bélyegkép|jobbra|200px|Utcai áramszolgáltató transzformátor, melynek látszik a belső szerkezete: barna papírszigeteléssel vörösréz tekercsek. Ez olajba merül, és a fölösleges hőt a szürke edényen lévő fémbordák vezetik el. A fenti csillogó barna porcelánszigetelők tetején van a nagyfeszültségű tekercsek kivezetése. Mögöttük a kisfeszültségű fém kivezetések.
A transzformátor egy villamos gép, nyugvó szerkezet, amely a váltakozó árammal szállított villamos teljesítmény feszültségét és az áramerősségét alakítja át. Az egyik csökkenésével a másik növekszik.
A kilépő (szekunder) feszültség csak a belépő (primer) feszültségtől és a tekercsek menetszámának arányától függ ideális esetben. Amennyivel nagyobb a menetszám, annyival nagyobb a feszültség is és a fordítottja is igaz.
Elvi felépítése és működése bélyegkép|jobbra|350px|Egyfázisú transzformátor felépítése bélyegkép|jobbra|150px|A vasmagban veszteséget okozó örvényáramok csökkentése lemezeléssel
Legegyszerűbb esetben két tekercs (primer és szekunder) helyezkedik el a közös, többnyire zárt vasmagon. A transzformátor tekercsei többnyire zománcozott rézhuzalból, ún. tekercselőhuzalból készülnek.
Az ábrán + illetve – jelű polaritás egy meghatározott időpillanatban értendő! A primer tekercs huzaljában folyó áram a jobbkézszabállyal meghatározható irányú mágneses erővonalakat hoz létre, ezek a mágneses erővonalak a tekercs belsejében összegződve hozzák létre az ábrán jelölt mágneses fluxust. Mivel ez a mágneses fluxus pillanatról pillanatra változó, a szekunder tekercsben feszültséget indukál. Ha a szekunder kapcsok egy terheléssel zárt áramkört képeznek, a körben áram folyik. Működése során a transzformátor primer oldalán a váltakozó áram a nyitott vagy zárt vasmagban változó mágneses fluxust kelt, ami a szekunder áramkörben feszültséget indukál. A szekunder oldalra villamos terhelést kapcsolva megindul a szekunder áram, és ezzel valósul meg az energiaátvitel. A működés alapfeltétele a primer oldali váltakozóáramú táplálás, mivel csak a változó mágneses fluxus képes a szekunder oldalon feszültséget kelteni.
A tekercsek között a mágneses kapcsolatot egy zárt vasmag alkalmazásával érik el. A tekercsek szorosan körbeveszik a vasmagot hogy a fluxus a legkisebb ellenállással épülhessen ki. A teljesítménynek megfelelően kell a vasmagot is méretezni, egyrészt hogy a mágneses energiát felvehesse, másrészt hogy az örvényáramok okozta melegedés ne hevítse fel. Speciális vasötvözet és a lehető legvékonyabb, egymástól elszigetelt lemezek alkalmazásával a mag mérete csökkenthető.
A működési alapelvekből adódik az is, hogy a két áramkörben a frekvencia azonos, míg a primer és szekunder oldali feszültségek aránya jó közelítéssel a megfelelő oldali tekercsek menetszámainak arányával egyezik meg. A transzformátorban állandósult állapotban az átmenő energia nem halmozódhat, tehát a bemenő és a továbbmenő teljesítmény különbsége a transzformátor veszteségeivel egyenlő. Mivel a transzformátorok jó hatásfokkal működnek, a két teljesítmény közel azonos. Ebből adódik, hogy a primer és szekunder oldali áramok aránya durva közelítéssel megegyezik a menetszámáttétel reciprokával.
A transzformátoron áthaladó áram nagyságát a tekercselés huzalainak vastagsága határozza meg, az alkalmazható legnagyobb feszültséget pedig a menetek közötti szigetelés határozza meg. Emiatt a hagyományos transzformátorok mérete az átvitt teljesítménnyel arányosan nő. A félvezető-technika fejlődésének köszönhetően a betáplált villamos energia frekvenciája növelhető (transzformálás után visszacsökkenthető), így az átviteli frekvenciával arányosan a méret radikálisan csökkenhet.
A transzformátort leggyakrabban a nagy teljesítményű (erőátviteli) villamos hálózatokban használják a feszültségszint, és ezzel az áramszint megváltoztatására. Ennek jelentősége abban áll, hogy azonos teljesítmény magasabb feszültségű átviteléhez kisebb áramra van szükség, így az átviteli hálózat ohmos veszteségei, valamint a vezetékek keresztmetszetei jelentősen csökkenthetők, és így lehetővé válik a villamos energia nagy távolságokra történő gazdaságos továbbítása.
A transzformátorral nem lehet Változatlan nagyságú egyenfeszültséget átalakítani. Változatlan nagyságú egyenfeszültséget váltakozó feszültséggé alakítani (se fordítva). A feszültség frekvenciáját módosítani. Elektromágnesként mágnesezhető tárgyakat vonzani
Kifejlesztése bélyegkép|jobbra| 150px|Gaulard–Gibbs féle transzformátor, 1882 bélyegkép|jobbra|Az első transzformátorok (Déri–Bláthy–Zipernowsky, Budapest, 1885)
Michael Faraday 1831-ben határozta meg az elektromágneses indukció törvényeit. 1871-ben Pavel Jablocskov orosz feltaláló villamos ívvel világító „elektromos gyertyákat” hozott létre, melyekben kezdetleges transzformátorokat alkalmazott. A gyertyák népszerűek lettek Európa nagyvárosaiban. Ekkor a tekercsek között mágnesességet hatékonyan közvetítő vasgyűrűk jelentőségét még nem ismerte fel.
1881-ben már bemutatót tartottak, 1882-re a francia Lucien Gaulard és John Dixon Gibbs szabadalmaztatták a váltakozó feszültség átalakítására képes készüléküket,Graces Guide: Gaulard-Gibbs ami transzformátorként működött. Ekkoriban másodlagos generátorként hivatkoztak rá, és előnyeit felismerve széles körű népszerűsítésbe kezdtek. 1883-ban demonstrálták Londoni Királyi Akváriumban egy villamos hálózat működését. Több fejlettebb transzformátorukat az 1884-es torinói villamosenergia-kiállításon mutatták be, ahol 20 kW teljesítményt továbbítottak 2000 V feszültséggel 40 km-en keresztül Torinóba egy lanzói vízerőműből. Részt vettek a rangos 1885-ös londoni Találmányok Kiállításán.1885 Inventions Exhibition Készülékük vasmagja még laza és mozdítható volt ami a hatékonyságot rontotta. 1888-ban Sebastian Ziani de Ferranti megtámadta az 1882-es szabadalmat, amit ennek hatására töröltek.
Az első energiaátvitelre stabilan alkalmas, zárt vasmagú transzformátort Déri Miksa, Bláthy Ottó Titusz és Zipernowsky Károly szabadalmaztatta, 1885-ben. Ezek a transzformátorok a Ganz gyárban készültek Budapesten. A magyar mérnökökhöz köthető a transzformátor elnevezés elterjesztése.
A képen látható két példány (egy magtranszformátor és egy köpenytranszformátor) 2010-ben Nagycenken, a Széchenyi István Emlékmúzeum egyik kiállításán volt. (Mindkét darab a Magyar Műszaki és Közlekedési Múzeum egyik szakmúzeumának, az Elektrotechnikai Múzeumnak a tulajdona.)
Az USA beli George Westinghouse üzletember William Stanley Jr. fizikussal közösen az 1885-ben megvásárolt Gaulard–Gibbs-szabadalom és termékek alapján tovább tökéletesítették a transzformátort a vasmag kialakítások változtatásával. Az akkoriban elterjedt egyenáramú hálózatokkal és áramkörök mellett így a váltakozóáram széles elterjedése lehetővé vált.
A transzformátor alapegyenletei A transzformátornál ideális esetben a primer oldali és a szekunder oldali teljesítmény megegyezik:
, Mivel a teljesítmény állandó, amennyivel a transzformált feszültség nagyobb, annyival kisebb az áram és fordítva.
A kölcsönös indukció elvén alapul. Ideális esetben a primer és a szekunder tekercsek között a csatolás tökéletes, azaz mindkét tekercs ugyanazt a mágneses fluxust (Φ) veszi körül. Ekkor a Faraday-féle indukciós törvény alapján (Maxwell II. egyenlete) az menetű szekunder tekercs egyetlen menetében indukált effektív feszültség:
,
míg N sorba kapcsolt menet indukált feszültsége:
.ahol kf = a görbe formatényezője, f a frekvencia, Φmax = Bmax*A, a fluxus maximuma egy periódus alatt, A a mágnesezett vaskeresztmetszet, B a vaskeresztmetszet átlagos indukciója
Másképpen:
A primer tekercs is ugyanezt a fluxust veszi körül, azaz
Az első egyenletből az N2, a másodikból az N1 tagot bal oldalra rendezve a két jobb oldal megegyezik, akkor a két bal oldal is megegyezik, a két feszültség hányadosa mindenkor a két menetszám hányadosával egyezik meg, azaz
Az ideális transzformátor áramáttételét Maxwell I. egyenlete alapján határozhatjuk meg. Ez kimondja, hogy bármely zárt térbeli hurokra a mágneses térerősség vonalmenti integrálja megegyezik a zárt hurok által meghatározott felületen átfolyó áramok összegével. (Feltételezve, hogy az úgynevezett eltolási áramok elhanyagolhatók.) Ideális csatoláshoz közel végtelen permeabilitású vasra van szükség, így feltételezhetjük, hogy a mágneses térerősség a vason belül közel zérus. Ezzel egy tetszőleges, mindenhol a vasban futó zárt hurokra felírt egyenlet a következő alakra egyszerűsödik:
Ebből pedig:
Ez a transzformátor áttételi egyenlete.
A primer és szekunder oldali teljesítmények megegyeznek, de ellentétes előjelűek. Az ideális transzformátor tehát veszteségmentes átalakító.
Nem ideális esetben:
ahol a transzformátor üresjárási árama, ami a mágnesezési és a vasveszteségi áramból tevődik össze. Ez a transzformátor gerjesztési egyenlete.
A transzformátor impedanciaillesztésre is használható. Az impedanciaáttétel a menetszámok alapján:
A transzformátor működése a gyakorlatban bélyegkép|jobbra|Toroid transzformátor bélyegkép|alt=Transzformátor séma|500px|Nagy-teljesítményű transzformátor részei: 1. Edény 2. Fedő 3. Olaj konzervátor tartály 4. Olajszint jelző 5. Buchholz-relé 6. Olajcső 7. Fokozat kapcsoló 8. Fokozatkapcsoló vezérlés 9. Fokozatkapcsoló hajtótengely 10. Nagyfeszültségű szigetelő 11. Nagyfeszültségű áramváltó 12. Középfeszültségű szigetelő 13. Középfeszültségű kivezetés és áramváltó 14. Feszültségváltó a műszerekhez 15. Vasmag 16. Vasmag rögzítő 17. Tartórudak 18. Tekercsek 19. Belső vezetékelés a tekercs és fokozatkapcsoló között 20. Olaj leeresztő csap 21. Vákuum szelep
A gyakorlatban a tökéletes csatolás nem valósítható meg, mindig van valamennyi úgynevezett szórt fluxus, ami vagy csak a primer, vagy csak a szekunder tekerccsel kapcsolódik (feltételezve, hogy a vas nem kerül telítésbe, és minden erővonal a vason keresztül záródik). Emiatt a primer és szekunder feszültségek aránya még terheletlen transzformátor esetén is kismértékben eltér a menetszámok arányától.
A primer tekercsre feszültséget kapcsolva a primer tekercsben áram folyik. Ennek nagysága függ a primer tekercs ohmos ellenállásától, az induktív reaktanciájától, valamint a vas átmágnesezéséhez szükséges teljesítménytől. (Üresjárat, ahol I2 = 0). Amennyiben a szekunder oldalt terheljük, a szekunder tekercsben megindul a szekunder áram. Ez az áram a tekercs ohmos ellenállásán és induktív reaktanciáján feszültségesést hoz létre, ami csökkenti a szekunder kapcsokon lévő feszültséget. (Üzemi állapot, ahol 0 < I2 < ∞.)
A gyakorlatban tehát üzemszerű állapotban a szekunder feszültség kisebb, mint az ideális, a primer és szekunder feszültségek aránya a menetszámáttételtől akár 6-50%-kal is eltérhet. Nagyobb transzformátoroknál az eltérés kisebb.
Az ellenállások és a szórt fluxust reprezentáló úgynevezett szórási reaktanciák határozzák meg a transzformátor rövidzárlati áramát (rövidre zárt szekunder oldal). A tervezés során ezért mindig ügyelnek arra, hogy legyen valamennyi szórt fluxus (drop) a rövidzárlati áram csökkentése érdekében.
A megvalósított transzformátorok több primer/szekunder tekercsből állhatnak; így többféle feszültség is kivezethető belőlük; illetve többféle feszültségű betáplálásuk lehetséges.
A transzformátorok hatékonysága kiemelkedő, energiaátvitelre épített készülékek esetén 98-99% között mozog.
Nagy teljesítményű transzformátorok