Transformator
En transformator är en elektroteknisk komponent som med hjälp av elektromagnetisk induktion omvandlar elektrisk energi mellan olika spänningsnivåer. Syftet med komponenten är alltså att omvandla mellan de nödvändiga växelspänningar, och därmed även växelströmmar. Transformatorn uppfanns 1886 av William Stanley. Den är en av huvudkomponenterna i ett elkraftsystem bland annat i det avseendet att den representerar en relativt stor ekonomisk investering. Men även att ett transformatorhaveri kan få stora konsekvenser; både ekonomiskt och miljömässigt.
Innehåll |
[redigera] Grundläggande uppbyggnad och teori
Man kan dela in transformatorn i tre delar. Den består av primärlindningen, sekundärlindningen och kärnan. Transformatorn verkar genom att en växelström som går genom primärlindningen, ger upphov till ett magnetiskt fält i kärnan. Kärnan kommer då att överföra det magnetiska fältet till sekundärlindningen där det kommer att induceras en spänning. Kärnans uppgift är då att överföra den magnetiska energin som genereras i en lindning till de övriga lindningarna. Den enklaste transformatortypen består just av en järnkärna och två metalltrådar som är lindade runt kärnan. Men det finns transformatorer som består av fler lindningar än så.
En lindning i en transformator är en ledare som är lindad runt kärnan. Antalet varv som respektive ledare är lindad kring kärnan avgör förhållandet mellan in- och utspänning. Antalet varv på den ena lindningen dividerat med den spänning man påför lindningen är direkt proportionell mot antalet varv dividerat med utspänningen på den andra lindningen. Det omvända gäller den ström som flyter genom lindningarna. En speciell typ är sugtransformatorn som har omsättningen 1:1 mellan primär och sekundärlindningarna.
[redigera] Exempel
En nättransformator med 1 000 varv i primärlindningen och 100 varv på sekundärlindningen där primärlindningen ansluts till ett vägguttag med 230 V (volt) växelspänning ger 23 V på sekundärlindningen. Om en ström på 100 mA (milliampere) tas ut på sekundärsidan belastas primärsidan med 10 mA. (Exemplet är kraftigt förenklat och bortser från förluster.)
Transformatorn innehåller även isolationsmaterial i form av papper och lack. Papperet finner man runt lindningarna och det skyddar mot elektriska överslag. För att skydda lindningarna ytterligare brukar man även applicera ett tunt lager lack utanpå. I de oljefyllda transformatorerna är lindningarna och kärnan nedsänkta i olja för att skydda ytterligare. I de fallen är hela transformatorn skyddad av en tank.
[redigera] Kärnstrukturer och funktion
Det finns tre grundläggande olika kärnstrukturer hos transformatorer. Dessa är EI-kärnan, Toroid-kärnan och C-kärnan. EI-kärnan är den vanligaste formen och består alltså av en, av tunna skivor (som förhindrar virvelströmsförluster), uppbyggd E-formad kärna där lindningarna vanligtvis ligger på en bobin på "mittenbenet" och kortsluts magnetiskt mha I-delen. Toroid-kärnan har dock tagit över mer och mer på senare tid (om man bortser en stund från switchteknik). De består av cirkulära tunna transformatorplåtar med en inner och en ytterdiameter som staplas på varandra tills dom bygger en toroid. Denna typ av transformatorkärna är mycket populär för den har mycket litet läckage och därmed hög verkningsgrad. Slutligen har vi C-kärnan som är mycket populär som utgångstransformator för rörförstärkare då den har minst läckage av alla typer och kan ges ett cirkulärt tvärsnitt. Det är också lätt att introducera ett godtyckligt luftgap för att motverka eventuell DC-magnetisering i sammanhang som Klass AB-förstärkare eller filterdrossel. Bobiner används även för denna typ av kärnstruktur.
[redigera] Enkellindade transformatorer
Det finns i huvudsak två kategorier av transformatorer, enkellindade transformatorer och transformatorer med flera lindningar.
En enkellindad transformator har endast en lindning, men denna har flera uttagspunkter. Ett exempel är så kallade spartransformatorer (eller autotransformatorer) som tidigare användes för att transformera den då vanliga 220 V-spänningen i vägguttagen till 110 V för att passa äldre apparater som konstruerats för den spänningen. En sådan transformator har till exempel 1000 varv koppartråd lindad runt en järnkärna, men efter 500 varv finns en anslutning till lindningen. Vägguttagets 220 V kopplas till lindningens ändpunkter, men apparaten som kräver 110 V kopplas till den ena ändpunkten och mittpunkten på lindningen. Följaktligen får den halva nätspänningen och elnätet belastas bara med halva den ström apparaten drar. Den totala effekt som åtgår för att driva apparaten är densamma som om apparaten anslutits till en 110 V-källa. Spartransformatorer är i Sverige förbjudna som konsumentprodukt idag på grund av den risk för elchock som föreligger vid användande av dem, om det skulle uppstå ett isolationsfel i apparaten, eftersom lindningens "gemensamma" ände av misstag kan anslutas till fasledaren i stället för noll-ledaren.
För matning av elektrifierade järnvägar används spartransformatorer, se rälsåterledning.
En fördel med spartransformatorer är att järnkärnan kan göras mindre än vid en fulltransformator (galvaniskt skilda primär- och sekundärlindningar). Vid omsättningen 1:2 (t 110/220 V) behöver den dimensioneras för bara halva den effekt (typeffekten) som den anslutna apparaten behöver. En fulltransformator kräver dessutom mycket mera koppar för lindningarna än en spartransformator. Detta har stor betydelse för transformatorns tyngd, volym och pris, och det är just p g a dessa egenskaper som konstruktionen benämns med termen spartransformator.
[redigera] Transformatorer med flera lindningar
Transformatorer med flera lindningar har ofta en primärlindning och en eller flera sekundärlindningar. En mycket vanlig tillämpning är elektriska apparater som oftast konstrueras för att drivas med en låg spänning. Man använder då transformatorn för att transformera ned spänningen från 230 V, som är den nominella spänningen i det svenska elnätet, till exempelvis 6 V. Ett exempel är bandspelare som antingen kan drivas med batterier eller så kallad batterieliminator. Batterieliminatorn innehåller en transformator och en likriktare som tillsammans ger samma spänning som batterierna gör och därmed eliminerar behovet av batterier när det finns möjlighet till nätanslutning. Man kan också använda en transformator med flera sekundärlindningar för att ge flera utspänningar. Det är vanligt i mer avancerade apparater som kräver mer än en spänning för att fungera, till exempel TV-apparater. Där finns ofta en spänning på 5 V för digital elektronik, 12 V för analog elektronik (till exempel ljudförstärkare) och glödspänning, vanligen 6,3 V, för bildröret. Bildröret kräver dessutom en högspänning på flera kV (kilovolt) som tillhandahålls genom en switchad nätdel.
[redigera] Transformatorer i elnät
I gafflarna mellan luftledningen och transformatorn sitter högspännings-säkringar.
Elektrisk energiproduktion i kraftverk sker med relativt låg spänning, 0,4 till 17,5 kV. Denna spänning transformeras först upp till 110, 220 eller 400 kV — försök med ännu högre spänningar förekommer — för fjärrdistributionen, och i mottagningsänden sedan i flera steg ned till den spänning som är standard i konsumenternas trefasanslutning. I många länder är denna systemspänning numera 400 V, som resulterar i 230 V i vägguttagen hos konsumenterna. Tidigare var den i Europa 380 eller 415 V, vilket gav 220 V respektive 240 V enfas i vägguttagen. Före andra världskriget var system med 190/110 och 220/127 vanliga. I Japan används spänningarna 100 V och 200 V; i USA har system 200/117 förekommit.
Av historiska skäl har länder i Europa och en del andra håll haft frekvens 50 Hz medan USA och länder däromkring hållit sig till 60 Hz. Riktigt långt tillbaka förekom i Sverige 25 Hz, vilket medförde nackdelen att mycket järn krävdes i anslutna apparater, och att vanliga glödlampor lyste med visst flimmer; en fördel var att generatorerna kunde drivas med lägre varvtal. Elnätets frekvens måste man ta hänsyn till vid dimensionering av växelströmsapparater.
Vid elektriska järnvägar som använder växelströmsdrift förekommer så låg frekvens som 16 2/3 Hz (en tredjedel av 50), vilket ger fördelar när ett stillastående tåg snabbt ska köras igång till full hastighet. Spårvagnar och tunnelbanor använder däremot oftast 750 V likström.[1][2]
Systemspänningar på 70 kV eller 130 kV är vanliga i regionalnät. Dessa ledningar löper mellan mottagningsstationer som transformerar ned spänningen till mellan 10 - 50 kV. Från mottagningsstationen går antingen luftledningar eller markförlagd kabel till transformatorstationer i närheten av förbrukarna. Den vanligaste spänningen i dessa ledningar är 10 kV. 10 kV-ledningen går sedan till nätstationer i villakvarter och här och där inom stenstadsbebyggelse (där ofta underjordiska); på landsbygden till en stolptransformator intill större gårdar. Därifrån går servisledningar med 230 V fasspänning (400 V mellan två faser) till abonnenterna.
[redigera] Användning inom elektronik
Inom elektroniken används transformatorer även för att anpassa impedanser, till exempel i mikrofoner och högtalare, och för att isolera mätutrustning från mätobjekt.
Transformatorer fungerar enbart med ett varierande magnetfält som i fallet med växelström eller vid ett pulsat strömförlopp, likström fungerar dessvärre inte, eftersom en transformator behöver induktion för att kunna överföra elenergin genom magnetisk koppling mellan sekundär- och primärspolen. Induktion förutsätter att magnetfältet varierar, vilket det gör vid växelström eller pulsad ström.
[redigera] Se även
- Likriktare - omvandlar växelspänning till likspänning
- Växelriktare - omvandlar likspänning till växelspänning
- Omformare - omvandlar en spänningsform till en annan spänningsform
- Mättransformator
[redigera] Externa länkar
- Wikimedia Commons har media som rör Transformator.
[redigera] Referenser
- Gill, Paul, 2009, Electrical power equipment maintenance and testing; second edition. CRC Press, Taylor & Francis Group.
- ^ ”Undersökning av linjespänning vid återmatande bromssystem i spårvagn M31”. http://webfiles.portal.chalmers.se/et/MSc/Olsson&PetterssonMSC.pdf. 090727 webfiles.portal.chalmers.se Karl-Magnus Olsson, Filip Pettersson, 2007
- ^ ”Tunnelbanan i Stockholm - Tekniska specifikationer vagntyper”. http://www.t-banan.se/spec.htm. 090727 t-banan.se
