Transformator

Een vermogentransformator vóór een hoogspanningsnet.

Een transformator is een statisch (dat wil zeggen zonder bewegende onderdelen) elektrisch apparaat, bestaande uit magnetisch gekoppelde spoelen. Stuurt men een veranderlijke stroom door een van de spoelen, de primaire spoel genoemd, dan wordt in de andere spoel(en), de secundaire, een spanning opgewekt.

Een belangrijke toepassing is het omzetten van een hogere wisselspanning, zoals in het hoogspanningsnet, naar de gewenste lagere wisselspanning. De hogere wisselspanning op de primaire spoel met veel windingen veroorzaakt daarin een wisselstroom, die in deze spoel door de wet van Lenz een vrijwel even grote en tegengestelde inductiespanning opwekt (zelfinductie). De primaire spoel werkt als een smoorspoel wanneer de secundaire spoel geen weerstand in zijn keten heeft (onbelaste secundaire spoel). Door de magnetische koppeling (ijzerkern) bereikt de wisselende magnetische flux van de primaire spoel de secundaire spoel met minder wikkelingen. In deze secundaire spoel wordt - weer door de wet van Lenz - een lagere wisselspanning opgewekt: de spanning is omlaag getransformeerd. Heeft de secundaire spoel meer wikkelingen dan de primaire dan wordt de spanning omhoog getransformeerd.

De verhouding tussen het aantal windingen van de primaire spoel en de secundaire spoel geeft de factor waarmee de spanning omhoog, dan wel omlaag wordt getransformeerd. Dit noemt men de transformatieverhouding.

In het elektriciteitsnet worden transformatoren gebruikt om de in de centrale opgewekte energie te transformeren naar een hoge spanning. Bij deze hoge spanning wordt de energie door het net getransporteerd tot de punten waar de energie wordt afgenomen. Daar wordt de spanning weer omlaag getransformeerd en geleid naar transformatorhuisjes in de woonwijken, waar de spanning weer verder omlaag wordt getransformeerd. Omdat het vermogen aan de primaire zijde (op verliezen na) gelijk is aan het vermogen aan de secundaire zijde, kan bij hoge spanning de stroomsterkte relatief klein gehouden worden, zodat (bij een gegeven leidingweerstand) de transportverliezen beperkt blijven.

Geschiedenis

Het principe van de transformator werd al in 1831 gedemonstreerd door Michael Faraday, hoewel hij het alleen gebruikte om elektromagnetische inductie aan te tonen en hij geen praktische toepassing voorzag. Het zou tot 1880 duren voordat er een toepasbare transformator op de markt kwam. In minder dan 10 jaar zou de transformator definitief de strijd beslissen tussen gelijk- en wisselstroom en zorgde ervoor dat - tot op vandaag de dag - wisselstroom wordt gebruikt als onze elektrische energie.

De Russische ingenieur Pavel Jablochkoff vond in 1876 een verlichtingssysteem uit met booglampen en inductiespoelen. Hierbij waren de primaire windingen aangesloten op een wisselstroombron en zijn elektrische Jablochkoff-kaarsen op de secundaire windingen. Zijn inductiespoel werkte dus als een transformator. In 1882 toonden de Fransman Lucien Gaulard en de Engelsman John Dixon Gibbs in Londen als eersten een apparaat met een open ijzerkern die ze 'secondary generator' noemden. Ze verkochten hun idee aan het Amerikaanse bedrijf van George Westinghouse en lieten in 1884 hun uitvinding zien in Turijn waar het werd gebruikt voor elektrische verlichting.

In de Verenigde Staten bouwde William Stanley Jr., een technicus in dienst van Westinghouse, in 1885 het eerste commerciële apparaat nadat Westinghouse de patentrechten van Gibbs en Gaulard voor in de VS had gekocht. Zijn ontwerp was gemaakt van dunne overlappende metalen plaatjes en werd voor het eerste commercieel toegepast in 1886. In hetzelfde jaar, 1885, bouwden in Europa de Hongaarse ingenieurs Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy en Miksa Déri, allen werkzaam bij de Ganz fabrieken, de zeer efficiënte ZBD-transformator. Hun model met een gesloten ringvormige ijzerkern was ook gebaseerd op hetzelfde model van Gaulard en Gibbs. In hun patent werd voor het eerst het woord "transformator" gebruikt.

De Russische ingenieur Michail Doliwo-Dobrowolski ontwikkelde in 1889 de eerste driefasentransformator en in 1891 vond Nikola Tesla de Tesla-spoel uit, een transformator om zeer hoge spanningen mee op te wekken. Radiofrequentietransformatoren werden gebruikt bij de eerste experimenten in de ontwikkeling van telefonie en radio.

Constructie

Een transformator bestaat uit twee of meer spoelen, die zich in elkaars magnetisch veld bevinden. Soms zijn de spoelen uitgevoerd als één wikkeling met aftakkingen. Afhankelijk van de toepassing van de transformator worden de spoelen al dan niet gewikkeld rond een magnetiseerbare kern. Het wikkeldraad is meestal koper, dat is voorzien van een isolatielaagje van schellak om sluiting tussen de wikkelingen te voorkomen.

Bij laagfrequenttypen, transformatoren voor lage frequenties (tot ca. 1 kHz) is de kern meestal van gelamelleerd, zacht siliciumstaal (weekijzer), zgn. transformatorblik. De kern bestaat uit lamellen die van elkaar geïsoleerd zijn om het vermogensverlies in de kern door wervelstromen te beperken. De uitvoeringsvorm kan naar de vorm van de ijzerlamellen een E-I-, U-I-, U-U- of een ronde kern (ringkern) zijn. De spoelen worden op een kunststof of hars-gedrenkt kartonnen spoelvorm gewikkeld.

Heel oude vermogenstransformators waren meestal op een "Quad-U" ofwel "Quad-C" kern gewikkeld.[1] Deze waren dus als onderhelft uu en als bovenhelft nn, waarbij op de gemeenschappelijke delen de spoelen gewikkeld waren, waarvan de kerndelen met een zware stalen spanband bij elkaar gehouden werden. Ieder zo'n U-deel bestond uit een flink aantal lagen transformatorblik die in een steeds grotere U gebogen waren die vervolgens exact over de vorige U pasten. Door de gebogen vorm van deze U's en hun "dwarse ligging" was er toch relatief weinig strooiveld (magnetisch veld dat buiten de spoelen omgaat en tot energieverlies leidt), in tegenstelling tot de hedendaagse E-I of E-E kern.

Bij hoogfrequenttypen (vanaf 1 kHz) is de magnetiseerbare kern vervaardigd uit ferriet (minuscule ijzerdeeltjes die met een keramische legering zijn vermengd en in de vorm van de kern zijn geperst).

Formules

Voor een transformator geldt de wet van behoud van energie. Al het aan de primaire kant opgenomen vermogen moet ergens blijven. Het grootste deel kan aan de secundaire kant weer afgenomen worden, ofwel

P_p = P_s + P_diss

Een klein deel van de energie wordt in de transformator echter in warmte omgezet (gedissipeerd vermogen). Voor een ideale transformator, waar geen verliezen in optreden, geldt dus (met P = U · I).

U_p · I_p = U_s · I_s

De sterkte van het magnetische veld in de spoel is afhankelijk van het aantal windingen van die spoel en de sterkte van de elektrische stroom door die windingen. Heeft de primaire spoel n_p windingen en de secundaire n_s windingen, dan zullen de spanning U en stroom I aan in- en uitgang van de transformator zich verhouden als:

U_s___U_p = n_s__n_p

en

I_s___I_p = n_p__n_s

De fractie n_s__n_p wordt ook wel de transformatieverhouding genoemd.

Impedantietransformator

Bij gebruik als impedantietransformator (voor audioversterkers en hf-apparatuur) geldt voor de impedantie de formule:

• Z_s = (  n_s /n_p )²

Verliezen

In de praktijk treden altijd verliezen op die in bovenstaande formules niet verwerkt zijn. Oorzaken van verliezen zijn: warmteproductie in de spoelen (koperverliezen), geluidsproductie en magnetische verliezen (ijzerverliezen). Vooral warmteverliezen zijn kwantitatief belangrijk. Toch is met transformatoren meestal een hoog nuttig rendement te halen, in de orde van 90%. Bij goedkope adapters (voedingsapparaten met kleine transformators in een behuizing die in zijn geheel in het stopcontact wordt gestoken) wordt soms bezuinigd op de metalen lamellen van de kern. Het gevolg hiervan is, dat de overige lamellen sneller in magnetische verzadiging kunnen raken, waardoor er meer primaire stroom gaat lopen, met als gevolg meer warmteontwikkeling.

E-kern versus ringkern

De simpelste uitvoering van de transformator heet E-E- of E-I-kerntransformator naar de vorm van het deel van het lamellenpakket waarover de spoelen worden geschoven. De spoelen worden over de middelste poot van de E geschoven. Hierna wordt een tweede, E- of I-vormig pakket tegen het E-vormige pakket geschoven. Bij betere uitvoeringen zijn de lamellen om en om gestapeld. Een probleem bij de E-kern transformator is dat de lamellen van de kern niet één doorlopend geheel vormen, maar dat de kern uit twee delen bestaat die zo goed mogelijk tegen elkaar worden gedrukt. De kern van een ringkerntransformator bestaat uit één doorlopende band van weekijzer, die is opgerold tot een ring. Over deze ring worden de wikkelingen gelegd. Een ringkerntransformator heeft minder verliezen, maar is duurder om te maken vanwege de technische problemen bij het wikkelen van de spoelen. Ook heeft de ringkern een gunstiger gevormd magnetisch circuit waardoor het strooiveld kleiner is.

Een transformator die dubbel geïsoleerd is, heeft de primaire en secundaire wikkelingen op afzonderlijke kunststof vormen. Voor gewone transformator voor consumentengebruik is dat de veiligste manier. Vroeger werden de primaire en secundaire wikkelingen soms over elkaar heen gewikkeld. Als door hitte of mechanische beschadigingen de isolatie van de wikkelingen stuk ging, dan kon de secundaire wikkeling onder netspanning komen te staan.

Bij ringkerntransformators worden de wikkelingen meestal direct over elkaar heen gewikkeld wat het ontwerp energiezuiniger maakt. Het maakt de ringkerntransformator tegelijk relatief kwetsbaar en daardoor minder geschikt voor consumententoepassingen. Ringkerntrafo's zijn vaak te vinden in zwaardere (eind)versterkers.

Een eenvoudige transformator kan kortsluitvast gemaakt worden, door hem minder effectief te maken. Wanneer een ringkerntransformator aan de secundaire zijde kortgesloten wordt (bijvoorbeeld doordat het aangesloten apparaat stuk is gegaan) dan gaat er primair een grote stroom lopen. Er ontstaat zo in korte tijd zeer veel warmte. Door zijn hoge rendement is de ringkerntransformator niet kortsluitvast te maken. Daarom wordt hij vrijwel niet meer gebruikt in consumentenproducten.

De Europese norm pleit wel voor het gebruik van de ringkern, vooral vanwege het beperkte strooiveld.

Speciale uitvoeringen

Er zijn ook speciale soorten transformatoren:

• Autotransformator. Deze bestaat uit alleen een primaire wikkeling die op een aantal punten 'afgetapt' kan worden.
• Bobine. Een bobine is een speciale transformator die in het ontstekingssysteem van auto's met mengselmotor gebruikt wordt om de hoogspanning op te wekken waarmee met behulp van een bougie vonk het brandstofmengsel wordt ontstoken.
• Driefasentransformator. Speciaal voor het omvormen van driefasenspanningen bedoeld.
• Lastransformator. Deze bevat een verschuifbare kern waarmee de maximale stroomsterkte is in te stellen. De uitgangsspanning is laag en de stroom hoog.
• Variacs. Een variac is vaak een variant op de autotransformator waarbij de uitgangsspanning traploos geregeld kan worden. Variacs worden onder andere gebruikt om in testopstellingen netspanningsvariaties te simuleren. Soms wordt de variabele uitgangsspanning van een secundaire wikkeling afgenomen, waardoor het aangesloten apparaat niet rechtstreeks met de netspanning is verbonden. Dit is vooral van belang voor de veiligheid bij onderzoek- en reparatiewerkzaamheden.
• Veiligheidstransformator. Primaire en secundaire spoelen van de veiligheidstrafo's zijn door een dubbele isolatielaag van elkaar gescheiden, om elektrocutiegevaar weg te nemen. Veiligheidstransformatoren worden gebruikt in vochtige vertrekken en besloten ruimten als voeding voor looplampen, elektrisch materieel bij medische toepassingen, e.d.
• Scheidingstransformator. Net zoals bij de veiligheidstrafo zijn de primaire en secundaire spoelen hier met dubbele isolatie van elkaar gescheiden, maar de primaire spanning is gelijk aan de secundaire spanning (meestal 230 V). Scheidingstrafo's worden gebruikt om elektrocutiegevaar te verminderen als de keuze voor een veiligheidstransformator niet gemaakt kan worden. De meeste laboratoriumtoestellen, zoals de oscilloscoop, hebben omwille van veiligheidsredenen een ingebouwde scheidingstrafo. Een scheerstopcontact bevat een scheidingstrafo, zodat het zonder gevaar in een badkamer aanwezig mag zijn.
• Uitgangstransformator. Deze trafo wordt gebruikt in buizenversterkers om de wisselstroom die op de gelijkstroom uit de anode van een elektronenbuis staat gesuperponeerd, aan een luidspreker af te geven. De trafo gedraagt zich als een scheidingstransformator en als de boven beschreven impedantietransformator.
• Verhuistransformator. Meestal voorzien van 230 V en 110 V aansluiting voor in- en uitgangen. Bedoeld om apparaten van het ene net op het andere aan te sluiten (bijvoorbeeld na een verhuizing naar een ander land of continent). Hiervoor gebruikt men meestal een autotransformator
• Tokamak. De plasmastroom in een tokamak wordt op gang gebracht en gehouden door het transformatorprincipe, waarbij de plasmaring dienst doet als secundaire spoel. Zie kernfusie.
• Schuiftransformator. Schuiftransformators kunnen stroom of signalen van een vaste punt naar een bewegend onderdeel doorgeven. Zie ook de Lineaire Variabele Differentiële Transformator.
• Meettransformatoren waaronder spanningstransformatoren en stroomtransformatoren. Deze transformatoren hebben niet tot doel een belasting te voeden maar een meetsignaal te transformeren naar een meetbare waarde. Zij worden voornamelijk ingezet voor energiemeting en beveiliging van installaties.
• Aardingstransformator die een driefasig net zonder nulpunt kan aarden om zwevende potentialen tegen te gaan.
• Treintransformator is de transformator die de spanning van de bovenleiding van het spoorwegnet omlaag transformeert op niveau van de tractiemotoren.
• Vermogentransformator. Vermogentransformatoren worden in onderstations ondergebracht voor de distributie van elektriciteit. Ze hebben een zeer hoog rendement; beter dan 99%, en een zeer hoge impedantie om kortsluitstromen te beperken tot ongeveer een factor 5×I_nom. Ze hebben doorgaans ook een regelschakelaar waardoor de netspanning constant kan gehouden worden bij veranderende belasting. We spreken over een vermogentransformator vanaf ongeveer 10 MVA.

Geluidsproductie

De geluidsproductie van transformatoren wordt veroorzaakt door magnetostrictie, het verschijnsel dat de magneetkern krimpt en uitzet met de grootte van het magnetisch veld. De optredende trilling veroorzaakt het geluid dat rond een transformator hoorbaar is als een toon met de dubbele frequentie van de wisselspanning. Transformatoren in het lichtnet produceren hierdoor geluid van 100 Hz (brommen). Bij grotere transformatoren in de open lucht kan dit leiden tot geluidshinder. Doordat het optredende geluid een lage frequentie heeft en bovendien goed voorspelbaar is, kan het geluid van transformatoren met antigeluid worden bestreden. Het is hiermee in 2003 een van de weinige praktische toepassingen van antigeluid.

Een andere geluidsbron zijn de eventuele corona-ontladingen. Hierbij wordt dichtbij een geleider de doorslagveldsterkte van lucht overschreden, waardoor de lucht daar geïoniseerd raakt, en onder invloed van de aanwezige velden beweegt.

Toekomst

Weliswaar wordt de grote blikpakkettransformator in sommige elektronische toestellen nog steeds toegepast, maar nieuwe technologieën hebben de toepassing sterk teruggedrongen. Tegenwoordig wordt de traditionele trafo met twee spoelen verdrongen door de zogeheten schakelende voedingen, die met een andere procedure voor een vergelijkbaar vermogen een veel kleinere ferrietkerntransformator gebruiken, om toch de benodigde lage spanning te verkrijgen. Deze zijn kleiner en hebben een hoger rendement, maar zijn over het algemeen minder betrouwbaar door de grotere hoeveelheid componenten. Schakelende voedingen voor o.a. laptops, cameras enz. hebben meestal een gelijke uitgang bij een ingangsspanning die mag variëren van 110 tot 240 volt.

Zie ook

• Omvormer