Tehomuuntajan toiminta aktiivisille, induktiivisille ja kapasitiivisille kuormille

Muuntaja on sähkökone, joka muuntaa yhden jännitteen vaihtovirran toisen jännitteen vaihtovirraksi. Muuntajan toimintaperiaate perustuu sähkömagneettisen induktion ilmiöön.

Ensimmäiset sähkövoimansiirtoverkot käyttivät tasavirtaa. Verkkojen jännite riippuu käytettyjen materiaalien eristyskyvystä ja on yleensä 110 V.

Verkkojen lähetystehon kasvaessa tuli tarpeelliseksi kasvattaa johtimien poikkileikkausta, jotta jännitehäviöt pysyisivät sallituissa rajoissa.

Ja vain muuntajan keksintö teki mahdolliseksi tuottaa taloudellisesti sähköenergiaa suurissa voimalaitoksissa, siirtää sitä suurella jännitteellä pitkiä matkoja ja sitten laskea jännite turvalliseen arvoon ennen sähkön toimittamista kuluttajille.

Ilman muuntajia nykypäivän sähköverkkorakenteet korkealla ja ultrakorkealla, keski- ja matalajännitetasolla eivät yksinkertaisesti olisi mahdollisia. Muuntajaa käytetään sekä yksivaiheisissa että kolmivaiheisissa sähköverkoissa.

Kolmivaiheisen tehomuuntajan toiminta vaihtelee suuresti sen käyttämän kuorman mukaan – aktiivinen, induktiivinen tai kapasitiivinen. Todellisissa olosuhteissa muuntajan kuorma on aktiivi-induktiivinen kuorma.

Kuva 1 – Kolmivaiheinen tehomuuntaja

1. Aktiivinen lataustila

Tässä tilassa ensiökäämin jännite on lähellä nimellistä U1 = U1nom, ensiökäämin virran I1 määrää muuntajan kuorma ja toisiovirran määrää nimellisvirta I2nom = P2 / U2nom.

Mittaustietojen mukaan muuntajan hyötysuhde määritetään analyyttisesti:

Tehokkuus = P2 / P1,

missä P1 on muuntajan ensiökäämin aktiivinen teho, P2 on muuntajan toisiokäämin syöttöpiiriin syötetty teho.

Muuntajan hyötysuhteen riippuvuus ensiökäämin suhteellisesta virrasta on esitetty kuvassa 2.

Kuva 2 — Muuntajan hyötysuhteen riippuvuus ensiökäämin suhteellisesta virrasta

Aktiivisessa kuormitustilassa toisiokäämin virtavektori on yhtä laaja kuin toisiokäämin jännitevektori, joten kuormitusvirran kasvu aiheuttaa jännitteen laskun muuntajan toisiokäämin navoissa.

Yksinkertaistettu vektorikaavio virroista ja jännitteistä tämän tyyppiselle muuntajakuormitukselle on esitetty kuvassa 3.

Kuva 3 – Yksinkertaistettu vektorikaavio muuntajan aktiivisista kuormitusvirroista ja jännitteistä

2. Induktiivisen kuorman toimintatila

Induktiivisessa kuormitustilassa toisiokäämin virtavektori on 90 astetta jäljessä toisiokäämin jännitevektorista. Muuntajan toisiokäämiin kytketyn induktanssin arvon pieneneminen saa kuormitusvirran kasvamaan, mikä johtaa toisiojännitteen laskuun.

Yksinkertaistettu vektorikaavio virroista ja jännitteistä tämän tyyppiselle muuntajakuormitukselle on esitetty kuvassa 4.

Kuva 4 – Yksinkertaistettu vektorikaavio muuntajan virroista ja jännitteistä induktiivisessa kuormitustilassa

3. Toimintatapa kapasitiivisella kuormalla

Kapasitiivisessa kuormitustilassa toisiokäämin virtavektori on 90 astetta edellä toisiokäämin jännitevektoria. Muuntajan toisiokäämiin kytketyn kapasitanssin kasvu saa kuormitusvirran kasvamaan, mikä johtaa toisiojännitteen kasvuun.

Yksinkertaistettu vektorikaavio virroista ja jännitteistä tämän tyyppiselle muuntajakuormitukselle on esitetty kuvassa 5.

Kuva 5 – Yksinkertaistettu vektorikaavio muuntajan kapasitiivisen kuormitustilan virroista ja jännitteistä