Αρχή λειτουργίας μετασχηματιστή (βήμα-βήμα)

Μετασχηματιστές

•Οι μετασχηματιστές είναι ηλεκτρομαγνητικές συσκευές ( μηχανές ) που μπορούν όταν τροφοδοτηθούν με εναλλασσόμενη τάση, να δίνουν στην έξοδό τους , επίσης εναλλασσόμενη τάση ίδιας συχνότητας αλλά συνήθως διαφορετικού πλάτους.

•Χρησιμοποιούνται ευρέως στους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για ανύψωση της παραγόμενης τάσης, στους υποσταθμούς διανομής για υποβιβασμό της τάσης προς τους καταναλωτές, σαν όργανα μέτρησης, σαν προστατευτικές διατάξεις κ.ά.

•Ένας μετασχηματιστής (Μ/Σ) αποτελείται από 2 τυλίγματα ( πηνία ), ηλεκτρικά μονωμένα το ένα από το άλλο και τυλιγμένα σε ένα κοινό πυρήνα. Το πηνίο που παίρνει την τάση προς μετασχηματισμό ονομάζεται πρωτεύον τύλιγμα ενώ το τύλιγμα που δίνει την μετασχηματισμένη τάση ονομάζεται δευτερεύον τύλιγμα. 

Aς δούμε πρώτα κάποιες έννοιες

Για να κατανοήσουμε την αρχή λειτουργίας ενός μετασχηματιστή θα πρέπει να κατανοήσουμε κάποιες έννοιες από τον μαγνητισμό

1) Μαγνήτες

Ορισμένα ορυκτά οξειδίων του σιδήρου έχουν την ιδιότητα να έλκουν ρινίσματα σιδήρου.Τα υλικά αυτά αρχικά ανακαλύφθηκαν στη Μαγνησία της Μικράς Ασίας και γι’αυτό ονομάστηκαν μαγνήτες, οι δε ιδιότητές τους μαγνητικές ιδιότητες.

Μαγνητικές ιδιότητες παρουσιάζουν και οι ρευματοφόροι αγωγοί, οι οποίοι ασκούν δυνάμεις σε φυσικούς μαγνήτες.

Άρα οι μαγνήτες και οι ρευματοφόροι αγωγοί δημιουργούν γύρω τους μαγνητικά πεδία τα οποία ασκούν δυνάμεις σε φυσικούς μαγνήτες που θα βρεθούν μέσα σ’αυτά τα μαγνητικά πεδία

2) 'Οταν ένας αγωγός διαρρέεται από ρεύμα δημιουργεί γύρω του ένα μαγνητικό πεδίο. Μαγνητικό πεδίο ονομάζεται ο χώρος μέσα στον οποίο εμφανίζονται μαγνητικές δυνάμεις. Κάθε μαγνητικό πεδίο περιέχει μαγνητικές γραμμές που δείχνουν τη διεύθυνση των δυνάμεων που ασκεί το μαγνητικό πεδίο σε κάθε σημείο του χώρου 

3) Όπως η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος Ι μας δείχνει πόσο ισχυρό είναι το ρεύμα έτσι έχουμε και την ένταση του μαγνητικού πεδίου Β που μας δείχνει πόσο ισχυρό είναι το μαγνητικό πεδίο.

4) Ορίζεται ως μαγνητική ροή Φ, η οπoία διέρχεται από μια επιφάνεια S που βρίσκεται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, το γινόμενο της έντασης του μαγνητικού πεδίου Β επί το εμβαδόν S της επιφάνειας επί το συν της γωνίας φ που σχηματίζεται από την κάθετη στην επιφάνεια και την ένταση Β του μαγνητικού πεδίου.
Φ=Β*S*συνθ όπου
Β η ένταση μαγνητικού πεδίου
S το εμβαδόν της επιφάνειας
θ η γωνία μεταξύ της κάθετης στην επιφάνεια n και της έντασης μαγνητικού πεδίου B

Η ένταση Β και η μαγνητική ροή Φ ενός μαγνητικού πεδίου είναι στην ουσία ίδιο μέγεθος με τη διαφορά ότι:

H ένταση του μαγνητικού πεδίου Β εκφράζει τον αριθμό των δυναμικών γραμμών ενός μαγνητικού πεδίου που περνούν ανά μονάδα επιφάνειας

Η μαγνητική ροή Φ που είναι το γινόμενο Β*S εκφράζει τον αριθμό των δυναμικών γραμμών ενός μαγνητικού πεδίου που περνούν από μια συγκεκριμένη επιφάνεια S

5) Ηλεκτρεγερτική δύναμη Ε (ΗΕΔ) είναι η τάση που δημιουργείται σε ένα ανοικτό κύκλωμα (π.χ ενός τυλίγματος) εξαιτίας ενός μαγνητικού πεδίου και γίνεται με δύο τρόπους:

α) όταν ένα τύλιγμα βρίσκεται σε χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο (η ένταση Β δεν είναι ίδια αλλά μεταβάλλεται σε κάθε σημείο του μαγνητικού πεδίου).

Στο παρακάτω σχήμα έχουμε ένα πηνίο, το οποίο δεν τροφοδοτείται από καμιά ηλεκτρική πηγή και στο εσωτερικό του έχουμε τοποθετήσει ένα ραβδόμορφο μαγνήτη. Συνδέουμε τα άκρα του πηνίου με ένα γαλβανόμετρο (ευαίσθητο αμπερόμετρο).

Όταν ο μαγνήτης είναι ακίνητος μέσα στο πηνίο, η ένταση του μαγνητικού πεδίου Β στο πηνίο είναι σταθερή.

Κατά την διάρκεια εισόδου ή εξόδου του μαγνήτη μεταβάλλεται η ένταση του μαγνητικού πεδίου Β μέσα στο πηνίο (μεταβάλλεται το μαγνητικό πεδίο) μέχρι να μπει ή να βγει ολόκληρος ο μαγνήτης, άρα μεταβάλλεται η μαγνητική ροή Φ (Φ=Β*S*συνΘ) που περνάει μέσα από το πηνίο.

β) όταν ο αγωγός κινείται μέσα σε χρονικά σταθερό μαγνητικό πεδίο (η ένταση Β είναι ίδια σε κάθε σημείο του μαγνητικού πεδίου).

Στο παρακάτω σχήμα ένα συρμάτινο πλαίσιο στρέφεται μέσα σε ένα ομογενές (όχι μεταβαλλόμενο) μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από ένα μαγνήτη.

Όσο το πλαίσιο περιστρέφεται, η βελόνα του γαλβανομέτρου αποκλίνει, άρα το πλαίσιο διαρρέεται από ρεύμα .

Με την κίνηση του πλαισίου μεταβάλλεται η γωνία Θ μεταξύ της κάθετης στην επιφάνεια και έντασης μαγνητικού πεδίου, άρα μεταβάλλεται η μαγνητική ροή του μαγνητικού πεδίου που περνάει από το πλαίσιο (Φ=Β*S*συνΘ).

Αρχή λειτουργίας του μετασχηματιστή

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ένας απλός μονοφασικός μετασχηματιστής.
Στον μετασχημαστιστή αυτόν πρωτεύον είναι το τύλιγμα U-V, γιατί αυτό τροφοδετείται από το δίκτυο με εναλλασσόμενη τάση U1 και δευτερεύον το τύλιγμα u-v, στο οποίο δεν έχει συνδεθεί κανένα φορτίο παρά μόνο ένα βολτόμετρο.

Η εναλλασσόμενη τάση τροφοδοσίας U1 στο πρωτεύον προκαλεί μια εναλλασσόμενη ένταση  ρεύματος Ιο (για λειτουργία χωρίς φορτίο).
Άρα αφού είπαμε πως ένας αγωγός που διαρρέεται από ρεύμα δημιουργεί γύρω του μαγνητικό πεδίο, έτσι η εναλλασσόμενη ένταση  ρεύματος Ιο δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο με εναλλασσόμενη μαγνητική ροή Φ.

Η μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή Φ κλείνει κύκλωμα μέσα από τον πυρήνα και διαπερνά (τέμνει) τις σπείρες του δευτερεύοντος.

Είπαμε όμως ότι αν ένας αγωγός βρεθεί μέσα σε μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο τότε διαρρέεται από ρεύμα και αναπτύσσει στα άκρα του μια τάση ΗΕΔ από επαγωγή.
Έτσι σε κάθε σπείρα του δευτερεύοντος αναπτύσσεται μια ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) από επαγωγή που είναι και αυτή εναλλασσόμενη και μάλιστα της ίδιας συχνότητας με την τάση του πρωτεύοντος U1 .
Eπειδή οι σπείρες του δευτερεύοντος είναι συνδεδεμένες σε σειρά, οι ΗΕΔ που αναπτύσσονται σε αυτές αθροίζονται. Άρα από το δευτερεύον τύλιγμα παίρνουμε τελικά μια συνολική ΗΕΔ Ε2 την οποία μπορούμε να μετρήσουμε με ένα βολτόμετρο.

Aν δεν καταλάβατε την παραπάνω ανάλυση υπάρχει και το παρακάτω video