ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ Οι μετασχηματιστές είναι ηλεκτρικές διατάξεις που μετατρέπουν (μετασχηματίζουν) την εναλλασσόμενη ηλεκτρική ενέργεια ενός επιπέδου τάσης σε επίσης εναλλασσόμενη ηλεκτρική ενέργεια διαφορετικού όμως επιπέδου τάσης, ανάλογα με το λόγο μετασχηματισμού α. Ο λόγος μετασχηματισμού α δίνεται από τον παρακάτω τύπο: Δηλαδή η τάση του πρωτεύοντος πηνίου (V1) μετασχηματίζεται στην τάση του δευτερεύοντος (V2) όσες φορές «υπαγορεύει» ο αριθμός α και ο οποίος βρίσκεται από το πηλίκο του αριθμού των σπειρών (Ν1) του πρωτεύοντος προς τις σπείρες του πηνίου του δευτερεύοντος (Ν2). Το αντίθετο ακριβώς συμβαίνει με τα ρεύματα στο πρωτεύον και το δευτερεύον πηνίο του μετασχηματιστή. Πρέπει να σημειώσουμε ότι τα παραπάνω ισχύουν για ιδανικό μετασχηματιστή για τον οποίο θεωρούνται οι απώλειες μηδενικές.

Οι μετασχηματιστές δεν έχουν κινούμενα μέρη για την ανύψωση ή τον υποβιβασμό της τάσης γι’ αυτό και συχνά αντιμετωπίζονται ως στατές μηχανές. Αποτελούνται λοιπόν από δύο τυλίγματα - το πρωτεύον που συνηθέστερα συνδέεται με την υψηλότερη τάση και αποτελείται από πολλές και ψιλές σπείρες και το δευτερεύον, που αντίστοιχα συνδέεται με τη χαμηλότερη τάση και αποτελείται από λιγότερες χοντρές σπείρες - τα οποία είναι περιελιγμένα γύρω από τον λεγόμενο πυρήνα του μετασχηματιστή. Ο πυρήνας του μετασχηματιστή κατασκευάζεται από πολλά ελάσματα σιδηρομαγνητικού υλικού για τον περιορισμό των απωλειών. Ανάλογα με το είδος της τροφοδοσίας που χρησιμοποιείται, οι μετασχηματιστές διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, τους μονοφασικούς και τους τριφασικούς μετασχηματιστές.

Σύμφωνα με το προηγούμενο σχήμα, που αφορά μονοφασικό μετασχηματιστή, το πρωτεύον τύλιγμα τροφοδοτείται με ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό έχει ως συνέπεια τη δημιουργία μαγνητικού πεδίου, οι δυναμικές γραμμές του οποίου διέρχονται μέσα από τον πυρήνα του μετασχηματιστή και οδηγούνται στο δευτερεύον τύλιγμα. Διερχόμενες μέσα από τις σπείρες του δευτερεύοντος πηνίου, δημιουργείται τάση από επαγωγή στα άκρα του, η τιμή της οποίας, όπως είδαμε, εξαρτάται από το λόγο των σπειρών των δύο πηνίων (από όπου προέρχεται και ο λόγος μετασχηματισμού α ή σχέση μεταφοράς κ). Ειδικότερα η Η.Ε.Δ. που εμφανίζεται στα άκρα του δευτερεύοντος πηνίου Ε2 βρίσκεται από τον παρακάτω τύπο: Ομοίως το δευτερεύων του μετασχηματιστή θα λειτουργήσει ως πηγή και θα προκαλέσει το ίδιο φαινόμενο στο πρωτεύων. Η Α.Η.Ε.Δ. που θα αναπτυχθεί θα έχει την παρακάτω τιμή:

Όπου f η συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος παραμένει η ίδια και στα δύο πηνία κατά τη λειτουργία του μετασχηματιστή. Φμ είναι το πλάτος της ημιτονοειδούς μεταβαλλόμενης Ροής και είναι η λεγόμενη χρήσιμη Μαγνητική Ροή καθώς είναι υπεύθυνη για τη δημιουργία των ηλεκτρεγερτικών δυνάμεων. Στην περίπτωση του ιδανικού μετασχηματιστή η ενεργός, άεργος και φαινόμενη ισχύς είναι η ίδια και στα δύο πηνία. Με απλά λόγια η ισχύς που απορροφά το πρωτεύον με την ισχύ που αποδίδει το δευτερεύον είναι ίσες:

Καθώς τα γινόμενα τάσεων και εντάσεων στα δύο μέρη του μετασχηματιστή είναι ίσα συνεπάγεται ότι και τα συνημίτονα είναι ίσα. Άρα η φασική απόκλιση τάσης και έντασης στο πρωτεύον είναι ίση με το συντελεστή ισχύος του καταναλωτή που συνδέεται στο δευτερεύον πηνίο. Στην περίπτωση πραγματικού μετασχηματιστή με φορτίο, σε κάθε τύλιγμα εμφανίζεται πτώση τάσης εξαιτίας της ωμικής αντίστασης που παρουσιάζουν οι αγωγοί των πηνίων και λόγω της αυτεπαγωγής τους. Συνεπώς, η τάση στο δευτερεύον πηνίο με φορτίο δεν είναι ποτέ ίση με την τάση στο δευτερεύον χωρίς φορτίο. Ενδιαφέρον παρουσιάζουν η περίπτωση βραχυκυκλώματος στα άκρα του δευτερεύοντος πηνίου και γενικά η λειτουργία του μετασχηματιστή με φορτίο.

Πειραματικά βρίσκεται ότι όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα που διαρρέει το δευτερεύον τύλιγμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η διαφοροποίηση από την τάση εν κενώ. Μπορούμε έτσι να ορίσουμε τη διακύμανση τάσης για έναν μετασχηματιστή σύμφωνα με τη σχέση:

Όπου V20, V2N είναι η τάση στα άκρα του δευτερεύοντος κατά την εν κενώ και την ονομαστική λειτουργία αντίστοιχα. Αντιλαμβανόμαστε ότι όσο μικρότερη είναι η διακύμανση τάσης τόσο ποιοτικά καλύτερος είναι ένας μετασχηματιστής. Χαρακτηριστική φορτίου τέλος ενός μετασχηματιστή ονομάζεται η γραφική παράσταση της τάσης του δευτερεύοντος ως προς την έντασή του, όταν η τάση του πρωτεύοντος και ο συντελεστής ισχύος του φορτίου παραμένουν σταθερά.

Β) Πόση είναι η τάση τροφοδοσίας στο πρωτεύον; Σε δοκιμή με φορτίο (κατά περίπτωση χωρητικό, ωμικό, επαγωγικό) σε μετασχηματιστή που ανυψώνει την τάση με λόγο μετασχηματισμού 2, παίρνουμε τις εξής μετρήσεις: Α) Να γίνουν οι χαρακτηριστικές και για τα τρία φορτία στους ίδιους άξονες και να σχολιαστούν τα αποτελέσματα. Β) Πόση είναι η τάση τροφοδοσίας στο πρωτεύον; Γ) Αν η τάση που εφαρμόζουμε στο πρωτεύον είναι 220 V πόση είναι η τάση διακύμανσης αν στη λειτουργία σε κενό η διαφορά δυναμικού στο δευτερεύον ήταν 222 V; I2(Α) V2C(V) V2R(V) V2L(V) 0,1  228  227 227  1 229 228 226 2 230 225 3  232  225  222 4  233  224  219 5  234  215 6 220   210