1.6 Многообмоточные трансформаторы

Многообмоточными считаются трансформаторы, у которых как в первичной, так и во вторичной цепи может быть несколько обмоток. Минимальное количество обмоток на фазу—три. Может быть одна первичная и несколько вторичных, может быть две первичные обмотки. Например, для питания от сети 220 В две первичные обмотки включаются последовательно, для питания от сети 110 В –параллельно. Обе обмотки должны быть практически одинаковыми, иначе они будут по-разному нагружены и нагреваться будут по-разному.

Вторичные обмотки выполняют на разные напряжения. Это выгодно потому, что в противном случае нужно было бы применять столько двухобмоточных трансформаторов, сколько необходимо вторичных напряжений. Целесообразность многообмоточных трансформаторов объясняется и тем, что первичный ток такого трансформатора равен геометрической сумме приведенных токов вторичных обмоток, т.е. меньше их арифметической суммы. Кроме того, не все обмотки нагружены до своих номинальных значений. Поэтому мощность первичной обмотки выбирается меньшей суммарной мощности вторичных обмоток. За номинальную мощность такого трансформатора, как правило, принимают мощность наиболее нагруженной его вторичной обмотки. Это особенно оправданно, если другие вторичные обмотки служат для создания напряжений при малых токах. Если же вклад других обмоток в мощность трансформатора достаточно велик, их токи, напряжения и сопротивления приводят к числу витков наиболее нагруженной обмотки, т.е. сводят дело к расчету двухобмоточного трансформатора.

В многообмоточных трансформаторах на разных обмотках напряжения могут существенно отличаться. Аварийное уменьшение сопротивления изоляции между обмотками высокого и низкого напряжения (пробой изоляции) может привести к выходу из строя низковольтной части оборудования.

Рисунок 1.9 Многообмоточный трансформатор

Чтобы сохранить оборудование при таких аварийных ситуациях, между обмотками ВН и обмотками НН укладывают так называемую экранную обмотку, которая на схемах обозначается штриховой линией (см. рис. 1.9). Наружу выводят только один вывод экранной обмотки, который заземляют. Пробой может произойти между обмоткой ВН и экранной обмоткой, что приведет к КЗ цепи ВН и аварийному срабатыванию защиты. В какой-то мере экранная обмотка защищает вторичные цепи от высокочастотных помех, которые могут поступать из первичной цепи. Промышленностью выпускается несколько серий многообмоточных трансформаторов, наиболее распространенная серия ОСМ.

1.7 Автотрансформаторы.

В автотрансформаторах, как и в обычных трансформаторах, первичная и вторичная обмотки расположены на магнитопроводе с замкнутой магнитной цепью, но обе обмотки

Рисунок 1.10 Автотрансформатор

соединены между собой в точке b (см. рис. 1.10) и вторая обмотка является продолжением первой .

Автоторансформаторы могут быть как понижающими, так и повышающими. Ниже рассмотрен понижающий автотрансформатор.

Первичное напряжение U₁ подается в точки а и с на обмотку с числом витков w₁+w₂. Вторичная обмотка имеет число витков w₂ и с нее на нагрузку Z_Н снимается вторичное напряжение U₂. Витки w₂ участвуют в работе в качестве витков первичной и вторичной обмоток. В витках w₁ протекает ток , который разветвляется: по виткам w₂ протекает ток , в нагрузку поступает ток ; по закону Кирхгофа = + .

Во вторичной обмотке bc с числом витков w₂ по закону магнитной индукции возникает противодействующий ток (ток вторичной обмотки).

МДС первичной обмотки равна МДС вторичной ( без учета потерь):

w₁ + w₂ = w₂ 1.31

Но в 1.31 = - . Поэтому:

w₁ + ( - )w₂ = w₂

w₁ + w₂ - w₂ = w₂ ,

(w₁ + w₂) = ( + ) w₂ = I_H w_{2 .} 1.32

Понятно, что ток нагрузки I_H = ( + ), что соответствует и рис. 1.10 . Из 1.32 следует , что

=к 1.33

Как и в обычном трансформаторе, называется коэффициентом трансформации, хотя в отличие от обычного трансформатора энергия во вторичную цепь передается не только за счет магнитной связи, но и за счет электрической цепи. Чем ближе точка b к точке а, тем большая часть энергии передается за счет электрической связи. Необходимо подчеркнуть, что ток первичной обмотки I₁ протекает только по части первичной обмотки.

Чем больше масса стали трансформатора, тем большую мощность он способен передать. Поэтому мощность S_РАСЧ , передаваемая магнитным путем (она называется расчетной или габаритной), зависит от массы автотрансформатора. Передача мощности магнитным путем связана с током . Передача мощности электрическим путем связана с током . Полная мощность S_ПР , предаваемая трансформатором, (она называется проходной мощностью) зависит от тока нагрузки

I_H =| ( + )|.

S_ПР = I_HU₂ = |( + )|U₂ , 1.34

где вертикальные линии означают «модуль вектора».

Если вектора токов по фазе не сильно отличаются друг от друга, знаки вектора можно исключить. Тогда S_ПР = ( )U₂= I₂U₂= S_Э+ S_РАСЧ 1.35

где S_Э= , S_РАСЧ= I₂U₂.

Как видно из 1.33 в автотрансформаторе коэффициент трансформации к относится не только к магнитным связям, но и электрическим. Интересно определить, как от к зависит мощность S_Э , передаваемая электрическим путем.

= = = = . 1.36

Из 1.36 следует, что чем больше коэффициент трансформации к, т.е.чем ближе точка b к точке а, тем большая часть энергии передается электрическим путем. В этом случае составляющая уменьшается и уменьшается часть энергии , передаваемая за счет магнитной цепи. Например, при к=1 (w₁=0, ) S_Э ⁼ S_ПР , и вся энергия передается за счет электрических связей.

В силовых устройствах наиболее целесообразно применять автотрансформаторы при коэффициентах трансформации к 2. В таких случаях автотрансформаторы могут быть более выгодны по сравнению с обычными трансформаторами. Одной из причин этого является то, что часть обмотки bc (w₂) может быть намотана более тонким проводом, так как ток в этой части меньше тока нагрузки. В результате может быть существенной экономия по массе применяемой меди и стали.

В лабораторных условиях применяют автотрансформаторы с переменным коэффициентом трансформации. Регулирование числа витков вторичной цепи осуществляется либо скользящим контактом, либо переключателем. Такие автотрансформаторы могут быть как однофазными, так и трехфазными.

Несмотря на достоинства, применение автотрансформаторов ограничено в связи со следующими недостатками (по сравнению с обычными трансформаторами).

1 Автотрансформаторы быстро выходят из строя при КЗ во вторичных цепях. Это связано с тем, что при КЗ весь ток проходит по участку аb обмотки, который может обладать малым сопротивлением.

2 Вторичные цепи электрически связаны с цепями ВН. Это создает множество проблем, связанных как с электробезопасностью, так и с сохранностью оборудования. В частности, включение в сеть однофазных автотрансформаторов двухштырьковыми вилками может привести к ситуации, когда «земля» будет соединена с точкой а автотрансформатора. Это приведет к тому, что провода вторичной цепи относительно «земли» будут находиться под ВН. Это может привести к тому, что как обслуживающий персонал, так и низковольтное оборудование могут оказаться под высоким напряжением.