Functie transformator

Een transformator bestaat uit een magnetisch circuit, dit wordt de kern genoemd, en heeft minstens twee wikkelingen met een vast aantal windingen waardoor stroom en spanning stromen. De wikkelingen die naar de elektrische spanning (netspanning) zijn gericht, worden de primaire zijde (primaire spoel) genoemd, de zijde met de verbruiker en de elektrische belasting wordt de secundaire zijde (secundaire spoel) genoemd. Het inkomende vermogen van stroom en spanning wordt omgezet in een uitgaand vermogen van stroom en spanning.

Een Transformatoren bestaat in wezen uit twee of meer spoelen en een gemeenschappelijke ijzeren kern. In een EENFASETRANSFORMATOR wordt vaak slechts één spoel gebruikt; voor hogere vermogens worden twee spoelen parallel of in serie geschakeld. De Driefasige Transformatoren bestaat uit drie spoelen, die elk onderling verbonden zijn volgens de gewenste vectorgroep. De wikkelingen van een transformator zijn meestal gemaakt van geïsoleerd geëmailleerd koperdraad en worden op de ijzeren kern gewikkeld, op een aparte spoel of met afstandsstaven en isolatie, met behoud van spelingen en kruipwegen. De aanwezige wisselspanning wordt daar aangesloten en er wordt een wisselend magnetisch veld gecreëerd. De magnetische flux gaat door de secundaire spoel met behulp van de ijzeren kern. Aan de secundaire zijde van de transformator kan de uitgangswisselspanning (geïnduceerde spanning) dus worden genomen met de gewenste wisselstroom. De wikkelverhouding van de primaire en secundaire spoelen bepaalt of de spanning aan de uitgang kleiner of groter is dan de ingangsspanning. Als het aantal windingen van de secundaire spoel groter is dan dat van de primaire spoel, is de uitgangsspanning groter dan de ingangsspanning. Als het aantal windingen van de secundaire spoel echter lager is, is de uitgangsspanning lager dan de ingangsspanning. De verhouding van het aantal windingen N1/N2 is bepalend voor de verandering in vermogen of wisselspanning en -stroom. De draaddikte die op de spoelen wordt gebruikt, wordt bepaald door de stroomsterkte.

De productietechniek voor de kern en de kwaliteit van de gebruikte transformatorkern (ijzeren kern) beïnvloeden het magnetische circuit. Het magnetische circuit van een transformator (magnetisch veld) zou idealiter lage wervelstroomverliezen moeten genereren en lage hermagnetiseringsverliezen (hysteresisverliezen) moeten hebben. Een ander aspect zijn de weerstanden in de wikkeling van een transformator. Alleen met gelaagde en geordende wikkelingen op de primaire spoel en de secundaire spoel en het beste wikkelmetaal kunt u de wikkelverliezen verminderen. De spanning wordt geregeld met het aantal windingen op de spoel. De stroomsterkte bepaalt de diameter van het wikkelmetaal.

Het constructievermogen van een transformator wordt uitgedrukt in VA of kVA (VA is de term voor voltampère en staat voor de meeteenheid van schijnbaar elektrisch vermogen, kVA voor kilovoltampère).
Met uitzondering van zilver heeft koper de beste geleiding met γ = 56. Aluminium daarentegen heeft slechts γ = 36. Aluminium volgt dus met een gat van ongeveer 35 procent. Koper is dus het beste metaal en aluminium “slechts” het op één na beste van de technisch en economisch bruikbare geleidende materialen voor elektrische energie. Alle andere metalen kunnen niet worden beschouwd als geleiders van elektriciteit, en legeringen hebben over het algemeen een aanzienlijk lager geleidingsvermogen dan zuivere metalen. Zilver of goud zijn helemaal uitgesloten vanwege de hoge prijs.

De ideale transformator bestaat niet. De ideale transformator is verliesvrij en wordt alleen gebruikt als model om de functie van transformatoren te beschrijven. In een ideale transformator is de spanning over de wikkelingen evenredig met de veranderingssnelheid van de magnetische flux en het aantal windingen van de transformatorwikkeling als gevolg van elektromagnetische inductie. Dit betekent dat de spanning op de wikkeling aan elkaar gerelateerd is zoals het aantal windingen van de transformator. Als een machine (verbruiker) op de secundaire spoel is aangesloten, onttrekt deze aan de secundaire zijde energie aan de transformator. De stroom in een transformator werkt volgens de regel van Lenz. De stromen in de wikkelingen zijn daarom tegengesteld. De primaire stroom in een transformator loopt rechtsom ten opzichte van de kern, de secundaire stroom loopt linksom. Voor een ideale transformator laat de combinatie van de vergelijkingen voor de spanningstransformatie zien dat de energie die aan de primaire zijde wordt geleverd gelijk is aan de energie die aan de secundaire zijde wordt afgenomen. Dit betekent dat er bij een ideale transformator theoretisch geen warmteverlies optreedt.

De verschillen met een echte transformator kunnen als volgt worden gedefinieerd. Een echte transformator heeft weerstanden in de wikkeling die tot energieverliezen leiden. Bovendien is het bij een echte transformator altijd te verwachten dat de hermagnetisering en wervelstromen ook tot energieverliezen leiden. Er treden dus koperverliezen (weerstanden in de wikkeling), hysteresisverliezen (hermagnetisering) en wervelstroomverliezen (verlies door wervelstromen) op. Bovendien treedt er altijd lekstroom op (de magnetische flux die door de primaire zijde stroomt, stroomt niet evenredig door de secundaire zijde). Bovendien hangt de permeabiliteit van een ijzeren kern af van de sterkte van de magnetische flux (magnetische fluxdichtheid).

Over het algemeen worden transformatoren onderscheiden op basis van hun galvanische isolatie. Isolatietransformatoren hebben geen verbinding tussen de ingangszijde en de uitgangszijde. Deze twee wikkelingen zijn van elkaar gescheiden. In spaartransformatoren neemt de secundaire zijde zijn spanning op via de primaire wikkeling; er is geen aparte onafhankelijke secundaire wikkeling, dus er is hier geen galvanische scheiding. Het voordeel van spaartransformatoren is dat ze kleiner zijn dan scheidingstransformatoren. Het gebruik van autotransformatoren is slechts beperkt mogelijk en moet in elk afzonderlijk geval worden gecontroleerd.

De transformator kan de wisselspanning en -stroom tussen ingang en uitgang veranderen, maar niet de frequentie. De inkomende frequentie is altijd dezelfde als de uitgaande frequentie. Transformatoren kunnen ook worden berekend voor hoge frequenties.