Automuuntaja: Mikä se on? (Määritelmä, teoria & kaavio)

Mikä on automuuntaja?

Automuuntaja (tai automuuntaja) on sähkömuuntajatyyppi, jossa on vain yksi käämi. Etuliite ”auto” viittaa siihen, että yksittäinen käämi toimii yksin (kreikaksi ”itse”) – ei mihinkään automaattiseen mekanismiin. Automuuntaja on samanlainen kuin kaksikäämisinen muuntaja, mutta eroaa tavasta, jolla muuntajan ensiö- ja toisiokäämitys liittyvät toisiinsa.

Automuuntajan teoria

Automuuntajassa käytetään yhtä ainoaa käämitystä sekä ensiö- että toisiokäämityksenä. Mutta kaksikäämisessä muuntajassa käytetään kahta eri käämitystä ensiö- ja toisiokäämitykseen. Automaattimuuntajan piirikaavio on esitetty alla.

Primääräkäämityksenä pidetään käämitystä AB, jossa on yhteensä kierrosta N1. Tämä käämi napautetaan pisteestä ′C′ ja osaa BC pidetään toisiokäämityksenä. Oletetaan, että pisteiden ′B′ ja ′C′ välissä olevien kierrosten lukumäärä on N2.

Jos käämin yli eli pisteiden ′A′ ja ′C′ välissä on jännite V1.

Jännite käämityksen osan BC yli on siis,

Koska käämityksen osaa BC pidetään toisiojännitteenä, voidaan helposti ymmärtää, että vakion ′k′ arvo ei ole mitään muuta kuin kyseisen automuuntajan kierrosten suhde tai jännitesuhde. Kun kuorma kytketään toisioliittimien eli ′B′:n ja ′C′:n väliin, kuorman virta I2 alkaa kulkea. Virta toisiokäämityksessä tai yhteisessä käämityksessä on I2:n ja I1:n erotus.

Kuparin säästö automuuntajassa

Keskustelemme nyt kuparin säästöstä automuuntajassa verrattuna tavanomaiseen kaksikäämiseen muuntajaan.
Tiedämme, että minkä tahansa käämityksen kuparin paino riippuu sen pituudesta ja poikkipinta-alasta. Jälleen kerran johtimen pituus käämityksessä on verrannollinen sen kierrosten määrään ja poikkipinta-ala vaihtelee nimellisvirran mukaan.
Siten kuparin paino käämityksessä on suoraan verrannollinen kierrosten määrän ja käämityksen nimellisvirran tuloon.

Siten kuparin paino osassa AC on verrannollinen,

ja vastaavasti kuparin paino osassa BC on verrannollinen,

Siten kuparin kokonaispaino automuuntajan käämityksessä on verrannollinen,

Voidaan samalla tavalla todistaa, että kuparin paino kaksikäämisessä muuntajassa on verrannollinen,

N1I1 + N2I2 ⇒ 2N1I1 (Koska, muuntajassa N1I1 = N2I2)
Oletetaan, että Wa ja Wtw ovat kuparin paino automuuntajassa ja kaksikäämisessä muuntajassa,

∴ Kuparin säästö automuuntajassa verrattuna kaksikäämisiseen muuntajaan,


Automuuntajassa käytetään vain yhtä käämitystä vaihetta kohti, kun taas tavanomaisessa muuntajassa on kaksi selvästi erillistä käämitystä.

Automuuntajien käytön edut

Automuuntajan etuja ovat:

1. Muuntosuhteella = 2 automuuntajan koko olisi noin 50 % vastaavasta kahden käämin muuntajan koosta. Muuntosuhteen ollessa vaikkapa 20 koko olisi kuitenkin 95 %. Materiaalikustannusten säästö ei tietenkään ole samassa suhteessa. Kustannussäästö on huomattava, kun muuntajan muuntosuhde on pieni eli alle 2. Näin ollen automuuntaja on kooltaan pienempi ja halvempi.
2. Automuuntajan hyötysuhde on korkeampi kuin kaksikäämimuuntajan. Tämä johtuu pienemmistä ohmisista häviöistä ja ydinhäviöistä, jotka johtuvat muuntajan materiaalin pienentämisestä.
3. Automuuntajalla on parempi jännitteen säätö, koska jännitehäviö yhden käämin resistanssissa ja reaktanssissa on pienempi.

Automuuntajan käytön haitat

Automuuntajan haittoja ovat muun muassa seuraavat asiat:

1. Ensiö- ja toisiokäämityksen sähkönjohtokyvyn vuoksi alemman jännitteen virtapiiri on alttiina suuremmalla jännitteellä vaikuttamiselle. Alemman jännitepiirin rikkoutumisen välttämiseksi on tarpeen suunnitella pienjännitepiiri kestämään korkeampaa jännitettä.
2. Primääri- ja sekundäärikäämien välinen vuotovirta on pieni ja siten impedanssi on alhainen. Tämä johtaa vakavampiin oikosulkuvirtoihin vikatilanteissa.
3. Primääri- ja toisiopuolen liitäntöjen on välttämättä oltava samat, paitsi käytettäessä toisiinsa kytkettyjä tähtikytkentöjä. Tämä aiheuttaa komplikaatioita primääri- ja sekundäärivaihekulman muuttuessa erityisesti silloin, kun kyseessä on kolmio/kolmio-kytkentä.
4. Tähti/tähti-kytkentäisen automuuntajan yhteisen nollapisteen vuoksi ei ole mahdollista maadoittaa vain toisen puolen nollapistettä. Molempien puolien nollajohdon on oltava joko maadoitettu tai eristetty.
5. Käämityksen sähkömagneettisen tasapainon säilyttäminen on vaikeampaa, kun käämissä on jännitteensäätöhaitarit. Olisi tiedettävä, että säätöjännitemuuntajan napautus lisää huomattavasti muuntajan runkokokoa. Jos napautusalue on hyvin suuri, alkukustannuksissa saavutetut edut menetetään suuressa määrin.

Automuuntajien käyttökohteet

Automuuntajan käyttökohteita ovat muun muassa:

1. Jännitehäviöiden kompensoiminen nostamalla syöttöjännitettä jakelujärjestelmissä.
2. Automuuntajia, joissa on useita napautuksia, käytetään induktio- ja synkronimoottoreiden käynnistämiseen.
3. Automuuntajaa käytetään variaattorina laboratoriossa tai silloin, kun tarvitaan jatkuvaa muuttujaa laajoilla alueilla.