1.21. Автотрансформаторы

Автотрансформатор – это трансформатор, в котором кроме магнитной имеется электрическая связь между первичной и вторичной обмотками. Префикс «авто» (греч. «сам») означает, что в автотрансформаторе часть обмотки действует одновременно как первичная и как вторичная обмотка трансформатора.

На рисунке 1.19 показана автотрансформаторная схема включения трансформатора, предназначенная для передачи электрической энергии из входной сети с напряжением U в выходную сеть с напряжением .

Рис. 1.19. Принципиальные схемы однофазного и трехфазного повышающего автотрансформатора, зависимость значений мощностей иот коэффициента трансформации.

В схеме используется двухобмоточный трансформатор с обмотками 1 и 2, расположенными на одном стержне. Для наглядности обмотки 1 и 2 показаны на различных участках стержня по высоте. Первичная обмотка трансформатора 1 включается на напряжение сети низшего напряжения U. Вторичная обмотка включается между зажимом а(Х) входной сети и зажимом х выходной сети таким образом, чтобы ее напряжение добавлялось к напряжениюU и увеличивало его до напряжения .

Вторичная обмотка автотрансформатора электрически контактирует с входной и выходной сетями в отличие от обычного трансформатора. Поэтому изоляция вторичной обмотки должна быть рассчитана на наибольшее из напряжений и(в схеме для повышения напряжения порисунку 1.19 – на напряжение ), а не на напряжение, как в обычном трансформаторе.

Коэффициент трансформации автотрансформатора:

, где.

В описание электромагнитных процессов в схеме автотрансформатора входят уравнения трансформатора (слева) и уравнения, которые описывают схему автотрансформатора (справа).

; ; ; .

; ; ; .

Полную мощность автотрансформатора без учета потерь можно представить в виде двух составляющих:

,и, где мощностьпередается электромагнитным путем из первичной сети во вторичную;передается электрическим путем.

Баланс мощности при этом не нарушается:

.

В автотрансформаторе мощность , передаваемая электромагнитным путем составляет лишь часть полной мощностиS, поэтому автотрансформатор обычно значительно меньше по своим размерам и дешевле, чем трансформатор, имеет более высокий КПД.

Отношение мощности передаваемой электромагнитным путем к полной мощностиS называют коэффициентом выгодности:

, гдедля повышающего автотрансформатора.

Применение автотрансформатора тем выгоднее, чем менее коэффициент трансформации отличается от единицы. Поэтому автотрансформаторы обычно применяются при, т.е. в случае, когда удорожание изоляции вторичной обмотки окупается общим уменьшением массы автотрансформатора и уменьшением потерь.

Под номинальной мощностью автотрансформатора понимается полная мощность.

Один из недостатков автотрансформатора – высокий ток короткого замыкания. Установившийся ток при коротком замыкании в обмотке 2:

, где– сопротивление короткого замыкания трансформатора при короткозамкнутой обмотке1 и питании со стороны обмотки 2; – ток короткого замыкания в обмотке2 этого трансформатора при напряжении на обмотке2. Таким образом, ток короткого замыкания в обмотке 2 трансформатора, включенного по автотрансформаторной схеме, в раз превышает ток короткого замыкания того же трансформатора, включенного по обычной схеме.

Из-за отсутствия электрической изоляции (сетевой или гальванической развязки) между первичной и вторичной обмотками трансформатора при использовании автотрансформатора в схемах понижения напряжения между проводами сети НН и землей возникает напряжение приблизительно равное напряжению между проводом и землей на стороне ВН.

Для обеспечения электробезопасности обслуживающего персонала не допускается применять автотрансформаторы для понижения напряжения сети, подводимого непосредственно к потребителям.

В энергетических системах наряду с однофазными автотрансформаторами часто применяются трехфазные двух- и трехобмоточные автотрансформаторы. Широкое распространение имеют автотрансформаторы с переменным коэффициентом трансформации – регулируемые автотрансформаторы. Принципиальная схема регулируемого лабораторного авторансформатора (ЛАТР) с сетевой развязкой показана на рисунке 1.20. Сетевая развязка обеспечивается разделительным трансформатором Т, вторичная обмотка которого не заземлена.

Рис. 1.20 Схема регулируемого лабораторного автотрансформатора АТ с гальванической развязкой через разделительный трансформатор Т.

Часть обмоток трехфазного трансфоматора может быть соединена по автотрансформатортной схеме. Так, на рисунке 1.21, показана схема трехфазного трансформатора Y_0.авто/Δ-0-11 и соответствующая векторная диаграмма фазных напряжений.

Рис. 1.21. Схема соединения обмоток и соовтетствующая векторная диаграмма трехфазного трансформатора со схемой соединения обмоток Y_0.авто/Δ-0-11.

Группа 0 образуется в автотрансформаторной обмотке. Группа 11 – между автотрансформаторными обмотками и обмоткой, соединенной по схеме «треугольник».