Muuntaja ja kuristin osio 1:
YLEISTÄ

1.1. Mikä on muuntaja

Muuntaja rakentuu ensiö- ja toisiokäämeistä sekä sydämestä. Käämit ovat muuntajissa yleensä emalilla eristettyä kuparia tai alumiinia. Perinteinen muuntaja on koottu muuntajalevyistä valmistetun rautasydämen ympärille.

Muuntajia käytetään

• vaihtojännitteiden pienentämiseen ja suurentamiseen
• vaihtovirtapiirien galvaaniseen erottamiseen
• elektronisten piirien keskinäisten impedanssien sovittamiseen

1.2. Miten muuntaja toimii

Virrallinen johdin synnyttää ympärilleen magneettikentän, jossa kenttäviivat ovat johdinta kiertäviä renkaita. Kenttäviivojen kokonaismäärää kutsutaan magneettivuoksi (Φ).

Magneettivuon tiheys (B) tarkoittaa kenttäviivojen kokonaismäärää näitä vastaan kohtisuorassa olevaa pintayksikköä (A) vastaan.

B = Φ / A

Kun virrallinen johdin kierretään käämiksi ja varustetaan yhtenäisellä rautasydämellä syntyy magneettipiiri, jossa käämin sisäpuoliset kenttäviivat kulkevat raudassa. Renkaan muotoisessa rautasydämessä kulkee tällöin koko magneettivuo. Magneettipiirin pituus on sydänrenkaan keskiviivan pituus (l).

Tässä magneettipiirissä syntyvä magneettivuon tiheys (B) määräytyy:

B = μ_r × μ_o × N × I / l

Jossa

• μ_r on aineen suhteellinen permeabiliteetti, joka vaihtelee rautalajista riippuen välillä 500 - 5000
• μ_o tyhjön (ja hyvin tarkasti myös ilman) permeabiliteetti arvoltaan 4 ¶ × 10-7 Tm/A

Magnetomotorisen voiman suuruutta magneettipiirin pituutta (l) kohti kutsutaan magneettikentän voimakkuudeksi (H).

H = NI / l

Kun vaihtovirta vaikuttaa muuntajan ensiökäämiin, se synnyttää rautasydämeen vaihtuvan magneettivuon. Tämä vaihtuva vuo synnyttää edelleen muuntajan toisiokäämiin vaihtuvan sähkömotorisen voiman (smv). Ilmiötä kutsutaan keskinäisinduktioksi.

Muuntaja ja kuristin osio 2:
MUUNTAJIEN YLEISIMMÄT RAKENTEET

2.1. Pakkamuuntaja

Pakkamuuntaja on yleisin muuntajarakenne. Sen käämit käämitään useimmiten muoviseen kelarunkoon tai vastaavan tukirakenteeseen. Sen jälkeen käämi levytetään muotoon leikatuilla terässeoslevyillä ja levyt kiinnitetään toisiinsa joko hitsaamalla tai pulttien ja tukirautojen avulla. Ensiö- ja toisiopuolen välinen eristys saadaan toteutettua nauhamaisella muovikalvolla tai kaksilokeroisella kelarungolla.

Pakkamuuntaja kastolakataan. Kastolakkauksen tarkoituksena on estää muuntajapakan ruostuminen, levyjen liikkeestä aiheutuvan äänen muodostuminen sekä käämilankojen liikkuminen. Valmiita muuntajia voidaan koteloida asennusympäristön vaatimiin kotelointiluokkiin.

Käyttö: verkkomuuntaja ja laitemuuntaja suojaerotusmuuntaja ja suojajännitemuuntaja säästökytketty muuntaja (esimerkiksi moottorin kierrosnopeuden säätö) ohjausjännitemuuntaja audiomuuntaja piirilevymuuntaja

2.2. Rengassydänmuuntaja

Rengassydänmuuntaja on muuntaja, jonka sydän on valmistettu terässeosrainasta. Sydän eristetään muovikupeilla tai epoksilla, minkä jälkeen käämit käämitään suoraan eristetyn muuntajasydämen päälle. Käämien välinen eristys toteutetaan useimmiten nauhamaisella muovikalvolla. Rengassydänmuuntaja on tehokas tilavuuteensa nähden ja siinä on pienet häviöt. Kytkettäessä se ottaa syöttävästä verkosta korkean kytkentävirtasysäyksen. Rakenteena se on aina kalliimpi kuin vastaavantehoinen pakkamuuntaja.

2.3. Ferriittimuuntaja

Ferriittimuuntajan sydän on ferriittisistä materiaaleista valmistetuista jauheista puristettu sydän. Käämit käämitään muoviseen kelarunkoon. Ferriittimuuntajia käytetään elektroniikan sovelluksissa korkeilla taajuuksilla (kHz - GHz).

Muuntaja ja kuristin osio 3:
KAKSIKÄÄMIMUUNTAJA

Kaksikäämimuuntajassa on aina erillinen ensiö- ja toisiokäämi (primääri-ja sekundäärikäämi), jotka eivät ole toisiinsa sähköisesti yhteydessä. Tällaisia muuntajia käytetään, kun tarvitaan luotettava galvaaninen erotus ensiö- ja toisiopuolien välille.

3.1. Yleistä

a) yksi ensiökäämi ja yksi toisiokäämi

Käyttö:

• jännitteen pienentäminen
• jännitteen suurentaminen
• erotusmuuntaja

b) ensiökäämi väliulosotoilla ja yksi toisiokäämi

Rakennetta sovelletaan usealle erilliselle ensiöjännitteelle ja yhdelle toisiojännitteelle

c) yksi ensiökäämi ja yksi toisiokäämi jossa on väliulosotot

Tällaisia muuntajia käytettäessä vain yhtä ulosottoa kuormitetaan kerrallaan

d) yksi ensiökäämi ja useampi toisiokäämi, joita kuormitetaan samanaikaisesti

3.2. Suojaerotusmuuntaja

Suojaerotusmuuntajia käytetään estämään vaaratilanteita, jotka aiheuttaisi samanaikainen koskettaminen vialliseen laitteeseen ja maahan yhteydessä olevaan osaan. Esimerkiksi eristysvikatilanteessa. Suojaerotusmuuntaja mahdollistaa galvaanisen erotuksen rakentamisen syöttävän ja syötettävän virtapiirin välille.

Suojaerotusmuuntaja määritellään standardissa EN 61558. Sen nimellinen ensiöjännite saa olla enintään 1000 V a.c. ja toisiojännite enintään 500 V a.c. tai tasasuuntaajalla varustettuna 708 V  d.c.

Suojaerotusmuuntajan toimintaperiaate:

3.3. Suojajännitemuuntaja

Suojajännitemuuntaja tuottaa niin alhaisen toisiojännitteen, että laitteen eristysvika tai jännitteellisten osien koskettaminen ei aiheuta vaaraa ihmisille.

Suojajännitemuuntaja määritellään standardissa EN 61558. Suojajännitemuuntajia suunniteltaessa tulee toisiojännite pitää pienoisjännitteiden arvojen alapuolella. Vaihtojännitteellä 50 V ja tasajännitteellä 120 V.

SELV (Safety Extra Low Voltage) ja PELV (Protective Extra Low voltage) - järjestelmissä käytetään suojajännitemuuntajia.

SELV-järjestelmän suojaerotusmuuntaja:

PELV-järjestelmän suojaerotusmuuntaja:

3.4. Säästömuuntaja

Säästömuuntaja käsittää vain yhden käämin, joten ensiö- ja toisiopuolella on aina yksi yhteinen johdin. Säästömuuntajassa ensiö- ja toisiopuolen jännitteet eivät ole galvaanisesti erotettu toisistaan.

Säästömuuntaja voidaan tehdä rungoltaan huomattavasti pienemmäksi, jos ensiöjännitteen (U1) ja toisiojännitteen (U2) arvot ovat lähellä toisiaan.

S₂ = S_n × (1 - U_n / U₁)

• S₂ = toisiopuolen kuormitusteho [VA]
• S_n = muuntajan nimellisteho [VA]
• U₁ = yläjännite [V]
• U₂ = alajännite [V]

Muuntaja ja kuristin osio 4:
TEHO JA YMPÄRISTÖN LÄMPÖTILA

Muuntajan kuormitettavuus ilmoitetaan näennäistehona (S). Sen yksikkö on volttiampeeri (VA).

Jos muuntajalta syötettävä kuorma on puhtaasti resistiivistä vastaa muuntajasta saatava pätöteho näennäistehon arvoa. Pätöteho (P):

P = S cos φ

Jos kuormituksessa on reaktiivisia komponentteja kuten induktansseja (moottoreita, kuristimia, purkausvalaisimia) on muuntaja mitoitettava kuorman tehokerroin (cos φ) huomioiden.

Esimerkki: Kaikissa allaolevissa tapauksissa muuntajan näennäistehon S_n tulee olla 500 VA, vaikka kuormien pätöteho P_n vaihtelee:

Muuntajan teho ilmoitetaan nimellisenä näennäistehona nimellisessä ympäristönlämpötilassa. Siksi muuntaja on aina mitoitettava asennuspaikan lämpötila huomioiden. Ympäristön lämpötilan kasvaessa pienenee se kuorma, jonka muuntaja kestää. Muuntajan kuormitettavuus pienenee lähes eksponentiaalisesti suhteessa lämpötilan nousuun.

Muuntaja ja kuristin osio 5:
Muuntajan HÄVIÖT, HYÖTYSUHDE JA JÄNNITTEEN ALENEMA

Muuntajat myös kuluttavat jonkin verran energiaa: syntyy rautahäviöitä ja virtalämpöhäviöitä. Rautahäviöihin ei vaikuta muuntajan kuormitus, mutta resistiiviset häviöt kasvavat virran kasvaessa.

Rautahäviöt (P_r) ovat hystereesihäviöiden (P_h) ja pyörrevirtahäviöiden (P_r) summa.

Virtalämpöhäviöt (kuparihäviöt) (P_k) ovat tehohäviöitä. Ne muodostuvat muuntajan ensiö- (R₁) ja toisiokäämityksien (R₂) resistansseissa ensiö- ja toisiovirtojen (I₁ ja I₂) vaikutuksesta. Ne voidaan määritellä kaavalla:

P_k = (I₁² × R₁) + (I₂² × R₂)

Tehohyötysuhde kuvaa sitä, minkä tehon muuntaja antaa ja minkä tehon muuntaja ottaa. Siis antotehon P₂ ja ottotehon P₁ suhdetta.

Muuntajan tehohyötysuhde η on:

η = P₂ / P₁

Muuntajan toisiojännite ilmoitetaan nimelliskuormassa. Jos toision kuorma on nimelliskuormaa pienempi, on muuntajan resistiiviset häviöt pienemmät ja toisiojännite on suurempi kuin nimellinen toisiojännite. Toisin sanoen muuntaja tuottaa korkeimman toisiojännitteen tyhjäkäyntitilanteessa.

Tyhjäkäyntijännitteen ero nimellisvirralla kuormitettuun toisiojännitteeseen siippuu siitä, minkä kokoinen muuntaja on ja mikä on sen rakenne. Se vaihtelee välillä 5 - 25 %. Pienillä muuntajilla on tyhjäkäyntijännitteen ja kuormitetun jännitteen ero suurempi kuin suuremmilla muuntajilla. Muuntajat määritellään standardeissa, joissa annetaan tyhjäkäyntijännitteelle tietty vaihteluväli. Suunniteltaessa muuntaja tiettyyn tarkoitukseen, voidaan minimoida tyhjäkäyntijännitteen ja nimelliskuormalla kuormitetun jännitteen ero.

Muuntaja ja kuristin osio 6:
JAKSOTTAINEN KÄYTTÖ

Muuntaja mitoitetaan kestämään jatkuvasti nimelliskuormaansa. Jos muuntajia kuormitetaan vain hetkittäin, voidaan niiden kokoa pienentää.

Jaksottaiskäyttöprosentti saadaan kaavasta:

ED = t_on / [( t_on + t_off ) × 100 %]

• ED = jaksottaiskäyttöaika prosentteina
• t_on = muuntajan kuormitusaika
• t_off = muuntajan lepoaika

Muuntajia, joita kuormitetaan jatkuvasti nimellisteholla (Pn), voidaan jaksottaiskäytössä kuormittaa teholla (P₂) seuraavalla tavalla:

P₂ = P_n × √ (100/ED)

• P₂ = sallittu kuormitus jaksottaiskäytössä [W]

Jaksottaiskäytön edellytyksenä on, että muuntajan lämpenemisaikavakio on selvästi kuormitus- ja lepoaikojen summaa suurempi.

Muuntaja ja kuristin osio 7:
KILPIARVOT

Muuntaja varustetaan kilvellä, jonka arvot riittävät normaalitilanteessa valintaan.

• U_pri = nimellinen ensiöjännite eli syöttävän verkon jännite [V]
• U_sec = nimellinen toisiojännite nimellisellä toisiovirralla [V]
• S_n = muuntajan nimellinen näennäisteho toisiossa [VA] tai
• I_sec= nimellinen toisiovirta [A]
• f = muuntajan nimellistaajuus [Hz]

Normaalitilanteesta poikkeavissa tapauksissa tarvitaan edellisten lisäksi

• suojausluokka, jos se poikkeaa luokasta I
              I = suojamaadoitettu laite
              II = kaksoiseristetty laite
              III = pienoisjännitteinen laite
• kotelointiluokka, jos se poikkeaa luokasta IP 00
• t_a= ympäristön lämpötila, jos se poikkeaa arvosta 25° C
• jaksottaiskäyttöprosentti, jos se poikkeaa 100%:sta
• standardin mukainen muuntajan symboli

Kun muuntaja tilataan, on määriteltävä mekaaniset vaatimukset sekä mahdollisesti oikosulkusuojaus ja ylikuormitussuojaus.

Muuntajien symbolit

Symboli	Kuvaus	Standardi
	Oikosulkua vastaan suojaamaton muuntaja	EN61558-2-1 EN61558-2-17
	Oikosulunkestävä muuntaja	EN61558-2-1 EN61558-2-17
	Turvallisesti viottuva muuntaja	EN61558-2-1 EN61558-2-17
	Oikosulkua vastaan suojaamaton suojaerotusmuuntaja	EN61558-2-4 EN61558-2-17
	Oikosulunkestävä suojaerotusmuuntaja	EN61558-2-4 EN61558-2-17
	Suojajännitemuuntaja	EN61558-2-6 EN61558-2-17
	Oikosulkua vastaan suojaamaton suojajännitemuuntaja	EN61558-2-6 EN61558-2-17
	Oikosulunkestävä suojajännitemuuntaja	EN61558-2-6 EN61558-2-17
	Turvallisesti viottuva suojajännitemuuntaja	EN61558-2-6 EN61558-2-17
	Lääkintäsuojaerotusmuuntaja	EN61558-2-15
	Oikosulkua vastaan suojaamaton ohjausmuuntaja	EN61558-2-2
	Oikosulunkestävä ohjausmuuntaja	EN61558-2-2
	Oikosulkua vastaan suojaamaton säästömuuntaja	EN61558-2-13
	Oikosulunkestävä säästömuuntaja	EN61558-2-13
	Kuristin, jossa ei ylikuormitussuojaa	EN61558-2-20
	Kuristin, jossa ylikuormitussuoja	EN61558-2-20
	Säätöerotusmuuntaja	IEC60044-1 IEC61558-2-14
	Säätömuuntaja	EC60044-1 IEC61558-2-14
	Oikosulunkestävä soittokellomuuntaja	EN61558-2-8

Sähkölaitteiden kotelointiluokat eli IP-luokat

IP luokka on kaksinumeroinen koodi, joka kuvaa sähkölaitteen ulkokuoren kykyä suojata

• ympäristöä laitteen sisäosissa olevilta vaaratekijöiltä (jännite, laitteen liikkuvat osat)
• laitteen arkoja osia ympäristöstä tunkeutuvalta lialta, pölyltä tai vedeltä

Se on standardoitu sähkölaitteiden turvallisuutta koskeva luokitus ja koskee kaikkia sähkölaitteita kuten muuntajia, sähkömoottoreita, sähkökaappeja, valaisimia ym.

Muuntaja ja kuristin osio 8:
KURISTIN SÄHKÖTEKNIIKAN KOMPONENTTINA

Perinteinen kuristin rakentuu yleisimmin käämistä ja rautasydämestä, jossa on ilmaväli. Kun käämiin syötetään vaihtojännite, muuttuu myös käämissä kulkevan sähkövirran voimakkuus. Tällöin käämi synnyttää rautasydämeen vaihtelevan magneettivuon. Syntynyt vaihteleva magneettivuo muodostaa käämiin vaikuttavalle jännitteelle vastakkaisen jaksoittain vaihtelevan sähkömotorisen voiman. Tämä sähkömotorinen voima vastustaa käämissä kulkevan virran vaihteluita. Pakkasydämellä valmistettu kuristin on kuristin on perinteisin kuristinrakenne.

Jokaisella käämillä on oma, rakenteesta johtuva itseinduktiokerroin eli induktanssi (L)

Induktanssin arvo määräytyy suorassa neliösuhteessa johdinkierrosmäärästä sekä magneettipiirin vastuksesta. Magneettipiirin vastus kulkee nimellä reluktanssi (Rm).

Renkaan muotoinen kuristin tehdään valmistamalla sydän rautajauheesta tai ferriittimateriaalista.

Käyttö:

• hakkuriteholähde
• verkkohäiriösuodatin

Itseinduktiota käytetään sähkötekniikassa hyödyksi, mutta siitä on myös haittaa.

Hyötyjä:

• kuristin tasoittaa virran muutoksia esim. loistelamppu- ja purkauslamppuvalaisimissa
• kuristimia käytetään suodatinpiireissä ja häiriöiden poistoon

Haittoja:

• kuristin aiheuttaa kytkimien ja koskettimien kärkien välistä kipinöintiä, kun katkaistaan piirejä joissa on induktiivisia komponentteja