Автотрансформатор определение – устройство, принцип действия, схема, типы

Автотрансформаторы

Автотрансформатор – это трансформатор, в котором первичная и вторичная обмотки объединены в общую электрическую цепь. Следовательно, число обмоток автотрансформатора вдвое меньше , чем число обмоток трансформатора; в однофазном автотрансформаторе – одна , а в трехфазном – три (на каждую фазу по одной). Таким образом добиваются уменьшения массы, размеров и стоимости автотрансформатора.

На рисунке №1 приведены схемы однофазного (а) и трехфазного (б) автотрансформаторов. Подобную схему имеет например, вольтодобавочный автотрансформатор ЛТМ (400 кВА, 10 кВ и 630 кВА, 35 кВ) с шестью ступенями переключения напряжения, причем каждая ступень изменяет напряжение на 2,5 %.

Если автотрансформатор по схеме а понижающий, то первичную обмотку образуют все витки, к которым подведено напряжение U₁ сети. При этом каждый виток окажется под напряжением

(1),

где w₁ – число витков, включенных в сеть.

Вторичное напряжение U

2 пропорционально числу витков w₂ , с которых снимает напряжение:

Таким образом, при холостом ходе, когда потери напряжения на обмотках ничтожны, справедливо соотношение

(2),

Значит напряжение, снимаемое с автотрансформатора, есть доля первичного сетевого напряжения.

В режиме нагрузки ток вторичной обмотки по правилу Ленца ослабляет своим магнитным потоком магнитный поток первичной обмотки. Поэтому ток I₂ направлен противоположно току I₁ и в общей обмоток он равен разности токов I₁-I₂ . Такое же противоположное направление имеют токи в обычном трансформаторе. Соотношение между токами, как отмечалось в разделе “Трансформатор”,

(3),

Поэтому общую часть обмотки автотрансформатора можно изготовить из провода меньшего сечения (когда коэффициент трансформации k2).

Основное преимущество автотрансформаторов перед трансформаторами – меньший расход меди и стали. Уменьшаются также тепловые потери в железе и меди. Однако автотрансформаторам свойственны и существенные недостатки. Изоляция их рассчитывается на наибольшее напряжение, так как обмотки соединены между собой, и поэтому стоимость ее высока. Выполнение условий безопасности усложняется, ибо если первичное напряжение высокое, то витки вторичной обмотки будут находиться под высоким потенциалом. Поэтому автотрансформаторы применяют, например, в тех случаях, когда необходимо преобразовать напряжение в небольших пределах. При высоких напряжениях автотрансформаторы выгоднее использовать там, где требуется изменять напряжение в 1,5 …2 раза, а при низких – не более чем в 3 раза. Лабораторные автотрансформаторы (ЛАТР) применяют в лабораторной практике для плавного регулирования напряжения U

2 от 0 до 250 В.

Трехфазные автотрансформаторы часто вводят в схемы пуска мощных двигателей переменного тока при пониженных токах. Сеть присоединяют к зажимам А,В,С а двигатель в момент пуска – к зажимам а,b,с. После того как двигатель разовьет достаточную скорость вращения, его быстро переключают на сеть, а автотрансформатор отключают.

В отличии от трансформатора в автотрансформаторе для преобразования напряжения используется не только магнитная связь, но и их прямое или встречное последовательное соединение. Принципиальные схемы однофазного автотрансформатора и соединения его первичных обмоток показаны на рис.№2.

В случаях рис.№2 а и б в процессе преобразования напряжение повышается, в случаях в и г — понижается. В силовых автотрансформаторах обычно применяются схемы с прямым включением обмоток (рис.№2 а и г). Схемы с обратным включением обмоток (рис.№2 б и в) используются только при регулировании напряжения путём реверсирования регулировочной обмотки.

Как было сказано выше, на преобразование напряжения при помощи автотрансформаторов затрачивается меньше активных материалов, чем на преобразование обычным трансформатором. Это снижает также потери мощности, связанные с процессом преобразования. По расходу активных материалов и снижению потерь применение автотрансформаторов тем выгоднее, чем меньше напряжение U отличается от напряжения U. При расчёте двухобмоточного автотрансформатора следует исходить из его расчётной мощности

S_P = U₁I₁ = U₂I₂, отнесённой к одной фазе. Например, в случае если требуется повысить ( или понизить ) напряжение в 2 раза, расчётная мощность автотрансформатора должна быть равна половине его номинальной мощности.

При расчёте трёхобмоточного автотрансформатора следует исходить из условий его работы (повышение или понижение напряжения) и мощностей отдельных обмоток

S₁ = U₁I₁, S₂ = U₂I₂, S₃ = U₃I₃.

В этом случае расчётная типовая мощность одной фазы автотрансформатора будет:

Основное преимущество автотрансформаторов перед трансформаторами – его меньшая стоимость – сказывается тем сильнее, чем ближе отношение U/U к единице.

Основным недостатком автотрансформатора, вытекающим из наличия электрической связи его обмоток, является возможность появление высокого напряжения на стороне НН.

Силовые автотрансформаторы получили широкое применение для связи сетей близких напряжений, например 110 и 220, 220 и 500 кВ и т.п. В этих случаях они выполняются на значительные мощности нагрузки , доходящие до 500 МВА и выше. Мощные автотрансформаторы изготавливаются как в однофазном исполнении, так и в трёхфазном исполнении. В автотрансформаторах, предназначенных для трёхфазных сетей, помимо двух основных обмоток, имеющих автотрансформаторную связь и соединение по схеме звезда с заземлённой нейтралью, предусматриваются дополнительные обмотки, обычно низшего напряжения, соединённые треугольником. Наличие таких обмоток приводит к выравниванию фазных напряжений при несимметричной нагрузке, а также устраняет появление в фазных напряжениях основных обмоток ЭДС тройной частоты. Номинальная мощность обмотки НН составляет 0т 20 до 50 % номинальной (проходной) мощности автотрансформатора. Наиболее широкое применение в сетях высокого напряжения получили трёхобмоточные автотрансформаторы, у которых обмотки ВН и СН соединены последовательно (в звезду) и образуют автотрансформатор, а обмотка НН, соединённая в треугольник, не имеет электрической связи с двумя другим обмотками.

В автотрансформаторах различают:

— электромагнитную мощность – мощность, передаваемую автотрансформатором из одной сети в другую с помощью электромагнитной индукции, равную мощности общей или последовательной обмотки автотрансформатора;

— электрическую мощность – мощность, непосредственно передаваемую автотрансформатором из одной сети в другую электрическим путём благодаря гальванической связи между соответствующими обмотками, равную произведению напряжения общей обмотки на ток последовательной обмотки автотрансформатора и коэффициент, учитывающий число фаз;

— проходную мощность – мощность, передаваемую автотрансформатором из одной сети в другую, равную сумме его электромагнитной и электрической мощностей.

Номинальная мощность автотрансформатора – номинальная проходная мощность обмоток, имеющих общую часть (под обмотками понимаются обмотки ВН и НН в двухобмоточных автотрансформаторах и обмотки СН и ВН в трёхобмоточном автотрансформаторе).

Автотрансформаторы имеют меньшее индуктивное сопротивление, чем двухобмоточный трансформатор, и поэтому в меньшей степени ограничивает токи КЗ.

U_K,HOM = u_K (%)

v= 1 – 1/n

n = W_AX/W_ax – коэффициент автотрансформации.

www.treugoma.ru

Автотрансформатор

Подробности

Категория: Трансформаторы

Автотрансформатор – это многообмоточный трансформатор, у которого две обмотки соединены электрически.
В энергосистемах получили распространение трехобмоточные автотрансформаторы, трехфазные и группы из однофазных автотрансформаторов.
Их применение экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для соединения эффективно заземленных сетей с напряжением 110 кВ и выше при коэффициентах трансформации не более 3-4.
Обмотки трехфазных автотрансформаторов или групп из трех однофазных автотрансформаторов соединяют в звезду с заземленной нейтралью.

Преимущества автотрансформаторов
1. Меньший расход меди, стали, а также изоляционных материалов и меньшая стоимость по сравнению с трансформаторами той же мощности.

2. Меньшая масса и габариты позволяют создавать трансформаторы больших мощностей.
3. Автотрансформаторы имеют меньшие потери и больший КПД.
4. Имеют лучшие условия охлаждения.

Недостатки автотрансформаторов
1. Необходимость глухого заземления нейтрали, что приводит к увеличению токов однофазного КЗ.
2. Сложность регулирования напряжения.
3. Опасность перехода атмосферных перенапряжений с одной обмотки на другую из-за электрической связи обмоток.

В автотрансформаторах часть электрической мощности передается непосредственно (без трансформации) путем контактной связи между последовательной и общей обмотками. И эта мощность называется электрической.
Проходной мощностью называют полную мощность, передаваемую с первичной обмотки автотрансформатора на вторичную.

Трансформаторной мощностью или типовой мощностью называют мощность, передаваемую магнитным полем.
Полная мощность равна сумме трансформаторной и электрической мощностей.

Под номинальной мощностью автотрансформатора понимают его проходную мощность при номинальных условиях.

Обмотки и магнитопровод автотрансформатора рассчитываются на типовую мощность (передаваемую магнитным полем), которую иногда называют расчетной.
Размеры и масса автотрансформатора определяются трансформаторной мощностью.
Силовые автотрансформаторы обычно снабжены обмоткой низшего напряжения 6-35 кВ, фазы которого соединены в треугольник.
Основное назначение третьей обмотки – в компенсации гармонических составляющих напряжения кратных трем и уменьшения сопротивления нулевой последовательности автотрансформатора.

leg.co.ua

Автотрансформатор — WiKi

Схема автотрансформатора с регулированием напряжения. Автотрансформатор АТДЦТН-125000/330/110

А́втотрансформа́тор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только магнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные электрические напряжения^[1].

Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. В промышленных сетях, где наличие заземления нулевого провода обязательно, этот фактор роли не играет, зато существенным является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге — меньшая стоимость.

Распространены аббревиатуры:

ЛАТР — Лабораторный АвтоТрансформатор Регулируемый.

РНО — Регулятор Напряжения Однофазный.

РНТ — Регулятор Напряжения Трёхфазный.

  Схема автотрансформатора.

Предположим, что источник электрической энергии (сеть переменного тока) подключен к виткам ω1{\displaystyle \omega _{1}}  обмотки автотрансформатора, а потребитель — к некоторой части этой обмотки ω2{\displaystyle \omega _{2}} .

При прохождении переменного тока по обмотке автотрансформатора возникает переменный магнитный поток, индуцирующий в этой обмотке электродвижущую силу, величина которой прямо пропорциональна числу витков обмотки.

Следовательно, если во всей обмотке автотрансформатора, имеющей число витков ω1{\displaystyle \omega _{1}} , индуцируется электродвижущая сила E1{\displaystyle E_{1}} , то в части этой обмотки, имеющей число витков ω2{\displaystyle \omega _{2}} , индуцируется электродвижущая сила E2{\displaystyle E_{2}} . Соотношение величин этих ЭДС выглядит так: E1E2=ω1ω2=k{\displaystyle {{E_{1}} \over {E_{2}}}={{\omega _{1}} \over {\omega _{2}}}=k} , где k{\displaystyle k}  — коэффициент трансформации.

Так как падение напряжения в активном сопротивлении обмотки автотрансформатора относительно мало, то им практически можно пренебречь и считать справедливыми равенства U1=E1{\displaystyle U_{1}=E_{1}}  и U2=E2{\displaystyle U_{2}=E_{2}} ,

где U1{\displaystyle U_{1}}  — напряжение источника электрической энергии, поданное на всю обмотку автотрансформатора, имеющую число витков ω1{\displaystyle \omega _{1}} ;

U2{\displaystyle U_{2}}  — напряжение, подаваемое к потребителю электрической энергии, снимаемое с той части обмотки автотрансформатора, которая обладает количеством витков ω2{\displaystyle \omega _{2}} .

Следовательно, U1U2=ω1ω2=k{\displaystyle {{U_{1}} \over {U_{2}}}={{\omega _{1}} \over {\omega _{2}}}=k} .

Напряжение U1{\displaystyle U_{1}} , приложенное со стороны источника электрической энергии ко всем виткам ω1{\displaystyle \omega _{1}}  обмотки автотрансформатора, во столько раз больше напряжения U2{\displaystyle U_{2}} , снимаемого с части обмотки, обладающей числом витков ω2{\displaystyle \omega _{2}} , во сколько раз число витков ω1{\displaystyle \omega _{1}}  больше числа витков ω2{\displaystyle \omega _{2}} .

Если к автотрансформатору подключен потребитель электрической энергии, то под влиянием напряжения U2{\displaystyle U_{2}}  в нём возникает электрический ток, действующее значение которого обозначим как I2{\displaystyle I_{2}} .

Соответственно в первичной цепи автотрансформатора будет ток, действующее значение которого обозначим как I1{\displaystyle I_{1}} .

Однако ток в верхней части обмотки автотрансформатора, имеющей число витков (ω1−ω2){\displaystyle ({\omega _{1}}-{\omega _{2}})}  будет отличаться от тока в нижней её части, имеющей количество витков ω2{\displaystyle \omega _{2}} . Это объясняется тем, что в верхней части обмотки протекает только ток I1{\displaystyle I_{1}} , а в нижней части — некоторый результирующий ток, представляющий собой разность токов I1{\displaystyle I_{1}}  и I2{\displaystyle I_{2}} . Дело в том, что согласно правилу Ленца индуцированное электрическое поле в обмотке автотрансформатора ω2{\displaystyle \omega _{2}}  направлено навстречу электрическому полю, созданному в ней источником электрической энергии. Поэтому токи I1{\displaystyle I_{1}}  и I2{\displaystyle I_{2}}  в нижней части обмотки автотрансформатора направлены навстречу друг другу, то есть находятся в противофазе.

Сами токи I1{\displaystyle I_{1}}  и I2{\displaystyle I_{2}} , как и в обычном трансформаторе, связаны соотношением I1I2=ω2ω1=1k{\displaystyle {{I_{1}} \over {I_{2}}}={{\omega _{2}} \over {\omega _{1}}}={1 \over k}} 

или I2=ω1ω2×I1{\displaystyle I_{2}={{\omega _{1}} \over {\omega _{2}}}\times I_{1}} .

Так как в понижающем трансформаторе ω1>ω2{\displaystyle {\omega _{1}}>{\omega _{2}}} , то I2>I1{\displaystyle {I_{2}}>{I_{1}}}  и результирующий ток в нижней обмотке автотрансформатора равен I2−I1{\displaystyle {I_{2}}-{I_{1}}} .

Следовательно, в той части обмотки автотрансформатора, с которой подаётся напряжение на потребитель, ток значительно меньше тока в потребителе, то есть I2−I1≪I2{\displaystyle {I_{2}}-{I_{1}}\ll {I_{2}}} .

Это позволяет значительно снизить расход энергии в обмотке автотрансформатора на нагрев её проволоки (См. Закон Джоуля — Ленца) и применить провод меньшего сечения, то есть снизить расход цветного металла, уменьшить вес и габариты автотрансформатора.

Если автотрансформатор повышающий, то напряжение со стороны источника электрической энергии подводится к части витков обмотки трансформатора ω1{\displaystyle \omega _{1}} , а на потребитель подводится напряжение со всех его витков ω2{\displaystyle \omega _{2}} .

Автотрансформатор для питания телевизоров, СССР, 1960-е — 1970-е гг. Напряжение плавно регулировалось перемещением «ползунка» на верхней панели, контроль по показаниям вольтметра.

Автотрансформатор с регулированием напряжения. Защитный кожух снят. Сзади видна снятая верхняя панель со шкалой, деления показывают, какое напряжение будет подаваться потребителю.

Автотрансформаторы применяются в телефонных аппаратах, радиотехнических устройствах, для питания выпрямителей и т. д. Достаточно широкое применение автотрансформаторы получили в СССР: для ручной стабилизации питающего напряжения ламповый телевизор подключался к сети через ЛАТР и перед включением самого телевизора производилась ручная регулировка напряжения до номинального значения. Причиной этому было то, что в электросетях зачастую регулярно наблюдалось повышенное или пониженное напряжение, что могло повредить дорогостоящий телевизионный приёмник и даже привести к возгоранию.

В дальнейшем для этой задачи более эффективно применялись автоматические феррорезонансные стабилизаторы. В последующих моделях телевизоров (УПИМЦТ и тп), вместо пожароопасного силового трансформатора стал применятся импульсный блок питания, что сделало использование внешних стабилизаторов напряжения излишним.

Электрификация железных дорог по системе 2×25 кВ

В СССР (и на постсоветском пространстве) часть железных дорог электрифицирована на переменном токе 25 киловольт, частотой 50 Герц. С тяговой подстанции в контактный провод подаётся высокое напряжение^[2], обратным проводом служит рельс. Однако, на малонаселённых территориях нет возможности часто располагать тяговые подстанции (к тому же трудно найти квалифицированный персонал для их обслуживания, а также создать для людей должные жилищно-бытовые условия).

Для малонаселённых территорий разработана система электрификации 2×25 кВ (два по двадцать пять киловольт).

На опорах контактной сети (сбоку от железнодорожного полотна и контактного провода) натянут специальный питающий провод, в который подаётся напряжение 50 тыс. вольт от тяговой подстанции. На железнодорожных станциях (или на перегонах) установлены малообслуживаемые понижающие автотрансформаторы, вывод обмотки ω1{\displaystyle \omega _{1}}  подключён к питающему проводу, а вывод обмотки ω2{\displaystyle \omega _{2}}  — к контактному проводу. Общим (обратным) проводом является рельс. На контактный провод подаётся половинное напряжение от 50 кВ, то есть 25 кВ^[3].

Данная система позволяет реже строить тяговые подстанции, а также уменьшаются тепловые потери. Электровозы и электропоезда переменного тока в переделке не нуждаются.

ru-wiki.org

Какие бывают автотрансформаторы? — КиберПедия

На сегодняшний день широко используются следующиетипы автотрансформаторов :

· Первый тип — ВУ-25-Б, предназначен для уравнивания вторичных токов в схемах дифференциальных защит трансформаторов.

· Второй тип – АТД, имеет мощность на уровне 25 ват, долго-насыщающийся, так как имеет устаревшую конструкцию и практически не используется.

· Третий тип – ЛАТР-1, предназначен для использования при напряжении на уровне 127В.

· Четвертый тип – ЛАТР-2, предназначен для использования при напряжении на уровне 220В.

· Пятый тип – ДАТР-1, предназначен для использования при небольшой нагрузке.

· Шестой тип – РНО, предназначен для использования при высоких нагрузках.

· Седьмой тип – РНТ, предназначен для использования при значительных нагрузках.

· Восьмой тип – АТЦН, предназначен для использования в телеизмерительных устройствах.

Автотрансформаторы по уровню мощности делятся на следующие виды:

1. невысокой мощности, до 1кВт;

2. средней мощности, более 1кВт;

3. силовые.

Режимы работы автотрансформаторов

Автотрансформаторы работают в таких режимах, как:

· трансформаторный;

· автотрансформаторный;

· комбинированный.

При нормальном режиме работы автотрансформатор, может работать долгое время без перегревов и неисправностей. Для этого нужно соблюдать все требования по условиям эксплуатациии следить за тем, чтобы верхние слои масла не нагревались до температуры свыше 75°С.

Автотрансформаторы применяются в телефонных аппаратах, радиотехнических устройствах, для питания выпрямителей и т. д. Достаточно широкое применение автотрансформаторы получили в СССР: для ручной стабилизации питающего напряжения ламповый телевизор подключался к сети через ЛАТР и перед включением самого телевизора производилась ручная регулировка напряжения до номинального значения. Причиной этому было то, что в электросетях зачастую регулярно наблюдалось пониженное напряжение, которое могло повредить дорогостоящий телевизионный приёмник.

Коэффициент выгодности

Отношение типовой мощности к номинальной называется коэффициентом выгодности автотрансформатораK_ат.

Для понижающего (U₁ >U₂) автотрансформатора

Для повышающего (U₂ >U₁) автотрансформатора

где К =U_BH/U_HH – коэффициент трансформации (отношение большего-напряжения к меньшему).

коэффициент выгодности равен разности первичного и вторичного напряжений, отнесенной к наибольшему из этих напряжений. Это означает, что типовая мощность автотрансформатора, определяющая его размеры и вес активных материалов, может быть выбрана в 1/Kат раз меньше его проходной мощности.

Если взять для примера понижающий автотрансформатор с коэффициентом трансформации 220/127 в, т. е. у которого К = 220/127 = = 1,73, то коэффициент выгодности в этом случае будет

.

Это значит, что типовая мощность такого автотрансформатора будет составлять всего 0,42 от его проходной мощности.

В случае большего коэффициента трансформации, например:

К =20000/400=50 — коэффициент выгодности будет уже

и выгоды от применения автотрансформатора уже почти никакой не будет.

С другой стороны, при больших значениях К применение автотрансформаторов становится недопустимым. Это происходит потому, что первичная и вторичная цепи электрически соединены между собой, вследствие чего уровень изоляции сети низшего напряжения (не имеющей заземленной нулевой точки) и всех присоединенных к ней электрических приборов, машин и аппаратов должен быть таким же, как и для сети высшего напряжения, что совершенно нецелесообразно. Кроме того, по условиям безопасности электрических установок недопустима связь низковольтных сетей, доступных для прикосновения человека, с сетями, находящимися под высоким напряжением.

Для крупных силовых автотрансформаторов согласно ОСТ 11677–65 предусмотрено их трехобмоточное исполнение, при котором обмотки ВН и СН выполнены по автотрансформаторной схеме, а обмотка НН – отдельной, т. е. не связанной с обмотками ВН и СН. Причем в трехфазном автотрансформаторе обмотка НН соединена в схему треугольник для гашения третьей гармоники магнитного потока.

Трехобмоточные автотрансформаторы применяются на распределительных подстанциях с подключением к трем линиям электропередачи с разными напряжениями.

cyberpedia.su