Sähkötekniikan sanastoa – lyhyt johdatus yleisimpiin varavoimatekniikan termeihin

Vaihtosähkön näennäistehon (S), pätötehon (P) ja loistehon (Q) välistä keskinäistä riippuvuutta voidaan havainnollistaa tehokolmiolla. Siinä suorakulmaisen kolmion kulma cos φ on yhtä kuin tehokerroin. Kulman arvon kasvaessa kasvaa samassa suhteessa myös loistehon ja näenneäistehon arvo. 

Tälle sivulle on poimittu joitain sähköalan termejä, jotka liittyvät nimenomaan varavoiman tuottamiseen. Selitysteksteissä ei ole kaikissa osin käytetty täysin oikeaoppista termiä, vaan teksti on pyritty pitämään helposti ymmärrettävänä. Esimerkkinä tästä on termi ”vaihtovirta”. Se on selvästi yleisemmin käytetty muoto kuin vaihtosähkö. Näistä kahdesta jälkimmäinen on oikeampi, sillä vaihtosähkö ei ole tietenkään pelkkää sähkövirtaa, sillä virran ohella mukana on aina myös jännite.

Sähkökoneikko, jossa polttomoottori pyörittää sähkövoimaa tuottavaa generaattoria.

Laite, joka muuttaa polttomoottorin, höyrykoneen, tuulen tai virtaavan veden liike-energian sähköenergiaksi.

Vaihtosähkössä sähkökentän suunta ja suuruus vaihtelee ajan funktiona. Valtakunnan sähköverkossa käytetyn vaihtosähkön suunnan vaihtumista kuvaava käyrä on sinimuotoinen.

1-vaiheinen, vaiheen ja nollan välinen jännite nimellisesti 230 V, vaihtojännitteen taajuus 50 Hz.

3-vaiheinen, jännite nimellisesti 400 V, vaihtojännitteen taajuus 50 Hz. Kolmessa vierekkäisessä johtimessa on sinimuotoinen, saman taajuinen ja yhtä suuri vaihtojännite. Jännitteiden välillä on 1/3 jakson (120°) vaihe-ero, jolloin vaiheista yhteensä käytettävissä oleva teho on koko ajan yhtä suuri.

Sähköjärjestelmässä käytössä olevat virtaa kuluttavat laitteet muodostavat kuorman.

Yksikkö watti (W), 1000 W = 1 kW. Sähköteho on jännitteen ja virran tulo.

Oikosulkumoottorin teholla tarkoitetaan samaa asiaa kuin pätöteholla. Teho lasketaan kaavalla W = U · I · cos φ. Kaavan lopussa oleva cos φ on tehokerroin, joka johtuu vaihtosähköön liittyvästä induktanssista (katso seuraava kappale).

Tämä teho on sähkölaitteen todellisuudessa kuluttama teho, joka sähkölaitteessa muuttuu työksi (esimerkiksi sähkölämmittimen vastuskuormassa lämmöksi). Pätötehon yksikkö on watti W. Pätötehoa laskettaessa otetaan huomioon vaihtosähköön liittyvä induktanssi esimerkiksi oikosulkumoottoreissa. Se aiheuttaa ilmiön, jossa energia siirtyy vuorotellen virtalähteestä kuormaan ja päinvastoin siten, että johtimessa kulkevan virran huippuarvo on jäljessä jännitteen huippuarvosta. Laskennallisesti tämä virran ja jännitteen ero voidaan esittää kulma-arvona cos φ.

Loisteho ei ole työtä tekevää tehoa (toisin kuin pätöteho), vaan se värähtelee edestakaisin kuorman ja siirtoverkon välillä. Jos jännitteet ja virrat ovat sinimuotoisia, loisteho voidaan laskea tehollisen jännitteen, tehollisen sähkövirran ja niiden välisen vaihe-eron sinin tulona: Q = U · I · sin φ. Loisteho² = näennäisteho² - pätöteho² eli Q² = S² - P²

Näennäistehon yksikkö on volttiamppeeri VA. Näennäisteho on tavallisesti suurempi kuin todellisuudessa kulutettu teho (pätöteho), mikä johtuu vaihtovirtaan liittyvästä loistehosta. Näennäisteho saadaan laskemalla pätötehon ja loistehon toiset potenssit yhteen ja ottamalla summasta neliöjuuri. Näennäisteho² = pätöteho² + loisteho² eli S² = P² + Q²

Jos vaihtovirran jännitteen U ja virran I huippuarvot eivät ole samassa vaiheessa, on näiden huippuarvojen välillä vaihekulma (cos φ). Tällöin pätöteho on pienempi kuin näennäisteho. Pätötehon ja näennäistehon suhde on tehokerroin. Tehokerroin on tärkeä apuväline laskettaessa sähkömoottoreiden tarvitsemaa kokonaistehoa, josta generaattorin tulee selviytyä. Tehokerroin on tavallisesti luokkaa 0,8.

Tyypillinen kolmivaihesähkömoottori on rakennettu oikosulkuperiaatteella. Moottorin pyörintänopeus on riippuvainen vaihtosähkön taajuudesta.

Suoran käynnistyksen ottama virta on 5–10 kertaa oikosulkumoottorin nimellisvirta. Tähti-kolmio käynnistyksessä moottorin virta on noin 1/3 suoran käynnistyksen ottamasta virrasta. Taajuusmuuttajakäytöissä käynnistysvirta on pienimmillään moottorin nimellisvirran suuruinen. Tavallisesti kuitenkin 1,5-kertainen. Tämä riippuu taajuusmuuttajan tekniikasta ja siksi on parempi, että kertoimena käytetään laskuissa arvoa 2.

Kuormanottokyvyllä tarkoitetaan suurinta kuormaa, joka voidaan kytkeä varavoimakoneen hoidettavaksi. Kuorma kytketään varavoimakoneelle yleensä porrastetusti siten, että kaikki kuorma ei kytkeydy kerralla. Tavallisesti ensimmäinen kytkeytyvä kuorma saa olla noin 55 % nimellistehosta.

Epälineaarisia kuormia aiheuttavat mm. UPS-laitteet, taajuusmuuttajat, induktiouunit, hakkuriteholähteet ja hitsaustasasuuntaajat. Ne voivat aiheuttaa jännitteen aaltomuodon vääristymistä. Epälineaarisesta kuormasta aiheutuvaa häiriöitä voi torjua suurentamalla generaattoria.

Jos yhdessä kolmivaihevirran vaiheista on muita selvästi enemmän kuormaa, puhutaan vinokuormasta. Se häiritsee generaattorin säätöä.