ΣΤΟΧΟΣ : Ο μαθητής να μπορεί να, Η ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΩΝ ΣΤΟΧΟΣ : Ο μαθητής να μπορεί να, (α) εξηγεί την αρχή λειτουργίας του μονοφασικού μετασχηματιστή χωρίς φορτίο. (β) γράφει τις σχέσεις με τις οποίες υπολογίζεται η ΗΕΔ στο πρωτεύων και η ΗΕΔ στο δευτερεύον τύλιγμα του μονοφασικού μετασχηματιστή χωρίς φορτίο.

Αρχή λειτουργίας Μονοφασικών μετασχηματιστών Το σχήμα παριστάνει ένα μονοφασικό μετασχηματιστή, στον οποίο χάρη απλότητας δεχόμαστε ότι υπάρχουν τυλίγματα μόνο στον ένα κορμό του πυρήνα. Το πρωτεύον τύλιγμα (Χ.Τ. στο σχήμα ) τροφοδοτείται από το δίκτυο με εναλλασσόμενη τάση που έχει ενδεικνυόμενη τιμή U1 . Το δευτερεύον τύλιγμα (Υ.Τ. στο σχήμα ) είναι ανοικτό, δηλαδή δεν έχει συνδεθεί κατανάλωση σε αυτό.

Η εναλλασσόμενη τάση U1 δημιουργεί στο πρωτεύον τύλιγμα μία εναλλασσόμενη ένταση Ιο. Αποτέλεσμα της εντάσεως αυτής είναι, να αναπτυχθεί μέσα στον πυρήνα του μετασχηματιστή μαγνητική ροή Φμ , που κλείνει κύκλωμα όπως φαίνεται στο σχήμα. Μπορούμε να δεχτούμε ότι η μαγνητική αντίσταση του κυκλώματος αυτού είναι σταθερή. Αυτό πλησιάζει πολύ στην πραγματικότητα, όταν η μαγνητική επαγωγή στον πυρήνα δεν είναι μεγάλη. Τότε η μαγνητική ροή που δημιουργείται από την εναλλασσόμενη ένταση Ιο θα είναι και αυτή εναλλασσόμενη, δηλαδή η μεταβολή της με το χρόνο θα παριστάνεται από μία ημιτονοειδή καμπύλη. Η συχνότητα f της εναλλασσόμενης αυτής μαγνητικής ροής θα είναι η ίδια με τη συχνότητα της έντασης Ιο , δηλαδή με τη συχνότητα του δικτύου τροφοδοτήσεως.

Μέσα από το δευτερεύον τύλιγμα περνά συνεπώς μία εναλλασσόμενη, δηλαδή μεταβαλλόμενη με το χρόνο, μαγνητική ροή (Φ). Μέσα στο δευτερεύον τύλιγμα θα αναπτυχθεί ηλεκτρεγερτική δύναμη από επαγωγή, που είναι και αυτή εναλλασσόμενη της ίδιας συχνότητας f. Η ενδεικνυόμενη τιμή της δίνεται από τη σχέση : σε V όπου : f = η συχνότητα σε Hz W2 = ο αριθμός των σπειρών του δευτερεύοντος τυλίγματος και Φμ = η μέγιστη τιμή σε Wb της (ημιτονοειδούς) μαγνητικής ροής Μπορούμε να πούμε ότι το δευτερεύον τύλιγμα λειτουργεί σαν μια μονοφασική γεννήτρια με ηλεκτρεγερτική δύναμη Ε2 , από την οποία μπορούμε να τροφοδοτήσομε μονοφασικό καταναλωτή, συνδέοντας τα άκρα του στους ακροδέκτες U και V.

Όπως παρατηρούμε, η ηλεκτρεγερτική δύναμη Ε2 είναι ανάλογη του αριθμού των σπειρών W2 του δευτερεύοντος. Άρα είναι δυνατό να γίνει όσο θέλουμε μεγάλη, αρκεί να τοποθετήσουμε τον κατάλληλο αριθμό σπειρών (και οι μονώσεις να αντέχουν στην τάση που θα δημιουργηθεί). Η μαγνητική ροή (Φμ) υπολογίζεται από τη μέγιστη τιμή της μαγνητικής επαγωγής (Βμ), την οποία θέλουμε να έχομε στον κορμό του πυρήνα και από την πραγματική διατομή S (διατομή σιδήρου) του κορμού που είναι το 90% της διατομής S’ του κορμού : σε Wb όπου : S = η πραγματική διατομή του πυρήνα σε m2 και Βμ = η μέγιστη τιμή της μαγνητικής επαγωγής σε Wb/m2

Στους μετασχηματιστές μεγάλης ισχύος η διατομή του κορμού του πυρήνα είναι μεγάλη. Συνεπώς και η μαγνητική ροή είναι μεγάλη, δεδομένου ότι το Βμ εκλέγεται συνήθως μέσα σε ορισμένα όρια. Άρα για ορισμένη τάση δευτερεύοντος Ε2 , ο μεγάλος μετασχηματιστής θα έχει μικρότερο αριθμό σπειρών W2 από το μικρό μετασχηματιστή. Με όμοιο τρόπο, όπως εξηγήθηκε για το δευτερεύον τύλιγμα, δημιουργείται και στο πρωτεύον ηλεκτρεγερτική δύναμη από επαγωγή Ε1 η οποία όμως δρα εδώ σαν αντιηλεκτρεγερτική δύναμη προς την τάση U1 . Η ενδεικνυόμενη τιμή της δίνεται από τη σχέση : σε V όπου : f = η συχνότητα σε Hz W1 = ο αριθμός των σπειρών του πρωτεύοντος τυλίγματος και Φμ = η μέγιστη τιμή σε Wb της (ημιτονοειδούς) μαγνητικής ροής

Η μαγνητική ροή Φμ είναι η χρήσιμη μαγνητική ροή του μετασχηματιστή, γιατί συντελεί στη δημιουργία των ηλεκτρεγερτικών δυνάμεων. Η ένταση Ιο όμως διερχόμενη από το πρωτεύον τύλιγμα δημιουργεί και μία πρωτεύουσα ροή σκεδάσεως Φ1σ η οποία κλείνει κύκλωμα με τον αέρα, όπως φαίνεται στο σχήμα. Αν και η ροή αυτή είναι μικρό ποσοστό της χρήσιμης μαγνητικής ροής (κάτω από 5%), έχει ιδιαίτερη σημασία στη λειτουργία του μετασχηματιστή, γιατί δημιουργεί αυτεπαγωγική πτώση τάσεως.

Αξιολόγηση 1. Να εξηγήσετε την αρχή λειτουργίας του μετασχηματιστή. 2. Μετασχηματιστής έχει διατομή κορμού 10cm x 10cm. Αν η μέγιστη τιμή της μαγνητικής επαγωγής είναι Βμ=1Wb/m2 και η συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος που τροφοδοτεί το πρωτεύον είναι f=50Hz να βρεθεί : α) Ποια ηλεκτρεγερτική δύναμη δημιουργείται στο δευτερεύον, όταν αυτό έχει W2 =200 σπείρες και β) ποιος πρέπει να είναι ο αριθμός των σπειρών W2 του δευτερεύοντος για να δίνει την ίδια ηλεκτρεγερτική δύναμη, όταν η διατομή του κορμού έχει διαστάσεις 15cm x 15cm. 3. Ένας μονοφασικός μετασχηματιστής τάσεως 6600/230V έχει στο πρωτεύον W1 =1650 σπείρες. Να υπολογισθεί η μέγιστη τιμή της μαγνητικής ροής στον πυρήνα, όταν ο μετασχηματιστής συνδεθεί σε δίκτυο τάσεως 6600V και συχνότητας 50Hz 4. Ο αριθμός σπειρών του πρωτεύοντος ενός μονοφασικού μετασχηματιστή είναι W1=1200 και του δευτερεύοντος W2=350. Η μέγιστη τιμή της ημιτονοειδώς μεταβαλλόμενης μαγνητικής ροής στον πυρήνα είναι Φμ=0.005Vs όταν ο μετασχηματιστής τροφοδοτείται από δίκτυο με συχνότητα 50Hz. Να υπολογιστούν οι ηλεκτρεγερτικές δυνάμεις που δημιουργούνται από επαγωγή στα δύο τυλίγματα.

5. Ο αριθμός σπειρών του πρωτεύοντος ενός μονοφασικού μετασχηματιστή είναι W1=1200 και του δευτερεύοντος W2=350. Η μέγιστη τιμή της ημιτονοειδώς μεταβαλλόμενης μαγνητικής ροής στον πυρήνα είναι Φμ=0.005Vs όταν ο μετασχηματιστής τροφοδοτείται από δίκτυο με συχνότητα 50Hz. Να υπολογιστούν οι ηλεκτρεγερτικές δυνάμεις που δημιουργούνται από επαγωγή στα δύο τυλίγματα.