Технические данные и тенденции развития

При передаче электроэнергии в электрических сетях и системах иногда требуется соединить между собой цепи, отно­шение номинальных напряжений которых не превышает 2, на­пример цепи высокого напряжения 110 и 220 кВ. В таких случаях вместо трансформатора иногда применяют автотрансформатор, поскольку его КПД выше, а размеры и масса мень­ше, чем у трансформатора такой же номинальной мощности.

Автотрансформатор — это трансформатор, у кото­рого обмотка низшего напряжения электрически связана с обмоткой высшего напряжения. Автотрансформатор отли­чается от трансформатора тем, что он имеет лишь одну об­мотку ВН, тогда как обмотка НН является частью обмотки ВН. Обмотка ВН автотрансформатора может работать как первич­ная или как вторичная обмотка. Соответственно, говорят о по­нижающем или повышающем авторансформаторе (рис. 2.27).

Рис. 2.27. Схемы однофазных трансформаторов: а — понижающего; 6 — повышающего

По числу фаз авторансформаторы могут быть однофазными и трехфазными.

Если число витков на стороне ВН обозначить w₁ а число витков на стороне НН — w₂, то их отношение, как и в обычном трансформаторе, будет называться коэффициентом трансфор­мации:

k = w/w₂ ≈ U₁/U₂ ≈ I₂/I₁ (2.54)

В автотрансформаторе при постоянстве первичного на­пряжения остается постоянным и поток Ф_m, в его магнитопроводе, поскольку:

Поток Ф_m индуктирует в каждом витке обмотки ЭДС, практически не зависящую от силы тока, проходящего по обмотке. Следовательно, постоянным поддерживается и распределение напряжения между отдельными частями обмотки. Можно рас­сматривать обмотку автотрансформатора, как образованную совмещением независимых первичной и вторичной обмоток. При этом по общей части обмотки проходят одновременно два тока I₁ и I₂ следовательно, результирующая сила тока в общей части обмотки равна геометрической сумме первичного и вторичного токов. Пренебрегая током холостого хода и учитывая, что для понижающего трансформатора I₂> I₁ мож­но записать:

Ī₁₂ = Ī₂ - Ī₁,

а для повышающего (Ī₁ > Ī₂):

Ī₁₂=Ī₁-Ī_2.

Если коэффициент трансформации k = w₁/w₂ лишь немно­го отличается от единицы, то токи I₁, и I₂ мало отличаются друг от друга, а их разность является по сравнению с каждым из них малой величиной. Это позволяет выполнить часть об­мотки, в которой совмещаются две обмотки обыкновенного трансформатора, с нужным числом витков, но из значительно более тонкого провода, поэтому обмотка автотрансформатора оказывается более дешевой. При этом она требует для своего размещения меньше места, поэтому можно уменьшить и размеры сердечника.

Расчетная мощность автотрансформатора меньше передаваемой им мощности. Полная расчетная мощность общей для ВН и НН части обмотки трансформатора:

S₂ = E₂I₁₂ = Е₂(I₂ –I₁) = Е₂I₂(1 - w₂/w₁). (2.55)

Полная расчетная мощность остальной части обмотки:

S₁ = (E₁- Е₂) I₁= E₁I₁(1 - w₂/w₁).

Можно без большой погрешности полагать, что E₁I₁≈ E₂I₂поэтому:

S₁= S₂ - S_AT

Поскольку расчетная мощность каждой из обмоток обыч­ного трансформатора S_АT= Е₁I₁ ≈ Е₂I₂ то при одной и той же передаваемой мощности соотношение между расчетными мощ­ностями автотрансформатора и трансформатора будет равно:

S_AT /S_T = 1 - w₂/w₁. (2.56)

Из выражения (2.56) следует, что чем ближе величины w₂ и w₁, тем выгоднее применение автотрансформатора вместо трансформатора.

При использовании трехфазных автотрансформаторов его обмотки могут иметь те же соединения, что и трехфазные трансформаторы, однако наиболее распространенной схемой соединения обмоток автотрансформатора является соедине­ние в звезду по нулевой группе соединения.

Автотрансформаторы находят широкое применение для соединения высоковольтных электрических сетей, для пуска двигателей переменного тока большой мощности, в схемах автоматики, радиотехнических устройствах и т. д. В автотранс­форматоре за счет уменьшения массы металла обмоток и стали магнитопровода по сравнению с трансформатором такой же номинальной мощности потери и изменение напря­жения меньше, а КПД выше.

Автотрансформатор по сравнению с трансформатором обладает рядом недостатков, которые ограничивают его при­менение.

Так, поскольку напряжение короткого замыкания автотрансформатора в 1/(1 – 1/k) раз меньше напряжения ко­роткого замыкания трансформатора, то ток короткого замы­кания автотрансформатора превышает во столько же раз ток короткого замыкания трансформатора. Кроме того, 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. 2.26) 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, что опасно для оборудования и обслуживающего персонала. Далее, из-за электрической связи обмоток изоля­ция сети низкого напряжения автотрансформатора должна быть такой же, как и высокого. Поэтому автотрансформаторы применяются при k 2, когда удорожание изоляции сети низ­кого напряжения окупается уменьшением потерь и массы автотрансформатора.