Transformator: Funktion, typer og anvendelser i elnet og elektronik

Alt om transformatorer: funktion, typer og anvendelser i elnet og elektronik — fra højspænding til lavspænding, sikker strømdistribution og praktiske designvalg til dit projekt.

En transformer er en anordning, der overfører elektrisk energi fra et elektrisk kredsløb til et andet ved gensidig (elektromagnetisk induktion) og uden ændring af frekvensen. Transformatorer er en vigtig del af elektriske systemer.

Transformatorer fremstilles i mange forskellige størrelser, lige fra en meget lille koblingstransformator i en mikrofon til store enheder, der kan bære flere hundrede MVA, og som anvendes i elnet.

Hovedårsagen til at bruge en transformer er at omdanne strøm fra et spændingsniveau til strøm fra et andet spændingsniveau. Høj spænding er lettere at sende over store afstande, men mindre spænding er lettere og mere sikkert at bruge på kontoret eller i hjemmet. Transformere bruges til at øge eller sænke vekselstrømsspændingen i kredsløb. Transformatoren er normalt bygget op med to spoler omkring den samme kerne. Den primære spole eller indgangsspole er forbundet til forsyningssiden, mens den sekundære spole leverer strøm til belastningen. Den anden spole kaldes udgangsspolen. Energien overføres fra primærspolen til sekundærspolen ved hjælp af elektromagnetisme. Der anvendes mange transformere i elnet. Det er net til at levere elektricitet fra generatoren og til brugeren.

Transformatorerne i dit nabolag, på elmasterne eller dem, der er forbundet med underjordiske ledninger, omdanner normalt højspænding på 7.200 volt til 220-240 volt elektricitet til at drive lys og apparater som f.eks. køleskabe i hjem og virksomheder. I nogle lande, f.eks. i USA, anvendes der andre spændinger i husholdningerne, f.eks. 120 volt. Transformatorer kan ikke øge effekten, så hvis spændingen øges, sænkes strømmen tilsvarende. Hvis spændingen sænkes, øges strømmen proportionalt.

Transformatorer i elektronikudstyr leverer den elektricitet, som de forskellige dele har brug for.

Der findes flere grundlæggende typer af transformatorer:

Grundlæggende typer

• Distributions- og krafttransformatorer: Store transformerstationer og nettransformatorer, der håndterer høje effekter og bruges i transmissions- og distributionsnettet.
• Autotransformatorer: Har kun én kontinuerlig vikling med tappepunkter og bruges til spændingsregulering. Bemærk: de giver ikke galvanisk isolation mellem primær og sekundær.
• Isoleringstransformatorer: Separate primær- og sekundærviklinger for at give galvanisk isolation og reducere risikoen for støj og jordsløjfer.
• Strømtransformatorer (CT): Bruges til måling og beskyttelse; reducerer store strømme til håndterbare niveauer for måleinstrumenter og relæer.
• Spændingstransformatorer (VT/PT): Bruges til nøjagtig måling og protectionskredsløb ved at nedskalere høje spændinger.
• Toroidale transformatorer: Ringformede kerner med lavt magnetisk tab og kompakt størrelse, ofte brugt i audio- og specialelektronik.
• Ferritkerne-transformatorer: Anvendes i højfrekvensapplikationer som f.eks. switch-mode strømforsyninger (SMPS).
• Luftkernetransformatorer: Har ingen jernkerne og bruges i højfrekvenssystemer eller hvor magnetisk hysterese skal undgås.
• Pulstransformatorer: Til overførsel af korte strøm-/spændingspulser med høj båndbredde, fx i digitale kredsløb eller telekommunikation.

Hvordan en transformer fungerer

En ideel transformator baserer sig på to hovedprincipper:

• Magnetisk kobling: Skiftende strøm i primærviklingen skaber et skiftende magnetfelt i kernen, som inducerer en spænding i sekundærviklingen.
• Omsætningsforhold: Forholdet mellem antal viklingsomgange (Np/Ns) bestemmer forholdet mellem primær- og sekundærspænding: Vp/Vs = Np/Ns. Strømforholdet er omvendt: Ip/Is = Ns/Np.

Vigtige begreber og egenskaber

• Effekt og begrænsninger: Transformatoren kan flytte effekt (P) mellem kredsløb, men kan ikke skabe effekt ud af ingenting — effektiviteten er høj, men begrænset af tab.
• Tab: Kerne-tab (hysterese og hvirvelstrømme) og koblingstab i viklinger (ohmsk tab og hvirvelstrømme i ledere) reducerer effektiviteten.
• Kortslutningsimpedans: Bestemmer strømmen ved fejl, spændingsfald under belastning og hvor stor strøm transformatoren leverer ved kortslutning.
• Køling: Transformatorer køles med luft, olie eller i særlige tilfælde vand; køling påvirker belastningskapacitet og levetid.
• Isolationsklasse: Materialernes temperaturgrænser og isolationsniveau afgør maksimal driftstemperatur og spændingsklasse.

Tre-fase transformatorer

I store elnet og industriel distribution anvendes tre-fasesystemer. En tre-fasetransformator kan udføres som tre separate en-fasetransformatorer eller som en samlet tre-fase enhed. Viklingskoblinger som Y (stjerne) og Δ (delta) bestemmer fasedrejning, spændingsforhold og neutraltilslutning. Vektorgrupper beskriver faseforskydningen mellem primær og sekundær og er vigtig for paralleldrift og power-system-analyse.

Anvendelser

• Eltransmission og distribution: Step-up transformere øger spændingen fra kraftværker til transmissionsniveau for lavere tab; step-down transformere i byområder reducerer til forbruger-spænding (fx 220–240 V eller 120 V).
• Industri: Maskiner og motordrev kræver specielle transformatorer for start- og styrekredsløb.
• Elektronik: Strømforsyninger bruger transformatorer til at få korrekt spænding og isolation til kredsløb.
• Måling og beskyttelse: CT'er og PT'er leverer signaler til måleinstrumenter og beskyttelsesrelæer i elnettet.
• Audio og signalbehandling: Impedanstilpasning og støjisolering i forstærkere, mikrofoner og højttalersystemer.
• Specialapplikationer: Svejseudstyr, galvanisk isolation i medicinsk udstyr og afbalancering i telekommunikation.

Sikkerhed, overvågning og vedligeholdelse

• Sikkerhed: Transformatorer skal jordre korrekt, og systemer skal have sikringer eller afbrydere for at beskytte mod overstrøm og kortslutninger. Autotransformatorer giver ikke galvanisk isolation og kræver særlig omtanke, hvis isolation er nødvendig.
• Overvågning: Store oliefyldte transformatorer kan have Buchholz-relæ, temperaturfølere og olieprøver for at opdage fejl og nedbrydning tidligt.
• Vedligeholdelse: Regelmæssig inspektion af isolationsmodstand, olietilstand, termiske målinger og løbekontrol af lavt støjniveau og mekanisk integritet forlænger levetiden og sikrer driftssikkerhed.

Valg af transformator

Ved valg af transformer bør man overveje belastningskrav, spændingsniveauer, frekvens, effektivitet, isolationsklasse, kølemetode, dimensioner og sikkerhedskrav. For nettilslutning er også kortslutningsniveau, vektorkonfiguration og harmonisk belastning vigtige.

Afsluttende bemærkninger

Transformatoren er en central komponent i både store energisystemer og små elektroniske apparater. Forståelse af dens opbygning, drift og begrænsninger er vigtig for sikker og effektiv design og drift af elektriske systemer. Ved korrekt dimensionering og vedligeholdelse kan transformatorer levere langvarig og pålidelig ydelse i et væld af anvendelser.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er en transformer?

Q: Hvad er den vigtigste grund til at bruge en transformer?

Spørgsmål: Hvordan overfører transformatorer energi?

Spørgsmål: Hvor anvendes transformatorer i elnet?

Spørgsmål: Hvordan justerer en transformer spændingsniveauet for hjem og virksomheder?

Spørgsmål: Kan transformere øge strømmen?

Spørgsmål: Hvad er nogle grundlæggende typer af transformatorer?

Søg efter bogstav