En transformator ändrar spänningen i växelström. Den består av två lindningar av koppartråd runt en gemensam järnkärna. Spänningen ändras i samma förhållande som antalet varv i lindningarna: har sekundärlindningen hälften så många varv som primärlindningen blir spänningen hälften så hög. Transformatorer finns överallt, från de stora i kraftverken till den lilla i laddaren till din telefon. Utan dem skulle elnätet inte fungera.
Ordet trafo är en vardaglig förkortning av transformator. Den här sidan förklarar hur den fungerar, hur du räknar på den och varför den bara klarar växelström. Du får också följa elens väg genom fem spänningsnivåer, från kraftverket till uttaget i ditt kök.
Vad gör en transformator?
En transformator gör två saker. Den höjer eller sänker spänningen och skiljer samtidigt två elektriska kretsar åt utan att de har någon direkt elektrisk kontakt, eftersom energin överförs genom ett magnetfält.
När spänningen sänks ökar strömmen i samma grad. Höjs spänningen minskar strömmen. Effekten är i princip densamma på båda sidor. En transformator som sänker 230 V till 12 V och levererar 5 A på lågspänningssidan tar därför bara omkring 0,26 A från vägguttaget.
Så fungerar en transformator
Principen kallas elektromagnetisk induktion och upptäcktes av den engelske fysikern Michael Faraday 1831. En ström som ändrar storlek skapar ett magnetfält som ändrar sig. Ett magnetfält som ändrar sig skapar i sin tur en spänning i en ledare som sitter i det.
Växelströmmen i primärlindningen byter riktning 100 gånger per sekund vid 50 Hz. Den skapar ett magnetfält i järnkärnan som hela tiden växlar. Järnet leder fältet runt till sekundärlindningen, där det växlande fältet skapar en spänning. Varje varv i lindningen får lika stor spänning. Därför bestämmer antalet varv hur hög spänningen blir.
U1 / U2 = N1 / N2
Här är U1 och U2 spänningarna på primär- och sekundärsidan. N1 och N2 är antalet varv. Förhållandet mellan varvtalen kallas omsättning. En transformator med 1 150 varv på primärsidan och 60 på sekundärsidan har omsättningen ungefär 19:1 och gör om 230 V till 12 V.
Varför fungerar den inte med likström?
Likström ger ett magnetfält som står still. Ett fält som inte ändrar sig skapar ingen spänning i sekundärlindningen. Kopplar du likström till en transformator händer därför ingenting på utgången. På ingången flyter en stor ström som bara begränsas av lindningens resistans. Transformatorn blir varm.
Det är ett av de viktigaste skälen till att elnäten byggdes för växelström: med transformatorer kunde spänningen enkelt höjas för långa överföringar och sänkas igen hos användarna.
Räkna på en transformator
Fyll i primärspänningen, varvtalen och gärna effekten. Räknaren visar omsättning, sekundärspänning och strömmen på båda sidor.
Räkna på en transformator
Fyll i primärspänning och antingen varvtalen eller önskad sekundärspänning. Räknaren utgår från en ideal transformator utan förluster.
I verkligheten blir sekundärspänningen lite lägre än räknaren visar, särskilt när transformatorn är hårt belastad. En del energi går förlorad som värme i lindningar och kärna. Små transformatorer lindas därför med några extra varv på sekundärsidan för att kompensera.
Förluster och verkningsgrad
En transformator har inga rörliga delar och kan vara mycket effektiv. Distributionstransformatorer har ofta en verkningsgrad på 98 till 99 procent. Större transformatorer brukar vara ännu bättre. Förlusterna kommer från två håll.
- Kopparförluster uppstår när strömmen går genom lindningarnas resistans. De ökar med kvadraten på strömmen enligt P = R × I² och är störst när transformatorn är hårt belastad.
- Järnförluster uppstår i kärnan när den magnetiseras om hela tiden. Virvelströmmar i järnet ger värme. Därför byggs kärnan av tunna, isolerade plåtar i stället för ett massivt block.
Varför brummar transformatorn?
Järnkärnan ändrar storlek en aning när den magnetiseras, ett fenomen som kallas magnetostriktion. Det händer två gånger per period, oavsett åt vilket håll fältet pekar. Vid 50 Hz vibrerar kärnan därför 100 gånger per sekund. Det är det låga brummet du hör från en nätstation eller en gammal halogentransformator.
Från kraftverk till vägguttag
Elen passerar flera transformatorer på vägen till ditt hus. Varje nivå i elnätet har sin egen spänning. Mellan nivåerna sitter transformatorstationer.
- Kraftverketen transformator höjer spänningen direkt vid generatorn
- Transmissionsnätet400 eller 220 kV, Svenska kraftnät
- Regionnätetvanligen 30 till 130 kV
- Lokalnätet40 kV eller lägre
- Nätstationentransformerar ner till 400/230 V
- Ditt hus230 V i uttaget, 400 V mellan faserna
Mellan varje nivå sitter en transformator. Spänningsnivåer enligt Ekonomifakta.
Skälet till den höga spänningen i stamnätet är förlusterna. Effekten som går förlorad i en ledning är P = R × I². Höjer man spänningen tio gånger behövs bara en tiondel av strömmen för samma effekt. Förlusterna blir då en hundradel. Ohms lag och effektlagen förklaras närmare på sidan om Ohms lag.
Nätstationen i ditt kvarter
Det sista steget sker i nätstationen, den lilla byggnaden eller det gröna skåpet som står i de flesta bostadsområden. Där sänks spänningen från lokalnätet till 400/230 V. Ut går tre faser och en nolla som räcker till en gata eller ett kvarter. Mer om faserna finns på sidan om trefas.
Transformatorer i hemmet: från 230 V till 12 V
Hemma möter du transformatorer framför allt i belysning och laddare. Skillnaden mellan typerna är viktig när du byter lampor.
| Typ | Hur den fungerar | Typiskt |
|---|---|---|
| Konventionell transformator | Järnkärna och lindningar som arbetar direkt på 50 Hz. Ger 12 V växelström. | Tung, kan brumma, äldre halogenbelysning |
| Elektronisk transformator | Gör om spänningen till hög frekvens först, så att transformatorn kan bli liten. | Lätt, tyst, vanlig till halogen |
| LED-drivdon och nätaggregat | Switchat nätaggregat som ger likström med 12 eller 24 V eller en konstant ström. | LED-list, LED-spotlights, laddare |
Byter du halogenlampor på 12 V mot LED-lampor kan den gamla transformatorn ställa till det. Elektroniska halogentransformatorer kräver ofta en minsta last för att fungera. LED-lampor drar så lite att de inte når upp till den. Resultatet blir lampor som blinkar eller inte tänds alls. Lösningen är oftast ett drivdon avsett för LED.
Att det står transformator på förpackningen till en LED-list betyder oftast att det är ett nätaggregat som ger likström. Kontrollera att utspänningen stämmer, att effekten räcker med marginal och om listan kräver konstant spänning eller konstant ström.
Laddaren till telefonen
En modern laddare är ett switchat nätaggregat. Den likriktar först nätspänningen, hackar sedan upp den till en frekvens på tiotals kilohertz och transformerar ner den. Vid hög frekvens räcker en mycket mindre transformator för samma effekt. Det är därför en telefonladdare i dag ryms i handflatan, medan en gammal 12 V-transformator med järnkärna kunde väga ett halvt kilo.
Olika typer av transformatorer
- Krafttransformatorer sitter i kraftverk och i transmissionsnätet och kan vara stora som ett hus.
- Distributionstransformatorer sitter i nätstationerna och sänker spänningen till 400/230 V.
- Spartransformatorer har bara en lindning med ett uttag på mitten. De är billigare men skiljer inte kretsarna åt.
- Skiljetransformatorer har omsättningen 1:1 och används för att isolera en krets från nätet, till exempel vid arbete på elektronik.
- Strömtransformatorer används för att mäta stora strömmar, bland annat i elmätare för större anläggningar.
- Toroidtransformatorer har en ringformad kärna och är tystare och mer kompakta än vanliga transformatorer.
Sverige och transformatorn
Svensk industri har tillverkat transformatorer sedan elektricitetens barndom. Ludvika i Dalarna är i dag ett av världens viktigaste centra för stora krafttransformatorer, med anor från ASEA och numera ägt av Hitachi Energy. I augusti 2024 fick fabriken en rekordorder från Svenska kraftnät. Den gäller krafttransformatorer på upp till 750 MVA, ska löpa över åtta år och levereras mellan 2027 och 2032.
Den första praktiska transformatorn med sluten järnkärna kom från Ganz-verken i Budapest. Ingenjörerna Zipernowsky, Bláthy och Déri levererade de första exemplaren hösten 1884 och patenterade konstruktionen året efter.
Vanliga frågor om transformatorer
Vad är en trafo?
Trafo är en vardaglig förkortning av transformator. Ordet används ofta om små transformatorer och nätaggregat till belysning, som en 12 V-trafo till halogenlampor eller LED.
Kan man transformera likström?
Inte direkt. En transformator kräver ett magnetfält som ändrar sig. Likström måste först göras om till växelström i en växelriktare, transformeras och sedan likriktas igen. Det är så moderna nätaggregat och högspänd likströmsöverföring fungerar.
Varför anges transformatorer i VA och inte i watt?
VA, voltampere, är spänningen gånger strömmen och kallas skenbar effekt. En transformator belastas av både spänning och ström, oavsett hur mycket av effekten som omvandlas till nyttigt arbete i apparaten. För en ren resistiv last som en glödlampa är VA och watt samma sak.
Vad är skillnaden mellan en transformator och ett nätaggregat?
Transformatorn ändrar bara växelspänningen. Ett nätaggregat innehåller oftast en transformator men också en likriktare och en regulator, så att det ger en stabil likspänning ut.
Källor
- Wikipedia: Transformer (induktion, Ganz-verken, verkningsgrad, magnetostriktion)
- Ekonomifakta: Hur fungerar kraftnätet?
- Hitachi Energy: Rekordorder från Svenska kraftnät
Senast uppdaterad