נושא : שנאי עצמי (Autotransformer)

בס"ד , ‏יום שני 27 מרץ 2023

הקדמה

לאחרונה יצא לי לשרוף כתוצאה מניסוי 2 שנאי מתח משתנים ואז תהיתי לעצמי האם זהו נושא מוכר הרי כל החשמלאים התנסו פעם אחת לפחות בשנאי עצמי, לרוב במעבדות לחשמל זהו שנאי המתח משתנה או בשמו הנפוץ וריאק (variac) שנאי זה הינו שנאי מיוחד שלו אין 2 זוגות סלילים ראשוני ומשני כמו בשנאים אחרים אצלו הסלילים הראשוניים והמשניים של שנאי עצמי מקושרים זה לזה הן חשמלית ומגנטית , לשנאי עצמי יש רק סליל אחד המשותף לשני הצדדים. בליפוף יחיד זה ישנם חיבורים בנקודות שונות לאורכו כדי לספק אחוז מאספקת המתח הראשונית על פני העומס המשני שלו חיבור זה נקרא סנף .לשנאי האוטומטי יש את הליבה המגנטית הרגילה אך יש לו רק ליפוף אחד, המשותף למעגל הראשוני ולסנף כאחד.

אם נדרש ניתן להשתמש בשנאי העצמי גם בשביל להעלות את מתח האספקה ​​על ידי היפוך החיבורים.

תמונה מספר 1 : מבנה עקרוני של שנאי עצמי חד פאזי

עקרון העבודה של שנאי עצמי

השנאי העצמי מורכב מסליל יחיד שפועל בדומה לשנאי סטנדרטי המבוסס על החוק הראשון של פאראדיי של השראות אלקטרומגנטית, המתאר "בכל פעם שמוליך ממוקם בשדה מגנטי משתנה, כוח אלקטרו-מניע (EMF) מושרה, אם מעגל הסנף סגור מושרה זרם הנקרא "זרם מושרה". כעת כאשר זרם חילופין זורם על הסליל הראשוני של השנאי העצמי, אזי הוא גורם לכא"מ בחלק הראשוני בהתאם לחוק פאראדיי , ברגע שהשטף המגנטי קשור לליפוף המשני של השנאי העצמי, גורם לכא"מ בליפוף המשני באמצעות אינדוקציה הדדית. גודל הכא"מ המושרה מחושב על בסיס מספר הליפופים של נקודת הסנף ובאמצעות משוואה של יחס בין שני הסלילים.

E_P/E_S= N_P/N_S=k

במשוואה זו E_P ו-E_S מציינים את הכא"מ המושרה, N_P ו-N_S הם כמות הליפופים בהתאמה. ואילו "k" מייצג את יחס הליפופים של השנאי. משוואה זו מראה בבירור קשר פרופורציונלי בין גודל הכא"מ המושרה וכמות הליפופים.
נוכל לראות כי הליפוף של הסליל המרכזי מהתחלק ל2 סלילים נפרדים והם הליפוף הטורי שבו זורם הזרם של העומס ולליפוף המשותף שכן הוא משותף גם למקור וגם לנקודת סנף.

שנאי מתח משתנה וריאק (Variac)

אחד הרכיבים הידועים הינו שנאי מתח משתנה , הוא יישום שימושי מאוד של השנאי העצמי שניתן להשתמש בו כדי לייצר מתח חילופין משתנה מהזנת המתח הקבועה סוג זה של שנאי עצמי משתנה משמש בדרך כלל במעבדות וידוע בשם וריאק (Variac) .

הבנייה של שנאי אוטומטי משתנה זהה לסוג הקבוע , ליפוף אחד מלופף סביב ליבה מגנטית כמו בשנאי העצמי, אך במקום סנף במקום מוגדר הסנף מחובר באמצעות מברשת פחמן או גרפית.

את הסיבוב של מברשת זו מתכננים בהתאמה למתח אותו רוצים להשיג על גבי חלק מסליל החשוף של הסליל הראשוני, המברשת יוצרת איתה מגע תוך כדי תנועה ומספקת את רמת המתח הנדרשת.

לאחר מכן שנאי אוטומטי משתנה מכיל ברז משתנה בצורת מברשת פחמן המחליקה למעלה ולמטה בפיתול הראשוני השולט על אורך הפיתול המשני ומכאן שמתח המוצא המשני משתנה במלואו מערך מתח האספקה ​​הראשוני לאפס וולט.

תמונה מספר 2 : מבנה עקרוני של שנאי משנה מתח (וריאק)

שנאי עצמי תלת פאזי

התיאוריה שהוזכרה לעיל משקפת את הרעיון של שנאי עצמי חד פאזי הוא הבסיס גם לשנאי עצמי תלת פאזי. למטרה זו, ניתן להשתמש בשלושה שנאים עצמיים חד פאזיים לבניית שנאי אוטומטי תלת פאזי המורכב כיחידה אחת. תמונה מספר 3 מראה את החיבור הכוכב-כוכב של השנאי העצמי תלת פאזי.

תמונה מספר 3: מבנה Y:Y שנאי עצמי

יישומים של שנאים עצמיים תלת פאזי

1. בעבר היה שימוש בשנאי עצמי להתנעת מנועים ושינוי מהירות.
2. בישראל השימוש בעיקר רשת מתח עליון הורדת מתח מ 400Kv למתח של 161kV.
3. הפעלה של תנורי השראה.
4. מעבדות
5. פיתוח מערכות עם מתחים משתנים.

תמונה מספר 4 : שנאי עצמי בתחמש

דוגמה מספרית

נתון שנאי עצמי תלת פאזי המחובר בתצורת Y:Y מספק עומס תלת פאזי מאוזן של 145 קילוואט ב-300 וולט עם מקדם הספק של 0.82 , ומתח האספקה ​​הוא 400 וולט, חשב את זרמי בסלילים וכן את זרמי קו הכניסה והמוצא, לצורך פישוט נזניח את זרם המיגנוט ואת מפל המתח הפנימי בשנאי.

תמונה מספר 5 : שרטוט לדוגמה מספרית שנאי עצמיתמונה מספר 5 : שרטוט לדוגמה מספרית שנאי עצמי

פתרון :
נחשב את הזרם I_L

מפני שאנחנו מזניחים את זרם המיגנוט ומפל המתח אז

יתרונות וחסרונות של שנאי עצמי

לכל סוג של מרכיב חשמלי יש את היתרונות והחסרונות שלו , לכן כאשר בוחרים רכיב חשמלי יש לקחת גם את היתרונות וגם החסרונות בחשבון ולכן נציין מספר יתרונות וחסרונות של שנאי עצמי.

יתרונות

1. זול יחסי לשנאי סטנדרטי עם זוג ליפופים.
2. יעיל יותר בגלל הפסדי נחושת נמוכים.
3. זרם מיגנוט נמוך יותר.
4. ויסות מתח טוב בסטיות קטנות.

חסרונות

1. אין בידוד בין חלקו הראשוני למשני אז לא ניתן להשתמש בבטחה בשנאי עצמי להורדת מתחים גבוהים למתחים נמוכים באופן משמעותי מהראשי המתאימים לעומסים קטנים.
2. זרם קצר גדול מאוד .
3. אינו יעיל בפני הרמוניות.
4. אם הליפוף של הצד התנתק , זרם העומס מפסיק לזרום דרך הליפוף הראשי הראשי ומפסיק את פעולת השנאי וכתוצאה מכך מופעל המתח הראשוני המלא על דרגות הסנף המשניים.

מסקנות

שנאי עצמי הינו בחירה אידאלית עבור עומסים יחסית קבועים בשל העובדה שיש לו הפסדי נחושת נמוכים יכולת גבוה של דיוק בוויסות מתח. הוא זול יותר בשל העיצוב הקומפקטי והבנייה הפשוטה שלו, עם זאת, יש צורך לקבל ידע משמעותי על היישום והיתרונות והחסרונות של שנאי אוטומטי תלת פאזי כדי לקבל תוצאות משביעות רצון מקסימליות.

הערה לקוראים
אם במקרה ההסברים אינם ברורים מספיק ,הצעות לשיפור וביקורת בונה מוזמנים לשלוח הודעה בדרך כלל מענה הינו תוך מספר שעות אני קורא ומגיב לכל ההודעה (גם אם אני חולק עלייה לפחות יהיה דיון)

בהצלחה