Transformatör

Kuzey Amerika'da tipik olarak 120/240 V olarak derecelendirilen konut ve hafif ticari hizmet için "ayrık fazlı" güç sağlamak için kullanılan, merkezden dişli ikincil sargılı direğe monte dağıtım transformatörü. ⓘ

Transformatör, elektrik enerjisini bir elektrik devresinden başka bir devreye veya birden fazla devreye aktaran pasif bir bileşendir. Transformatörün herhangi bir bobinindeki değişken bir akım, transformatörün çekirdeğinde değişken bir manyetik akı üretir ve bu da aynı çekirdeğin etrafına sarılmış diğer bobinler boyunca değişken bir elektromotor kuvveti indükler. Elektrik enerjisi, iki devre arasında metalik (iletken) bir bağlantı olmadan ayrı bobinler arasında aktarılabilir. Faraday'ın 1831 yılında keşfedilen indüksiyon yasası, bobin tarafından çevrelenen değişen bir manyetik akı nedeniyle herhangi bir bobinde indüklenen voltaj etkisini açıklar. ⓘ

Transformatörler AC voltaj seviyelerini değiştirmek için kullanılır, bu tür transformatörler voltaj seviyesini artırmak veya azaltmak için sırasıyla yükseltici veya düşürücü tip olarak adlandırılır. Transformatörler ayrıca devreler arasında galvanik izolasyon sağlamak ve sinyal işleme devrelerinin aşamalarını birleştirmek için de kullanılabilir. 1885'te ilk sabit potansiyelli transformatörün icadından bu yana, transformatörler alternatif akım elektrik gücünün iletimi, dağıtımı ve kullanımı için gerekli hale gelmiştir. Elektronik ve elektrik gücü uygulamalarında çok çeşitli transformatör tasarımlarıyla karşılaşılmaktadır. Transformatörlerin boyutları, hacmi bir santimetre küpten daha az olan RF transformatörlerinden, elektrik şebekesini birbirine bağlamak için kullanılan yüzlerce ton ağırlığındaki birimlere kadar değişir. ⓘ

Transformatör örnek şeması ⓘ

Prensipler

İdeal transformatör denklemleri

Faraday'ın indüksiyon yasasına göre:

$V_{\text{P}}=-N_{\text{P}}{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}$

(Eşitlik 1)

$V_{\text{S}}=-N_{\text{S}}{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}$

(Eşitlik 2)

nerede $V$ anlık gerilimdir, $N$ sargıdaki sarım sayısı, dΦ/dt sargının bir turundan geçen Φ manyetik akısının zamana (t) göre türevidir ve _P ve _S alt simgeleri birincil ve ikincil anlamına gelir.

Eşitlik 1 ve eşitlik 2'nin oranının birleştirilmesi:

Dönüş oranı $={\frac {V_{\text{P}}}{V_{\text{S}}}}={\frac {N_{\text{P}}}{N_{\text{S}}}}=a$

(Eşitlik 3)

Burada yükseltici bir transformatör için a < 1 ve düşürücü bir transformatör için a > veya = 1'dir.

Enerjinin korunumu yasasına göre, görünür, gerçek ve reaktif gücün her biri giriş ve çıkışta korunur:

$S=I_{\text{P}}V_{\text{P}}=I_{\text{S}}V_{\text{S}}$

(Eşitlik 4)

nerede $S$ görünür güç ve $I$ akımdır.

Eşitlik 3 ve Eşitlik 4'ün bu son not ile birleştirilmesi ideal transformatör kimliğini verir:

${\frac {V_{\text{P}}}{V_{\text{S}}}}={\frac {I_{\text{S}}}{I_{\text{P}}}}={\frac {N_{\text{P}}}{N_{\text{S}}}}={\sqrt {\frac {L_{\text{P}}}{L_{\text{S}}}}}=a$

(Eşitlik 5)

nerede $L$ sargı öz endüktansıdır.

Ohm yasası ve ideal transformatör kimliği ile:

$Z_{\text{L}}={\frac {V_{\text{S}}}{I_{\text{S}}}}$

(Eşitlik 6)

$Z'_{\text{L}}={\frac {V_{\text{P}}}{I_{\text{P}}}}={\frac {aV_{\text{S}}}{I_{\text{S}}/a}}=a^{2}{\frac {V_{\text{S}}}{I_{\text{S}}}}=a^{2}{Z_{\text{L}}}$

(Eşitlik 7)

nerede $Z_{\text{L}}$ ikincil devrenin yük empedansıdır & $Z'_{\text{L}}$ primer devrenin görünür yük veya sürüş noktası empedansıdır, üst simge $'$ primere atıfta bulunulduğunu gösterir. ⓘ

İdeal transformatör

İdeal bir transformatör doğrusal, kayıpsız ve mükemmel kuplajlıdır. Mükemmel bağlantı, sonsuz yüksek çekirdek manyetik geçirgenliği ve sargı endüktansı ve sıfır net manyetomotor kuvvet (yani ipnp - isns = 0) anlamına gelir. ⓘ

Birincil üzerinde kaynak V_P ve ikincil üzerinde yük empedansı Z_L ile bağlı ideal transformatör, burada 0 < Z_L < ∞. ⓘ

İdeal transformatör ve indüksiyon yasası ⓘ

Transformatörün birincil sargısındaki değişken akım, transformatör çekirdeğinde değişken bir manyetik akı oluşturur ve bu akı da ikincil sargı tarafından çevrelenir. Sekonder sargıdaki bu değişken akı, sekonder sargıda değişken bir elektromotor kuvvet veya voltaj indükler. Bu elektromanyetik indüksiyon olgusu transformatör eyleminin temelini oluşturur ve Lenz yasasına uygun olarak, bu şekilde üretilen ikincil akım, birincil sargı tarafından üretilene eşit ve zıt bir akı oluşturur. ⓘ

Sargılar sonsuz yüksek manyetik geçirgenliğe sahip bir çekirdek etrafına sarılır, böylece manyetik akının tamamı hem birincil hem de ikincil sargılardan geçer. Birincil sargıya bağlı bir gerilim kaynağı ve ikincil sargıya bağlı bir yük ile transformatör akımları belirtilen yönlerde akar ve çekirdek manyetomotor kuvveti sıfıra eşitlenir. ⓘ

Faraday yasasına göre, ideal bir transformatörde aynı manyetik akı hem birincil hem de ikincil sargılardan geçtiğinden, her sargıda sargı sayısıyla orantılı bir voltaj indüklenir. Transformatör sargı gerilim oranı, sargı dönüş oranına eşittir. ⓘ

İdeal bir transformatör, tipik bir ticari transformatör için makul bir yaklaşımdır; gerilim oranı ve sargı dönüş oranının her ikisi de ilgili akım oranıyla ters orantılıdır. ⓘ

Primer devreye atıfta bulunulan yük empedansı, sarım oranının karesinin sekonder devre yük empedansı ile çarpımına eşittir. ⓘ

İdeal bir transformatör, sonsuz geçirgenliğe ve sıfır çekirdek kaybına sahiptir. Ortak bir manyetik devreyi kucaklayan iki dirençsiz bobinden oluşmaktadır. Bobinlerde hiçbir akı kaybı oluşmaz; manyetik devrenin tüm akısı her iki bobini de birbirine bağlamaktadır. İdeal bir transformatörün verimi %100 kabul edilmektedir. ⓘ

İdeal transformatör şematik gösterimi ⓘ

Gerçek transformatör

Bir transformatörün kaçak akısı ⓘ

İdeal transformatörden sapmalar

İdeal transformatör modeli, gerçek transformatörlerin aşağıdaki temel doğrusal yönlerini ihmal eder: (a) Topluca mıknatıslanma akımı kayıpları olarak adlandırılan ve aşağıdakilerden oluşan çekirdek kayıpları

• Transformatör çekirdeğindeki doğrusal olmayan manyetik etkilerden kaynaklanan histerezis kayıpları ve
• Çekirdekteki joule ısınmasından kaynaklanan ve transformatörün uygulanan voltajının karesiyle orantılı olan girdap akımı kayıpları. ⓘ

(b) İdeal modelin aksine, gerçek bir transformatördeki sargıların sıfır olmayan dirençleri ve endüktansları vardır:

• Birincil ve ikincil sargılardaki dirençten kaynaklanan Joule kayıpları
• Çekirdekten kaçan ve sadece bir sargıdan geçen kaçak akı, birincil ve ikincil reaktif empedansla sonuçlanır. ⓘ

(c) bir indüktöre benzer şekilde, parazitik kapasitans ve elektrik alan dağılımına bağlı olarak kendi kendine rezonans fenomeni. Genellikle üç tür parazitik kapasitans dikkate alınır ve kapalı döngü denklemleri sağlanır

• Herhangi bir katmandaki bitişik dönüşler arasındaki kapasitans;
• Bitişik katmanlar arasındaki kapasitans;
• Çekirdek ile çekirdeğe bitişik katman(lar) arasındaki kapasitans; ⓘ

Kapasitansın transformatör modeline dahil edilmesi karmaşıktır ve nadiren denenir; aşağıda gösterilen 'gerçek' transformatör modelinin eşdeğer devresi parazitik kapasitansı içermez. Bununla birlikte, kapasitans etkisi açık devre endüktansı, yani ikincil devre açıkken birincil sargının endüktansı, ikincil sargı kısa devre olduğunda kısa devre endüktansı ile karşılaştırılarak ölçülebilir. ⓘ

Kaçak akı

İdeal transformatör modeli, primer sargı tarafından üretilen tüm akının kendisi de dahil olmak üzere her sargının tüm dönüşlerini birbirine bağladığını varsayar. Pratikte, bazı akılar sargıların dışına çıkan yollardan geçer. Bu akı kaçak akı olarak adlandırılır ve karşılıklı olarak bağlanmış transformatör sargıları ile seri olarak kaçak endüktans ile sonuçlanır. Kaçak akı, güç kaynağının her döngüsünde enerjinin dönüşümlü olarak manyetik alanlarda depolanması ve manyetik alanlardan boşaltılmasıyla sonuçlanır. Bu doğrudan bir güç kaybı değildir, ancak özellikle ağır yük altında ikincil gerilimin birincil gerilimle doğru orantılı olmamasına neden olarak daha düşük gerilim regülasyonuna yol açar. Bu nedenle transformatörler normalde çok düşük kaçak endüktansa sahip olacak şekilde tasarlanır. ⓘ

Bazı uygulamalarda daha fazla sızıntı istenir ve uzun manyetik yollar, hava boşlukları veya manyetik bypass şöntleri, sağlayacağı kısa devre akımını sınırlamak için bir transformatör tasarımına kasıtlı olarak dahil edilebilir. Sızdıran transformatörler elektrik arkları, cıva ve sodyum buharlı lambalar ve neon tabelalar gibi negatif direnç gösteren yükleri beslemek veya elektrik ark kaynakçıları gibi periyodik olarak kısa devre olan yükleri güvenli bir şekilde idare etmek için kullanılabilir. ⓘ

Hava boşlukları, bir transformatörün, özellikle de sargılarda akan bir DC bileşenine sahip devrelerdeki ses frekansı transformatörlerinin doymasını önlemek için de kullanılır. Doyurulabilir bir reaktör, alternatif akımı kontrol etmek için çekirdeğin doygunluğundan yararlanır. ⓘ

Kaçak endüktans bilgisi, transformatörler paralel olarak çalıştırıldığında da faydalıdır. İki transformatörün yüzde empedansı ve ilgili sargı kaçak reaktans-direnç (X/R) oranının aşağıdaki gibi olduğu gösterilebilir aynı olsaydı, transformatörler yük gücünü kendi değerleriyle orantılı olarak paylaşırlardı. Ancak, ticari transformatörlerin empedans toleransları önemlidir. Ayrıca, farklı kapasiteli transformatörlerin empedansı ve X/R oranı değişme eğilimindedir. ⓘ

Eşdeğer devre

Diyagrama bakıldığında, pratik bir transformatörün fiziksel davranışı, ideal bir transformatör içerebilen bir eşdeğer devre modeli ile temsil edilebilir. ⓘ

Sargı joule kayıpları ve kaçak reaktanslar modelin aşağıdaki seri döngü empedansları ile temsil edilir:

• Birincil sargı: RP, XP
• İkincil sargı: RS, XS.

Devre eşdeğerlik dönüşümünün normal seyrinde, RS ve XS pratikte genellikle bu empedansların (N_P/NS) 2 = a² dönüş oranının karesi ile çarpılmasıyla primer tarafa yönlendirilir. ⓘ

Gerçek transformatör eşdeğer devresi ⓘ

Çekirdek kaybı ve reaktansı, modelin aşağıdaki şönt bacak empedansları ile temsil edilir:

• Çekirdek veya demir kayıpları: R_C
• Mıknatıslanma reaktansı: X_M.

R_C ve X_M birlikte modelin mıknatıslama kolu olarak adlandırılır. ⓘ

Nüve kayıpları çoğunlukla nüvedeki histerezis ve girdap akımı etkilerinden kaynaklanır ve belirli bir frekansta çalışma için nüve akısının karesiyle orantılıdır. Sonlu geçirgenliğe sahip nüve, nüvedeki karşılıklı akıyı korumak için bir mıknatıslama akımı I_M gerektirir. Mıknatıslanma akımı akı ile aynı fazdadır, ikisi arasındaki ilişki doygunluk etkileri nedeniyle doğrusal değildir. Bununla birlikte, gösterilen eşdeğer devrenin tüm empedansları tanım gereği doğrusaldır ve bu tür doğrusal olmayan etkiler tipik olarak transformatör eşdeğer devrelerine yansıtılmaz. Sinüzoidal besleme ile, çekirdek akısı indüklenen EMF'yi 90° geciktirir. Açık devre sekonder sargı ile, mıknatıslanma branş akımı I₀ transformatör yüksüz akımına eşittir. ⓘ

Alçak gerilim ("LV") yan terminalinde polarite noktası ve X1 işaretleri bulunan enstrüman transformatörü ⓘ

Ortaya çıkan model, doğrusallık varsayımlarına dayalı olarak bazen 'kesin' eşdeğer devre olarak adlandırılsa da, bir dizi yaklaşımı muhafaza eder. Analiz, mıknatıslama dalı empedansının nispeten yüksek olduğu varsayılarak ve dal primer empedanslarının soluna yerleştirilerek basitleştirilebilir. Bu, hatayı beraberinde getirir ancak primer ve yönlendirilen sekonder direnç ve reaktansların iki seri empedans olarak basit bir şekilde toplanarak birleştirilmesine olanak tanır. ⓘ

Transformatör eşdeğer devre empedansı ve transformatör oranı parametreleri aşağıdaki testlerden elde edilebilir: açık devre testi, kısa devre testi, sargı direnci testi ve transformatör oranı testi. ⓘ

Transformatör EMF denklemi

Nüvedeki akı tamamen sinüzoidal ise, her iki sargı için sargının rms gerilimi E_rms ile besleme frekansı f, sarım sayısı N, m² cinsinden nüve kesit alanı A ve Wb/m² veya T (tesla) cinsinden tepe manyetik akı yoğunluğu B_peak arasındaki ilişki evrensel EMF denklemi ile verilir:

$E_{\text{rms}}={\frac {2\pi fNAB_{\text{peak}}}{\sqrt {2}}}\approx 4.44fNAB_{\text{peak}}$ ⓘ

Polarite

Transformatör devre şemalarında, isim levhalarında veya terminal işaretlerinde transformatör sargılarının göreceli polaritesini tanımlamak için genellikle bir nokta konvansiyonu kullanılır. Primer sargının 'nokta' ucuna giren pozitif artan anlık akım, sekonder sargının 'nokta' ucundan çıkan pozitif polariteli voltajı indükler. Elektrik güç sistemlerinde kullanılan üç fazlı transformatörler, terminalleri arasındaki faz ilişkilerini gösteren bir isim plakasına sahip olacaktır. Bu, bir fazör diyagramı şeklinde olabileceği gibi, her bir sargı için dahili bağlantı türünü (wye veya delta) göstermek üzere alfa-nümerik bir kod kullanılması şeklinde de olabilir. ⓘ

Frekansın etkisi

Belirli bir akıdaki bir transformatörün EMF'si frekansla birlikte artar. Daha yüksek frekanslarda çalışarak, transformatörler fiziksel olarak daha kompakt olabilir çünkü belirli bir çekirdek doygunluğa ulaşmadan daha fazla güç aktarabilir ve aynı empedansı elde etmek için daha az dönüş gerekir. Ancak çekirdek kaybı ve iletken deri etkisi gibi özellikler de frekansla birlikte artar. Uçak ve askeri ekipmanlar, nüve ve sargı ağırlığını azaltan 400 Hz güç kaynakları kullanır. Buna karşılık, bazı demiryolu elektrifikasyon sistemleri için kullanılan frekanslar, esas olarak ilk elektrikli çekiş motorlarının sınırlamaları ile ilgili tarihsel nedenlerden dolayı normal şebeke frekanslarından (50-60 Hz) çok daha düşüktür (örneğin 16,7 Hz ve 25 Hz). Sonuç olarak, yüksek havai hat gerilimlerini düşürmek için kullanılan transformatörler, aynı güç değeri için daha yüksek frekanslar için gerekli olanlardan çok daha büyük ve ağırdı. ⓘ

Düşük frekansın neden olduğu güç transformatörü aşırı uyarma durumu; akı (yeşil), demir çekirdeğin manyetik özellikleri (kırmızı) ve mıknatıslama akımı (mavi). ⓘ

Bir transformatörün tasarlanan voltajında ancak tasarlanandan daha yüksek bir frekansta çalıştırılması mıknatıslanma akımının azalmasına yol açacaktır. Daha düşük bir frekansta mıknatıslanma akımı artacaktır. Büyük bir transformatörün tasarım frekansından farklı bir frekansta çalıştırılması, güvenli çalışmanın pratik olup olmadığını belirlemek için gerilimlerin, kayıpların ve soğutmanın değerlendirilmesini gerektirebilir. Transformatörler, nominal frekanstan daha yüksek değerlerde transformatörü aşırı gerilimden korumak için koruyucu röleler gerektirebilir. ⓘ

Buna bir örnek, farklı elektrik standartlarına sahip bölgeler arasında çalışan elektrikli çoklu ünite ve yüksek hızlı tren hizmeti için kullanılan cer transformatörleridir. Konvertör ekipmanı ve cer transformatörleri farklı giriş frekanslarını ve voltajlarını (50 Hz'den 16,7 Hz'e kadar değişen ve 25 kV'a kadar derecelendirilmiş) karşılamak zorundadır. ⓘ

Çok daha yüksek frekanslarda gerekli transformatör çekirdeği boyutu dramatik bir şekilde düşer: fiziksel olarak küçük bir transformatör, şebeke frekansında büyük bir demir çekirdek gerektirecek güç seviyelerini idare edebilir. Anahtarlamalı güç yarı iletken cihazlarının geliştirilmesi, yüksek frekans üretmek ve ardından küçük bir transformatörle voltaj seviyesini değiştirmek için anahtar modlu güç kaynaklarını uygulanabilir hale getirmiştir. ⓘ

Büyük güç transformatörleri, anahtarlama veya yıldırım gibi yüksek frekanslı bileşenlere sahip geçici gerilimler nedeniyle yalıtım arızasına karşı savunmasızdır. ⓘ

Enerji kayıpları

Transformatör enerji kayıplarına sargı ve nüve kayıpları hakimdir. Transformatörlerin verimliliği, artan transformatör kapasitesiyle birlikte iyileşme eğilimindedir. Tipik dağıtım transformatörlerinin verimliliği yaklaşık yüzde 98 ila 99 arasındadır. ⓘ

Transformatör kayıpları yüke göre değiştiğinden, yüksüz kayıp, tam yük kaybı, yarı yük kaybı ve benzerlerini tablolaştırmak genellikle yararlıdır. Histerezis ve girdap akımı kayıpları tüm yük seviyelerinde sabittir ve yüksüz durumda baskındır, sargı kaybı ise yük arttıkça artar. Yüksüz kayıp önemli olabilir, böylece boştaki bir transformatör bile elektrik beslemesinde bir drenaj oluşturur. Daha düşük kayıp için enerji verimli transformatörler tasarlamak, daha büyük bir çekirdek, iyi kalitede silikon çelik, hatta çekirdek için amorf çelik ve daha kalın tel gerektirir, bu da ilk maliyeti artırır. Yapı seçimi, başlangıç maliyeti ile işletme maliyeti arasında bir değiş tokuşu temsil eder. ⓘ

Transformatör kayıpları şunlardan kaynaklanır:

Sargı joule kayıpları

Bir sargının iletkeninden akan akım, telin direnci nedeniyle joule ısınmasına neden olur. Frekans arttıkça, deri etkisi ve yakınlık etkisi sargının direncinin ve dolayısıyla kayıpların artmasına neden olur.

Çekirdek kayıpları

Histerezis kayıpları

Manyetik alan her tersine çevrildiğinde, çelik içindeki manyetik alanların hareketinden kaynaklanan çekirdek içindeki histerezis nedeniyle az miktarda enerji kaybedilir. Steinmetz'in formülüne göre, histerezis nedeniyle ısı enerjisi şu şekilde verilir

$W_{\text{h}}\approx \eta \beta _{\text{max}}^{1.6},$ ve,

histerezis kaybı şu şekilde verilir

$P_{\text{h}}\approx {W}_{\text{h}}f\approx \eta {f}\beta _{\text{max}}^{1.6}$

Burada, f frekans, η histerezis katsayısı ve β_max maksimum akı yoğunluğudur, ampirik üssü yaklaşık 1,4 ila 1,8 arasında değişir ancak genellikle demir için 1,6 olarak verilir. Daha ayrıntılı analiz için Manyetik çekirdek ve Steinmetz denklemine bakınız.

Girdap akımı kayıpları

Girdap akımları, değişen manyetik alan tarafından iletken metal transformatör çekirdeğinde indüklenir ve demirin direnci boyunca akan bu akım, çekirdekte ısı olarak enerji dağıtır. Girdap akımı kaybı, besleme frekansının karesinin ve malzeme kalınlığının ters karesinin karmaşık bir fonksiyonudur. Girdap akımı kayıpları, çekirdeğin katı bir blok yerine birbirinden elektriksel olarak yalıtılmış laminasyonlardan (ince plakalar) oluşan bir yığın haline getirilmesiyle azaltılabilir; düşük frekanslarda çalışan tüm transformatörler laminasyonlu veya benzer çekirdekler kullanır.

Manyetostriksiyonla ilgili transformatör uğultusu

Çekirdek gibi ferromanyetik bir malzemedeki manyetik akı, manyetik alanın her döngüsünde fiziksel olarak biraz genişlemesine ve büzülmesine neden olur, bu manyetostriksiyon olarak bilinen bir etkidir ve sürtünme enerjisi şebeke uğultusu veya "transformatör uğultusu" olarak bilinen duyulabilir bir gürültü üretir. Bu transformatör uğultusu özellikle güç frekanslarında beslenen transformatörlerde ve televizyon CRT'leriyle ilişkili yüksek frekanslı flyback transformatörlerinde sakıncalıdır.

Kaçak kayıplar

Kaçak endüktans kendi başına büyük ölçüde kayıpsızdır, çünkü manyetik alanlarına sağlanan enerji bir sonraki yarım döngü ile beslemeye geri döner. Bununla birlikte, transformatörün destek yapısı gibi yakındaki iletken malzemelerle kesişen herhangi bir kaçak akı girdap akımlarına yol açacak ve ısıya dönüştürülecektir.

Radyatif

Salınan manyetik alan nedeniyle ışınım kayıpları da vardır ancak bunlar genellikle küçüktür.

Mekanik titreşim ve duyulabilir gürültü iletimi

Manyetostriksiyona ek olarak, alternatif manyetik alan birincil ve ikincil sargılar arasında dalgalanan kuvvetlere neden olur. Bu enerji, birbirine bağlı metal işlerinde titreşim iletimini teşvik eder, böylece duyulabilir transformatör uğultusunu yükseltir. ⓘ

İnşaat

Çekirdekler

Çekirdek formu = çekirdek tipi; kabuk formu = kabuk tipi

Kapalı çekirdekli transformatörler 'çekirdek formunda' veya 'kabuk formunda' inşa edilir. Sargılar çekirdeği çevrelediğinde, transformatör çekirdek formundadır; sargılar çekirdek tarafından çevrelendiğinde, transformatör kabuk formundadır. Kabuk formu tasarımı, nüveyi sargı bobinleri etrafında istiflemedeki nispi kolaylık nedeniyle dağıtım transformatörü uygulamaları için çekirdek formu tasarımından daha yaygın olabilir. Çekirdek form tasarımı, genel bir kural olarak, voltaj ve güç derecelendirme aralıklarının alt ucundaki (nominal olarak 230 kV veya 75 MVA'dan daha az veya eşit) yüksek voltajlı güç transformatörü uygulamaları için kabuk form tasarımından daha ekonomik ve dolayısıyla daha yaygın olma eğilimindedir. Daha yüksek gerilim ve güç değerlerinde, kabuk formlu transformatörler daha yaygın olma eğilimindedir. Kabuk formlu tasarım, ekstra yüksek voltaj ve daha yüksek MVA uygulamaları için tercih edilme eğilimindedir, çünkü üretimi daha yoğun emek gerektirse de, kabuk formlu transformatörler doğal olarak daha iyi kVA-ağırlık oranına, daha iyi kısa devre mukavemet özelliklerine ve transit hasara karşı daha yüksek bağışıklığa sahip olarak karakterize edilir. ⓘ

Lamine çelik çekirdekler

Fotoğrafın üst kısmında laminasyonların kenarını gösteren lamine çekirdekli transformatör ⓘ

Hava boşluğu ve akı yollarını gösteren serpiştirilmiş E-I transformatör laminasyonları ⓘ

Güç veya ses frekanslarında kullanılan transformatörler tipik olarak yüksek geçirgenliğe sahip silikon çelikten yapılmış çekirdeklere sahiptir. Çeliğin geçirgenliği boş alanın geçirgenliğinden çok daha fazladır ve böylece nüve mıknatıslanma akımını büyük ölçüde azaltmaya ve akıyı sargıları yakından birleştiren bir yola hapsetmeye yarar. İlk transformatör geliştiricileri çok geçmeden katı demirden yapılan nüvelerin engelleyici girdap akımı kayıplarına yol açtığını fark etmiş ve tasarımlarında bu etkiyi yalıtılmış demir tel demetlerinden oluşan nüvelerle hafifletmişlerdir. Daha sonraki tasarımlar, nüveyi ince çelik laminasyon katmanlarının istiflenmesiyle oluşturdu ve bu prensip kullanımda kalmaya devam etti. Her bir laminasyon, iletken olmayan ince bir yalıtım katmanı ile komşularından yalıtılmıştır. Transformatör evrensel EMF denklemi, tercih edilen bir manyetik akı seviyesi için nüve kesit alanını hesaplamak için kullanılabilir. ⓘ

Laminasyonların etkisi, girdap akımlarını çok az akı içeren oldukça eliptik yollara hapsetmek ve böylece büyüklüklerini azaltmaktır. Daha ince laminasyonlar kayıpları azaltır, ancak yapımı daha zahmetli ve pahalıdır. İnce laminasyonlar genellikle yüksek frekanslı transformatörlerde kullanılır, çok ince çelik laminasyonların bazıları 10 kHz'e kadar çalışabilir. ⓘ

Nüvenin laminasyonu girdap akımı kayıplarını büyük ölçüde azaltır ⓘ

Lamine çekirdeğin yaygın bir tasarımı, I-şekilli parçalarla kaplanmış E-şekilli çelik levhaların iç içe geçmiş yığınlarından yapılır ve 'E-I transformatörü' adını alır. Böyle bir tasarım daha fazla kayıp gösterme eğilimindedir, ancak üretimi çok ekonomiktir. Kesik çekirdekli veya C çekirdekli tip, bir çelik şeridin dikdörtgen bir formun etrafına sarılması ve ardından katmanların birbirine bağlanmasıyla yapılır. Daha sonra ikiye kesilerek iki C şekli oluşturulur ve nüve iki C yarısının çelik bir kayışla birbirine bağlanmasıyla birleştirilir. Akının her zaman metal tanelerine paralel olarak yönlendirilmesi ve böylece relüktansın azaltılması gibi bir avantaja sahiptirler. ⓘ

Çelik çekirdeğin remanansı, güç kesildiğinde statik bir manyetik alanı koruduğu anlamına gelir. Güç yeniden uygulandığında, kalan alan, kalan manyetizmanın etkisi azalana kadar, genellikle uygulanan AC dalga formunun birkaç döngüsünden sonra, yüksek bir ani akıma neden olacaktır. Sigorta gibi aşırı akım koruma cihazları bu zararsız ani akımın geçmesine izin verecek şekilde seçilmelidir. ⓘ

Uzun, havai enerji iletim hatlarına bağlı transformatörlerde, güneş fırtınaları sırasında jeomanyetik bozulmalar nedeniyle indüklenen akımlar çekirdeğin doymasına ve transformatör koruma cihazlarının çalışmasına neden olabilir. ⓘ

Dağıtım transformatörleri, düşük kayıplı yüksek geçirgenlikli silikon çelik veya amorf (kristal olmayan) metal alaşımdan yapılmış nüveler kullanarak düşük yüksüz kayıplar elde edebilir. Çekirdek malzemesinin daha yüksek başlangıç maliyeti, hafif yükte daha düşük kayıpları ile transformatörün ömrü boyunca dengelenir. ⓘ

Katı çekirdekler

Toz demir çekirdekler, şebeke frekanslarının üzerinde ve birkaç on kilohertz'e kadar çalışan anahtar modlu güç kaynakları gibi devrelerde kullanılır. Bu malzemeler yüksek manyetik geçirgenliği yüksek yığın elektrik direnciyle birleştirir. VHF bandının ötesine uzanan frekanslar için, ferrit adı verilen iletken olmayan manyetik seramik malzemelerden yapılmış çekirdekler yaygındır. Bazı radyo frekans transformatörlerinde, ayarlanmış radyo frekans devrelerinin bağlantı katsayısının (ve bant genişliğinin) ayarlanmasına olanak tanıyan hareketli çekirdekler (bazen 'sümüklü böcek' olarak adlandırılır) de bulunur. ⓘ

Toroidal çekirdekler

Küçük toroidal çekirdekli transformatör ⓘ

Toroidal transformatörler, çalışma frekansına bağlı olarak, bir bobin, toz demir veya ferrit içine sarılmış uzun bir silikon çelik veya permalloy şeridinden yapılan halka şeklindeki bir çekirdek etrafında inşa edilir. Şerit yapı, tane sınırlarının en iyi şekilde hizalanmasını sağlar ve çekirdeğin relüktansını azaltarak transformatörün verimliliğini artırır. Kapalı halka şekli, bir E-I nüvenin yapısında bulunan hava boşluklarını ortadan kaldırır. Halkanın enine kesiti genellikle kare veya dikdörtgendir, ancak dairesel enine kesitli daha pahalı nüveler de mevcuttur. Birincil ve ikincil bobinler genellikle nüvenin tüm yüzeyini kaplayacak şekilde eş merkezli olarak sarılır. Bu, ihtiyaç duyulan tel uzunluğunu en aza indirir ve çekirdeğin manyetik alanının elektromanyetik parazit oluşturmasını en aza indirmek için perdeleme sağlar. ⓘ

Toroidal transformatörler, benzer bir güç seviyesi için daha ucuz lamine E-I tiplerinden daha verimlidir. E-I tiplerine kıyasla diğer avantajları arasında daha küçük boyut (yaklaşık yarısı), daha düşük ağırlık (yaklaşık yarısı), daha az mekanik uğultu (ses amplifikatörlerinde üstünlük sağlar), daha düşük dış manyetik alan (yaklaşık onda biri), düşük yük dışı kayıplar (bekleme devrelerinde daha verimli hale getirir), tek cıvatalı montaj ve daha fazla şekil seçeneği bulunur. Başlıca dezavantajları daha yüksek maliyet ve sınırlı güç kapasitesidir (aşağıdaki Sınıflandırma parametrelerine bakınız). Manyetik yolda artık boşluk olmaması nedeniyle, toroidal transformatörler ayrıca lamine E-I tiplerine kıyasla daha yüksek ani akım sergileme eğilimindedir. ⓘ

Ferrit toroidal çekirdekler, endüktif bileşenlerin kayıplarını, fiziksel boyutunu ve ağırlığını azaltmak için tipik olarak birkaç on kilohertz ila yüzlerce megahertz arasında daha yüksek frekanslarda kullanılır. Toroidal transformatör yapımının bir dezavantajı, sarımın daha yüksek işçilik maliyetidir. Bunun nedeni, bobine her bir tur eklendiğinde bir bobin sargısının tüm uzunluğunun nüve açıklığından geçirilmesi gerekliliğidir. Sonuç olarak, birkaç kVA'dan daha yüksek değere sahip toroidal transformatörler nadirdir. Nispeten az sayıda toroid 10 kVA'nın üzerinde güç değerlerine sahiptir ve neredeyse hiçbiri 25 kVA'nın üzerinde değildir. Küçük dağıtım transformatörleri, toroid nüveyi bölüp açmaya zorlayarak ve ardından birincil ve ikincil sargıları içeren bir bobin yerleştirerek toroidal nüvelerin bazı avantajlarını elde edebilir. ⓘ

Hava nüveleri

Sargıları birbirine yakın yerleştirerek bir transformatör üretilebilir, bu düzenlemeye "hava çekirdekli" transformatör denir. Hava çekirdekli bir transformatör, çekirdek malzemesindeki histerezis nedeniyle oluşan kaybı ortadan kaldırır. Manyetik çekirdeğin olmaması nedeniyle mıknatıslama endüktansı büyük ölçüde azalır, bu da düşük frekanslarda kullanıldığında büyük mıknatıslama akımlarına ve kayıplara neden olur. Hava çekirdekli transformatörler güç dağıtımında kullanım için uygun değildir, ancak radyo frekansı uygulamalarında sıklıkla kullanılır. Hava nüveler aynı zamanda Tesla bobinleri gibi rezonans transformatörleri için de kullanılır, burada düşük mıknatıslama endüktansına rağmen makul ölçüde düşük kayıp elde edebilirler. ⓘ

Sargılar

Akı sızıntısını en aza indirmek için sargılar genellikle eş merkezli olarak düzenlenir. ⓘ

Transformatör sargılarından kesilmiş görünüm. Gösterge:
Beyaz: Hava, sıvı veya diğer yalıtkan ortam
Yeşil spiral: Tane yönelimli silikon çelik
Siyah: Birincil sargı
Kırmızı: İkincil sargı ⓘ

Sargılar için kullanılan elektrik iletkeni uygulamaya bağlıdır, ancak her durumda akımın her tur boyunca ilerlemesini sağlamak için bireysel dönüşler birbirinden elektriksel olarak yalıtılmalıdır. Akımların düşük olduğu ve bitişik dönüşler arasındaki potansiyel farkın küçük olduğu küçük transformatörler için bobinler genellikle emaye mıknatıs telden sarılır. Daha büyük güç transformatörleri, yağ emdirilmiş kağıt ve pres karton bloklarla yalıtılmış bakır dikdörtgen şerit iletkenlerle sarılabilir. ⓘ

Onlarca ila yüzlerce kilohertz arasında çalışan yüksek frekanslı transformatörler, deri etkisi ve yakınlık etkisi kayıplarını en aza indirmek için genellikle örgülü Litz telinden yapılmış sargılara sahiptir. Büyük güç transformatörlerinde de çok telli iletkenler kullanılır, çünkü düşük güç frekanslarında bile yüksek akımlı sargılarda akımın homojen olmayan dağılımı söz konusudur. Her bir tel ayrı ayrı yalıtılır ve teller, sargının belirli noktalarında veya tüm sargı boyunca, her bir kısım tüm iletken içinde farklı göreceli konumlarda olacak şekilde düzenlenir. Aktarma, iletkenin her bir telinde akan akımı eşitler ve sargının kendisindeki girdap akımı kayıplarını azaltır. Çok telli iletken aynı zamanda benzer boyuttaki bir katı iletkene göre daha esnektir ve üretime yardımcı olur. ⓘ

Sinyal transformatörlerinin sargıları, yüksek frekans tepkisini iyileştirmek için kaçak endüktansı ve kaçak kapasitansı en aza indirir. Bobinler bölümlere ayrılır ve bu bölümler diğer sargının bölümleri arasına serpiştirilir. ⓘ

Güç-frekans transformatörleri, gerilim ayarı için sargı üzerinde ara noktalarda, genellikle yüksek gerilim sargısı tarafında, musluklara sahip olabilir. Musluklar manuel olarak yeniden bağlanabilir veya muslukları değiştirmek için manuel veya otomatik bir anahtar sağlanabilir. Otomatik yük kademe değiştiricileri elektrik güç iletiminde veya dağıtımında, ark ocağı transformatörleri gibi ekipmanlarda veya hassas yükler için otomatik voltaj regülatörlerinde kullanılır. Sesin genel seslendirme hoparlörlerine dağıtımı için kullanılan ses frekansı transformatörleri, her bir hoparlöre empedansın ayarlanmasına izin vermek için musluklara sahiptir. Bir itme-çekme devresindeki bir ses güç amplifikatörünün çıkış aşamasında genellikle bir merkez-tipli transformatör kullanılır. AM vericilerindeki modülasyon transformatörleri çok benzerdir. ⓘ

Soğutma

Sıvıya batırılmış transformatörün kesit görünümü. Üstteki koruyucu (rezervuar), soğutma sıvısı seviyesi ve sıcaklığı değiştikçe sıvıdan atmosfere izolasyon sağlar. Duvarlar ve kanatçıklar gerekli ısı dağılımını sağlar. ⓘ

Çalışma sıcaklığındaki her 7 °C ila 10 °C artış için elektrik yalıtımının ömrünün yarıya indiği genel bir kuraldır (Arrhenius denkleminin bir uygulama örneği). ⓘ

Küçük kuru tip ve sıvıya daldırılmış transformatörler genellikle doğal konveksiyon ve radyasyon ısı dağılımı ile kendi kendini soğutur. Güç değerleri arttıkça, transformatörler genellikle cebri hava soğutma, cebri yağ soğutma, su soğutma veya bunların kombinasyonları ile soğutulur. Büyük transformatörler, sargıları hem soğutan hem de yalıtan transformatör yağı ile doldurulur. Transformatör yağı, transformatör tankı içinde dolaşarak sargıları ve yalıtımı soğutan yüksek derecede rafine edilmiş bir mineral yağdır. Mineral yağ ve kağıt yalıtım sistemi 100 yılı aşkın bir süredir kapsamlı bir şekilde incelenmiş ve kullanılmıştır. Güç transformatörlerinin %50'sinin 50 yıllık kullanımda hayatta kalacağı, güç transformatörlerinin ortalama arıza yaşının yaklaşık 10 ila 15 yıl olduğu ve güç transformatörü arızalarının yaklaşık %30'unun yalıtım ve aşırı yükleme arızalarından kaynaklandığı tahmin edilmektedir. Yüksek sıcaklıkta uzun süreli çalışma, sargı yalıtımının ve dielektrik soğutucunun yalıtım özelliklerini bozar, bu da yalnızca transformatör ömrünü kısaltmakla kalmaz, aynı zamanda nihai olarak katastrofik transformatör arızasına da yol açabilir. Büyük bir deneysel çalışmanın rehberliğinde, çözünmüş gaz analizi de dahil olmak üzere transformatör yağı testi değerli bakım bilgileri sağlar. ⓘ

Birçok yargı alanındaki bina yönetmelikleri, iç mekan sıvı dolu transformatörlerin ya yağdan daha az yanıcı olan dielektrik sıvılar kullanmasını ya da yangına dayanıklı odalara kurulmasını gerektirmektedir. Hava soğutmalı kuru transformatörler, yangına dayanıklı bir transformatör odası maliyetini ortadan kaldırdıkları durumlarda daha ekonomik olabilir. ⓘ

Sıvı dolu transformatörlerin tankında genellikle sıvı soğutucunun doğal konveksiyon veya kanatçıklar yoluyla dolaştığı radyatörler bulunur. Bazı büyük transformatörlerde basınçlı hava soğutması için elektrikli fanlar, basınçlı sıvı soğutması için pompalar veya su soğutması için ısı eşanjörleri bulunur. Yağa batırılmış bir transformatör, dahili ark nedeniyle gaz birikiminin şiddetine bağlı olarak transformatörü alarma geçirmek veya enerjisini kesmek için kullanılan bir Buchholz rölesi ile donatılabilir. Yağa batırılmış transformatör kurulumları genellikle duvarlar, yağ muhafazası ve yangın söndürme sprinkler sistemleri gibi yangından korunma önlemlerini içerir. ⓘ

Poliklorlu bifeniller (PCB'ler) bir zamanlar dielektrik soğutucu olarak kullanılmalarını destekleyen özelliklere sahiptir, ancak çevresel kalıcılıkları konusundaki endişeler kullanımlarının yaygın bir şekilde yasaklanmasına yol açmıştır. Günümüzde toksik olmayan, stabil silikon bazlı yağlar veya florlu hidrokarbonlar, yangına dayanıklı bir sıvı masrafının bir trafo kasası için ek bina maliyetini dengelediği durumlarda kullanılabilir. Bununla birlikte, transformatörlerin uzun ömürlü olması, yasaklama sonrasında da maruz kalma potansiyelinin yüksek olabileceği anlamına gelebilir. ⓘ

Bazı transformatörler gaz yalıtımlıdır. Sargıları sızdırmaz, basınçlı tanklar içine yerleştirilir ve nitrojen veya sülfür hekzaflorür gazı ile soğutulur. ⓘ

500-1.000 kVA aralığındaki deneysel güç transformatörleri, çekirdek kayıplarını etkilemeden sargı kayıplarını ortadan kaldıran sıvı nitrojen veya helyum soğutmalı süper iletken sargılarla inşa edilmiştir. ⓘ

Yalıtım

Test edilmekte olan trafo merkezi. ⓘ

Sargıların münferit dönüşleri arasında, sargılar arasında, sargılar ile nüve arasında ve sargı terminallerinde yalıtım sağlanmalıdır. ⓘ

Küçük transformatörlerin dönüşler arası yalıtımı, tel üzerinde bir yalıtım verniği tabakası olabilir. Sargı katmanları arasına ve birincil ve ikincil sargılar arasına kağıt veya polimer film tabakaları yerleştirilebilir. Bir transformatör, sargıların mukavemetini artırmak ve onları nem veya korozyondan korumak için bir polimer reçineye kaplanabilir veya daldırılabilir. Reçine, kaplama işlemi sırasında vakum ve basınç kombinasyonları kullanılarak sargı yalıtımına emdirilebilir ve sargıdaki tüm hava boşlukları ortadan kaldırılabilir. Sınırda, tüm bobin bir kalıba yerleştirilebilir ve reçine etrafına katı bir blok olarak dökülerek sargıları kapsülleyebilir. ⓘ

Büyük yağ dolgulu güç transformatörleri, transformatörün montajı sırasında yağ emdirilmiş yalıtım kağıdı ile sarılmış sargılar kullanır. Yağ dolu transformatörlerde sargıları ve çekirdeği yalıtmak ve soğutmak için yüksek oranda rafine edilmiş mineral yağ kullanılır. Yağ dolu transformatörlerin yapımı, sargıları kaplayan yalıtımın yağ eklenmeden önce kalan nemden iyice kurutulmasını gerektirir. Kurutma, nüve etrafında sıcak hava dolaştırılarak, harici olarak ısıtılmış transformatör yağı dolaştırılarak veya buharlaştırılmış bir çözücünün bobin ve nüve üzerinde yoğuşma yoluyla ısı transfer ettiği buhar fazlı kurutma (VPD) ile yapılabilir. Küçük transformatörler için, sargılara akım enjeksiyonu yoluyla dirençli ısıtma kullanılır. ⓘ

Burçlar

Daha büyük transformatörlerde polimer veya porselenden yapılmış yüksek voltaj yalıtımlı buşingler bulunur. Büyük bir buşing, transformatörün yağ sızdırmasına izin vermeden elektrik alan gradyanının dikkatli bir şekilde kontrol edilmesini sağlaması gerektiğinden karmaşık bir yapı olabilir. ⓘ

Sınıflandırma parametreleri

Melbourne, Avustralya'da bir elektrik trafo merkezi Her biri 150 MVA kapasiteli beş adet 220 kV - 66 kV trafodan üçünün gösterilmesi ⓘ

Langley City'de kamufle edilmiş trafo ⓘ

Transformatörler, aşağıdakiler gibi birçok şekilde sınıflandırılabilir:

• Güç derecesi: Volt-amperin (VA) bir kısmından bin MVA'nın üzerine kadar.
• Bir transformatörün görevi: Sürekli, kısa süreli, aralıklı, periyodik, değişken.
• Frekans aralığı: Güç frekansı, ses frekansı veya radyo frekansı.
• Gerilim sınıfı: Birkaç volttan yüzlerce kilovolta kadar.
• Soğutma tipi: Kuru veya sıvı daldırmalı; kendinden soğutmalı, zorlamalı hava soğutmalı; zorlamalı yağ soğutmalı, su soğutmalı.
• Uygulama: güç kaynağı, empedans eşleştirme, çıkış voltajı ve akım dengeleyici, darbe, devre izolasyonu, güç dağıtımı, doğrultucu, ark ocağı, amplifikatör çıkışı vb.
• Temel manyetik form: Çekirdek formu, kabuk formu, konsantrik, sandviç.
• Sabit potansiyel transformatör tanımlayıcısı: Yükseltme, alçaltma, izolasyon.
• Genel sargı konfigürasyonu: IEC vektör grubuna göre, delta, wye veya yıldız ve zikzak faz tanımlamalarının iki sargılı kombinasyonları; ototransformatör, Scott-T
• Doğrultucu faz kaydırmalı sargı konfigürasyonu: 2 sarımlı, 6 darbeli; 3 sarımlı, 12 darbeli; ..., n sarımlı, [n - 1]-6 darbeli; çokgen; vb. ⓘ

Uygulamalar

Manitoba, Kanada'daki Kireçtaşı Üretim İstasyonundaki Trafo ⓘ

Çeşitli özel elektrik uygulama tasarımları çeşitli transformatör tipleri gerektirir. Hepsi temel karakteristik transformatör ilkelerini paylaşsa da, belirli kurulum gereksinimleri veya devre koşulları için yapı veya elektriksel özellikler açısından özelleştirilirler. ⓘ

Elektrik enerjisi iletiminde transformatörler, elektrik enerjisinin yüksek voltajlarda iletilmesini sağlayarak tellerin ısınmasından kaynaklanan kaybı azaltır. Bu da üretim tesislerinin elektrik tüketicilerinden ekonomik olarak uzakta konumlandırılmasını sağlar. Dünyadaki elektrik enerjisinin çok küçük bir kısmı hariç tamamı tüketiciye ulaşana kadar bir dizi transformatörden geçmiştir. ⓘ

Birçok elektronik cihazda, dağıtım kablolarındaki voltajı doğrudan güç hattı frekansında ya da anahtar modlu bir güç kaynağı aracılığıyla devre gereksinimleri için uygun değerlere dönüştürmek için bir transformatör kullanılır. ⓘ

Sinyal ve ses transformatörleri, amplifikatörlerin aşamalarını birleştirmek ve mikrofon ve plak çalar gibi cihazları amplifikatörlerin girişiyle eşleştirmek için kullanılır. Ses transformatörleri telefon devrelerinin tek bir kablo çifti üzerinden iki yönlü konuşma yapabilmesini sağlamıştır. Bir balun transformatörü, toprağa referanslı bir sinyali, harici kablolar ve dahili devreler arasında olduğu gibi toprağa dengeli gerilimleri olan bir sinyale dönüştürür. İzolasyon transformatörleri ikincil devreye akım sızmasını önler ve tıbbi ekipmanlarda ve şantiyelerde kullanılır. Rezonans transformatörleri radyo alıcılarının kademeleri arasında veya yüksek voltajlı Tesla bobinlerinde bağlantı için kullanılır. ⓘ

Büyük bir yağ dolu güç transformatörünün şeması 1. Tank Tank 2. Kapak Kapak 3. Konservatör tankı 4. Yağ seviyesi göstergesi 5. Dahili bir arızadan sonra gaz kabarcıklarını tespit etmek için Buchholz rölesi 6. Boru tesisatı 7. Kademe değiştirici 8. Kademe değiştirici için tahrik motoru 9. Kademe değiştirici için tahrik mili 10. Yüksek gerilim (HV) burcu 11. Yüksek gerilim burçlu akım transformatörleri 12. Alçak gerilim (AG) burcu 13. Alçak gerilim akım transformatörleri 14. Ölçüm için burçlu voltaj transformatörü 15. Çekirdek 16. Çekirdek boyunduruğu 17. Kollar boyundurukları bağlar ve onları yukarıda tutar 18. Bobinler 19. Bobinler ve kademe değiştirici arasındaki dahili kablo tesisatı 20. Yağ tahliye valfi 21. Vakum valfi ⓘ

Tarih

İndüksiyonun keşfi

Faraday'ın tel bobinler arasında indüksiyon deneyi ⓘ

Transformatörün çalışma prensibi olan elektromanyetik indüksiyon, 1831 yılında Michael Faraday ve 1832 yılında Joseph Henry tarafından bağımsız olarak keşfedilmiştir. Sadece Faraday, EMF ile manyetik akı arasındaki ilişkiyi tanımlayan ve günümüzde Faraday'ın indüksiyon yasası olarak bilinen denklemi ortaya çıkaracak kadar deneylerini ilerletmiştir:

$|{\mathcal {E}}|=\left|{{\mathrm {d} \Phi _{\text{B}}} \over \mathrm {d} t}\right|,$ ⓘ

nerede $|{\mathcal {E}}|$ EMA'nın volt cinsinden büyüklüğü ve Φ_B de devre boyunca weber cinsinden manyetik akıdır. ⓘ

Faraday tel bobinler arasında indüksiyon üzerine ilk deneyleri gerçekleştirmiş, bir çift bobini demir bir halkanın etrafına sararak ilk toroidal kapalı çekirdekli transformatörü yaratmıştır. Ancak transformatörüne yalnızca tek tek akım darbeleri uygulamış ve sargılardaki dönüş oranı ile EMF arasındaki ilişkiyi hiçbir zaman keşfedememiştir. ⓘ

İndüksiyon bobini, 1900, Bremerhaven, Almanya ⓘ

Faraday transformatörü ⓘ

İndüksiyon bobinleri

Faraday'ın halka transformatörü ⓘ

Geniş kullanım alanı bulan ilk transformatör tipi, 1836 yılında İrlanda Maynooth Koleji'nden Rev. Nicholas Callan tarafından icat edilen indüksiyon bobiniydi. Callan, ikincil sargının birincil sargıya göre ne kadar fazla dönüşe sahip olursa, indüklenen ikincil EMF'nin o kadar büyük olacağını fark eden ilk araştırmacılardan biriydi. İndüksiyon bobinleri, bilim adamlarının ve mucitlerin bataryalardan daha yüksek voltaj elde etme çabalarından gelişmiştir. Piller AC yerine doğru akım (DC) ürettiğinden, indüksiyon bobinleri indüksiyon için gerekli akı değişikliklerini yaratmak için primerdeki akımı düzenli olarak kesen titreşimli elektrik kontaklarına dayanıyordu. 1830'lar ve 1870'ler arasında, çoğunlukla deneme yanılma yoluyla daha iyi indüksiyon bobinleri üretme çabaları, transformatörlerin temel ilkelerini yavaş yavaş ortaya çıkardı. ⓘ

İlk alternatif akım transformatörleri

1870'lere gelindiğinde, alternatif akım (AC) üreten verimli jeneratörler mevcuttu ve AC'nin bir indüksiyon bobinine kesici olmadan doğrudan güç sağlayabileceği görüldü. ⓘ

1876 yılında Rus mühendis Pavel Yablochkov, birincil sargıların bir AC kaynağına bağlandığı bir dizi indüksiyon bobinine dayanan bir aydınlatma sistemi icat etti. İkincil sargılar kendi tasarımı olan birkaç 'elektrik mumuna' (ark lambası) bağlanabiliyordu. Yablochkov'un kullandığı bobinler esasen transformatör olarak işlev görüyordu. ⓘ

1878 yılında Macaristan'ın Budapeşte kentindeki Ganz fabrikası elektrikli aydınlatma için ekipman üretmeye başladı ve 1883 yılına kadar Avusturya-Macaristan'da elliden fazla sistem kurdu. AC sistemlerinde ark ve akkor lambalar, jeneratörler ve diğer ekipmanlar kullanılıyordu. ⓘ

Lucien Gaulard ve John Dixon Gibbs ilk olarak 1882'de Londra'da 'ikincil jeneratör' adı verilen açık demir çekirdekli bir cihaz sergilediler ve ardından bu fikri ABD'deki Westinghouse şirketine sattılar. Ayrıca bu buluşu 1884 yılında İtalya'nın Torino kentinde sergilediler ve burada bir elektrikli aydınlatma sistemi için kabul edildi. ⓘ

Bobin deneyleri ⓘ

orta ⓘ

Erken seri devre transformatör dağıtımı

Açık manyetik devrelere sahip indüksiyon bobinleri, yüklere güç aktarımında verimsizdir. Yaklaşık 1880 yılına kadar, yüksek voltajlı bir kaynaktan düşük voltajlı bir yüke AC güç aktarımı için paradigma bir seri devre idi. Oranı 1:1'e yakın olan açık çekirdekli transformatörler, lambalara düşük voltaj sunarken iletim için yüksek voltaj kullanılmasına izin vermek için primerleri seri olarak bağlandı. Bu yöntemin doğasında var olan kusur, tek bir lambanın (veya başka bir elektrikli cihazın) kapatılmasının aynı devre üzerindeki diğerlerine sağlanan voltajı etkilemesiydi. Seri devrenin bu sorunlu özelliğini telafi etmek için, çekirdeği ayarlama veya bobinin bir kısmının etrafındaki manyetik akıyı bypass etme yöntemlerini kullananlar da dahil olmak üzere birçok ayarlanabilir transformatör tasarımı tanıtıldı. Verimli, pratik transformatör tasarımları 1880'lere kadar ortaya çıkmadı, ancak on yıl içinde transformatör, akımların savaşında ve AC dağıtım sistemlerinin DC muadillerine karşı zafer kazanmasında etkili olacaktı ve o zamandan beri baskın oldukları bir pozisyonda kaldılar. ⓘ

Kabuk formlu transformatör. Uppenborn tarafından ZBD mühendislerinin 1885 patentlerini ve ilk makalelerini tanımlamak için kullanılan çizim. ⓘ

Çekirdek formu, ön; kabuk formu, arka. 1885'te Ganz fabrikasında üretilen ZBD tasarımı yüksek verimli sabit potansiyelli transformatörlerin en eski örnekleri. ⓘ

ZBD ekibi Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy ve Miksa Déri'den oluşuyordu ⓘ

Stanley'in ayarlanabilir aralıklı açık çekirdekli endüksiyon bobinleri için 1886 tasarımı ⓘ

Kapalı çekirdekli transformatörler ve paralel güç dağıtımı

1884 sonbaharında, Ganz Works ile bağlantılı üç Macar mühendis olan Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy ve Miksa Déri (ZBD), gerilimi güvenilir bir şekilde düzenleyemedikleri için açık çekirdekli cihazların uygulanamaz olduğuna karar vermişti. Yeni transformatörler (daha sonra ZBD transformatörleri olarak adlandırılacak) için 1885 yılında yaptıkları ortak patent başvurularında, bakır sargıların bir demir tel halka çekirdek etrafına sarıldığı ya da bir demir tel çekirdekle çevrelendiği kapalı manyetik devreli iki tasarım tanımladılar. Bu iki tasarım, bugüne kadar yaygın olarak kullanılan ve "çekirdek formu" ya da "kabuk formu" olarak adlandırılan iki temel transformatör yapısının ilk uygulamasıydı. Ganz fabrikası ayrıca 1884 sonbaharında dünyanın ilk beş yüksek verimli AC transformatörünü teslim etmişti; bu ünitelerden ilki 16 Eylül 1884'te sevk edilmişti. Bu ilk ünite aşağıdaki özelliklere göre üretilmişti: 1.400 W, 40 Hz, 120:72 V, 11,6:19,4 A, oran 1,67:1, tek fazlı, kabuk şeklinde. ⓘ

Her iki tasarımda da, birincil ve ikincil sargıları birbirine bağlayan manyetik akı neredeyse tamamen demir çekirdeğin sınırları içinde hareket ediyordu, havada kasıtlı bir yol yoktu (aşağıdaki Toroidal çekirdeklere bakınız). Yeni transformatörler Gaulard ve Gibbs'in açık çekirdekli bipolar cihazlarından 3,4 kat daha verimliydi. ZBD patentleri birbiriyle ilişkili iki önemli yenilik daha içeriyordu: biri seri bağlı kullanım yükleri yerine paralel bağlı kullanım yüklerinin kullanımı, diğeri ise besleme şebekesi voltajının kullanım yüklerinin voltajından (başlangıçta tercih edilen 100 V) çok daha yüksek (başlangıçta 1.400 ila 2.000 V) olabilmesi için yüksek dönüş oranlı transformatörlere sahip olma yeteneği ile ilgiliydi. Paralel bağlı elektrik dağıtım sistemlerinde kullanıldığında, kapalı çekirdekli transformatörler nihayet evlerde, işyerlerinde ve kamusal alanlarda aydınlatma için elektrik gücü sağlamayı teknik ve ekonomik olarak mümkün hale getirdi. Bláthy kapalı çekirdeklerin kullanımını, Zipernowsky paralel şönt bağlantıların kullanımını önermiş ve Déri deneyleri gerçekleştirmişti; 1885'in başlarında üç mühendis elektromanyetik çekirdeklerin laminasyonunu icat ederek girdap akımı kayıpları sorununu da ortadan kaldırdı. ⓘ

Günümüzde transformatörler üç mühendis tarafından keşfedilen prensiplere göre tasarlanmaktadır. Ayrıca, 1882'de kullanılmaya başlanmış olmasına rağmen, bir elektrik akımının EMF'sini değiştiren bir cihazı tanımlamak için 'transformatör' kelimesini popüler hale getirdiler. 1886'da ZBD mühendisleri, paralel bağlı ortak bir elektrik şebekesine güç sağlamak için AC jeneratörleri kullanan dünyanın ilk elektrik santrali olan buharla çalışan Roma-Cerchi elektrik santralini tasarladı ve Ganz fabrikası bunun için elektrik ekipmanı tedarik etti. ⓘ

Westinghouse iyileştirmeleri

Westinghouse tarafından geliştirilen transformatör çekirdekleri için "E" şekilli plakalar ⓘ

George Westinghouse 1885 yılında Gaulard ve Gibbs'in patentlerini satın almış olmasına rağmen, Edison Electric Light Company'nin ZBD transformatörlerinin ABD hakları üzerinde bir opsiyonu vardı ve bu da Westinghouse'un aynı prensipler üzerinde alternatif tasarımlar peşinde koşmasını gerektiriyordu. Westinghouse, Amerika Birleşik Devletleri'nde ticari kullanım için bir cihaz geliştirme görevini William Stanley'e verdi. Stanley'in ilk patentli tasarımı, yumuşak demirden tek çekirdekli ve ikincil sargıda mevcut EMF'yi düzenlemek için ayarlanabilir boşluklara sahip indüksiyon bobinleri içindi (resme bakın). Bu tasarım ilk olarak 1886 yılında ABD'de ticari olarak kullanıldı ancak Westinghouse, Stanley tasarımını (ZBD tipinin aksine) kolay ve ucuz üretilebilir hale getirmek için geliştirmeye niyetliydi. ⓘ

Westinghouse, Stanley ve ortakları kısa bir süre sonra üretimi daha kolay olan ve ince kağıt tabakaları ya da başka bir yalıtkan malzeme ile yalıtılmış ince 'E-şekilli' demir plakalardan oluşan bir çekirdek geliştirdiler. Önceden sarılmış bakır bobinler daha sonra yerlerine kaydırılabiliyor ve kapalı bir manyetik devre oluşturmak için düz demir plakalar yerleştirilebiliyordu. Westinghouse 1887'de yeni düşük maliyetli tasarım için bir patent aldı. ⓘ

Diğer erken dönem transformatör tasarımları

1889 yılında Rusya doğumlu mühendis Mikhail Dolivo-Dobrovolsky, Almanya'daki Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft'ta ('Genel Elektrik Şirketi') ilk üç fazlı transformatörü geliştirdi. ⓘ

1891 yılında Nikola Tesla, yüksek frekansta çok yüksek gerilimler üretmek için hava özlü, çift ayarlı rezonans transformatörü olan Tesla bobinini icat etti. ⓘ

Ses frekans transformatörleri ("tekrarlayan bobinler") telefonun geliştirilmesinde ilk deneyciler tarafından kullanılmıştır. ⓘ