Πώς   ένας   μετασχηματιστής   αλλάζει   την   τάση   χωρίς   κινούμενα   μέρη   (μέρος Α); Κεντρικό διερευνητικό ερώτημα Πώς μπορεί μια ακίνητη ηλεκτρική μηχανή να αυξάνει ή να μειώνει την τάση, να μεταφέρει ισχύ και ταυτόχρονα να απομονώνει δύο ηλεκτρικά κυκλώματα; Η διερεύνηση θα γίνεται με: • εικόνες και τεχνικά διαγράμματα, • προβλέψεις, • θεωρητικά σενάρια, • υπολογισμούς, • σύγκριση εναλλακτικών λύσεων, • ανάλυση πινακίδων, • εντοπισμό λανθασμένων ισχυρισμών, • λήψη τεχνικών αποφάσεων. Δεν θα πραγματοποιούνται συνδεσμολογίες, ηλεκτροδοτήσεις ή εργαστηριακές μετρήσεις. Αφόρμηση – Το μυστήριο της μεταφοράς ενέργειας Παρουσιάζεται στους μαθητές η ακόλουθη κατάσταση: Ένα εργοστάσιο απέχει 100 km από τον σταθμό παραγωγής. Χρειάζεται να μεταφερθεί σε αυτό μεγάλη ηλεκτρική ισχύς. Οι μηχανικοί μπορούν να επιλέξουν μεταφορά με χαμηλή τάση και μεγάλη ένταση ή με υψηλή τάση και μικρή ένταση. Οι ομάδες απαντούν αρχικά, χωρίς υπολογισμούς: • Ποια επιλογή θεωρούν καλύτερη; • Σε ποια περίπτωση θα είναι μεγαλύτερες οι απώλειες στους αγωγούς; • Γιατί δεν μεταφέρεται η ηλεκτρική ενέργεια απευθείας στα 230/400 V; • Ποια συσκευή επιτρέπει την αλλαγή της τάσης; • Γιατί η ίδια συσκευή απαιτείται ξανά κοντά στον καταναλωτή; Θεωρητικό στοιχείο προς ανακάλυψη Οι απώλειες στους αγωγούς είναι: Pαπωλειών​=I 2 R Για περίπου σταθερή μεταφερόμενη ισχύ: P=UI Άρα, όταν αυξάνεται η τάση, μειώνεται το ρεύμα και περιορίζονται σημαντικά οι απώλειες. Πρώτο συμπέρασμα: Ο μετασχηματιστής δεν χρησιμοποιείται μόνο για να «αλλάζει τάσεις». Αποτελεί βασικό στοιχείο ολόκληρου του συστήματος παραγωγής, μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Αναγνώριση της δομής από ενδείξεις Παρουσιάζεται ένα διάγραμμα με: σιδηρομαγνητικό πυρήνα, πρωτεύον τύλιγμα W 1 , δευτερεύον τύλιγμα W 2 , τάση εισόδου U 1 , τάση εξόδου U 2 , μαγνητική ροή Φ. Οι μαθητές δεν παίρνουν αμέσως τις ονομασίες. Καλούνται να αντιστοιχίσουν κάθε μέρος με μία λειτουργία: Διερευνητική ερώτηση 1: Αφού τα δύο τυλίγματα δεν συνδέονται ηλεκτρικά, με ποιον τρόπο μεταφέρεται ενέργεια από το πρωτεύον στο δευτερεύον; Αναμενόμενο συμπέρασμα: Η ενέργεια μεταφέρεται μέσω του μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου και όχι με άμεση ηλεκτρική σύνδεση των δύο τυλιγμάτων. Διερευνητική ταξινόμηση μετασχηματιστών Παρουσιάζονται στους μαθητές διαφορετικές εικόνες ή πινακίδες μετασχηματιστών. Οι μαθητές δεν γνωρίζουν αρχικά την κατηγορία κάθε μετασχηματιστή και καλούνται να ανακαλύψουν με ποια κριτήρια μπορούν να τους ταξινομήσουν. Πόσες φάσεις εξυπηρετεί ο μετασχηματιστής; Οι μαθητές παρατηρούν τον αριθμό των ακροδεκτών, τα σύμβολα και το ηλεκτρικό δίκτυο στο οποίο συνδέεται κάθε μετασχηματιστής. Διερευνητική ερώτηση 2: Πόσους αγωγούς ή τυλίγματα διακρίνετε; Διερευνητική ερώτηση 3: Ο μετασχηματιστής συνδέεται σε μονοφασικό ή τριφασικό δίκτυο; Διερευνητική ερώτηση 4: Πού θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί κάθε τύπος; Συμπέρασμα: Ανάλογα με το είδος του δικτύου, οι μετασχηματιστές διακρίνονται σε: • μονοφασικούς μετασχηματιστές, για μονοφασικά συστήματα, • τριφασικούς μετασχηματιστές, για τριφασικά συστήματα. Όλοι οι μετασχηματιστές μεταφέρουν την ίδια ισχύ; Παρουσιάζονται ένας μικρός μετασχηματιστής μέτρησης και ένας μεγάλος μετασχηματιστής υποσταθμού. Διερευνητική ερώτηση 5: Γιατί οι δύο μετασχηματιστές έχουν τόσο διαφορετικές διαστάσεις; Διερευνητική ερώτηση 6: Ποιος προορίζεται να τροφοδοτήσει ηλεκτρικά φορτία; Διερευνητική ερώτηση 7: Ποιος χρησιμοποιείται για να μεταφέρει πληροφορίες σε ένα όργανο μέτρησης; Διερευνητική ερώτηση 8: Θα μπορούσε ένας μετασχηματιστής έντασης να τροφοδοτήσει ένα εργοστάσιο; Συμπέρασμα: Ανάλογα με το μέγεθος της ισχύος που μεταβιβάζουν, διακρίνονται σε: • μετασχηματιστές οργάνων μέτρησης, οι οποίοι μεταβιβάζουν πολύ μικρή ισχύ προς όργανα μέτρησης και προστασίας, • μετασχηματιστές ισχύος, οι οποίοι μεταβιβάζουν σημαντική ηλεκτρική ισχύ. Γιατί υπάρχουν μετασχηματιστές με ιδιαίτερη κατασκευή; Οι μαθητές εξετάζουν τέσσερα διαφορετικά σενάρια: • δύο κυκλώματα πρέπει να απομονωθούν χωρίς να αλλάξει η τάση, • ένα ηλεκτρικό όχημα ή τρένο χρειάζεται κατάλληλη τάση τροφοδότησης, • απαιτείται μεταβολή της τάσης με μικρότερη και οικονομικότερη κατασκευή, • μια ηλεκτροσυγκόλληση χρειάζεται χαμηλή τάση και πολύ μεγάλο ρεύμα. Διερευνητική ερώτηση 9: Ποιος μετασχηματιστής έχει ίση τάση εισόδου και εξόδου; Διερευνητική ερώτηση 10: Σε ποια περίπτωση απαιτείται ηλεκτρική απομόνωση; Διερευνητική ερώτηση 11: Ποια κατασκευή χρησιμοποιεί κοινό τμήμα τυλίγματος; Διερευνητική ερώτηση 12: Γιατί η ηλεκτροσυγκόλληση χρειάζεται λίγες και πολύ χοντρές σπείρες στο δευτερεύον; Διερευνητική ερώτηση 13: Μπορεί ένας κοινός μετασχηματιστής να είναι κατάλληλος για όλες αυτές τις εφαρμογές; Συμπέρασμα: Ανάλογα με την ειδική κατασκευή και τη χρήση τους, συναντάμε: • μετασχηματιστές 1:1, για ηλεκτρική απομόνωση χωρίς ουσιαστική μεταβολή της τάσης, • μετασχηματιστές ηλεκτρικής έλξης, για την τροφοδότηση ηλεκτρικών συστημάτων μεταφοράς, • αυτομετασχηματιστές, στους οποίους πρωτεύον και δευτερεύον χρησιμοποιούν κοινό τμήμα τυλίγματος, • μετασχηματιστές ηλεκτροσυγκόλλησης, οι οποίοι παρέχουν χαμηλή τάση και πολύ μεγάλο ρεύμα. Πώς απομακρύνεται η θερμότητα; Παρουσιάζονται ένας ξηρός μετασχηματιστής και ένας μετασχηματιστής μέσα σε δοχείο λαδιού. Διερευνητική ερώτηση 14: Από πού προέρχεται η θερμότητα κατά τη λειτουργία; Διερευνητική ερώτηση 15: Τι θα συμβεί αν η θερμότητα δεν απομακρύνεται αποτελεσματικά; Διερευνητική ερώτηση 16: Γιατί ο ένας μετασχηματιστής διαθέτει ανοίγματα αερισμού; Διερευνητική ερώτηση 17: Γιατί ο άλλος βρίσκεται μέσα σε δοχείο με λάδι; Διερευνητική ερώτηση 18: Το λάδι χρησιμοποιείται μόνο για ψύξη ή συμβάλλει και στη μόνωση; Συμπέρασμα: Ανάλογα με τον τρόπο ψύξης, οι μετασχηματιστές διακρίνονται σε: • ξηρούς μετασχηματιστές, οι οποίοι ψύχονται από τον αέρα που τους περιβάλλει, • μετασχηματιστές λαδιού, οι οποίοι ψύχονται και μονώνονται με κατάλληλο μονωτικό λάδι. Μπορεί ένας μετασχηματιστής να τοποθετηθεί οπουδήποτε; Οι μαθητές συγκρίνουν έναν μετασχηματιστή τοποθετημένο σε υπαίθριο υποσταθμό με έναν μετασχηματιστή εγκατεστημένο στο εσωτερικό κτιρίου. Διερευνητική ερώτηση 19: Ποιες περιβαλλοντικές συνθήκες αντιμετωπίζει ο υπαίθριος μετασχηματιστής; Διερευνητική ερώτηση 20: Πώς προστατεύεται από βροχή, υγρασία, σκόνη και μεταβολές θερμοκρασίας; Διερευνητική ερώτηση 21: Ποιες απαιτήσεις αερισμού και πυροπροστασίας υπάρχουν σε έναν κλειστό χώρο; Διερευνητική ερώτηση 22: Θα μπορούσαν οι δύο μετασχηματιστές να ανταλλάξουν θέση χωρίς πρόσθετα μέτρα; Συμπέρασμα: Ανάλογα με τον χώρο εγκατάστασής τους στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας, διακρίνονται σε: • μετασχηματιστές υπαίθρου, σχεδιασμένους για εξωτερικές εγκαταστάσεις και έκθεση στις καιρικές συνθήκες, • μετασχηματιστές κλειστού χώρου, σχεδιασμένους για εγκατάσταση στο εσωτερικό κατάλληλα διαμορφωμένων χώρων. Τελική διερευνητική πρόκληση Ένας μετασχηματιστής μπορεί να ανήκει ταυτόχρονα σε περισσότερες από μία κατηγορίες; Οι μαθητές καλούνται να περιγράψουν έναν μετασχηματιστή υποσταθμού χρησιμοποιώντας και τα πέντε κριτήρια: • αριθμός φάσεων, • μεταβιβαζόμενη ισχύς, • ειδική κατασκευή ή χρήση, • τρόπος ψύξης, • χώρος εγκατάστασης. Κεντρικό συμπέρασμα: Οι κατηγορίες δεν αλληλοαποκλείονται. Για παράδειγμα, ένας μετασχηματιστής μπορεί να είναι ταυτόχρονα τριφασικός, ισχύος, λαδιού και υπαίθρου. Αλυσίδα αιτίου–αποτελέσματος Οι μαθητές τοποθετούν στη σωστή σειρά τις παρακάτω προτάσεις: • Το πρωτεύον συνδέεται σε εναλλασσόμενη τάση. • Στο πρωτεύον δημιουργείται εναλλασσόμενο ρεύμα. • Στον πυρήνα δημιουργείται μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή. • Η μαγνητική ροή διαπερνά το δευτερεύον τύλιγμα. • Στο δευτερεύον επάγεται ηλεκτρεγερτική δύναμη. • Αν συνδεθεί φορτίο, εμφανίζεται ρεύμα στο δευτερεύον. • Το πρωτεύον απορροφά επιπλέον ρεύμα από το δίκτυο. Ερώτηση-παγίδα Αν τροφοδοτήσουμε το πρωτεύον με συνεχή τάση, θα εμφανίζεται τάση στο δευτερεύον; Αναμενόμενη απάντηση Όχι. Μετά το πολύ σύντομο μεταβατικό φαινόμενο της σύνδεσης, η μαγνητική ροή γίνεται σταθερή. Χωρίς μεταβολή της ροής δεν επάγεται ΗΕΔ στο δευτερεύον. Επιπλέον, η σύνδεση τυπικού μετασχηματιστή σε συνεχή τάση μπορεί να προκαλέσει πολύ μεγάλο ρεύμα και καταστροφή του τυλίγματος. Ανακάλυψη της σχέσης μεταφοράς Δίνονται στις ομάδες τέσσερις θεωρητικοί μετασχηματιστές: Οι μαθητές προβλέπουν: • ποιος είναι υποβιβασμού, • ποιος είναι ανύψωσης, • ποιος είναι απομόνωσης 1:1, • ποιος εμφανίζει τη μικρότερη τάση εξόδου. Στη συνέχεια χρησιμοποιούν: Αποτελέσματα Α 23 V, Υποβιβασμού Β 460 V, Ανύψωσης Γ 230 V, 1:1 Δ 11,5 V, Ισχυρού υποβιβασμού Κανόνας που διατυπώνουν οι μαθητές Η τάση μειώνεται — τι συμβαίνει με το ρεύμα; Παρουσιάζεται το ακόλουθο πρόβλημα: Ένας ιδανικός μετασχηματιστής υποβιβάζει την τάση από 230 V σε 23 V. Αν το δευτερεύον παρέχει ρεύμα 10 A, πόσο περίπου ρεύμα απορροφά το πρωτεύον; Για ιδανικό μετασχηματιστή: Διερευνητική ερώτηση 1: Αφού η τάση υποβιβάστηκε δέκα φορές, γιατί το ρεύμα αυξήθηκε δέκα φορές; Συμπέρασμα: Ο μετασχηματιστής δεν δημιουργεί επιπλέον ισχύ. Μεταβάλλει τον συνδυασμό τάσης και έντασης: υψηλή τάση – μικρό ρεύμα, χαμηλή τάση – μεγάλο ρεύμα. Για τον ιδανικό μετασχηματιστή: Ποιο τύλιγμα είναι ποιο; Δίνεται η περιγραφή δύο τυλιγμάτων: • Τύλιγμα Α: πολλές σπείρες, αγωγός μικρότερης διατομής. • Τύλιγμα Β: λιγότερες σπείρες, αγωγός μεγαλύτερης διατομής. Οι μαθητές αποφασίζουν ποιο είναι το τύλιγμα υψηλής και ποιο το τύλιγμα χαμηλής τάσης. Αναμενόμενο συμπέρασμα Διερευνητική ερώτηση 1: Γιατί ο αγωγός του τυλίγματος χαμηλής τάσης χρειάζεται μεγαλύτερη διατομή; Απάντηση: Επειδή διαρρέεται από μεγαλύτερο ρεύμα και πρέπει να περιοριστούν η θέρμανση και οι απώλειες χαλκού. Χωρίς φορτίο και με φορτίο Οι μαθητές συγκρίνουν δύο θεωρητικές καταστάσεις. Κατάσταση Α — Λειτουργία χωρίς φορτίο Το δευτερεύον είναι ανοικτό: I 2 ​ = 0 Το πρωτεύον απορροφά ένα μικρό ρεύμα χωρίς φορτίο \(I_0\), απαραίτητο κυρίως για τη δημιουργία της μαγνητικής ροής και την κάλυψη των απωλειών του πυρήνα. Κατάσταση Β — Λειτουργία με φορτίο Στο δευτερεύον συνδέεται φορτίο: I 2 ​ > 0 Το πρωτεύον απορροφά μεγαλύτερο ρεύμα: I 1​ > I0 Διερευνητική ερώτηση 23: Πώς «καταλαβαίνει» το πρωτεύον ότι συνδέθηκε φορτίο στο δευτερεύον, αφού δεν υπάρχει ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ τους; Εξήγηση: Το ρεύμα του δευτερεύοντος δημιουργεί μαγνητική επίδραση που αντιτίθεται στη ροή που το προκάλεσε, σύμφωνα με τον νόμο του Lenz. Το πρωτεύον απορροφά περισσότερο ρεύμα ώστε η μαγνητική ροή να παραμένει περίπου σταθερή.

Μαθησιακοί στόχοι Με την ολοκλήρωση του μαθήματος οι μαθητές θα μπορούν: Γνώσεις  να εξηγούν την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής,  να περιγράφουν τη λειτουργία του πυρήνα και των τυλιγμάτων,  να εφαρμόζουν τη σχέση μεταφοράς,  να συσχετίζουν τάσεις, ρεύματα και αριθμό σπειρών,  να διακρίνουν ιδανικό και πραγματικό μετασχηματιστή,  να εξηγούν την τάση βραχυκύκλωσης,  να διακρίνουν τους βασικούς ειδικούς μετασχηματιστές. Δεξιότητες  να ερμηνεύουν διαγράμματα και τεχνικά σύμβολα,  να αποκωδικοποιούν στοιχεία πινακίδας,  να εκτελούν θεωρητικούς υπολογισμούς,  να συγκρίνουν τεχνικές λύσεις,  να αιτιολογούν την επιλογή ενός μετασχηματιστή,  να εντοπίζουν εσφαλμένους ή επικίνδυνους ισχυρισμούς. Στάσεις  να αναγνωρίζουν τη σημασία των μετασχηματιστών στο ηλεκτρικό σύστημα,  να αντιμετωπίζουν τις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις με υπευθυνότητα,  να τεκμηριώνουν τις αποφάσεις τους με δεδομένα,  να μην ταυτίζουν τη χαμηλή τάση με την απόλυτη ασφάλεια,  να συνεργάζονται και να ακούν διαφορετικές τεχνικές απόψεις.