Muuntaja yleisesti

Muuntaja on sähkölaite ilman liikkuvia osia. Sen toiminta perustuu sähkömagneettiseen induktioon, joten se toimii vain vaihtovirralla. Muuntajan päätehtävä on muuntaa sähköjännitettä toiseksi, korkeammaksi tai matalammaksi. Samalla muuntajan tehtävä on usein erottaa galvaanisesti toisistaan virtapiirit, joiden kesken kuitenkin tapahtuu energiansiirtoa. Eräs syy vaihtovirtaverkon suosioon sähkönjakelussa on se, että muuntajalla on helppo muuttaa jännitetasoa hyvällä hyötysuhteella.

Muuntajan ominaisuuksista

Teho

Muuntajan teho ilmoitetaan aina näennäistehona, jonka yksikkö on VA. Näennäisteho on toisiojännite kertaa toisiovirta. Joskus on hyödyksi tietää myös muuntajaan syötetty teho esimerkiksi ensiöjohtimien tai sulakkeiden mitoitusta varten. Siksi datalehdessä on annettu myös ΔS. Koska kaikilla muuntajilla on suuremmat tai pienemmät kupari-, rauta- ja magnetointihäviot, on ΔS aina suurempi kuin 1.

Kertomalla nimellisteho ΔS:llä saadaan sisään syötettävä näennäisteho. (Esim. erään muuntajan nimellisteho on 400 VA ja ΔS = 1,10.

Sisäänmenevä näennäisteho on tällöin 1,10 X 400 VA = 440 VA). Kun tiedetään sisäänsyötetty näennäisteho ja syöttöjännite, saadaan helposti syöttövirta. (edellisessä esimerkissä U = 220 V, S = 440 VA, I = 440 VA : 220 V = 2 A). Kytkettäessä muuntajaa sähköverkkoon esiintyy aina tietty kytkentävirtasysäys, josta syystä ensiöpuolella tulee käyttää hidasta sulaketta.

Tyhjäkäyntijännite

Muuntajassa esiintyy aina kuormitushäviöitä (kuparihäviöt), josta johtuen toisiojännite muuttuu kuormituksen mukaan. Nimellistoisiojännite ilmoitetaan sen tähden aina nimelliskuormalla. Voidaksemme laskea toisiojännitteiden vaihtelut on datalehdellä ilmoitettu ΔU. Tyhjäkäyntijännite saadaan kertomalla nimellistoisiojännite ΔU:lla. (Esim. toision nimellisjännite on 110 V ja ΔU=1,05. Tyhjäkäyntijännitteeksi saadaan silloin 1,05 X 110 V = 115,5 V. Toisiojännite vaihtelee siis 110 voltista nimelliskuormalla 115,5 volttiin tyhjäkäynnillä).

Hyötysuhde

Muuntajien hyötysuhde vaihtelee voimakkaasti niiden koon mukaan. Mitä suurempi muuntaja on, sen parempi on yleensä sen hyötysuhde. Muuntajan todellinen hyötysuhde on aina jonkin verran parempi kuin sen näennäishyötysuhde, joka saadaan ΔS:n käänteisarvona.

Poikkeamat tyyppitehosta

Muuntajan nimellisteho voi poiketa datalehden tyyppitehosta useistakin syystä. Eräs tavallisimmista syistä on, että ensiöjännitteitä on useita. Tällaisessa tapauksessa ensiökäämin kaikki osat on mitoitettava täydelle teholle, mikä vaatii normaalia enemmän käämitilaa, jolloin yleensä joudutaan käyttämään suurempaa sydäntehoa.

Toinen tavallinen syy on, että halutaan pienentää jännitteen alenemaa, jolloin käämit joudutaan ylimitoittamaan kuparihäviöiden pienentämiseksi. Myös tapauksissa, jolloin ympäristön lämpötila on epätavallisen korkea, täytyy käämit ylimitoittaa. Ilmoitetut tyyppitehot ovat taajuudella 50 – 60 Hz. Pienemmällä taajuudella esim. 16 2/3 Hz tulee muuntajasta suurempi ja suuremmalla taajuudella esim. 400 Hz pienempi kuin vakiomuuntaja.

Ilmoitettu tyyppiteho koskee jatkuvaa käyttöä. Mikäli muuntajaa käytetään vain jaksottaisesti, voidaan se rakentaa pienemmäksi. Sen tähden on tärkeää, että mahdollinen jaksottaiskäyttö ilmoitetaan tilauksessa. Jaksottaiskäyttöprosentti ilmaisee, montako prosenttia käyttöajasta muuntaja on kuormitettuna. Tyyppiteho voidaan tuolloin Iaskea seuraavasti:

Toisioteho kertaa jaksotekijän neliöjuuri = tyyppiteho. Esim. toisioteho 100 VA otetaan 1 sekunnin ajan joka neljäs sekunti, tällöin jaksotekijä on 0,25, jolloin neliöjuuri siitä on 0,5, joten tyyppiteho = 5O VA. Jaksottaiskäytössä on huomioitava, että jakson ajan tulee olla huomattavasti muuntajan omaa lämpenemisaikavakiota pienempi. Lämpenemisaikavakiot ovat yleensä 5 – 50 min muuntajan koosta riippuen. Suurimmilla muuntajilla aikavakion pituus on kuitenkin useita tunteja.

3-vaihekytkennät

Samaan jännitteeseen kuuluvat käämit 3-vaihemuuntajissa voidaan kytkeä joko tähteen (Y), kolmioon (D) tai hakatähteen (Z).

Y-kytkentä

Tämä on yleisin kytkentä 3-vaihemuuntajissa. Sitä käytetään sekä ala- että yläjännitepuolella. Y-kytkentä saadaan kytkemällä kaikkien käämien toiset päät yhteen, joka muodostaa 0-pisteen, johon voidaan kytkeä nollajohdin. Äärijohtimien ja nollajohtimen välillä on tällöin vaihejännite, joka on pääjännite jaettuna √3:lla.

D-kytkentä

Kytkemällä joka vaiheen alku yhteen seuraavan vaiheen lopun kanssa saadaan D-kytkentä. Äärijohtimien välillä saadaan pääjännite, mutta mitään välijännitettä ei tästä kytkennästä saada. D-kytkentää käytetään etupäässä pienjännitteillä, sillä se vaatii √3 kertaa niin paljon kierroksia kuin Y-kytkentä.

Z-kytkentä

Tämä kytkentä voidaan ajatella muodostuneeksi Y-kytkennästä, missä jokainen vaihekäämi on jaettu kahteen puolikkaaseen. Toisten puolikkaiden loppupäät ovat yhteenkytketyt, joka piste muodostaa nollapisteen. Eri pylväillä sijaitsevat puolikkaat kytketään sarjaan. Jännitteiden vaihesiirto on 60°, josta johtuen kierroksia tarvitaan 15,5% enemmän kuin Y-kytkennässä.

Sama kytkentä voi esiintyä sekä ensiö- että toisiopuolella (esim. Y/Y, D/D). Tätä kutsutaan puhtaaksi kytkennäksi. Mikäli kytkennät poikkeavat, kutsutaan sitä sekakytkennäksi (esim. D/Y, Y/Z). Alla olevassa taulukossa ovat tavallisimmat kytkennät.

Huomioonottaen vinokuormitusominaisuudet sekä taloudelliset näkökohdat suosittelemme useimpiin tapauksiin kytkentää Dy11. Mikäli tilattaessa ei erikseen mainita kytkentäryhmää toimitetaan muuntaja tällä kytkennällä. 3-vaihemuuntaja voidaan luonnollisesti tehdä säästömuuntajana kuten 1-vaihemuuntaja. Tällöin käytetään tavallisesti Y-kytkentää.

Kotelointiluokat

Kotelointiluokalla tarkoitetaan sähkölaitteen ulkokuoren tai -vaipan (koteloinnin) kykyä suojata ympäristöä laitteen sisäosissa esiintyvän kipinöinnin, valokaaren, lämpötilan ja jännitteisten tai liikkuvien osien aiheuttamalta hengen-, terveyden- tai omaisuuden vaaralta sekä ulkokuoren tai -vaipan kykyä suojata laitteen arkoja sisäosia ympäristöstä tunkeutuvalta kosteudelta, pölyltä ja syövyttäviltä tai muuten vahingollisilta aineilta. Kansainvälisen IEC-järjestön luokittelujärjestelmässä kotelointiluokan tunnus muodostuu kirjaimista IP, joita seuraa kaksi tunnusnumeroa.

Ensimmäinen tunnusnumero ilmaisee koteloinnin kosketus- ja vierasainesuojauksen ja toinen tunnusnumero sen vesisuojauksen. Jos halutaan ilmaista kotelointiluokka vain jommalla kummalla tunnusnumerolla, korvataan toinen -tällöin koteloinnin kannalta merkityksetön numero- isolla X-kirjaimella, esim. IP 2X tai IP X5. Seuraavassa taulukossa IP-luokitukset.

Vakiotyyppien rakenne

E-sarjan standardina on muuntajissa 2-lokerokela ja kuristimissa 1-lokerokela. Muuntajat voidaan toimittaa myös 1-lokerokelalla. Sydän on kylmävalssattua 0,5 mm dynamolevyä, EI-tyyppiä. Käämien lämpötilan nousu on yleensä max 80°C ja lämpöluokka on B (130°C). Tarvittaessa valmistamme muuntajat myös korkeampaan lämpöluokkaan. Käyttövarmuuden lisäämiseksi osa eristemateriaaleista täyttää luokan F tai H vaatimukset.

Pienitehoisissa malleissa lämpötilan nousu on tyypillisesti n. 40°C. Tuotteet kyllästetään upottamalla ne hartsiin, joka kuivatetaan uunissa. Muuntajien ja kuristimien mitat noudattavat DIN-normia ja ne valmistetaan ja koestetaan normaalisti IEC 61558-1 mukaan. Tuotteet voidaan valmistaa ja koestaa myös muiden normien mukaan (esim. CSA). Koteloidut mallit on tarkoitettu kiinteään asennukseen.

Muuntajia tilatessa on mainittava:

tyyppi
teho
ensiö- ja toisiojännitteet; myös kunkin toisiojännitteen virran voimakkuus sekä onko kysymyksessä väliulosotto vai erillinen käämiliitäntä
kytkentäryhmä, 3-vaihemuuntajat
mahdollinen sulake tai ylivirtasuoja
muut lisätiedot kuten taajuus, jaksottaiskäyttö, säästökytkentä jne.