Der Transformator dient dazu, eine Wechselspannung mit einem bestimmten Wert in eine Wechselspannung mit einem anderen Wert umzuwandeln, wobei die Frequenz unverändert bleibt. Einen Sonderfall stellen Transformatoren dar, die die Spannungswerte nicht verändern; sie dienen dann jedoch der galvanischen Trennung des versorgten Gerätes vom speisenden Energieversorgungsnetz.
Es gibt eine Reihe von Regeln und Gesetzen aus dem Bereich der Elektrotechnik, die bei der Konstruktion von Transformatoren Anwendung finden. Eine der anspruchsvolleren Theorien, von der ausgehend sich die bei der Spannungstransformation ablaufenden Vorgänge erklären lassen, sind die Maxwellschen Gleichungen. Aus ihrer Interpretation und aus ihren Vereinfachungen ergeben sich auch weitere Gesetze und Regeln, denen man in der elektrotechnischen Fachliteratur begegnet. Dies sind unter anderem:
- das Biot-Savart-Gesetz zur Bestimmung des Wertes der magnetischen Flussdichte;
- das Durchflutungsgesetz, das die Zusammenhänge zwischen Stromstärke, Windungszahl, Abmessungen und Durchflutung beschreibt;
- das Faradaysche Gesetz / das Gesetz der elektromagnetischen Induktion, das den Zusammenhang zwischen der induzierten elektromotorischen Kraft und der Änderungsgeschwindigkeit des verketteten magnetischen Flusses beschreibt;
- die Lenzsche Regel – sie legt die Richtung der induzierten elektromotorischen Kraft so fest, dass diese den Änderungen des sie hervorrufenden magnetischen Flusses entgegenwirkt;
- die Erscheinung der Selbstinduktion, die darin besteht, dass in einer Spule unter dem Einfluss der Änderungen des durch diese Spule fließenden Stromes eine elektromotorische Kraft induziert wird;
- die Erscheinung der Gegeninduktion, die darin besteht, dass in einer Spule unter dem Einfluss der Stromänderungen in einer anderen, mit ihr gekoppelten Spule eine elektromotorische Kraft induziert wird.
Zu den unerwünschten Erscheinungen zählen:
- Eisenverluste (Wirbelstromeffekt);
- Kupferverluste (Leistungsverlust am Widerstand der Wickeldrähte);
- Streufluss (das Schließen eines Teils der magnetischen Feldlinien in einem Raum, der nicht mit der Sekundärwicklung verkettet ist);
- kapazitive Ströme (bedingt durch das Vorhandensein elektrischer Kapazitäten zwischen den Wicklungen sowie zwischen den Wicklungen und dem Kern);
- Verzerrungen der Ströme und Spannungen, also das Auftreten von Oberschwingungen höherer Ordnung infolge der Nichtlinearität der Parameter des magnetischen Kreises.
Unter Berücksichtigung der wichtigsten der zuvor genannten Gesetze und Erscheinungen wurde ein vereinfachtes Modell des einphasigen Zweiwicklungstransformators erarbeitet, anhand dessen sich sein Funktionsprinzip sowie die grundlegenden Zusammenhänge zwischen den Eingangs- und den Ausgangsgrößen erklären lassen.
