Muuntajat ovat sähköjärjestelmien tunnetuimpia laitteita. Ne ovat suuria, erottuvia, periaatteessa yksinkertaisia, mutta vaativat paljon huoltoa, joten ne näyttävät paljon suuremmilta kuin "kaapelit". Sähköverkkokaaviossa muuntajat ovat kuin runkoverkon solmuja, kun taas muut laitteet toimivat niiden liitäntöinä.

Tässä artikkelissa esitellään muuntajien komponentit, periaatteet, toiminnot, luokitukset ja sovellusskenaariot.

1. Muuntajan kokoonpano

Muuntaja koostuu pääasiassa sydämestä ja käämeistä.

Ydin toimii muuntajan magneettisena piiripoluna, kun taas käämit ovat sähköpiirin osa, joka on tehty käämimällä tietty määrä emalipäällystettyä lankaa.

Virtalähteeseen kytkettyä käämitystä kutsutaan ensiökäämiksi, joka tunnetaan myös ensiökäämina. Kuormaan kytkettyä käämitystä kutsutaan toisiokäämiksi, joka tunnetaan myös nimellä toisiokäämi, tai toisiopuolen käämi.

Ydinrakenteiden perusmuodot ovat sydämen -muotoinen ydintyyppi ja kuorityyppi.

• Sydämen{0}}muotoinen ydinmuuntaja

Ydin{0}}tyyppisen muuntajan pylväät on ympäröity käämeillä. Yksinkertaisesti sanottuna käämit ympäröivät sydäntä, mikä tekee rakenteesta suhteellisen yksinkertaisen ja helpompia koota ja eristää, minkä vuoksi muuntajat käyttävät usein sydän-tyyppistä rakennetta.

• Shell{0}}tyyppinen muuntaja

Kuori{0}}tyyppisessä muuntajassa ydin ympäröi käämiä. Shell--tyyppisillä muuntajilla on korkea mekaaninen lujuus ja ulkonevat kulmat, mutta niiden valmistusprosessi on monimutkainen ja vaatii enemmän materiaaleja. Niitä käytetään yleensä vain pieni-jännite-, suur-virtamuuntajissa tai pienitehoisissa-tehomuuntajissa.

2. Muuntajan perustoimintaperiaate

Muuntaja toimii sähkömagneettisen induktion periaatteella.

Kun ensiökäämin molempiin päihin on kytketty sopiva vaihtovirtalähde, syöttöjännitteen u vaikutuksesta₁, AC virta i₀ virtaa ensiökäämin läpi ja synnyttää ensiökäämiin magnetomotorisen voiman. Tämä herättää ytimessä vaihtuvan magneettivuon ϕ. Tämä vuorotteleva vuo ϕ yhdistää sekä ensiö- että toisiokäämin. Sähkömagneettisen induktion lain mukaan indusoituneet sähkömotoriset voimat e₁ja e₂syntyvät ensiö- ja toisiokäämeissä, vastaavasti. Indusoituneen sähkömotorisen voiman vaikutuksesta e₂, toisiokäämi voi syöttää tehoa kuormaan, jolloin saadaan energian siirto.

Ensiö- ja toisiokäämien indusoituneiden sähkömotoristen voimien suhde on yhtä suuri kuin ensiö- ja toisiokäämien kierrosten lukumäärän suhde. Indusoituneen sähkömotorisen voiman suuruus e₁ensiöpuolella on lähellä käytettyä jännitettä u₁primääripuolella, kun taas indusoidun sähkömotorisen voiman suuruus e₂toisiopuolella on lähellä lähtöjännitettä u₂toissijaisella puolella.

Siksi yksinkertaisesti muuttamalla ensiö- tai toisiokäämin kierrosten lukumäärää kerran tai kahdesti, lähtöjännite u₂voidaan säätää. Tämä on muuntajan perustoimintaperiaate, joka käyttää sähkömagneettisen induktion periaatetta muuntaakseen yhden jännitetason vaihtovirtalähteen saman taajuuden mutta eri jännitetason vaihtovirtalähteeksi.

2. Muuntajan perustoiminnot

Muuntajan perustoimintoja ovat jännitteen muuntaminen, virran muuntaminen, impedanssin muuntaminen, eristäminen ja jännitteen säätö.

Jännitteen muunnos: Muuntajat voivat lisätä tai vähentää vaihtovirran jännitettä erilaisten sähkötarpeiden täyttämiseksi. Esimerkiksi askel-ylösmuuntajaa käytetään nostamaan voimalaitoksen jännitettä energiahäviön vähentämiseksi lähetyksen aikana, kun taas porrastettua-muuntajaa käytetään korkean jännitteen laskemiseen turvalliseen käyttöjännitteeseen.

Virran muunnos: Muuntaja muuttaa jännitettä muuttamalla vastaavasti myös virtaa. Tehon säilymislain mukaan jännitteen kasvaessa virta pienenee ja päinvastoin. Tämä ominaisuus tekee muuntajista erittäin tärkeitä voimansiirrossa, koska ne hallitsevat tehokkaasti virtakuormia.

Impedanssimuunnos: Muuntajat voivat muuttaa piirin impedanssia, mikä tekee siitä sopivamman erilaisiin kuormitusolosuhteisiin. Tämä on erityisen tärkeää audiolaitteissa ja muissa elektronisissa laitteissa, koska se voi parantaa signaalin lähetyksen tehokkuutta.

Eristys: Muuntajat voivat tarjota sähköeristyksen, joka suojaa laitteiden ja käyttäjien turvallisuutta. Tämä eristys voi estää korkeajännitettä vahingoittamasta matalajännitteisiä laitteita, mikä varmistaa laitteen turvallisen toiminnan.

Jännitteensäätö: Tietyntyyppisiä muuntajia (kuten kyllästyviä reaktoreita) voidaan käyttää jännitteen säätelyyn, mikä auttaa ylläpitämään jännitteen vakautta ja varmistamaan sähköjärjestelmän luotettavuuden ja vakauden.

4. Muuntajien luokitus

4.1 Luokiteltu kapasiteetin mukaan

• Pieni muuntaja: jännite alle 10KV, kapasiteetti 1-500KVA.

• Pienet ja keskikokoiset{0}}muuntajat: jännite 35 kV tai vähemmän, kapasiteetti 630 - 6300 kVA.

• Suuret muuntajat: jännite 110 kV tai alle, kapasiteetti 8000 - 63000 kVA.

4.2 Luokiteltu käytön mukaan

• Tehomuuntaja: Käytetään tehostamaan, vähentämään, jakamaan ja yhdistämään sähkön siirto- ja jakelujärjestelmissä tai käytetään erityisesti muuntajina voimalaitoksille ja sähköasemille.

• Instrumenttimuuntajat: kuten jännitemuuntajat ja virtamuuntajat, joita käytetään mittauslaitteissa ja releen suojalaitteissa.

• Tehomuuntaja: käytetään virransyötön, valaistuksen ja yleisten mekaanisten laitteiden osoittimien ohjaukseen.

• Elektroninen muuntaja: käytetään elektronisissa piireissä, kuten kytkin{0}}virtalähteissä, audio-, pulssi- ​​ja impedanssisovituksessa.

• Testimuuntaja: pystyy tuottamaan korkeaa jännitettä korkean{0}}jännitetestien suorittamiseen sähkölaitteissa.

• Erikoismuuntajat: kuten sähköuunimuuntajat, tasasuuntaajan muuntajat, jännitteensäätömuuntajat jne.

4.3 Luokiteltu muuntajan käämien vaiheiden lukumäärän mukaan

• Yksi-vaihemuuntaja: käytetään yksi-vaihekuormitukseen ja kolmivaiheisiin-muuntajapankkeihin.

• Kolmi-vaihemuuntaja: Käytetään nostamaan tai vähentämään jännitettä kolmivaiheisissa -vaihejärjestelmissä.

4.4 Luokiteltu muuntajajäähdytysmenetelmän mukaan

• Kuiva{0}}tyyppinen muuntaja: Ilmakonvektiolla jäähdytetty, käytetään yleensä pienikapasiteettisissa-muuntajissa, kuten paikallisissa valaistus- ja elektroniikkapiireissä.

• Öljy{0}}upotettu muuntaja: Muuntaja, joka käyttää muuntajaöljyä eristys- ja jäähdytysväliaineena ja jonka ydin ja käämit ovat kokonaan upotettuina eristävään öljyyn.

4.5 Luokiteltu muuntajakäämin liitäntätyypin mukaan

• Kaksois-käämimuuntaja: Käytetään kytkemään kaksi jännitetasoa sähköjärjestelmään.

• Kolmi-käämimuuntaja: Käytetään yleisesti sähköjärjestelmän alueellisissa sähköasemissa kolmen jännitetason kytkemiseen.

• Automaattimuuntaja: Ensiö- ja toisiokäämit yhdistetään yhdeksi, jota käytetään eri jännitteiden tehojärjestelmien kytkemiseen. Sitä voidaan käyttää myös tavallisena askel-ylös- tai alas{2}}muuntajana.

4.6 Luokiteltu muuntajan toimintataajuuden mukaan

• Tehotaajuusmuuntaja: sen toimintataajuus on 50Hz tai 60Hz.
• Välitaajuusmuuntaja: sen toimintataajuus on 400–1000 Hz.
• Äänitaajuusmuuntaja: sen toimintataajuus on 20Hz–20kHz.

• Supersonic Frequency Transformer: Sen toimintataajuus on yli 20 kHz, yleensä enintään 100 kHz.

• Korkea{0}}taajuusmuuntaja: Muuntaja, jonka toimintataajuus vaihtelee 20 Hz:stä yli 100 kHz:iin.

5. Transformers-sovellusskenaariot

5.1 Virtajärjestelmä

• Voimalaitokset: muuntajia käytetään nostamaan generaattorien tuottamaa jännitettä sähköverkkoon siirrettäväksi, mikä mahdollistaa pitkän{0}}sähkön siirron.

• Sähköasemat: Sähköasemilla muuntajat muuntavat korkeajännitteisen sähkön-pienjännitteiseksi sähköksi erilaisten sähkölaitteiden tarpeisiin. Samaan aikaan muuntajat voivat suorittaa myös toimintoja, kuten loistehon kompensointia ja jännitteen säätöä, mikä varmistaa sähköjärjestelmän vakaan toiminnan.

• Siirtojohdot: Siirtolinjoissa muuntajia käytetään lisäämään jännitettä energiahäviön vähentämiseksi, mikä mahdollistaa tehokkaan pitkän{0}}sähkönsiirron.

5.2Siviilisektori

• Kotitaloussähkö: Tehomuuntajat muuntavat korkea-jännitesähkön kotikäyttöön sopivaksi-pienjännitteiseksi sähköksi, mikä varmistaa asukkaiden normaalin sähkönkulutuksen.

• Akkujen lataaminen: Olipa kyseessä kannettava tietokone, puhelin tai sähköajoneuvo, nämä laitteet vaativat akkuja toimiakseen, ja akkujen lataaminen vaatii muuntajan. Muuntajan päätehtävä on säädellä jännitettä ja estää vuotovirtojen tai ylijännitevirtojen kulkeutumista laitteiden läpi.

5.3 Viestintäkenttä

Viestintämuuntajia käytetään puhelinpäätepiireissä ja runkojohtotuotteissa viestintäpiirien laadun ja kunnon säätelemiseen. Lisäksi viestintämuuntajia käytetään laajalti kaapelimodeemeissa, verkkokorteissa, keskittimissä, xDSL-laajakaistaviestintälaitteissa, kytkimissä, kuituoptisissa lähetin-vastaanottimissa, reitittimissä, sulautetuissa järjestelmissä ja VoIP-verkkoviestintälaitteissa.

5.4 Muut erikoissovellukset

• Äänilaitteet: Audiomuuntajia käytetään yleisesti eristämään piirin läpi kulkevia signaaleja ja auttamaan vastaamaan lähteen ja kuorman impedanssiarvoja. Ne voivat myös poistaa ei-toivotut tai kohinaiset signaalit ja suodattaa tulosignaalin. Tämän tyyppiset muuntajat on erityisesti suunniteltu käsittelemään signaaleja äänialueella, eli signaaleja, joiden taajuudet ovat välillä 20 Hz - 20 kHz.

• Mittauslaitteet: Virtamittarit, jännitemittarit ja monet muut mittausvälineet ja -laitteet käyttävät tyypillisesti muuntajia yleiseen käyttöön. Esimerkiksi mittausvirtamuuntajat tarjoavat piirille tarvittavan turvallisuuden eristämällä mittauslaitteen muusta piiristä ja vaimentamalla tai alentamalla suuret virrat optimaalisiin arvoihin ennen niiden syöttämistä ampeerimittariin.

• Tasasuuntaus: Tasasuuntaajamuuntajat voivat muuntaa vaihtovirran tasavirtaan sovelluksissa, kuten moottorin ohjauksessa, kaivostoiminnassa, sähköuuneissa, tutkimus- ja kehityslaboratorioissa, korkeajännitteisen tasavirtasiirron{0}}käytössä ja paljon muuta.