Muuntajan rakenne

Tämä magneettipiiri, joka tunnetaan yleisemmin nimellä ”muuntajasydän”, on suunniteltu siten, että magneettikenttä kulkee sen ympärillä, mikä on välttämätöntä jännitteen induktiolle kahden käämin välille.

Tämä muuntajan rakennetyyppi, jossa kaksi käämiä on kierretty erillisiin haaroihin, ei kuitenkaan ole kovin tehokas, koska ensiö- ja toisiokäämitykset on erotettu toisistaan hyvin. Tämä johtaa vähäiseen magneettikytkentään näiden kahden käämin välillä sekä suuriin määriin magneettivuon vuotoa itse muuntajasta. Mutta tämän ”O”-muotoisen rakenteen lisäksi on olemassa erilaisia ”muuntajarakenteita” ja -malleja, joita käytetään näiden tehottomuuksien poistamiseen ja jotka tuottavat pienemmän ja kompaktimman muuntajan.

Yksinkertaisen muuntajarakenteen hyötysuhdetta voidaan parantaa tuomalla kaksi käämitystä läheiseen kosketukseen toistensa kanssa, jolloin magneettinen kytkentä paranee. Magneettipiirin kasvattaminen ja keskittäminen käämien ympärille voi parantaa kahden käämin välistä magneettista kytkentää, mutta sillä on myös se vaikutus, että muuntajan ytimen magneettiset häviöt kasvavat.

Magneettikentän matalan reluktanssin polun tarjoamisen lisäksi ydin on suunniteltu estämään itse rautasydämen sisällä kiertävät sähkövirrat. Kiertävät virrat, joita kutsutaan ”pyörrevirroiksi”, aiheuttavat ytimen sisällä lämpenemistä ja energiahäviöitä, jotka pienentävät muuntajan hyötysuhdetta.

Nämä häviöt johtuvat pääasiassa jännitteistä, jotka indusoituvat rautapiiriin, johon kohdistuu jatkuvasti ulkoisen sinimuotoisen syöttöjännitteen asettamat vaihtuvat magneettikentät. Yksi tapa vähentää näitä ei-toivottuja tehohäviöitä on rakentaa muuntajan ydin ohuista teräslaminaateista.

Kaikenlaisissa muuntajarakenteissa keskeinen rautasydän rakennetaan ohuista piiteräslaminaateista valmistetusta erittäin läpäisevästä materiaalista. Nämä ohuet laminaatit kootaan yhteen, jotta saadaan aikaan tarvittava magneettinen polku mahdollisimman pienillä magneettisilla häviöillä. Itse teräslevyn resistiivisyys on suuri, mikä vähentää pyörrevirtahäviöitä tekemällä laminaateista hyvin ohuita.

Näiden teräsmuuntajalaminaattien paksuus vaihtelee 0,25 mm:n ja 0,5 mm:n välillä, ja koska teräs on johdin, laminaatit ja mahdolliset kiinnitystapit, niitit tai pultit on eristetty toisistaan hyvin ohuella kerroksella eristyslakkaa tai käyttämällä oksidikerrosta pinnalla.

Muuntajan ytimen rakenne

Yleisesti muuntajan rakenteeseen liittyvä nimi riippuu siitä, miten ensiö- ja toisiokäämit on kierretty keskeisen laminoidun teräsytimen ympärille. Kaksi yleisintä ja perustavanlaatuisinta muuntajan rakennetta ovat suljetun ytimen muuntaja ja kuoriytimen muuntaja.

”Suljetun ytimen” tyyppisessä (ydinmuotoisessa) muuntajassa ensiö- ja toisiokäämitykset on kiedottu ulkopuolelle ja ympäröivät ydinrenkaan. ”Kuorityyppisessä” (kuorimuotoisessa) muuntajassa ensiö- ja toisiokäämitykset kulkevat teräksisen magneettipiirin (ytimen) sisällä, joka muodostaa kuoren käämitysten ympärille alla olevan kuvan mukaisesti.

Muuntajan ytimen rakenne

Kummassakin muuntajan ytimen rakennetyypissä ensiö- ja toisiokäämityksiä yhdistävä magneettivirta kulkeutuu kokonaan ytimen sisällä ilman magneettivirtauksen hävikkiä ilman kautta. Ydintyyppisessä muuntajarakenteessa kunkin käämin toinen puolikas on kiedottu muuntajan magneettipiirin kummankin jalan (tai haaran) ympärille edellä esitetyllä tavalla.

Käämejä ei ole sijoitettu siten, että ensiökäämi olisi yhdellä jalalla ja toisiokäämi toisella, vaan sen sijaan puolet ensiökäämistä ja puolet toisiokäämistä on sijoitettu toistensa päälle keskittyneesti kumpaankin jalkaan magneettisen kytkeytymisen lisäämiseksi, minkä ansiosta käytännöllisesti katsoen kaikki magneettiset voimajohtolinjat kulkevat ensiö- ja toisiokäämien läpi samaan aikaan. Tämäntyyppisessä muuntajarakenteessa pieni osa magneettisista voimasuureista kulkee kuitenkin ytimen ulkopuolella, ja tätä kutsutaan ”vuotovirraksi”.

Kuorityyppiset muuntajasydämet poistavat tämän vuotovirran, koska sekä ensiö- että toisiokäämitys on käämitetty samalle keskimmäiselle jalalle, jonka poikkipinta-ala on kaksi kertaa niin suuri kuin molempien uloimpien haarojen poikkipinta-ala. Etuna on, että magneettivuolla on kaksi suljettua magneettista reittiä, joita se voi kiertää käämien ulkopuolella sekä vasemmalla että oikealla puolella, ennen kuin se palaa takaisin keskikäämiin.

Tämä tarkoittaa, että tämäntyyppisen muuntajarakenteen uloimpien raajojen ympärillä kiertävä magneettivuo on yhtä suuri kuin Φ/2. Koska magneettivuolla on suljettu reitti käämien ympärillä, tämän etuna on, että ydinhäviöt pienenevät ja kokonaishyötysuhde kasvaa.

Muuntajan laminoinnit

Mutta saatat ihmetellä, miten ensiö- ja toisiokäämitykset kierretään näiden laminoidun rauta- tai teräsydinten ympärille tämäntyyppisissä muuntajarakenteissa. Käämit kierretään ensin muuntajalle, jonka poikkileikkaus on lieriömäinen, suorakulmainen tai soikea laminoidun ytimen rakenteen mukaan. Sekä kuori- että ydintyyppisissä muuntajarakenteissa käämikäämien kiinnittämiseksi yksittäiset laminaatit leimataan tai lävistetään suuremmista teräslevyistä ja muotoillaan ohuiksi teräsnauhoiksi, jotka muistuttavat kirjaimia ”E”, ”L”, ”U” ja ”I”, kuten alla on esitetty.

Muuntajan ytimityypit

Nämä laminaattityyppiset leikkeet, kun ne on kytketty toisiinsa, muodostavat vaaditun ytimen muodon. Esimerkiksi kaksi ”E”-leimausta ja kaksi päätyyn sulkeutuvaa ”I”-leimausta antavat E-I-sydämen, joka muodostaa yhden elementin tavallisesta kuorimuuntajan ytimestä. Nämä yksittäiset laminaatit liitetään tiiviisti toisiinsa muuntajan rakentamisen aikana, jotta voidaan vähentää ilmavälin reluktanssia liitoksissa, jolloin saadaan aikaan erittäin kyllästetty magneettivuon tiheys.

Muuntajasydämen laminaatit pinotaan tavallisesti vuorotellen toisiinsa, jotta saadaan aikaan päällekkäinen liitos, johon lisätään lisää laminaattipareja oikean paksuuden muodostamiseksi. Tämä laminoiden vuorottainen pinoaminen antaa muuntajalle myös sen edun, että vuoto- ja rautahäviöt vähenevät. E-I-sydänlaminoidun muuntajan rakennetta käytetään useimmiten erotusmuuntajissa, nousu- ja laskumuuntajissa sekä automuuntajissa.

Muuntajan käämitysjärjestelyt

Muuntajan käämitykset muodostavat toisen tärkeän osan muuntajan rakenteesta, koska ne ovat tärkeimpiä virtaa johtavia johtimia, jotka on kierretty ytimen laminoidun osan ympärille. Yksivaiheisessa kaksikäämimuuntajassa on kaksi käämitystä kuvan mukaisesti. Toinen, joka on kytketty jännitelähteeseen ja luo magneettivuon, jota kutsutaan ensiökäämitykseksi, ja toinen käämi, jota kutsutaan toisiokäämitykseksi ja johon indusoituu jännite keskinäisen induktion seurauksena.

Jos toisiokäämityksen lähtöjännite on pienempi kuin ensiökäämityksen tulojännite, muuntaja tunnetaan nimellä ”asteittainen muuntaja”. Jos toisiolähtöjännite on suurempi kuin primääritulojännite, sitä kutsutaan ”Step-up-muuntajaksi”.

Muuntajan käämityksen päävirtaa kuljettavana johtimena käytetään joko kuparia tai alumiinia. Alumiinijohdin on kevyempi ja yleensä edullisempi kuin kuparijohdin, mutta saman virran kuljettamiseen on käytettävä suurempaa johtimen poikkipinta-alaa kuin kuparilla, joten sitä käytetään lähinnä suuremmissa tehomuuntajasovelluksissa.

Matalajännitteisissä ja elektronisissa sähkö- ja elektroniikkapiireissä käytetyissä pienissä kVA:n teho- ja jännitemuuntajissa käytetään tavallisesti kuparijohtimia, koska niiden mekaaninen lujuus on korkeampi ja johtimen koko pienempi kuin vastaavilla alumiinityypeillä. Huonona puolena on se, että nämä muuntajat ovat ytimineen paljon painavampia.

Muuntajien käämitykset ja käämit voidaan karkeasti luokitella konsentrisiin käämeihin ja sandwich-käämeihin. Ydintyyppisessä muuntajarakenteessa käämit on yleensä sijoitettu konsentrisesti ytimen raajan ympärille, kuten edellä on esitetty, jolloin korkeamman jännitteen ensiökäämitys on käämitetty pienemmän jännitteen toisiokäämityksen päälle.

Sandwiched- tai ”pannukakku”-käämit koostuvat litteistä johtimista, jotka on käämitetty spiraalimaisesti, ja ne ovat saaneet nimensä johtuen siitä, että johtimet on sijoitettu levyiksi. Vuorottelevat kiekot kierretään spiraalimaisesti ulkoa kohti keskustaa lomittain siten, että yksittäiset käämit on pinottu yhteen ja erotettu toisistaan eristävillä materiaaleilla, kuten paperilla tai muovilevyllä. Sandwich-käämit ja -käämitykset ovat yleisempiä kuorityyppisessä ydinrakenteessa.

Helical-käämit, jotka tunnetaan myös nimellä ruuvikäämit, ovat toinen hyvin yleinen sylinterimäinen käämijärjestely, jota käytetään pienjännitemuuntajasovelluksissa. Käämitykset koostuvat suurista poikkileikkaukseltaan suorakaiteen muotoisista johtimista, jotka on kierretty kyljelleen ja joiden eristetyt säikeet on kierretty rinnakkain yhtäjaksoisesti sylinterin pituussuunnassa, ja vierekkäisten kierrosten tai levyjen väliin on asetettu sopivia välikappaleita rinnakkaisten säikeiden välisten kiertovirtojen minimoimiseksi. Kela etenee ulospäin korkkiruuvia muistuttavana kierteenä.

Muuntajan johtimien oikosulun estämiseksi muuntajassa käytetty eristys on ilmajäähdytteisissä muuntajissa tavallisesti ohut lakka- tai emalikerros. Tämä ohut lakka- tai emalimaali maalataan johtimen päälle ennen kuin se kierretään ytimen ympärille.

Suurissa teho- ja jakelumuuntajissa johtimet eristetään toisistaan öljyllä kyllästetyn paperin tai kankaan avulla. Koko ydin ja käämit upotetaan ja suljetaan muuntajaöljyä sisältävään suoja-altaaseen. Muuntajaöljy toimii eristeenä ja myös jäähdytysaineena.

Muuntajan pisteiden suuntaus

Emme voi vain yksinkertaisesti ottaa laminoidun ytimen ja kietoa sen ympärille jonkin käämikokoonpanon. Voisimme, mutta saatamme huomata, että sekundäärijännite ja -virta voivat olla vaiheesta poikkeavia primäärijännitteen ja -virran kanssa. Kahdella käämikäämityksellä on selvä suuntaus toiseen nähden. Kumpikin käämi voidaan kietoa ytimen ympärille myötä- tai vastapäivään, joten niiden suhteellisten suuntien seuraamiseksi käytetään ”pisteitä” kummankin käämin tietyn pään tunnistamiseen.

Tätä tapaa tunnistaa muuntajan käämien suunta tai suunta kutsutaan ”pistekonventioksi”. Tämän jälkeen muuntajan käämit kääritään siten, että käämien jännitteiden välillä on oikeat vaihesuhteet, jolloin muuntajan napaisuus määritellään toisiojännitteen suhteellisena napaisuutena suhteessa ensiöjännitteeseen, kuten alla on esitetty.

Muuntajan rakentaminen pistesuunnittelun avulla

Ensimmäisessä muuntajan käämityksissä on kaksi ”pistettä” vierekkäin. Toisiopuolen pisteestä lähtevä virta on ”samassa vaiheessa” kuin ensiöpuolen pisteeseen tuleva virta. Näin ollen myös pisteiden päissä olevien jännitteiden polariteetit ovat samassa vaiheessa, joten kun jännite on positiivinen primäärikäämin pisteen päässä, myös sekundäärikäämin yli oleva jännite on positiivinen pisteen päässä.

Toisessa muuntajassa näkyy kaksi pistettä käämien vastakkaisissa päissä, mikä tarkoittaa sitä, että muuntajan ensiö- ja toisiokäämien käämit on käämitetty vastakkaisiin suuntiin. Tästä seuraa, että toisiopisteestä lähtevä virta on 180o ”epävaiheinen” ensiöpisteeseen tulevan virran kanssa. Niinpä myös pisteiden päissä olevien jännitteiden polariteetit ovat epäkeskeisiä, joten kun jännite on positiivinen ensiökäämin pisteen päässä, jännite vastaavan toisiokäämin yli on negatiivinen.

Tällöin muuntaja voidaan rakentaa siten, että toisiokäämin jännite voi olla ensiöjännitteeseen nähden joko ”in-vaiheinen” tai ”out-of-vaiheinen”. Muuntajissa, joissa on useita erilaisia toisiokäämejä, joista kukin on toisistaan sähköisesti eristetty, on tärkeää tietää toisiokäämien pistepolariteetti, jotta ne voidaan kytkeä toisiinsa sarjaa tukeviksi (toisiojännite summautuu) tai sarjaa vastakkaisiksi (toisiojännite on erotus) kokoonpanoiksi.

Mahdollisuus säätää muuntajan kierrosten suhdelukua on usein toivottavaa, jotta voidaan kompensoida primäärisyöttöjännitteen vaihteluiden, muuntajan säädön tai vaihtelevien kuormitusolosuhteiden vaikutuksia. Muuntajan jännitteen säätö tapahtuu yleensä muuttamalla kierrosten suhdetta ja siten sen jännitesuhdetta, jolloin osa korkeajännitepuolen ensiökäämityksestä napautetaan pois, mikä mahdollistaa helpon säädön. Napautus tehdään mieluiten korkeajännitepuolella, koska voltit kierrosta kohti ovat pienemmät kuin matalajännitteisellä toisiopuolella.

Muuntajan ensiökäämityksen muutokset

Tässä yksinkertaisessa esimerkissä ensiökäämityksen muutokset on laskettu syöttöjännitteen muutokselle, jonka suuruus on ±5 %, mutta mikä tahansa arvo voidaan valita. Joissakin muuntajissa voi olla kaksi tai useampia ensiökäämityksiä tai kaksi tai useampia toisiokäämityksiä käytettäväksi eri sovelluksissa, jotka tuottavat eri jännitteitä yhdestä ytimestä.

Muuntajan ytimen häviöt

Raudan tai teräksen kyky kuljettaa magneettivirtaa on paljon suurempi kuin ilmassa, ja tätä kykyä päästää magneettivirta kulkemaan sanotaan permeabiliteetiksi. Useimmat muuntajasydämet valmistetaan matalahiiliteräksistä, joiden permeabiliteetti voi olla suuruusluokkaa 1500, kun ilman permeabiliteetti on vain 1,0.

Tämä tarkoittaa, että teräslaminaattisydän voi kuljettaa magneettivuon 1500 kertaa paremmin kuin ilma. Kun magneettivuo kulkee muuntajan teräsytimessä, teräksessä tapahtuu kuitenkin kahdenlaisia häviöitä. Toista kutsutaan ”pyörrevirtahäviöiksi” ja toista ”hystereesihäviöiksi”.

Hystereesihäviöt

Transformaattorin hystereesihäviöt johtuvat molekyylien kitkasta magneettisten voimaviivojen virtausta vastaan, joita tarvitaan ytimen magnetoimiseksi ja jotka muuttuvat jatkuvasti arvoltaan ja suunnaltaan ensin yhteen suuntaan ja sitten toiseen sinimuotoisen syöttöjännitteen vaikutuksesta.

Tämä molekyylikitka aiheuttaa lämmön kehittymistä, mikä merkitsee muuntajalle energiahäviötä. Liiallinen lämpöhäviö voi yliaikaisesti lyhentää käämien ja rakenteiden valmistuksessa käytettyjen eristysmateriaalien käyttöikää. Siksi muuntajan jäähdytys on tärkeää.

Muuntajat on myös suunniteltu toimimaan tietyllä syöttötaajuudella. Syöttötaajuuden alentaminen johtaa hystereesin lisääntymiseen ja rautasydämen korkeampaan lämpötilaan. Niinpä syöttötaajuuden alentaminen 60 hertsistä 50 hertsiin nostaa esiintyvän hystereesin määrää, pienentää muuntajan VA-kapasiteettia.

Pyörrevirtahäviöt

Muuntajan pyörrevirtahäviöt toisaalta johtuvat magneettivuon virtaamisesta ytimen ympärillä teräkseen indusoituneista kiertävistä virroista. Nämä kiertävät virrat syntyvät, koska magneettivuon vaikutuksesta ydin toimii kuin yksi lankasilmukka. Koska rautasydän on hyvä johdin, kiinteän rautasydämen indusoimat pyörrevirrat ovat suuria.

Pyörrevirrat eivät vaikuta mitenkään muuntajan käyttökelpoisuuteen, mutta sen sijaan ne vastustavat indusoidun virran kulkua toimimalla negatiivisen voiman tavoin ja synnyttävät resistiivistä lämpenemistä ja tehohäviötä ytimen sisällä.

Rautasydämen laminointi

Eddy-virtahäviöitä muuntajasydämen sisällä ei voida poistaa kokonaan, mutta niitä voidaan vähentää ja hallita huomattavasti pienentämällä teräsydämen paksuutta. Sen sijaan, että muuntajan tai kelan magneettisena ydinmateriaalina olisi yksi suuri kiinteä rautasydän, magneettinen polku jaetaan moniin ohuisiin puristettuihin teräsmuotoihin, joita kutsutaan ”laminaatioiksi”.

Muuntajan rakenteessa käytetyt laminaatiot ovat hyvin ohuita eristetyn metallin kaistaleita, jotka on liitetty toisiinsa kiinteäksi, mutta laminoiduksi ytimeksi, kuten näimme edellä. Nämä laminaatit eristetään toisistaan lakka- tai paperikerroksella ytimen tehollisen resistiivisyyden lisäämiseksi ja siten kokonaisvastuksen lisäämiseksi pyörrevirtojen virtauksen rajoittamiseksi.

Kaiken tämän eristyksen tuloksena ei-toivotut indusoidut pyörrevirtojen tehohäviöt ytimessä pienenevät huomattavasti, ja tästä syystä jokaisen muuntajan ja muiden sähkömagneettisten koneiden magneettirauta-piiri on kaikki laminoitu. Laminointien käyttäminen muuntajarakenteessa vähentää pyörrevirtahäviöitä.

Energiahäviöitä, jotka ilmenevät lämpönä sekä hystereesin että magneettipolun pyörrevirtojen vuoksi, kutsutaan yleisesti ”muuntajasydämen häviöiksi”. Koska näitä häviöitä esiintyy kaikissa magneettisissa materiaaleissa vaihtuvien magneettikenttien seurauksena. Muuntajaydinhäviöitä esiintyy muuntajassa aina, kun ensiö on jännitteinen, vaikka toisiokäämitykseen ei olisikaan kytketty kuormaa. Myös näitä hystereesi- ja pyörrevirtahäviöitä kutsutaan joskus ”muuntajan rautahäviöiksi”, koska näitä häviöitä aiheuttava magneettivuo on vakio kaikilla kuormituksilla.

Kuparihäviöt

Mutta muuntajiin liittyy myös toisenlainen energiahäviö, jota kutsutaan ”kuparihäviöiksi”. Muuntajan kuparihäviöt johtuvat pääasiassa ensiö- ja toisiokäämien sähkövastuksesta. Useimmat muuntajien käämit on valmistettu kuparilangasta, jonka resistanssi on ohmia, ( Ω ). Tämä vastus vastustaa niiden läpi kulkevia magnetointivirtoja.

Kun muuntajan toisiokäämitykseen kytketään kuorma, sekä ensiö- että toisiokäämityksessä kulkee suuria sähkövirtoja, sähköenergia- ja tehohäviöt ( tai I2 R ) syntyvät lämpönä. Yleensä kuparihäviöt vaihtelevat kuormitusvirran mukaan ja ovat lähes nolla kuormittamattomana ja suurimmillaan täydellä kuormituksella, kun virran virtaus on suurimmillaan.

Muuntajan VA-luokitusta voidaan kasvattaa paremmalla suunnittelulla ja muuntajan rakenteella näiden sydän- ja kuparihäviöiden vähentämiseksi. Muuntajat, joiden nimellisjännite- ja nimellisvirta on suuri, vaativat poikkileikkaukseltaan suuria johtimia, jotta kuparihäviöt saadaan minimoitua. Muuntajan VA-arvoa voidaan nostaa myös lisäämällä lämmöntuottoa (parempi jäähdytys) paineilmalla tai öljyllä tai parantamalla muuntajan eristystä niin, että se kestää korkeampia lämpötiloja.

Tällöin voimme määritellä ihanteellisen muuntajan seuraavasti:

• ei hystereesisilmukoita tai hystereesihäviöitä → 0
• Sydänmateriaalin ääretön resistiivisyys, joka antaa nolla pyörrevirtahäviötä → 0
• Nolla käämityksen resistanssia, joka antaa nollaa I2*R-kuparihäviötä → 0

Seuraavassa muuntajiin liittyvässä oppitunnissa tarkastelemme muuntajan toisiokäämityksen kuormitusta sähköisen kuorman suhteen, ja katsomme, millainen vaikutus on ”NO-kuormalla” ja ”ON-kuormalla” kytketyn muuntajan vaikutus ensiökäämin virtaan.