Muuntaja on sähkömagneettinen laite, jota käytetään muuntamaan yhden jännitteen ja taajuuden vaihtovirta toisen (tai saman) jännitteen ja saman taajuuden vaihtovirraksi.
Sisältö
Muuntajan rakenne ja toiminta
Yksinkertaisimmassa tapauksessa Muuntaja sisältää ensiökäämin, jonka käämien lukumäärä on W1 ja toisio, jonka W2. Energia on kytketty ensiökäämitykseen, kuorma on kytketty toisiokäämitykseen. Energiansiirto tapahtuu sähkömagneettisen induktion avulla. Sähkömagneettisen kytkennän tehostamiseksi käämit on yleensä asennettu suljettuun ytimeen (magneettisydän).
Jos vaihtojännite U1syötetään ensiökäämitykseen, vaihtovirta I1joka indusoi ytimeen samanmuotoisen magneettivuon F. Tämä magneettivuo indusoi EMF:n toisiokäämitykseen. Jos toisiopiiriin on kytketty kuorma, toisiovirta I2.
Toisiokäämin jännite määräytyy kierrosten W1 ja W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, jossa k muuntosuhde.
Jos k<1, U2>U1, ja tällaista muuntajaa kutsutaan korotusmuuntajaksi. Jos k>1 , U2
Muuntajassa voi olla useampi kuin yksi toisiokäämi, joissa on eri muuntajasuhteet. Esimerkiksi kotitalouksien hehkulamppujen syöttämiseen tarkoitetussa 220 voltin muuntajassa voi olla yksi toisiokäämi, esimerkiksi 500 volttia anodipiirejä varten ja 6 volttia hehkulamppupiirejä varten. Ensimmäisessä tapauksessa k<1, toisessa tapauksessa k>1.
Muuntaja toimii vain vaihtojännitteillä - magneettivuon on muututtava, jotta toisiokäämityksessä syntyy sähkömagneettista kenttää.
Muuntajien ydintyypit
Käytännössä käytetään muitakin kuin ilmoitetun muotoisia sydämiä. Laitteen käyttötarkoituksesta riippuen magneettisydämet voidaan valmistaa eri tavoin.
Ydinytimet
Matalataajuusmuuntajien sydämet valmistetaan teräksestä, jolla on huomattavat magneettiset ominaisuudet. Pyörrevirtojen vähentämiseksi ydinsarja on valmistettu yksittäisistä levyistä, jotka on eristetty sähköisesti toisistaan. Korkeilla taajuuksilla käytetään muita materiaaleja, kuten ferriittiä.
Edellä mainittua ydintä kutsutaan ydinsarjaksi, ja se koostuu kahdesta sauvasta. Yksivaiheisissa muuntajissa käytetään myös kolmiydinytimiä. Niiden magneettinen hajavirta on pienempi ja hyötysuhde korkeampi. Tässä tapauksessa sekä ensiö- että toisiokäämitys on sijoitettu keskussydämelle.
Myös kolmivaihemuuntajat valmistetaan kolmivaiheytimillä. Kunkin vaiheen ensiö- ja toisiokäämitykset ovat kumpikin erillisessä ytimessä. Joissakin tapauksissa käytetään viisiytimisiä ytimiä. Niissä on sama järjestely, primaari- ja sekundäärisydämet ytimen kummallakin puolella, ja kummankin puolen kahta ulointa ydintä käytetään magneettivuon kytkemiseen toisiinsa tietyissä toiminnoissa.
Panssaroidut ytimet
Yksivaiheiset muuntajat valmistetaan panssarisydämillä - molemmat käämit on sijoitettu magneettisydämen keskisydämelle. Magneettivuo kytkeytyy tähän ytimeen samalla tavalla kuin kolmiytimiseen yksikköön, eli sivuseinien kautta. Sirontavirta on tässä tapauksessa hyvin pieni.
Tämän rakenteen etuna on se, että koko ja paino pienenevät jonkin verran, koska sydänikkuna voidaan täyttää tiheämmin käämeillä, joten panssarisydämiä on edullista käyttää pienitehoisissa muuntajissa. Tästä seuraa myös lyhyempi magneettipiiri, mikä johtaa pienempiin tyhjäkäyntihäviöihin.
Haittapuolena on se, että käämiin on vaikeampi päästä käsiksi tarkastusta ja korjausta varten ja että korkeajännitteisen eristyksen valmistaminen on monimutkaisempaa.
Toroidi
Rengasmagneettisydämissä magneettivuo on täysin suljettu ytimen sisään, eikä magneettivuota käytännössä vuoda. Näitä muuntajia on kuitenkin vaikea käämittää, joten niitä käytetään vain harvoin, esimerkiksi pienen kapasiteetin säätömuuntajissa tai suurtaajuussovelluksissa, joissa häiriönsieto on tärkeää.
Automuuntaja
Joissakin tapauksissa on suositeltavaa käyttää muuntajia, joiden käämit eivät ole ainoastaan magneettisesti vaan myös sähköisesti kytkettyjä. Toisin sanoen ylöspäin kääntyvässä laitteessa ensiökäämi on osa toisiokäämiä ja alaspäin kääntyvässä laitteessa toisiokäämi on osa ensiökäämiä. Tällaista laitetta kutsutaan nimellä säästömuuntaja (AT).
Alaslaskutoiminen säästömuuntaja ei ole pelkkä jännitteen jakaja, vaan energian siirtoon toisiopiiriin liittyy myös magneettinen kytkentä.
Automuuntajien edut ovat:
- pienemmät tappiot;
- mahdollisuus portaattomaan jännitteen säätöön;
- pienemmät mitat (säästömuuntajat ovat halvempia ja helpompia kuljettaa);
- Alhaisemmat kustannukset pienemmän materiaalitarpeen ansiosta.
Haittapuolina ovat muun muassa tarve eristää molemmat käämit korkeammalla jännitteellä ja galvaanisen eristyksen puuttuminen tulon ja lähdön väliltä, mikä voi siirtää sään vaikutuksia ensiöpiiristä toisiopiiriin. Toisiopiirin osia ei saa samalla maadoittaa. Myös lisääntyneitä oikosulkuvirtoja pidetään AT:n haittana. Kolmivaiheisissa säästömuuntajissa käämit kytketään yleensä tähtikytkentään, jossa on maadoitettu nollajohdin. Muut kytkentäkaaviot ovat mahdollisia, mutta liian monimutkaisia ja hankalia. Tämä on myös haitta, joka voi rajoittaa automaattisten muuntajien käyttöä.
Muuntajasovellukset
Muuntajien ominaisuutta nostaa tai laskea jännitettä käytetään laajalti teollisuudessa ja kotitalouksissa.
Jännitteen muunnos
Teollisuuden jännitetasolla on erilaisia vaatimuksia eri vaiheissa. Korkeajännitegeneraattoreiden käyttö sähköntuotannossa ei ole eri syistä kannattavaa. Tästä syystä esimerkiksi vesivoimalaitoksissa käytetään 6...35 kV:n generaattoreita. Sitä vastoin sähkön siirtoon tarvitaan korkeampia jännitteitä - 110 kV:sta 1 150 kV:iin etäisyydestä riippuen. Tämän jälkeen jännite alennetaan jälleen 6...10 kV:iin, ja se jaetaan paikallisiin sähköasemiin, joista se alennetaan 380 (220) volttiin ja toimitetaan loppukuluttajalle. Kotitalous- ja teollisuuslaitteita varten sitä on myös alennettava, yleensä 3...36 volttiin.
Kaikki nämä vaiheet suoritetaan ... tehomuuntajat. Ne voivat olla kuiva- tai öljytyyppisiä. Jälkimmäisessä tapauksessa sydän ja käämit ovat öljysäiliössä, joka toimii eristävänä ja jäähdyttävänä väliaineena.
Galvaaninen eristys
Galvaaninen erotus lisää sähkölaitteiden turvallisuutta. Jos laite ei saa virtaa suoraan 220 voltin sähköverkosta, jossa yksi johtimista on kytketty maahan, vaan 220/220 voltin muuntajan kautta, syöttöjännite pysyy samana. Mutta jos maadoitetut ja toissijaiset virtaa johtavat osat koskettavat samanaikaisesti, virta ei pääse virtaamaan, ja sähköiskun vaara on paljon pienempi.
Jännitteen mittaus
Kaikissa sähköasennuksissa jännitetasoa on valvottava. Jos käytetään enintään 1000 voltin jänniteluokkaa, jännitemittarit asennetaan suoraan jännitteisiin osiin. Yli 1000 voltin asennuksissa tämä ei ole mahdollista - laitteet ovat liian hankalia eivätkä ehkä ole turvallisia eristysvian sattuessa. Siksi tällaisissa järjestelmissä jännitemittarit liitetään korkeajännitejohtimiin muuntajien avulla, joilla on sopiva muuntosuhde. Esimerkiksi 10 kV:n verkoissa käytetään 1:100-muuntajia, ja lähtöjännite on vakio 100 volttia. Jos ensiöjännitteen amplitudi muuttuu, se muuttuu samanaikaisesti myös toisiojännitteessä. Volttimittarin asteikko on yleensä asteikollinen ensiöjännitealueella.
Muuntajat ovat melko monimutkaisia ja kalliita valmistaa ja ylläpitää. Monissa sovelluksissa nämä laitteet ovat kuitenkin välttämättömiä, eikä niille ole vaihtoehtoa.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
