Transformator funktion

En transformator består av en magnetkrets, denna kallas kärnan, och har minst två lindningar med ett fast antal varv genom vilka ström och spänning flödar. De lindningar som är vända mot den elektriska spänningen (nätspänningen) kallas primärsidan (primärspolen), sidan med förbrukaren och den elektriska lasten kallas sekundärsidan (sekundärspolen). Den inkommande effekten från ström och spänning omvandlas till en utgående effekt från ström och spänning.

En TRANSFORMATORER består i huvudsak av två eller flera spolar och en gemensam järnkärna. I en ENFAS-TRANSFORMATORER används ofta bara en spole; för högre effekter ansluts två spolar parallellt eller i serie. TREFAS-TRANSFORMATORER består av tre spolar, som var och en är sammankopplade enligt önskad vektorgrupp. Transformatorns lindningar är vanligtvis tillverkade av isolerad emaljerad koppartråd och lindas på järnkärnan, antingen på en separat spole eller med distansstänger och isolering samtidigt som spel och krypavstånd bibehålls. Den aktuella växelspänningen ansluts där och ett växlande magnetfält skapas. Det magnetiska flödet passerar genom sekundärspolen med hjälp av järnkärnan. På transformatorns sekundärsida kan den utgående växelspänningen (inducerad spänning) därmed tas med den önskade växelströmmen. Lindningsförhållandet mellan primär- och sekundärspolarna avgör om spänningen vid utgången är mindre eller större än ingångsspänningen. Om antalet varv på sekundärspolen är större än på primärspolen är utspänningen större än inspänningen. Men om antalet varv på sekundärspolen är lägre är utspänningen lägre än ingångsspänningen. Förhållandet mellan antalet varv N1/N2 är avgörande för förändringen av effekt eller växelspänning och ström. Den trådtjocklek som används på spolarna bestäms av strömmen.

Tillverkningstekniken för kärnan och kvaliteten på den transformatorkärna som används (järnkärna) påverkar den magnetiska kretsen. En transformators magnetkrets (magnetfält) ska helst generera låga virvelströmsförluster och ha låga ommagnetiseringsförluster (hysteresförluster). En annan aspekt är resistanserna i transformatorns lindning. Endast med skiktade och ordnade lindningar på primärspolen och sekundärspolen och den bästa lindningsmetallen kan du minska lindningsförlusterna. Spänningen regleras med antalet varv på spolen. Strömstyrkan bestämmer diametern på den lindade metallen.

En transformators konstruktionseffekt uttrycks i VA eller kVA (VA är termen för voltampère och står för måttenheten för skenbar elektrisk effekt, kVA för kilovoltampère).
Med undantag för silver har koppar den bästa ledningsförmågan med γ = 56. Aluminium har däremot bara γ = 36. Aluminium följer därmed med ett gap på cirka 35 procent. Koppar är alltså den bästa metallen och aluminium ”bara” den näst bästa av de tekniskt och ekonomiskt användbara ledarmaterialen för elektrisk energi. Alla andra metaller kan inte betraktas som ledare för elektricitet, och legeringar har i allmänhet betydligt lägre ledningsförmåga än rena metaller. Silver eller guld utesluts helt och hållet på grund av det höga priset.

Den perfekta transformatorn finns inte. Den ideala transformatorn är förlustfri och används endast som en modell för att beskriva transformatorernas funktion. I en ideal transformator är spänningen över lindningarna proportionell mot förändringen av det magnetiska flödet samt antalet varv i transformatorlindningen på grund av elektromagnetisk induktion. Detta innebär att spänningen vid lindningen är relaterad till varandra som antalet varv i transformatorn. Om en maskin (förbrukare) är ansluten till sekundärspolen drar den energi från transformatorn på sekundärsidan. Strömflödet i en transformator fungerar enligt Lenz regel. Strömmarna i lindningarna är därför motsatta. Primärströmmen i en transformator flyter runt till höger i förhållande till kärnan, sekundärströmmen flyter runt till vänster. För en idealisk transformator visar kombinationen av ekvationerna för spänningstransformationen att den energi som tillförs primärsidan är lika med den energi som tas från sekundärsidan. Detta innebär att en idealisk transformator teoretiskt sett inte utsätts för någon värmeförlust.

Skillnaderna mot en riktig transformator kan definieras på följande sätt. En riktig transformator har resistanser i lindningen som leder till energiförluster. Med en riktig transformator kan man dessutom alltid förvänta sig att ommagnetisering och virvelströmmar också leder till energiförluster. Därmed uppstår kopparförluster (resistanser i lindningen), hysteresförluster (ommagnetisering) och virvelströmsförluster (förluster på grund av virvelströmmar). Dessutom uppstår alltid läckflöde (det magnetiska flöde som strömmar genom primärsidan strömmar inte proportionellt genom sekundärsidan). Dessutom beror permeabiliteten hos en järnkärna på styrkan hos det magnetiska flödet (magnetisk flödestäthet).

I allmänhet skiljer man mellan transformatorer beroende på deras galvaniska isolering. Isoleringstransformatorer har ingen anslutning mellan ingångssidan och utgångssidan. Dessa två lindningar är separerade från varandra. I autotransformatorer får sekundärsidan sin spänning från primärlindningsdelen; det finns ingen separat oberoende sekundärlindning, så det finns ingen galvanisk isolering. Fördelen med autotransformatorer är deras mindre storlek jämfört med isolertransformatorer. Användningen av autotransformatorer är endast möjlig i begränsad omfattning och måste kontrolleras i varje enskilt fall.

Transformatorn kan ändra växelspänningen och strömmen mellan ingång och utgång, men den kan inte ändra frekvensen. Den inkommande frekvensen är alltid lika med den utgående frekvensen. Transformatorer kan också beräknas för höga frekvenser.