9.13. Однофазные и трехфазные автотрансформаторы

В ряде случаев при передаче электроэнергии требуется соединить через трансформатор электрические цепи, отношение номинальных напряжений которых не превышает 2, например цепи высокого напряжения 110 и 220 кВ. В подобных случаях экономически целесообразно вместо трансформатора применить автотрансформатор, так как его КПД выше, а размеры меньше, чем у трансформатора той же номинальной мощности.

Автотрансформатор отличается от трансформатора тем, что имеет лишь одну обмотку — обмотку высшего напряжения, а обмоткой низ-пего напряжения служит часть обмотки высшего напряжения. Обмотка высшего напряжения автотрансформатора может быть первичной (рис. 9.25, а) или вторичной (рис. 9.25,6).

При заданном первичном напряжении автотрансформатора и числе витков w₁) амплитуду магнитного потока F_m в магнитопроводе можно считать вполне определенной, так как по (9 .За) и (8.4в)

U₁ » 4,44fw₁F_m

(равенство получается для идеализированного трансформатора). Этот магнитный поток индуктирует в каждом витке обмотки ЭДС, практически не зависящую от тока в обмотке. Следовательно, постоянными поддерживаются и напряжения между отдельными частями обмотки."

Напряжения и токи автотрансформатора связаны теми же приближенными соотношениями, что и в трансформаторе [см. (9.12) и (9.19)];

U₁/U₂ » w₁/w₂ » I₂/I₁.

Ток в общей части обмотки равен разности первичного I.₁ и вторичного I.₂ токов (рис. 9.25). Фазы этих токов, так же как у трансформатора (рис. 9.10), почти одинаковые, поэтому, пренебрегая влиянием

намагничивающего тока I._1x, можно считать, что в общей части обмотки

действующее значение тока равно разности |I₁ – I₂|.

Если коэффициент трансформации n₁₂ = w₁/w₂ лишь немного отличается от единицы, то действующие значения токов I₂ и I₁ почти одинаковые и их разность |I₂ – I₁| мала по сравнению с каждым из них. Поэтому общую часть первичной и вторичной обмоток можно сделать из значительно более тонкого провода, т. е. стоимость обмотки автотрансформатора меньше, чем обмоток трансформатора, и для ее размещения требуется меньше места.

Размеры трансформатора зависят от его расчетной полной мощности

S_т = U₁I₁ » U₂I₂,

т. е. номинальной полной мощности в сопротивлении нагрузки трансформатора, а у автотрансформатора его расчетная полная мощность S_ат меньше полной мощности в сопротивлении нагрузки.

Расчетная полная мощность общей части обмотки автотрансформатора (рис. 9.25, д)

S' » U₂(I₂ – I₁) » U₂I₂(1 – w₂/w₁);

расчетная полная мощность остальной части обмотки S'' » (U₁ – U₂)I₁ = U₁I₁(1 – w₂/w₁),

а так как приближенно U₂I₂ » U₁I₁, то S' » S'' » S_ат.

Расчетная полная мощность каждой из обмоток обычного трансформатора

S_ат = U₁I₁ » U₂I₂.

Следовательно, при одной и той же полной мощности в сопротивлении нагрузки получается следующее соотношение между расчетными полными мощностями автотрансформатора и трансформатора:

S_ат/S_т = 1 – w₂/w₁,

т. е. чем меньше различаются числа витков w₂ и w₁, тем выгоднее применение автотрансформатора.

Итак, преимущества автотрансформатора уменьшаются с увеличением коэффициента трансформации. Кроме того, только при высшем и низшем напряжениях одного порядка электрическое соединение цепей высшего и низшего напряжений не встречает препятствий. Но автотрансформатор нельзя применить, например, для питания распределительной сети 220 В от сети высокого напряжения 6000 В. При таком автотрансформаторе не только пришлось бы рассчитать изоляцию распределительной сети на, 6000 В, что чрезвычайно увеличило бы ее стоимость; но и пользоваться такой распределительной сетью было бы опасно для жизни.

Изменением положения точки а на обмотке автотрансформатора (рис. 9.25) можно плавно регулировать вторичное напряжение, например в лабораторных автотрансформаторах (JIATP), у которых одним из выводов вторичной цепи служит подвижный контакт.

Обмотки трехфазных автотрансформаторов обычно соединяются звездой с выведенной нейтральной точкой или без нее (рис. 9.26).