Автотрансформаторы

Автотрансформаторы – это такие трансформаторы, в которых первичная и вторичная обмотки имеют не только электромагнитную связь, но и электрическую. И если в трансформаторах передача энергии осуществляется только за счёт магнитного поля, то в автотрансформаторах – ещё и за счёт электрической связи. В автотрансформаторах первичная обмотка включена в сеть параллельно, а вторичная – последовательно, при этом устройство обмоток и их расположения на стержнях такое же, как и в обычных трансформаторах. Автотрансформатор может служить как для повышения, так и для понижения напряжения. Электрические схемы повышающего трансформатора представлены на рис. 2.72.

В любом случае,

. (2.151)

Пренебрежём потерями, падениями напряжения в обмотках и намагничивающим током. Тогда ЭДС, ток и напряжения связаны так:

. (2.152)

С другой стороны, коэффициент трансформации напряжений и токов первичной и вторичной сетей автотрансформатора:

(2.153)

В автотрансформаторах не вся мощность передаётся посредством магнитного поля, часть мощности передаётся электрическим путём, следовательно, в автотрансформаторах различают мощности:

1. Проходная (внешняя) мощность, передаваемая из одной сети в другую:

. (2.154)

2. Расчётная (внутренняя) мощность, передаваемая посредством магнитного поля из первичной обмотки во вторичную:

(2.155)

Проходная мощность больше расчётной , т.к. часть мощности передаётся электрическим путём. Расход материалов, габариты и стоимость автотрансформатора определяется расчётной мощностью, и поэтому в принципе применение автотрансформаторов выгоднее, чем применение обычных двухобмоточных трансформаторов, у которых .

В автотрансформаторах:

. (2.156)

Отсюда следует, что применение автотрансформаторов тем выгоднее, чем ближе к единице. Обычно . Если обозначить расход (вес) активных материалов автотрансформатора как G_АТ, а обычного двухобмоточного трансформатора как G_ТР, то

. (2.157)

Допустим, , тогда , т.е. расход активных материалов автотрансформатора меньше в 2 раза, чем обычного двухобмоточного трансформатора. Но напряжения короткого замыкания связаны аналогичным соотношением:

. (2.158)

Отсюда, напряжение короткого замыкания автотрансформатора меньше, чем обычного двухобмоточного трансформатора. Это недостаток автотрансформатора, т.к. ток короткого замыкания больше, чем обычного двухобмоточного трансформатора. Вместе с тем, электрические потери в автотрансформаторе меньше, т.к.

(2.159)

А, следовательно, КПД автотрансформатора больше, чем обычного двухобмоточного трансформатора.

Таким образом, применение автотрансформаторов в принципе выгоднее, чем обычных трансформаторов, т.к. у них меньше вес, габариты, потери, выше КПД, чем у обычных двухобмоточных трансформаторов, но необходимо изоляцию каждой обмотки относительно корпуса рассчитывать на напряжение сети высокого напряжения, и изоляцию потребителей необходимо рассчитать на высокое напряжение.

Трёхобмоточные трансформаторы

Трёхобмоточные трансформаторы используются на электростанциях для питания распределительных сетей с различными номинальными напряжениями и позволяют достичь экономии в капитальных затратах за счёт установки меньшего числа трансформаторов. Трёхобмоточные трансформаторы могут иметь одну первичную обмотку и две вторичных или две первичных обмотки и одну вторичную. Наиболее распространены трёхобмоточные трансформаторы с одной первичной и двумя вторичными обмотками. Конструктивное устройство такого трансформатора представлено на рис. 2.73.

При этом на одном стержне располагается несколько обмоток (в случае многообмоточного трансформатора), или 3 обмотки – у трёхобмоточного трансформатора – обмотка низкого напряжения (ОНН), обмотка среднего напряжения (ОСН), обмотка высокого напряжения (ОВН).

Вторичные обмотки обозначим индексами 2 и 3, а первичную – 1. Тогда коэффициенты трансформации:

(2.160)

Если привести вторичные обмотки к числам витков первичной, то получаем уравнения напряжений и токов трёхобмоточного трансформатора:

(2.161)

Если пренебречь намагничивающим контуром, то получим упрощённую схему замещения (рис. 2.74).

Векторная диаграмма приводится на рис. 2.75.

Векторная диаграмма показывает, что вторичные цепи взаимно связаны. При изменении нагрузки в одной из вторичных цепей, допустим, увеличится, ток также возрастёт (согласно правилу Ленца), тогда тоже увеличится, а, значит, согласно первому уравнению выше приведённой системы уравнений, уменьшится. Изменение ЭДС влечёт за собой изменение напряжения на обеих вторичных обмотках.

Параметры схемы замещения определяются из опытов короткого замыкания. При этом необходимо провести три опыта короткого замыкания, замыкая по очереди каждую обмотку. Определение параметров приводится в литературе /1/. Сопротивления намагничивающего контура определяются из опыта холостого хода, как для двухобмоточного трансформатора.

В настоящее время производятся трёхобмоточные трансформаторы со следующими соотношениями номинальных мощностей трёх обмоток. Указаны в следующей последовательности: обмотка ВН, СН (среднего напряжения), НН:

1. 100%; 100%;100%.

2. 100%; 100%;67%.

3. 100%; 67%; 100%.

4. 67%; 67%; 100%.

Стандартные схемы соединения: Y/Y₀/Δ–0–11; Y₀/ Δ /Δ–11–11.