3.Разновидности трансформаторов

3.РАЗНОВИДНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

3.1. Автотрансформаторы

В рассмотренных в гл. 2 двухобмоточных трансформаторах первичные и вторичные обмотки имеют между собой только магнитную связь. В ряде случаев вместо таких трансформаторов экономически целесообразно применять трансформаторы, в которых первичные и вторичные обмотки имеют еще и электрическую связь. Такие трансформаторы называют автотрансформаторами. Переход от двухобмоточного трансформатора к автотрансформатору показан на рис. 3.1. Поставленная в двухобмоточном трансформаторе (рис. 3.1, а) между концами обмоток перемычка х – Х не изменит его работу (рис. 3.1, б). Не вызовет изменения линейных токов и напряжений также перемычка А1–а, если числа витков на участках ах (рис. 3.1, в) и А1–Х одинаковы и точки А1 и а равнопотенциальны.

Можно исключить из работы обмотку ах и осуществить переход от двухобмоточного трансформатора к однообмоточному, или автотранс-

форматору (рис. 3.1, г).

Автотрансформатор может служить как для понижения, так и для повышения напряжения. В первом случае сеть с напряжением U1 (рис. 3.1, г) является первичной и энергия поступает из этой сети в сеть с напряжением U2 (понижающий автотрансформатор), во втором случае первичной является сеть с напряжением U2 и направление передачи энергии меняется на противоположное.

A	A			A			A
a			a	U1			a	a
U1 w1	U1				A1		U1
w2 U2	w1	w		U2	w1	w	U2 w1	U2	ZH
		2				2		w2

X	x	X	x	X	x	X	x
а		б		в			г
Рис. 3.1. Схема двухобмоточного (а – в) трансформатора и автотрансформатора (г)

148

3. Разновидности трансформаторов

Рассмотрим энергетические соотношения в автотрансформаторе, пренебрегая потерями, падением напряжения и намагничивающим током.

По законам трансформации токов и напряжений автотрансформаторы не отличаются от трансформаторов двухобмоточного исполнения:

• напряжение трансформатора

U1	= kт , U2 =	1	U1 ;
U2		kт

• напряжение автотрансформатора

U2 = U1 w2 = 1 U1 ; w1 kт

полные мощности как в трансформаторе, так и в автотрансформаторе (полагая КПД равным единице)

U1I1 =U2 I2 ,

откуда токи

I1 = U2

I2 U1

или

I		= I	U1	= k	I , I =	1	I		.
	2		1 U2		т 1 1	kт		2

Вторичный ток автотрансформатора, как всякий индуцированный ток, направлен против первичного, и на участке ах (рис. 3.2) действует геометрическая сумма токов

I	= I	+ I .	(3.1)
ax	1	2

В понижающем автотрансформаторе I2 > I1. С некоторым приближением можно записать

Iax = I2 − I1 или I2 = I1 + Iax

(3.2)

и сделать вывод, что вторичный ток автотрансформатора формируется из двух токов:

1)I1, поступающего из одной сети в другую непосредственно (электрическим путем);

2)Iax, передающегося электромагнитным путем.

149

3. Разновидности трансформаторов

I1

А

а

I2

U1

а

I

2

I1

w2

А

U

> U

ww

w2

2

1

U1

Z

нг

1

1

U 2

< U1

Zнг

w1

Iax = I1 + I2

Iax = I1

+ I2

Х, х

Х, х

а

б

Рис. 3.2. Схемы понижающего (а) и повышающего (б) автотрансформаторов

Мощность вторичной цепи автотрансформатора по аналогии с (3.2)

Р2 = Рэ + Рэм ,

(3.3)

где мощность, непосредственно поступающая в сеть вторичной обмотки (электрическая),

	Р =U		I =U				1	I		=	1	P				(3.4)
						2 kт					kт
	э		2	1					2				2
и мощность, передающаяся электромагнитным путем,
Р	= P	− P		= P	−		1	P		= P		(1−		1	) .	(3.5)
эм	2		э	2			kт		2	2				kт

Уравнение (3.5) показывает, что электромагнитная (внутренняя, расчетная) мощность, определяющая сечение магнитопровода, а значит, габа-

риты и массу всего трансформатора, в автотрансформаторе в 1−11 kт раз

меньше такой вторичной мощности двухобмоточного трансформатора. Вследствие этого автотрансформатор меньше, легче и дешевле двух-

обмоточного трансформатора. Разница в массе и стоимости тем больше, чем ближе коэффициент трансформации к единице. При kт > 3 автотрансформаторы свое преимущество теряют.

Активное и индуктивное сопротивления обмоток автотрансформатора, падение напряжения на них (следовательно, и напряжения короткого

замыкания) и потери мощности в 1−11 kт раз меньше, чем у двухобмоточ-

150

3. Разновидности трансформаторов

ного трансформатора такой же мощности. Токи короткого замыкания соответственно больше. При коротком замыкании наблюдается значительное перенасыщение магнитопровода автотрансформатора и увеличение его тока холостого хода, так как с замыканием накоротко обмотки а-х или А-Х (рис. 3.2) напряжение на обмотке А-а возрастает со значения U1 – U2 до U1.

Существенным недостатком автотрансформатора является возможность появления высокого напряжения на стороне низкого из-за электрической связи между обмотками (отсутствие гальванической развязки между обмотками, характерной для двухобмоточного трансформатора), что опасно для оборудования и обслуживающего персонала. Из-за электрической связи обмоток изоляция сети низшего напряжения автотрансформатора должна быть такой же, как на обмотке высшего напряжения.

Автотрансформаторы изготавливаются однофазными и трехфазными. Схемы трёхфазных автотрансформаторов показаны на рис. 3.3.

А	В	С	А	В	С
I1			I1
I2			I2
а	b	c	а	b	c
	а			б

Рис. 3.3. Трехфазный автотрансформатор, с соединением обмоток по схеме У (а) и треугольник Д (б)

w2 w1	I2 > I1	I1	I2 < I1
U1	U 2 <U1 U1		U 2 > U1
	Iax = I1 − I2	Iax = I1 − I2
а	б	в

Рис. 3.4. Размещение обмоток (а) и общепринятые схемы понижающего (б) и повышающего (в) автотрансформаторов

151