Разновидности трансформаторов

Многообмоточные трансформаторы

Кроме двухобмоточных силовых трансформаторов промышленность выпускает большое количество трансформаторов, имеющих три обмотки.

Такие трансформаторы используются на электрических станциях и подстанциях для питания распределительных сетей с различными номинальными напряжениями с целью экономии капитальных затрат за счет меньшего количества трансформаторов. Кроме того, выпускается много маломощных трансформаторов, имеющих несколько обмоток, рассчитанных на разные напряжения. В таких трансформаторах все обмотки располагаются на одном магнитопроводе, за счет чего и достигается экономия затрат. Понятно, что в таких трансформаторах электромагнитные процессы могут протекать несколько иначе, чем в двух обмоточных трансформаторах, из-за магнитной связи всех обмоток. На каждом стержне трансформатора располагаются три обмотки, причем ближе к стержню располагается обмотка низшего напряжения. Трехобмоточные трансформаторы, как и двухобмоточные, в большинстве случаев выполняются трехфазными.

Автотрансформаторы

Автотрансформаторомназывают такой трансформатор, в котором первичные и вторичные обмотки помимо электромагнитной связи имеют также электрическую связь.

В конструктивном отношении силовые автотрансформаторы практически не отличаются от трансформаторов. Обмотки автотрансформатора располагаются на стержнях магнитопровода. Большинство деталей автотрансформатора структурно похожи на аналогичные детали трансформатора. Активная часть силового автотрансформатора обычно также помещается в наполненном маслом баке.

На рис. 2.12 представлены две из возможных схем соединения обмоток автотрансформатора. Однако при электрическом соединении двух обмоток в автотрансформаторе понятие первичной и вторичной обмоток становится условным. Поэтому обмотку, на зажимах которой действует входное (U_вх) или выходное (U_вых) напряжение, часто называют общей, или параллельной, обмоткой. Обмотку, включенную последовательно с источником или приемником, называют последовательной. Следуя уже принятой для трансформаторов терминологии, будем впредь параллельную обмотку называть первичной (ω₁), а последовательную – вторичной (ω₂).

ЭДС и токи в обмотках автотрансформатора преобразуются так же, как и в обычных трансформаторах, и связаны соотношениями

(2.34)

Коэффициент k_ат иногда называют коэффициентом автотрансформации.

Рис. 2.12.Схемы однофазных автотрансформаторов:

а) повышающего, б) понижающего

Наличие последовательной (вторичной) обмотки с индуцированной в ней ЭДС позволяет получить различные соотношения между U_вх и U_вых. Так, для схемы, приведенной на рис. 2.12, а,

(2.35)

Автотрансформатор, для которого характерно такое соотношение, называется повышающим.

Для схемы, приведенной на рис. 2.12, б,

(2.36)

Такое соотношение характерно для понижающего автотрансформатора.

Таким образом, характер преобразования напряжения (понижение или повышение) в автотрансформаторе зависит только от схемы электрического соединения обмоток. Разумеется, что на величину самого отношения влияет и соотношение чисел витков обмоток. Поэтому в автотрансформаторе различают два коэффициента трансформации, определяемые отношениями:

1) чисел витков обмоток

(2.37)

2) входного и выходного напряжений

(2.38)

Нетрудно установить и связь между k_ат и k_трдля рассмотренных схем автотрансформатора. Так, для автотрансформатора, изображенного на рис. 2.12, а,

(2.39)

а для автотрансформатора, изображенного на рис. 2.12, б,

(2.40)

Из представленных схем автотрансформатора видно, что способ передачи электрической энергии в нем имеет особенность. Так, если в трансформаторе энергия передается электромагнитным путем, через магнитное поле в сердечнике, то в автотрансформаторе таким путем передается лишь ее часть. Другая часть энергии поступает к приемнику непосредственно через электрическое соединение первичной и вторичной обмоток автотрансформатора. В связи с этим различают:

1) внешнюю, или проходную, мощность автотрансформатора на первичной (S₁) и вторичной (S₂) сторонах автотрансформатора, передаваемую из одной сети (U_вх) в другую (U_вых) и равную

S = S₁ = m U_вх I_вх ≈ S₂ = m U_вых I_вых; (2.41, а)

2) внутреннюю, или расчетную, электромагнитную мощность автотрансформатора, представляющую собой полную электромагнитную мощность его обмоток и равную

S_р = E₁I₁ = E₂ I₂. (2.41, б)

Соотношение между S и S_р зависит от коэффициентов трансформации. Например, для схемы, представленной на рис. 2.12, а,

(2.42, а)

а для схемы, представленной на рис. 2.12, б,

(2.42, б)

Как видно из выражений (2.42), расчетная электромагнитная мощность автотрансформатора при небольших k_трможет быть заметно меньше, чем в трансформаторе. Автотрансформатор в этом случае будет иметь меньшие габаритные размеры. Вследствие этого и потери в автотрансформаторе будут меньше, чем в трансформаторе, рассчитанном на такую же мощность. Таким образом, преобразование электрической энергии с напряжения U_вх на напряжение U_вых, мало отличающееся от U_вх, наиболее экономично решается с помощью автотрансформатора.

Рабочие процессы в автотрансформаторах анализируются на основе общей теории трансформаторов. Получаемая упрощенная схема замещения автотрансформатора имеет вид, представленный на рис. 2.13. Сопротивление Z_э в этой схеме составляет:

а) для понижающего автотрансформатора

; (2.43, а)

б) для повышающего автотрансформатора

. (2.43, б)

Видно, что упрощенная схема замещения автотрансформатора практически аналогична схеме замещения обычного трансформатора. Отличие заключается в том, что при приведении сопротивления Z_kиспользуется коэффициент k_ат, а при приведении величин вторичной обмотки к первичной – коэффициент k_тр. Заметим, что сопротивление Z_kавтотрансформатора меньше, чем у трансформатора, что приводит к увеличению тока короткого замыкания, однако в этом случае уменьшается падение напряжения на обмотках автотрансформатора и увеличивается КПД передачи энергии.

Рис. 2.13.Упрощенная схема замещения автотрансформатора

Наряду с однородными двухобмоточными автотрансформаторами часто применяются трехфазные двухобмоточные и трехфазные трехобмоточные автотрансформаторы.