Virtamuuntajat: rakenne, toimintaperiaate ja tyypit

Virtamuuntajia käytetään laajalti nykyaikaisessa energiatekniikassa laitteina, joilla voidaan muuttaa erilaisia sähköisiä parametreja säilyttäen niiden perusarvot. Laitteen toiminta perustuu induktiolakiin, joka koskee sinimuotoisesti vaihtelevia magneetti- ja sähkökenttiä. Muuntaja muuntaa primäärivirran arvon modulaation ja kulmansiirron suhteen suhteessa raakatietoihin. Laitteen valinta on tehtävä käyttöalueen ja liitettyjen kuluttajien määrän perusteella.

Mikä on virtamuuntaja?

Niitä käytetään teollisuudessa, kunnallistekniikassa, maa- ja vesirakentamisessa, teollisuudessa ja muilla aloilla virran syöttämiseen määritellyillä fysikaalisilla parametreilla. Jännite syötetään ensiökäämin käämeihin, joissa magneettisäteilyn seurauksena syntyy vaihtovirta. Sama säteily kulkee jäljelle jäävien kelojen läpi, minkä vuoksi sähkömagneettiset voimat liikkuvat, ja kun toissijaiset kelat oikosuljetaan tai kytketään sähköpiiriin, järjestelmään syntyy toissijainen virta.

Nykyaikaiset virtamuuntajat mahdollistavat energian muuntamisen siten, että sen käyttö ei aiheuta vahinkoa sitä käyttäville laitteille. Ne mahdollistavat myös suurempien kuormitusten mittaamisen mahdollisimman turvallisesti koneiden ja henkilöstön kannalta, koska ensiö- ja toisiokäämit on eristetty luotettavasti toisistaan.

Mitä muuntajia varten?

On helppo nähdä, mihin virtamuuntaja on hyvä: sen käyttökohteet kattavat kaikki alat, joilla energia-arvoja muunnetaan. Nämä laitteet ovat apulaitteita, joita käytetään rinnakkain mittauslaitteiden ja releiden kanssa vaihtovirtapiirin luomiseksi. Näissä tapauksissa muuntajat muuntavat energiaa, jotta parametrien tulkitseminen olisi helpompaa tai jotta ominaisuuksiltaan erilaiset laitteet voitaisiin liittää samaan virtapiiriin.

Muuntajilla on myös mittaustehtävä: niitä käytetään korkeamman jännitteen sähkövirtapiirien käyttämiseen, joihin on liitettävä mittauslaitteita, mutta sitä ei voida tehdä suoraan. Niiden päätehtävänä on välittää virta-arvoja koskevat tiedot toisiokäämitykseen kytkettyihin mittauslaitteisiin. Se mahdollistaa myös virtapiirin virran valvonnan: kun relettä käytetään ja virran enimmäisarvo saavutetaan, aktivoituu suojaus, joka sammuttaa laitteen palamisen ja henkilövahinkojen välttämiseksi.

Toimintaperiaate

Näiden laitteiden toiminta perustuu induktiolakiin, jonka mukaan jännite kytketään primäärikäämiin ja virta voittaa käämin aiheuttaman vastuksen, jolloin magneettivuo siirtyy magneettikäämiin. Vuo on kohtisuorassa virtaan nähden, mikä minimoi häviöt, ja kun se ylittää toisiokäämitykset, sähkömagneettinen kenttä aktivoituu. Tämä indusoi järjestelmään virran, joka on suurempi kuin kelan resistanssi, kun taas jännite toisiokelojen ulostulopäässä pienenee.

Muuntajan yksinkertaisin rakenne koostuu siis metallisydämestä ja käämiparista, joita ei ole kytketty toisiinsa ja jotka on tehty eristettyinä johtimina. Joissakin tapauksissa kuormitus kohdistuu vain ensiökäämiin eikä toisiokäämiin: tämä on niin sanottu tyhjäkäyntitila. Jos toisiokäämiin kytketään virtaa kuluttavia laitteita, käämien läpi kulkee virta ja syntyy sähkömotorinen voima. Sähkömagneettinen kenttä määräytyy käämien lukumäärän mukaan. Primääri- ja sekundäärikierrosten sähkömotorisen voiman suhdetta kutsutaan muuntosuhteeksi, joka lasketaan kierrosten lukumäärän suhteesta. Loppukäyttöjännitettä on mahdollista säätää muuttamalla ensiö- tai toisiokierrosten lukumäärää.

Virtamuuntajien luokittelu

Virtamuuntajia on useita eri tyyppejä, jotka luokitellaan useiden kriteerien, kuten käyttötarkoituksen, asennustavan, muuntovaiheiden lukumäärän ja muiden tekijöiden mukaan. Nämä parametrit on otettava huomioon ennen virtamuuntajan valintaa:

• Tarkoitus. Tätä käytetään erottamaan toisistaan mittaus-, väli- ja suojamallit. Välimuuntajia käytetään esimerkiksi relesuojausjärjestelmien ja muiden piirien tietojenkäsittelylaitteiden liittämiseen. Erillisissä laboratoriomuuntajissa, jotka parantavat indikaattorien tarkkuutta, on suuri määrä muuntokertoimia.
• Asennusmenetelmä. On olemassa ulko- ja sisäasennukseen tarkoitettuja muuntajia: ne eivät ainoastaan näytä erilaisilta, vaan niillä on myös erilaiset ulkoisten vaikutusten kestävyysindikaattorit (esimerkiksi ulkokäyttöön tarkoitetuissa laitteissa on suojaus sateelta ja lämpötilan vaihteluilta). Lisäksi erotetaan toisistaan kannettavat ja kannettavat muuntajat; jälkimmäisten paino ja mitat ovat verrattain alhaiset.
• Käämityyppi. Muuntajat voivat olla yksi- ja monijännitemuuntajia, kela-, ydin- tai kiskomuuntajia. Sekä ensiö- että toisiokäämitys voivat olla erilaisia, ja myös eristys (kuiva, posliini, bakeliitti, öljy, yhdistelmä jne.) on erilainen.
• Muunnosvaiheiden taso. Laitteisto voi olla yksi- tai kaksivaiheinen (kaskadi), ja 1000 V:n jänniteraja voi olla vähimmäis- tai enimmäisjännite.
• Suunnittelu. Tämän kriteerin mukaan on olemassa kahdenlaisia virtamuuntajia: öljyllä upotettuja ja kuivamuuntajia. Ensimmäisessä tapauksessa käämit ja magneettisydän ovat säiliössä, joka sisältää erityistä öljyistä nestettä: se toimii eristeenä ja mahdollistaa väliaineen käyttölämpötilan säätämisen. Toisessa tapauksessa jäähdytys on ilmajäähdytteinen, ja tällaisia järjestelmiä käytetään teollisuus- ja asuinrakennuksissa, koska öljymuuntajia ei voida asentaa sisätiloihin lisääntyneen palovaaran vuoksi.
• Jännitetyyppi. Muuntajat voivat olla step-down- ja step-up-muuntajia: ensimmäisessä tapauksessa ensiökäämien jännite pienenee ja toisessa tapauksessa jännite kasvaa.
• Toinen tapa luokitella on valita virtamuuntaja sen tehon mukaan. Tämä parametri riippuu laitteen käyttötarkoituksesta, liitettyjen kuluttajien määrästä ja niiden ominaisuuksista.

Parametrit ja ominaisuudet

Kun valitset tällaisia laitteita, sinun on otettava huomioon tärkeimmät tekniset parametrit, jotka vaikuttavat käyttöalueeseen ja kustannuksiin. Tärkeimmät ominaisuudet ovat:

• Nimelliskuorma tai teho: valinta voidaan tehdä muuntajan ominaisuuksien vertailutaulukon avulla. Tämän parametrin arvo määrittää muut virran nimellisarvot, koska se on tiukasti säännelty ja sen avulla määritetään laitteen normaali toiminta valitussa tarkkuusluokassa.
• Nimellisvirta. Tämä arvo määrittää, kuinka kauan laite voi toimia ylikuumenematta kriittisiin lämpötiloihin. Muuntajalaitteilla on yleensä huomattava lämpöreservi, ja ne toimivat normaalisti, kun ne ylikuormittuvat jopa 18-20 prosenttia.
• Jännite. Tämä arvo on tärkeä käämityksen eristyksen laadun kannalta ja varmistaa koneen moitteettoman toiminnan.
• Virheet. Tämä ilmiö johtuu magneettivuosta; virhearvo on tarkan ensiö- ja toisiovirran välinen ero. Muuntajan ytimessä olevan magneettivuon lisääntyminen lisää virhettä suhteessa siihen.
• Muuntosuhde, joka on ensiökäämien virran ja toisiokäämien virran suhde. Kertoimen todellinen arvo eroaa nimellisarvosta energiamuunnoksen häviön verran.
• Rajakertoimen kerroin, joka ilmaistaan todellisen ensiövirran ja nimellisvirran suhteena.
• Toisiokäämin käämityksissä esiintyvän virran moninaisuus.

Virtamuuntajan keskeiset tiedot määritetään tehokerroindiagrammilla: sen avulla voidaan tarkastella laitteen ominaisuuksia eri toimintatiloissa kuormittamattomuudesta täyteen kuormitukseen.

Tärkeimmät arvot on merkitty laitteen runkoon erityisellä merkinnällä. Se voi myös sisältää tietoja laitteen nosto- ja asennusmenetelmästä, varoitustietoja toisiokäämien korkeista jännitteistä (yli 350 volttia) ja tietoja maadoitusalustan olemassaolosta. Energiamuunnin merkitään tarralla tai maalilla.

Mahdolliset viat

Kuten kaikki muutkin laitteet, muuntajat vikaantuvat aika ajoin ja vaativat asiantuntevaa huoltoa ja diagnoosia. Ennen laitteen tarkistamista on tärkeää tietää, mitä vikoja esiintyy ja mitkä merkit vastaavat niitä:

• Epätasainen ääni kotelon sisällä, säröilyä. Tämä ilmiö viittaa yleensä maadoituselementin katkeamiseen, käämikierrosten päällekkäisyyteen kotelon kanssa tai magneettisydämenä toimivien levyjen löysään puristukseen.
• Kotelon liiallinen kuumeneminen, lisääntynyt virta kuluttajan puolella. Ongelman voivat aiheuttaa käämityksen oikosulut, jotka johtuvat eristyskerroksen kulumisesta tai mekaanisesta vaurioitumisesta, sekä oikosulusta johtuvat toistuvat ylikuormitukset.
• Säröillä olevat eristimet, liukupurkaukset. Näitä syntyy tuotantovirheissä, joita ei havaita ennen käynnistystä, vierasesineissä ja eri arvoisten vaihejohtojen päällekkäisyyksissä.
• Öljypäästöt, joiden aikana pakokaasurakenteen kalvo repeää. Ongelma johtuu vaiheiden välisestä oikosulusta, joka johtuu eristyksen kulumisesta, öljytason laskusta, jännitteen putoamisesta tai ylivirtojen esiintymisestä, jos päädystä päähän tapahtuva oikosulku syntyy.
• Öljy vuotaa tiivisteiden alta tai muuntajan hanoista. Tärkeimmät syyt ovat osien virheellinen hitsaus, heikot tiivisteet, tuhoutuneet tiivisteet tai korjaamattomat venttiilitulpat.
• Kaasusuojareleen aktivointi. Tämä ilmiö tapahtuu, kun öljy hajoaa käämivian, avoimen virtapiirin, kytkinten koskettimien palamisen tai muuntajan kotelon oikosulun vuoksi.
• Kaasusuojareleen kytkeminen pois päältä. Öljynesteen aktiivinen hajoaminen vaiheiden välisen vian, sisäisen tai ulkoisen ylijännitteen tai niin sanotun "teräspalon" seurauksena aiheuttaa ongelman.
• Laukesi differentiaalisuojaus. Tämä vika ilmenee, kun syöttökotelossa on vika, kun vaiheet ovat päällekkäin tai muissa tapauksissa.

Laitteen toimivuuden maksimoimiseksi olisi tehtävä säännöllisiä tarkastuksia lämpökameralla: laitteella voidaan diagnosoida kontaktin laadun heikkeneminen ja käyttölämpötilan aleneminen. Asiantuntijat suorittavat tarkastuksen aikana seuraavat toimenpiteet:

• 1. Jännitteen ja virran lukemat.
  2. Kuormituksen todentaminen ulkoisen lähteen avulla.
  3. Toimintapiirin parametrien määrittäminen.
  4. Muuntosuhteen laskeminen, arvojen vertailu ja analysointi.

Muuntajan laskeminen

Perusperiaate määritellään kaavalla U1/U2=n1/n2, jonka elementit puretaan seuraavasti:

• U1 ja U2 ovat ensiö- ja toisiokierrosten jännitteet.
• n1 ja n2 ovat ensiö- ja toisiokäämien lukumäärä.

Ytimen poikkipinta-alan määrittämiseen käytetään toista kaavaa: S=1,15 * √PTeho mitataan watteina ja pinta-ala neliösenttimetreinä. Jos laitteessa käytettävä sydän on S-kirjaimen muotoinen, poikkipinta-ala lasketaan keskimmäiselle ytimelle. Primääritason käämityksen kierrosten määrittämiseksi käytetään kaavaa n=50*U1/S, jos komponentti 50 ei ole muuttumaton, se suositellaan korvattavaksi komponentilla 60 sähkömagneettisten häiriöiden välttämiseksi. Toinen kaava on d=0,8*√Ijossa d on johtimen poikkileikkaus ja I on virran voimakkuusindeksi, käytetään kaapelin halkaisijan laskemiseen.

Lasketut luvut pyöristetään ylöspäin (esim. laskettu teho 37,5 W pyöristetään alaspäin arvoon 40). Pyöristäminen on sallittua vain ylöspäin. Kaikkia edellä esitettyjä kaavoja käytetään 220 V:n verkossa toimivien muuntajien valinnassa; suurtaajuusjohtoja rakennettaessa käytetään muita parametreja ja laskentamenetelmiä.

Aiheeseen liittyvät artikkelit: