АВТОТРАНСФОРМАТОР

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

Принципиальная схема. В схеме понижающего автотрансформатора (рис. 2.40, 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 E=4,44fФт, то при холостом ходе напряжение на зажимах ах

где wax и wAX 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 Snp, передаваемую из первичной цепи во вторичную и далее нагрузке, и расчетную или типовую мощность Sрасч, передаваемую во вторичную цепь электромагнитным полем. Мощность Sрасч определяет габаритные размеры и массу автотрансформатора. Если пренебречь потерями, то проходная мощность Snp = E1Il = E2I2, а расчетная Spaсч = E2Iax, где 1ах результирующий ток на участке ах обмотки, к которому подключена нагрузка.

На участке ах через обмотку проходит ток, равный векторной сумме токов вторичной и первичной цепей . Как следует из векторной диаграммы (см. рис. 3-11), токи и сдвинуты по фазе приблизительно

Рис. 3-11. Схема включения понижающего автотрансформатора (а) и зависимости мощностей Sэм и Sэл от коэффициента трансформации (б)

на угол 180°. Поэтому, пренебрегая током холостого хода и переходя к модулям токов и , получаем

(3-40)

Следовательно, проходная мощность

(3-41)

При этом Sэм = E2Iax = Sрасч — мощность, передаваемая во вторичную цепь электромагнитным полем и являющаяся расчетной мощностью автотранс-форматора; Sэл = E2I1 — мощность, передаваемая в эту цепь вследствие электрической (гальванической) связи между первичной и вторичной цепями.

При указанных выше условиях и принимая Il=I'1 = I1/k, из (3-40) получаем

(3-42)

Откуда расчетная мощность автотрансформатора

(3-43)

Отношение

(3-44)

называют коэффициентом выгодности. Данный коэффициент показывает насколько выгодно использовать трансформатор с коэффициентом трансформации k.

Мощность, передаваемая во вторичную цепь электрическим путем,

(3-45)

В двухобмоточном трансформаторе Sэл = 0 и Sрасч = Snp.

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.

На рис. 3-11,б показаны зависимости мощностей Sэм и Sэл в долях от проходной мощности Sпp от коэффициента трансформации k. 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

В автотрансформаторе суммарные потери на участках и ах

или

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

(3-46)

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

(3-47)

Таким образом, из формул (3-46) и (3-47) следует, что

(3-48)

Следовательно, отношение электрических потерь в автотрансформаторе и двухобмоточном трансформаторе

(3-49)

Формула (3-49) 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:

(3-50)

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

Области применения. В технике применяют автотрансформаторы одно- и трехфазные при необходимости сравнительно небольшого изменения напряжения (при ). 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 (ПО, 154, 220, 330, 500, 750 кВ).

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).