thumb|Fordelingstransformator med følgende spesifikasjoner: Ytelse: 160 kVA, primærspenning: 10 kV, primærstrøm: 9,238 A, sekundærspenning: 400 V, sekundærstrøm: 231 A og byggeår: 1999.
miniatyr|Symbolet for en transformator (tilsvarende bildene over) som brukes i elektriske enlinjeskjemaer. Selv om transformatoren brukes for systemer for trefasestrøm forenkles symbolbruken til å omfatte bare en faseleder.
En transformator (eller i dagligtale «trafo») er en elektrisk maskin som overfører elektrisk vekselstrøm fra et spenningsnivå til ett eller flere andre spenningsnivåer gjennom elektromagnetisk induksjon.
En varierende strøm i transformatorens primærvikling danner en varierende magnetisk fluks i jernkjernen. Dette magnetfeltet påvirker igjen sekundærviklingen, og det varierende magnetfeltet i sekundærviklingen induserer en varierende elektromotorisk spenning (EMS) i sekundærviklingen. Ved å utnytte Faradays lov endrer transformatorer vekselstrømmer fra ett spenningsnivå til et annet i et kraftnett.
I elektroteknikken brukes transformatorer til å tilpasse spenningen i overføringsnettet. Elektrisk kraftoverføring fra kraftverk skjer ved at effekten transformeres opp til det spenningsnivået som er teknisk-økonomisk optimalt. På lavere nettnivåer velges lavere spenning, og vanligvis er det flere nettnivåer fra kraftverkene og ut til sluttbrukerne. Mellom alle disse nivåene er det transformatorer.
I elektronikken brukes transformatorer blant annet for å tilpasse impedansen mellom to kretser, og for å skille kretser galvanisk fra hverandre.
Transformatorer varierer i størrelse fra radiofrekvens-transformatorer mindre enn en kubikkcentimeter i volum til enheter i overføringsnettet som veier flere hundre tonn. Siden oppfinnelsen av transformatoren i 1885 har den vært en essensiell del av all utnyttelse av elektrisk energi.
Historisk utvikling Oppdagelsen av induksjon miniatyr|Faradays eksperiment med induksjon mellom spoler.
miniatyr|Faradays ringtransformator
Elektromagnetisk induksjon danner prinsippet for transformatoren og ble oppdaget av Michael Faraday i 1831 og av Joseph Henry i 1832, uavhengig av hverandre. Imidlertid var Faraday den første til å publisere resultatene av sine eksperimenter og har dermed fått æren for oppdagelsen. Forholdet mellom EMS og magnetisk fluks kalles Faradays lov og er gitt av:
hvor: = EMS i volt ΦB = magnetisk fluks gjennom kretsen i Weber som blir derivert med hensyn på tiden t.
Faraday utførte de første forsøkene med induksjon mellom spoler, samt forsøk med et par viklinger rundt en jernring. Dermed laget han den første enkle torustransformatoren med jernkjerne. Imidlertid påtrykket han bare enkle pulser av strøm på sin transformator, og oppdaget aldri sammenhengen mellom viklingsforholdet og EMS i viklingene.
Induksjonsspolene miniatyr|Induksjonsspole, 1900, Bremen, Tyskland
Den første typen transformator som fikk stor utbredelse var induksjonsspolen, oppfunnet av Nicholas Callan ved Maynooth College i Irland i 1836. Han var en av de første forskere som forstod at desto flere vindinger sekundærviklingen har i forhold til primærviklingen, jo større blir den induserte sekundær EMS. Induksjonsspolene ble utviklet av forskere og oppfinnere for å få høyere spenning fra batterier. Siden batterier produserer likestrøm, ble induksjonsspoler brukt sammen med vibrerende elektrisk brytere som regelmessig avbrøt strømmen i primærviklingen for å skape magnetiske fluksendringer som er nødvendig for induksjon. Dermed kunne strømmen bli mer eller mindre sammenhengende. Slike induksjonsspoler omtales ofte som Ruhmkorff-induktorer. Mellom 1830 og 1870 ble det arbeidet med å forbedre induksjonsspoler basert på prøving og feiling. På grunnlag av disse eksperimentene og forbedringene ble de grunnleggende prinsippene for transformatorer sakte oppdaget.
Først vekselstrømstransformatorer I 1870-årene ble de aller første anvendbare generatorer som produserte vekselstrøm tilgjengelig, og snart ble en klar over at disse kunne tilknyttes en induksjonsspole direkte.
I 1876 oppfant den russiske ingeniøren Pavel Jablotsjkov et belysningssystem basert på et sett av induksjonsspoler, der primærviklingen ble forbundet til en vekselspenningskilde. Sekundærviklingene ble koblet til flere «Jablotsjkovlys», som var en type buelamper han hadde konstruert. Spolene som Yablochkov benyttet, fungerte egentlig som transformatorer.
I 1878 begynte fabrikken Ganz i Budapest å produsere utstyr for elektrisk belysning, og i 1883 hadde det blitt installert over femti slike systemer i Østerrike-Ungarn. Deres vekselspenningssystemer brukte både bue- og glødelamper, generatorer og annet utstyr.
Lucien Gaulard og John Dixon Gibbs utstilte en elektrisk maskin med en åpen jernkjerne som de kalte en «sekundær generator» i London i 1882. Etter utstillingen solgte de ideen til Westinghouse Electric Corporation i USA. Oppfinnelsen ble også utstilt i Torino i Italia i 1884, hvor systemet ble tatt i bruk for belysning. Til tross for utbredelsen av denne oppfinnelsen var virkningsgraden for deres bipolare innretning med åpen jernkjerne svært lav.
Tidlig transformatorer for distribusjon i seriekrets Induksjonsspolene med åpne magnetiske kretser er ineffektive for å overføre effekt til belastningene. Inntil rundt 1880 var konseptet for overføring av elektrisitet med høyt spenningsnivå til lavspenningslaster, at belastningene ble koblet i serie. Transformatorer med åpen jernkjerne med vindingsforhold nær 1:1 koblet sin primærvikling i serie for å tillate bruk av høyspenningsoverføring, mens den lavere spenningen fra sekundersiden ble tilkoblet lampene. Svakheten med denne fremgangsmåten var at dersom en slo av en enkelt lampe (eller en annen elektrisk enhet), påvirket dette spenningen som tilføres til alle de andre enhetene i samme krets. Mange regulerbare transformatorer ble innført for å kompensere for denne problematiske egenskapen med seriekretsen. Det ble også forsøkt å anvende fremgangsmåter for justering av kjernen eller omgå den magnetiske fluksen rundt en del av en spole.
Effektive og praktiske transformator ble ikke introdusert før i 1880-årene, men i løpet av det neste tiåret ble transformatoren en essensiell komponent i den såkalte strømkrigen. Etter at vekselstrøm hadde demonstrert sin overlegenhet i distribusjonssystemer, triumferte konseptet med transformatorer og vekselstrøm over systemer med likestrøm, som til da var det vanligste.
miniatyr|Skisse av en transformator med mantelkjerne som ble brukt av Uppenborn for å beskrive ZBD-gruppens patenter i 1885 og tidlige artikler.
miniatyr|left|To forskjellige jernkjerneformer: Foran en kjerneform og bakerst en med mantalform. Dette er de tidligste eksemplarer på høyeffektive transformatorer produsert på fabrikken Ganz og som ZBD-gruppen stod bak i 1885.
miniatyr|left|Stanleys konstruksjon fra 1886 av en induksjonsspole med åpen jernkjerne og justerbar luftgap.
Transformatorer med lukket jernkjerne og kraftdistribusjon til parallellkoblede laster miniatyr|left|ZBD-gruppen besto av Károly Zipernowsky, Ottó Titusz Bláthy og Miksa Déri
Høsten 1884 ble de tre ingeniørene Károly Zipernowsky, Ottó Titusz Bláthy og Miksa Déri (kjent som ZBD-gruppen) tilknyttet fabrikken Ganz. Gruppen hadde funnet ut at transformatorer med åpen jernkjerne var upraktisk og at disse ikke var i stand til å regulere spenning på en pålitelig måte.Hughes, s. 95 I 1885 sendte de inn en felles patentsøknad for nye transformatorer (senere kalt ZBD-transformatorer). Her ble to konstruksjoner beskrevet med lukkede magnetiske kretser hvor kobberviklingene enten var viklet rundt en ringkjerne av jerntråd, eller en ringformet kobbervikling omviklet med jerntråd for å danne jernveien.Knowlton, s. 562
I løpet av høsten 1884 hadde fabrikken Ganz levert verdens fem første høyeffektive vekselstrømstransformatorer, den første av disse enhetene forlot fabrikken den 16. september 1884. Denne første enheten hadde følgende spesifikasjoner: 1400 VA, 40 Hz, 120/72 V, 11,6/19,4 A, enfase og mantelkjerne. I begge utførelser ble den magnetiske fluksen holdt nesten fullstendig innenfor jernkjernen, uten tilsiktet bane gjennom luft. De nye transformatorene var over tre ganger mer effektive enn de tidligere konstruksjoner med åpne kjerner som Gaulard og Gibbs hadde konstruert.
ZBD-gruppens patenter inkluderte to andre store nyvinninger: I stedet for å seriekoble lastene lot de forbruksapparatene heller være parallellkoblede. Den andre oppfinnelsen gikk ut på å ha veldig stort viklingsforhold, slik at spenningen i forsyningsnettet kunne være mye høyere (opprinnelig 1400 til 2000 V) enn spenningen til lastene (100 V ble opprinnelig brukt). Med parallellkoblede belastninger i distribusjonsnettet og lukket jernkjerne i transformatorene var det endelig teknisk og økonomisk mulig å anvende vekselstrøm til belysning i boliger, bedrifter og utendørs. Bláthy hadde foreslått bruk av lukkede jernkjerner, Zipernowsky hadde ideen om parallellkoblede belastninger og Déri hadde utført de praktiske forsøkene.
Transformatorer har fremdeles utforming basert på prinsippene oppdaget av de tre ingeniørene. De har også sørget for å popularisere ordet «transformator» for å beskrive en innretning som forandrer EMS i to sammenknyttede elektriske kretser, selv om begrepet allerede hadde vært i bruk etter 1882. I 1886 konstruerte ZBD-gruppen verdens første kraftverk (Roma-Cerchi kraftverket) som brukte vekselstrømsgeneratorer til å forsyne et elektrisk nettverk. Her var det igjen fabrikken Ganz som leverte alt elektrisk utstyr.
George Westinghouse hadde kjøpt Gaulard og Gibbs' patenter i 1885, men Edison Electric Light Company (senere General Electric) holdt en opsjon på de amerikanske rettighetene til ZBD-gruppens transformatorer. Til tross for dette ville Westinghouse prøve ut alternative konstruksjoner basert på de samme prinsippene. Han ga William Stanley oppgaven med å utvikle en enhet for kommersiell bruk i USA. Stanleys første oppfinnelse var en induksjonsspole med enkel jernkjerne av mykt jern og justerbart luftgap for å regulere EMS i sekundærviklingen. Denne utformingen ble først brukt kommersielt i USA i 1886. Westinghouse var innstilt på å forbedre Stanleys design for å gjøre den enkel og billig å produsere, noe som ikke var tilfelle med ZBD-gruppens transformator.
Westinghouse, Stanley og andre begynte snart å utvikle en enklere metode for å fremstille jernkjernen. Metoden bestod av stabler av tynne E-formede blikkplater. Mellom disse var det tynne isolerte ark av papir eller annet isolerende materiale. Ferdigviklede spoler av kobber kunne da enkelt skyves på plass, deretter kunne rette blikkplater legges over for å lage en lukket magnetisk krets. Westinghouse søkte om patent for det nye lavprisalternativet i desember 1886.
Andre tidlige transformatorer I 1889 hadde den russiskfødte ingeniøren Mikhail Dolivo-Dobrovolskij utviklet den første trefasetransformatoren ved AEG i Tyskland. Et virkelig stort gjennombrudd for trefase vekselstrøm kom etter at et slikt system ble demonstrert under den internasjonale elektrotekniske utstillingen i 1891 i Frankfurt am Main. Trefasetransformatorene var her en viktig del av kraftsystemet.
I 1891 oppfant Nikola Tesla den såkalte Tesla-spolen som er en luftfylt resonanstransformator konstruert for å generere svært høy spenning ved høy frekvens.
Transformator produksjon i Norge A/S Elektrisk Industri, senere National Industri, startet transformatorproduksjon i Drammen i 1913, den ble senere overtatt av Westinghouse. Også Per Kure startet produksjon av transformatorer tidlig på 1900-tallet, for eksempel de transformatorer til Hakavik kraftverk i 1922.
Grunnleggende prinsipper Den ideelle transformatoren Ligninger for den ideelle transformator
Av Faradays lov har en at:
. . . (1)