γνωστή ως PFC (power factor correction).

Τελικά, ο συντελεστής ισχύος, Power Factor ορίζεται ως...

H φαινομένη ισχύς S (supplied power) είναι προφανώς...

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)

... η πραγματική ισχύς P ορίζεται ως...

...και η αντιδραστική ισχύς Q ορίζεται ως...

...υποθέτοντας πως το φορτίο είναι γραμμικό, ότι δεν προκαλεί παραμόρφωση. Αφού η ισχύς είναι μέγεθος δισδιάστατο (τάση x ρεύμα), και το ρεύμα ορίζεται ως η ποσότητα μετακίνησης (ροής) ηλεκτρικού φορτίου στη μονάδα του χρόνου, η ηλεκτρική ισχύς μπορεί τελικά να ορισθεί ως μέγεθος τρισδιάστατο, όπου ο άξονας x μετρά χρόνο, και οι άλλοι δύο άξονες μετρούν βολτ και κουλόμπ. Έτσι, αν f(V) η συνάρτηση της τάσης και f(i) η συνάρτηση του φορτίου, τότε η ισχύς μπορεί να εκφρασθεί ως διπλό ολοκλήρωμα...

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)

Επιστρέφοντας, λοιπόν στην εικόνα του μετασχηματιστή απομόνωσης με τα πρόσθετα διορθωτικά στοιχεία του, αυτός, όπως και κάθε άλλος μετασχηματιστής, είναι εκ φύσεως επαγωγικό φορτίο, μιας και στην ουσία δεν πρόκειται παρά για συζευγμένα πηνία. Μάλιστα, οι μετασχηματιστές μόνοι τους, χωρίς φορτίο στο δευτερεύον, είναι φορτία με πολύ φτωχό συντελεστή ισχύος, της τάξης του 10 - 20%, (0,1 - 0,2). Για να έλθει ένα επαγωγικό φορτίο προς την κατεύθυνση του αμιγώς ωμικού τοιούτου, δεν χρειάζεται παρά να τοποθετηθεί παράλληλα μ' αυτό ένα άλλο, χωρητικό φορτίο, ένας πυκνωτής δηλαδή, που να προκαλεί χωρητική αντιδραστική ισχύ τόση, ώστε να ισοφαρίζει την επαγωγική ισχύ του πρωτεύοντος του μετασχηματιστή. Αυτόν ακριβώς το ρόλο παίζει ο κόκκινος πυκνωτής που είναι συνδεδεμένος παράλληλα με το πρωτεύον του μετασχηματιστή απομόνωσης, ώστε αυτός ο μετασχηματιστής να είναι σε θέση να απορροφήσει τη μέγιστη δυνατή ισχύ από την πρίζα, εάν αυτή του ζητηθεί.

Από την άλλη μεριά, ο μπλε πυκνωτής που είναι στην έξοδο του μετασχηματιστή απομόνωσης καλείται να διορθώσει τον συντελεστή ισχύος της συσκευής που θα συνδεθεί επάνω του. Δηλαδή, ο κατασκευαστής του μετασχηματιστή απομόνωσης εκλαμβάνει ως δεδομένο, ότι η συσκευή που θα κληθεί να οδηγήσει ο μετασχηματιστής του δεν έχει πυκνωτή στην είσοδο, προφανώς διότι δεν μερίμνησε ο κατασκευαστής της. (Σημειώστε πως όλες οι συσκευές hi-fi, είτε έχουν γραμμικό, είτε διακοπτικό τροφοδοτικό, είναι φορτία επαγωγικά).

Και καλά, θα μου πείτε, δηλαδή, όλα αυτά τα εξαρτήματα δεν μπορούν να τοποθετηθούν κατ' ευθείαν στην είσοδο του ρεύματος της συσκευής; Είναι ανάγκη, ο κάθε καθωσπρέπει χαϊφιντελίστας να έχει στο σαλόνι του κι αυτή τη γκουμούτσα. Φυσικά και μπορούν. Νά τα...

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)

Απομένει τώρα το ερώτημα, αν αυτά τα εξαρτήματα κατοικοεδρεύουν μέσα στο σασί μιας συσκευής hi-fi, ή όχι. Αν πρόκειται για συσκευή που διαχειρίζεται σήμα επιπέδου line (προενισχυτές, DAC, ξεχωριστά phono κλπ.), το πιθανότερο είναι πως το φίλτρο εμπεριέχεται ή είναι κολλημένο επάνω στο βύσμα τροφοδοσίας. Όσον αφορά τον πυκνωτή που διορθώνει παθητικά τον συντελεστή ισχύος, αυτός δεν χρειάζεται σε τέτοιου είδους συσκευές, μιας και ο μετασχηματιστής τους πιθανότατα θα είναι ισχύος πολλαπλάσιας από τις ενεργειακές ανάγκες μιας τέτοιας συσκευής, οπότε, η αντιδραστική ισχύς που θα επιστρέφεται στην πρίζα θα είναι αμελητέα, ενώ η πραγματική ισχύς που θα είναι σε θέση να παράσχει ο μετασχηματιστής, θα είναι σαφώς μεγαλύτερη από τα κάποια 5, 10, 15W που χρειάζεται η συσκευή για να δουλέψει, είτε λειτουργεί με λάμπες, είτε με διακριτά εξαρτήματα, πόσο μάλλον με τελεστικούς ενισχυτές. Όσον αφορά τους τελικούς ενισχυτές με γραμμικό τροφοδοτικό, συνήθως αυτοί είναι εξοπλισμένοι επίσης με μετασχηματιστή ισχύος μεγαλύτερης από την ενεργειακή τους δυναμικότητα (ωφέλιμη ισχύς + θερμότητα), αφήστε που οι ογκώδεις ματασχηματιστές χορταίνουν το μάτι.

Έτσι, εάν ένας τέτοιος ενισχυτής συνδεθεί στο δίκτυο ηλεκτροδότησης μέσω ενός τέτοιου μετασχηματιστή απομόνωσης, όπως ο παραπάνω, θα λειτουργεί πολύ πιο άνετα, οφελώντας και το δίκτυο, αφού ο πυκνωτής στην έξοδο του ΜΤΣ απομόνωσης θα του διορθώνει και τον συντελεστή ισχύος. Έτσι, θα μπορούσαμε να πούμε πως ο ΜΤΣ απομόνωσης ματσάρει με αυτόν τον ενισχυτή. Σε άλλες περιπτώσεις, όμως, το πράγμα μπορεί να στραβώσει.

Αν ο κατασκευαστής του ενισχυτή είναι σωστός, θα εξοπλίσει ανάλογα τον ενισχυτή του, ώστε και φίλτρο να έχει στην είσοδο, και προστασία από υπέρταση, και διόρθωση του συντελεστή ισχύος. Έτσι, αν ένας τέτοιος ενισχυτής τροφοδοτηθεί με ρεύμα μέσω του παραπάνω ΜΤΣ απομόνωσης, τότε υπάρχει πρόβλημα, καθώς θα έχει πάει στην άλλη κατάσταση, θα μεταβληθεί σε χωρητικό φορτίο, κάπως έτσι...

Άρα, ο μεν ενισχυτής θα έχει μεγιστοποιημένο το συνφ με τον δικό του (κίτρινο) πυκνωτή, ενώ με η έξοδος του ΜΤΣ απομόνωσης θα τον βλέπει να έχει δύο πυκνωτές, τον κίτρινο αθροισμένο με τον μπλε, κάτι που θαχαλάσει τον συνετελεστή ισχύος του ενισχυτή, αφού αυτός πλέον θα οδηγείται ως χωρητικό φορτίο, έχοντας στην είσοδό του χωρητικότητα περισσότερη από αυτή που χρειάζεται για να ισοφαρίσει το επαγωγικό μέρος της αντίστασης του δικού του μετασχηματιστή. Έτσι, αν αγνοούμε αυτά τα πράγματα που περιέχονται σ' αυτές τις συσκευές, θα μπορούσαμε να πούμε ότι αυτός ο ενισχυτής δεν ματσάρει με τον ΜΤΣ απομόνωσης, ανεξαρτήτως του γεγονότος, ότι ο κατασκευαστής αυτού του ενισχυτή είναι ο σωστός και ευσυνείδητος, εξοπλίζοντας το προϊόν του όπως πρέπει.

 

[Costas Coyias]

Απάντηση: Για το ηλεκτρικό ρεύμα (AC Power)

Και κάτι πρακτικό. Ας πούμε πως έχουμε έναν ενισχυτή που στερείται οποιασδήποτε διόρθωσης του συντελεστή ισχύος του, και θέλουμε να τον βελτιώσουμε, ώστε να πλησιάσει τη μονάδα, ακολουθώντας τον απλούστερο τρόπο, με παθητική διόρθωση, δηλαδή προσθέτοντας έναν πυκνωτή παράλληλα με πρωτεύον του μετασχηματιστή του, ή παράλληλα με αμφότερα τα πρωτεύοντα των δύο μετασχηματιστών του, αν είναι τοπολογίας dual mono.

Το πρώτο πράγμα που πρέπει να κάνουμε, είναι να μετρήσουμε το τρέχον συνφ του ενισχυτή, ώστε να γνωρίζουμε πόσο επαγωγικό φορτίο είναι. Ας πούμε πως τον συνδέουμε στο ρεύμα και τον καλούμε να οδηγήσει φορτία, παρέχοντας αρκετά μεγάλη ισχύ, αποδίδοντας τουλάχιστον το 50% της ονομαστικής ισχύος του ανά κανάλι. Επιπροσθέτως, πρέπει να γνωρίζουμε την ισχύ που θα καταναλώνει σ' αυτήν την κατάσταση, συμπεριλαμβανομένης και της θερμότητας που εκλύει, αλλά και όποιας άλλης σημαντικής βοηθητικής ισχύος, (όπως η θέρμανση των σημάτων, αν είναι λαμπάτος, και ειδικά αν χρησιμοποιεί πολύ μεγάλες λάμπες - σκεφθείτε πως μια 813 καταναλώνει ισχύ 50W μόνο για το νήμα της). Τέλος πάντων, μαζεύοντας όλες αυτές τις ενεργειακές ανάγκες, διαπιστώνουμε πως η πραγματική μέση συνεχής ισχύς που χρειάζεται να καταναλώσει ο ενισχυτής είναι 200W, ενώ μετρώντας τον συντελεστή ισχύος με ένα συνημιτόμετρο, διαπιστώνουμε πως αυτό είναι 0,65 επαγωγικό. Έτσι, η φαινομένη ισχύς που αντιστοιχεί στην πραγματική ισχύ του ενισχυτή είναι...

Η γωνία φ στην οποίαν αντιστοιχεί αυτός ο συντελεστής ισχύος είναι...

...οπότε η αντιδραστική ισχύς που προκαλεί ο ενισχυτής είναι...