6. Автотрансформаторы, схема замещения однофазного автотрансформатора, типовая и номинальная мощность. Достоинства и недостатки. Область применения.

Автотрансформатор – особый вид трансформатора, отличие заключается в том, что две обмотки электрически соединены, что обуславливает передачу мощности от одной обмотки к другой не только электромагнитным путём, но и электрическим. У автотрансформатора электрически соединены обмотки ВН и СН, а обмотка НН имеет с ними электромагнитную связь.

Обмотка высшего напряжения состоит из двух частей: АВ - последовательная часть обмотки, ОВ- общая часть обмотки (обмотка СН). При работе АТ в режиме понижения напряжения в последовательной обмотке проходит ток 𝐼_ВН. Он, создавая магнитный поток в магнитопроводе, индуктирует в общей обмотке ОВ ток 𝐼₀. Ток нагрузки вторичной обмотки:𝐼_СН = 𝐼_ВН + 𝐼₀, где ток 𝐼₀ обусловлен электромагнитной связью, а ток 𝐼_ВН - электрической связью. Имеем 𝐼₀ = 𝐼_СН − 𝐼_ВН.

Автотрансформатор характеризуется:

1) 𝑆_ном = 𝑆_{проход.} = 𝑈_ВН ∙ 𝐼_ВН ≈ 𝑈_СН ∙ 𝐼_СН (если пренебречь потерями в сопротивлениях обмоток), где 𝑆_ном - полная мощность, передаваемая из первичной сети во вторичную или наоборот, она называется проходной мощностью 𝑆_{проход.}; индекс «ном» у тока и напряжения опущен в целях упрощения дальнейшей записи);

2) 𝑘_АТ = 𝑈_ВН / 𝑈_СН = 𝐼_СН / 𝐼_ВН - коэффициент трансформации автотрансформатора.

При этом:

Мощность, передаваемая электромагнитным путём 𝑆_эл.маг., называется типовой мощностью S_тип. Именно эта мощность определяет размеры сердечника и расход материалов на него. 𝑆_эл. – мощность передаваемая электрическим путём.

После преобразований получим:

– коэффициент типовой мощности, величина его всегда меньше 1, и S_тип< 𝑆_ном.

В обычном трансформаторе S_тип = 𝑆_ном. Магнитопровод и части обмотки автотрансформатора также рассчитаны на типовую мощность. Загружать последовательную и общую части обмотки в нормальном режиме более, чем S_тип нельзя.

𝑆_АВ = (𝑈_ВН − 𝑈_СН ) ∙ 𝐼_ВН = 𝑆_тип ,

𝑆_ОВ = (𝐼_СН − 𝐼_ВН ) ∙ 𝑈_СН = 𝑆_тип

Таким образом, типовая мощность определяет расход материалов, т.е. вес, размеры и стоимость трансформатора, и, если сравнить обычный трансформатор и автотрансформатор с одинаковой номинальной мощностью, то автотрансформатор по экономическим соображениям более выгоден. Чем ближе напряжения друг к другу, тем меньше 𝑘_тип и тем более выгоден автотрансформатор:

Преимущества автотрансформатора:

1. Габаритные размеры, стоимость, вес автотрансформатора меньше, чем у обычного трансформатора той же 𝑆_ном. Автотрансформатор выгодно применять для связи сетей близких напряжений, когда 𝑘_АТ небольшой.

2. Эксплуатационные издержки (стоимость потерь мощности и напряжения) меньше, т.к. за счёт электрической связи напряжение короткого замыкания 𝑢_к меньше, чем у обычного трансформатора.

Недостатки автотрансформатора:

1. Напряжение короткого замыкания 𝑢к меньше чем у трансформатора, следовательно, ток короткого замыкания 𝐼_кз в сетях с автотрансформаторами выше, что влияет на выбор аппаратов и проводников, и иногда нужно принимать меры для ограничения токов короткого замыкания.

2. Из-за электрической связи между обмотками перенапряжения переходят с обмотки одного напряжения на выводы другого напряжения. Требуется специальная защита от перенапряжений. Для устранения воздействия перенапряжений на изоляцию АТ со стороны высшего и среднего напряжения защищают разрядниками.

3. Автотрансформаторы должны работать с заземлённой нейтралью (не используются на ВН и СН для связи сетей с изолированной нейтралью). Три фазы обмоток ВН и СН соединяются в звезду с заземлённой нейтралью.

Е сли бы нейтраль была изолирована, то при замыкании на землю в сети ВН, напряжения других фаз на стороне среднего напряжения значительно увеличивались бы, что видно из рис. 3.13.

При 𝑘_АТ = 2 , 𝑈_СН ⁽¹⁾ увеличится в √7 раз, при 𝑘_АТ = 3 , 𝑈_СН ⁽¹⁾ увеличится в √13 раз. Изолировать нейтраль обмоток ВН и СН автотрансформатора нельзя.

4. В обычных трансформаторах, если одна из обмоток соединена в звезду с заземлённой нейтралью, другую соединяют в треугольник для компенсации токов высших гармоник. В автотрансформаторе необходимо также иметь обмотку, соединённую в треугольник для компенсации третьих гармоник. Эта обмотка (третья) не имеет электрической связи и рассчитана на мощность не больше, чем типовую.

Часто к этой обмотке ничего не подключено, но можно и использовать для подключения (рис. 3.14).

Для использования обмотки низшего напряжения необходимо правильно выбрать мощность автотрансформатора.

Например, необходимо выбрать мощность автотрансформатора для работы в блоке с генератором (рис 3.15).

Пусть Р_{Г ном} = 100 МВт, необходимо определить 𝑆_{ном АТ}.

Примем АТДЦТН-250000/220/110.