transformer
En transformer er et elektrisk apparat til omsætning af vekselstrøm fra et spændingsniveau til et andet spændingsniveau, med en magnetisk kreds som mellemled.
De første transformere blev udviklet i 1880'erne. Transformeren var forudsætningen for overgangen fra jævnstrøm til vekselstrøm i elforsyningsanlæg, som fandt sted i Danmark i første halvdel af 1900-tallet. Jævnspænding kan på samme måde som vekselspænding ikke transformeres.
Transformeren har et omsætningsforhold, der er forholdet mellem spændingerne på primær- og sekundærside, og det er dette omsætningsforhold, der giver transformeren sine fordele. Ved fx at øge spændingen med et omsætningsforhold på 20 vil en given belastningsstrøm blive 20 gange mindre på sekundærsiden. Vekselspændingen fra generatoren på kraftværket er typisk på 20 kV, og mellem transmissionsnettet og kraftværket er placeret en transformer, der øger spændingen til 400 kV. Det giver et omsætningsforhold på 20 og vil gøre strømmen i transmissionsnettet 20 gange mindre end ved de 20 kV.
Vores elektriske installationer er forsynet med 400 V. Og det er dette forhold mellem 400 kV og 400 V er omsætningsforholdet 1000. Tabet i en ledning udregnes som I2 * R, og derved bliver tabet i en 400 kV ledning 1000.0000 mindre, end hvis spændingen i ledningen var 400 V.
Ofte anvendes betegnelserne primær- og sekundærvikling om de to sider af transformeren; primærviklingen er den side, hvor effekten normalt tilføres, mens effekten videresendes fra sekundærviklingen.
Den simpleste transformer består af en lukket jernkerne med to spoler eller viklinger med forskellige vindingsantal. Den ene vikling påtrykkes en given spænding, hvorved der induceres et magnetisk felt i jernkernen. Dette magnetiske felt vil induceres en ens spænding i alle de ledere der berøres af magnetfeltet. I primærviklingen vil der blive induceret en spænding der er modsatrettet den spænding som påtrykkes, og derved vil tomgangsstrømmen blive meget lille, da strømoptaget vil være afhængig af forskel på den påtrykte spænding og den inducerede spænding, divideret med impedansen i viklingen. Sekundærsidens vikling vil også påvirkes af magnetfeltet, og der vil i disse vindinger blive induceret en spænding. Induktionen pr. vinding er ens både i primære vindinger og sekundære vindinger. Er der forskel på antal vindinger, vil det betyde der også er forskel på spændingerne mellem primærside og sekundærside.
Forholdet mellem spændingerne på transformerens to viklinger kan således ændres ved simpelthen at variere forholdet mellem vindingsantallene. Det benyttes i transformere med flere spændingsudtag ved at indbygge en viklingskobler, som er en mekanisme, hvormed man kan ud- og indkoble et mindre antal vindinger ad gangen i den ene vikling.
For at bibeholde den ønskede sinusformede vekselspænding er det vigtigt, at den magnetiske kreds ikke belastes så meget, at der optræder magnetisk mætning og den største effekt en transformer kan overføre, ses på dets mærkeskilt.
I det trefasede elforsyningsnet er det hensigtsmæssigt at sammenbygge viklingerne for alle tre faser på samme jernkerne. Denne konstruktion kaldes den trefasede transformer. I transmissionsnettet ved 400 kV er transformeren bygget til at kunne overføre effekter på flere hundrede MW. De transformere der er placeret ude i byområderne er typisk på en effekt på 630 kW.
En transformer kan have mere end to viklinger for hver fase. I moderne ellokomotiver, der forsynes med enfaset vekselstrøm, anvendes ofte transformere med seks til otte viklinger, hvor der er én vikling for hver motor, som driver hver sin aksel, og specielle viklinger til bl.a. hjælpeudrustning i lokomotivet, togopvarmning og belysning.
Måletransformere er specielle transformere, som benyttes til måling af høje spændinger og store strømme. For disse er det vigtigt, at også ikke-sinusformede spændinger og strømme gengives korrekt, hvilket kræver særlige hensyn ved konstruktionen.
Til kernen benyttes jern med passende magnetiske egenskaber. Jernet udstanses af millimetertynde plader, som derefter pakkes sammen lag på lag. Viklingerne består oftest af aluminium. Kunstig køling er nødvendig ved meget store enheder, fordi tabene (og dermed varmeudviklingen) vokser hurtigere med størrelsen end den naturlige køleflade. Den højeste vedvarende gennemsnitstemperatur i et transformerhus er 35 °C. Lederen i transformerens viklinger kan blive over 100 °C ved fuldlast.
Den stadige ommagnetisering af kernen giver tab, som — selvom de er små — alligevel har store økonomiske konsekvenser, da de har samme størrelse, uanset om transformeren er belastet eller ej. Heller ikke det magnetiske felt opfører sig ideelt, idet en mindre del, spredningsfeltet, går uden om jernkernen og således ikke passerer begge viklinger. Sammen med strømvarmetabene giver det anledning til, at omsætningsforholdet mellem spændingerne ikke helt svarer til forholdet mellem vindingstallene i de to viklinger, og at den udtagne spænding bliver afhængig af belastningen.