2.15 Автотрансформатор

Принципиальная схема. Автотрансформатором называют такой трансформатор, у которого обмотка низшего напряжения электрически (гальванически) связана с обмоткой высшего напряжения.

В схеме понижающего автотрансформатора (рис. 2.52, а) первичное напряжение подводится к зажимам А и X; вторичной обмоткой служит часть первичной обмотки между зажимами а и х, причем зажимы X и х совмещены. Так как в каждом витке обмотки индуцируется одинаковая ЭДС Е = 4,44ƒФ_m, то при холостом ходе напряжение на зажимах ах

. (2.66)

где w_ax и w_AX - числа витков, включенных соответственно между зажимами а и х, А и Х; k - коэффициент трансформации.

Габаритные размеры, масса, потери мощности. В автотрансформаторе различают проходную мощность S_пр, которая передается из первичной цепи во вторичную и далее нагрузке, и расчетную или типовую мощность S_расч, передаваемую во вторичную цепь электромагнитным полем. Мощность S_pacч определяет габаритные размеры и массу автотрансформатора. Если пренебречь потерями, то проходная мощность S_пр = E₁I₁ = Е₂I₂, а расчетная S_pacч=E₂I_ax, где I_ax - результирующий ток на участке ах обмотки, к которому подключена нагрузка.

Рис. 2.52 - Схема включения понижающего автотрансформатора и зависимости мощностей S_3M и S_3JI от коэффициента трансформации

На участке ах через обмотку проходит ток, равный векторной сумме токов вторичной и первичной цепей İ_ах = İ₂ + İ₁. Однако, как следует из векторной диаграммы (см. рис. 2.27), токи İ₂ и İ₁ сдвинуты по фазе приблизительно на угол 180°. Поэтому, пренебрегая током холостого хода и переходя к модулям токов İ₂ и İ₁, получаем

. (2.67)

Следовательно, проходная мощность

. (2.68)

При этом S_эм = E₂I_ax = S_pacч — мощность, передаваемая во вторичную цепь электромагнитным полем, которая является расчетной мощностью автотрансформатора; S_эл = Е₂I₁ - мощность, передаваемая в эту цепь вследствие электрической (гальванической) связи между первичной и вторичной цепями.

При указанных выше условиях, принимая I₁ = I'₂ = I1₂/k, получаем из (2.67)

. (2.69)

Откуда расчетная мощность автотрансформатора

. (2.70)

Отношение

. (2.71)

называют коэффициентом выгодности

Мощность, передаваемая во вторичную цепь электрическим путем,

. (2.72)

В двухобмоточном трансформаторе S_эл = 0 и S_расч = S_пр.

Таким образом, расчетная мощность автотрансформатора меньше, чем мощность двухобмоточного трансформатора при той же проходной мощности, передаваемой из первичной цепи во вторичную, что позволяет выполнить автотрансформатор с меньшей массой и меньшими габаритными размерами. Отношение этих мощностей определяет коэффициент выгодности.

На рис. 2.52, б показаны зависимости мощностей S_эм и S_эл в долях от проходной мощности S_пр от коэффициента трансформации k. Очевидно, чем ближе значение коэффициента трансформации k к единице, тем меньше расчетная мощность автотрансформатора и тем выгоднее его применять с точки зрения уменьшения массы, габаритных размеров и потерь мощности. Например, при k = 1,1 расчетная мощность автотрансформатора уменьшается в 10 раз, а при k = 10 получается почти такой же, как у двухобмоточного трансформатора.

Электрические потери в обмотках автотрансформатора по той же причине могут быть существенно меньшими, чем в обмотках двухобмоточного трансформатора. При номинальном режиме в двухобмоточном трансформаторе электрические потери рассчитывают как:

. (2.73)

В автотрансформаторе суммарные потери на участках Аа и ах

(2.74)

или

. (2.75)

В автотрансформаторе I_Аа = I₁ поэтому сечения проводов в первичной обмотке двухобмоточного трансформатора и на участке Аа автотрансформатора одинаковы, а сопротивление R_Aа<R₁:

. (2.76)

На участке ах автотрансформатора проходит ток I_ах = I₂ (1 – 1/k), поэтому сечение провода на этом участке можно выбрать меньшим, чем во вторичной обмотке двухобмоточного трансформатора — пропорционально отношению токов, проходящих по участку ах и вторичной обмотке:

. (2.77)

Таким образом, из формул (2.76) и (2.77) следует, что

. (2.78)

Следовательно, отношение электрических потерь в автотрансформаторе и двухобмоточном трансформаторе

. (2.79)

Формула (2.79) показывает, что потери мощности в автотрансформаторе меньше, чем в двухобмоточном трансформаторе.

Активные и индуктивные (обусловленные потоками рассеяния) сопротивления автотрансформатора также меньше, чем соответствующие сопротивления двухобмоточного трансформатора:

; . (2.80)

Поэтому ток короткого замыкания у автотрансформатора, подключенного к сети со стороны обмотки ВН, больше чем у двухобмоточного трансформатора.

Конструктивно обмотки Аа и ах выполняют обычно в виде двух концентрических катушек. Такое исполнение предотвращает появление больших потоков рассеяния.

Области применения. В технике применяют автотрансформаторы одно- и трехфазные при необходимости сравнительно небольшого изменения напряжения: при k ≤ 2,5 ÷ 3. При больших к выгодность от их применения уменьшается. Силовые автотрансформаторы служат для снижения напряжения при пуске мощных асинхронных и синхронных электродвигателей. Автотрансформаторы малой мощности широко используют в устройствах связи и автоматики, радиоаппаратуре и лабораторных стендах. В последнее время автотрансформаторы большой мощности применяют для соединения высоковольтных сетей различных напряжений (110, 154, 220, 330, 500, 750 кВ).

Та6лица 2.5

Существенным недостатком автотрансформаторов является то, что вторичная цепь у них электрически соединена с первичной. Поэтому обмотка НН и подключенные к ней потребители должны иметь ту же изоляцию относительно земли, что и обмотка ВН и первичная цепь. Поэтому для обеспечения электробезопасности не допускается применять автотрансформаторы для питания цепей низкого напряжения от сети высокого напряжения.

Автотрансформаторы большой мощности редко применяют при k > 2 во избежание возникновения опасных перенапряжений во вторичной цепи при появлении атмосферных и коммутационных перенапряжений в первичной цепи (в линиях электропередачи).

Схемы и группы соединения обмоток одно- и трехфазных автотрансформаторов приведены в табл. 2.5.