АвтотрансформаторыАвтотрансформатор — это такой вид трансформатора, в котором помимо магнитной связи между обмотками имеется еще и электрическая связь. Обмотки обычного трансформатора можно включить по схеме автотрансформатора, для чего выход X обмотки wax соединяют с выводом а обмотки wax (рис. 3.2). Если выводы Ах подключить к сети, а к выводам ах подключить нагрузку ZH, то получим понижающий автотрансформатор. Если же выводы ах подключить к сети, а к выводам Ах подключить нагрузку ZH, то получим повышающий автотрансформатор.
Рис. 3.2. Электромагнитная (а) и принципиальная (б) схемы однофазного понижающего автотрансформатора Рассмотрим подробнее работу понижающего автотрансформатора. Обмотка wax одновременно является частью первичной обмотки и вторичной обмоткой. В этой обмотке проходит ток I12. Для точки а запишем уравнение токов:
или
т. е. по виткам wax проходит ток I12, равный разности вторичного I2 и первичного I 1 токов. Если коэффициент трансформации автотрансформатора kA = wAx/wax,. немногим больше единицы, то токи I1 и I2 мало отличаются друг от друга, а их разность составляет небольшую величину. Это позволяет выполнить витки wax проводом уменьшенного сечения. Введем понятие проходной мощности автотрансформатора, представляющей собой всю передаваемую мощность Sпр=U2I2 из первичной цепи во вторичную. Кроме того, различают еще расчетную мощность Spасч, представляющую собой мощность, передаваемую из первичной во вторичную цепь магнитным полем. Расчетной эту мощность называют потому, что размеры и вес трансформатора зависят от величины этой мощности. В трансформаторе вся проходная мощность является расчетной, так как между обмотками трансформатора существует лишь магнитная связь. В автотрансформаторе между первичной и вторичной цепями помимо магнитной связи существует еще и электрическая. Поэтому расчетная мощность составляет лишь часть проходной мощности, другая ее часть передается между цепями без участия магнитного поля. В подтверждение этого разложим проходную мощность автотрансформатора Sпр = U2I2 на составляющие. Воспользуемся для этого выражением (3.5). Подставив это выражение в формулу проходной мощности, получим Sпр = U2I2 = U2(I1+I12) =U2I1+U2I12=Sэ+Sрасч. (3.7) Здесь Sэ= U2I1, — мощность, передаваемая из первичной цепи автотрансформатора во вторичную благодаря электрической связи между этими цепями. Таким образом, расчетная мощность в автотрансформаторе Sрасч = = U2I12 составляет лишь часть проходной. Это дает возможность для изготовления автотрансформатора использовать магнитопровод меньшего сечения, чем в трансформаторе равной мощности. Средняя длина витка обмотки также становится меньше; следовательно, уменьшается расход меди на выполнение обмотки автотрансформатора. Одновременно уменьшаются магнитные и электрические потери, а КПД автотрансформатора повышается. Таким образом автотрансформатор по сравнению с трансформатором равной мощности обладает следующими преимуществами: меньшим расходом активных материалов (медь и электротехническая сталь), более высоким КПД, меньшими размерами и стоимостью. У автотрансформаторов большой мощности КПД достигает 99,7%. Указанные преимущества автотрансформатора тем значительнее, чем больше мощность S3, а следовательно, чем меньше расчетная часть проходной мощности. Мощность SЭ передаваемая из первичной во вторичную цепь благодаря электрической связи между этими цепями, определяется выражением Sэ = U2I1=U2I2/kA=Sпр/kA, (3.8) т.е. значение мощности SЭ обратно пропорционально коэффициенту трансформации автотрансформатора kA.
Рис. 3.3. Зависимость SЭ/SПРот коэффициента трансформации автотрансформатора Из графика (рис. 3.3) видно, что применение автотрансформатора дает заметные преимущества по сравнению с двухобмоточным трансформатором лишь при небольших значениях коэффициента трансформации. Например, при kA = 1 вся мощность автотрансформатора передается во вторичную цепь за счет электрической связи между цепями (SЭ/SПР = 1). Наиболее целесообразно применение автотрансформаторов с коэффициентом трансформации kA < 2. При большом значении коэффициента трансформации преобладающее значение имеют недостатки автотрансформатора, состоящие в следующем: 1. Большие токи к.з. в случаях понижающего автотрансформатора: при замыкании точек а и х(см. рис. 3.2, а) напряжение U1 подводится лишь к небольшой части витков Аа, которые обладают очень малым сопротивлением к.з. В этом случае автотрансформаторы не могут защитить сами себя от разрушающего действия токов к.з. (см. § 4.1), поэтому токи к.з. ограничиваться сопротивлением других элементов электрической установки, включаемых в цепь автотрансформатора. 2. Электрическая связь стороны ВН со стороной НН; это требуетусиленной электрической изоляции всей обмотки. 3.При использовании автотрансформаторов в схемах понижения напряжения между проводами сети НН и землей возникает напряжение, приблизительно равное напряжению между проводом и землей на стороне ВН. 4. В целях обеспечения электробезопасности обслуживающего персонала нельзя применять автотрансформаторы для понижения напряжения сетей ВН до значений НН, подводимого непосредственно к потребителям.
Рис. 3.4. Трехфазный автотрансформатор Силовые автотрансформаторы широко применяют в линиях передачи и распределения электроэнергии для связи сетей смежных напряжений, например ПО и 220, 220/и 500-кВ и др. Такие автотрансформаторы обычно выполняют на большие мощности (до 500 МВ-А и выше). Обмотки трехфазных автотрансформаторов обычно соединяют в звезду (рис. 3.4). Автотрансформаторы применяют в электроприводе переменного тока для уменьшения пусковых токов двигателей значительной мощности (см. § 15.2), а также для регулировки режимов работы злектрометаллургических печей. Автотрансформаторы малой мощности применяют в устройствах радио, связи и автоматики.
Рис. 3.5. Регулировочный однофазный автотрансформатор: 1 — ручка для перемещения контактной щетки; 2 — щеткодержатель; 3 — обмотка Широко распространены автотрансформаторы с переменным коэффициентом трансформации. В этом случае автотрансформатор снабжают устройством, позволяющим регулировать величину вторичного напряжения путем изменения числа витков wах (См. рис. 3.2). Осуществляется это либо переключателем, либо с помощью скользящего контакта (щетки), перемещаемого непосредственно по зачищенным от изоляции витками обмотки. Такие автотрансформаторы, называемые регуляторами напряжения, могут быть однофазными (рис. 3.5) и трехфазными. Контрольные вопросы 1. Каковы достоинства трехобмоточных трансформаторов? 2. Перечислите достоинства и недостатки автотрансформаторов. 3. Зависят ли достоинства автотрансформатора от коэффициента трансформации? Объясните, почему. 4. Объясните устройство автотрансформатора с переменным коэффициентом трансформации.
|
,(3.5)
, (3.6)
