Схема автотрансформатора: устройство, принцип действия, типы и особенности конструкции

Как устроен автотрансформатор. Какой принцип действия лежит в основе его работы. Какие бывают типы автотрансформаторов. В чем особенности их конструкции и сборки. Каковы преимущества и недостатки автотрансформаторов по сравнению с обычными трансформаторами.

Что такое автотрансформатор и в чем его отличие от обычного трансформатора

Автотрансформатор — это разновидность трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки имеют не только магнитную, но и электрическую связь. Основное отличие автотрансформатора от обычного трансформатора заключается в следующем:

• У автотрансформатора есть только одна обмотка с отводами, которая одновременно является и первичной, и вторичной.
• Обмотки автотрансформатора соединены гальванически, а не только магнитно, как в обычном трансформаторе.
• Часть обмотки является общей для первичной и вторичной цепи.
• Мощность в автотрансформаторе передается как электромагнитным, так и электрическим путем.

Такая конструкция позволяет уменьшить габариты и массу автотрансформатора по сравнению с обычным трансформатором той же мощности. Это является главным преимуществом автотрансформаторов.

Устройство и принцип действия автотрансформатора

Рассмотрим устройство и принцип действия автотрансформатора на примере однофазного понижающего автотрансформатора:

• Автотрансформатор имеет одну обмотку, намотанную на магнитопровод.
• Обмотка имеет три вывода — начало (А), конец (Х) и средний отвод (а).
• К выводам А и Х подключается первичное напряжение U1.
• С выводов а и Х снимается вторичное напряжение U2.
• Часть обмотки аХ является общей для первичной и вторичной цепи.
• Часть обмотки Аа называется последовательной.

Принцип действия автотрансформатора основан на явлении электромагнитной индукции, как и у обычного трансформатора. Однако мощность во вторичную цепь передается двумя путями:

1. Электромагнитным — за счет магнитного потока в магнитопроводе (трансформаторная составляющая).
2. Электрическим — за счет гальванической связи обмоток (электрическая составляющая).

Это позволяет передавать бо́льшую мощность через меньшее сечение провода обмотки по сравнению с обычным трансформатором.

Основные типы автотрансформаторов

Автотрансформаторы классифицируют по нескольким признакам:

По числу фаз:

• Однофазные
• Трехфазные

По назначению:

• Силовые (для передачи электроэнергии)
• Измерительные (для измерительных цепей)
• Специальные (для конкретных применений)

По способу регулирования напряжения:

• С переключением без возбуждения (ПБВ)
• С регулированием под нагрузкой (РПН)

По числу обмоток:

• Двухобмоточные
• Трехобмоточные

Наиболее распространены трехфазные силовые автотрансформаторы с РПН, применяемые в электрических сетях высокого напряжения.

Особенности конструкции силовых автотрансформаторов

Конструкция силовых автотрансформаторов имеет ряд особенностей:

• Магнитная система в виде трехстержневого магнитопровода из электротехнической стали.
• Обмотки из медного или алюминиевого провода, намотанные на стержни магнитопровода.
• Система охлаждения (масляная, воздушная или комбинированная).
• Устройство регулирования напряжения под нагрузкой (РПН).
• Вводы высокого, среднего и низкого напряжения.
• Расширитель для компенсации температурных изменений объема масла.
• Система защиты и мониторинга (газовое реле, датчики температуры и др.).

Особое внимание уделяется изоляции обмоток, так как они находятся под разными потенциалами. Применяется маслобарьерная и твердая изоляция.

Преимущества и недостатки автотрансформаторов

Автотрансформаторы имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными трансформаторами:

• Меньшие габариты и масса при той же мощности
• Меньший расход активных материалов (медь, сталь)
• Более высокий КПД
• Меньшие потери холостого хода и короткого замыкания
• Лучшее регулирование напряжения

Однако им присущи и некоторые недостатки:

• Электрическая связь обмоток разного напряжения
• Повышенные токи короткого замыкания
• Необходимость глухого заземления нейтрали
• Сложность регулирования напряжения при большой разнице напряжений обмоток

Поэтому автотрансформаторы применяют в основном при небольшой разнице напряжений обмоток (коэффициент трансформации не более 3-4).

Области применения автотрансформаторов

Основные области применения автотрансформаторов:

• Электрические сети высокого напряжения (220 кВ и выше) для связи сетей смежных напряжений
• Пусковые устройства мощных электродвигателей
• Регулирование напряжения в электрических сетях
• Лабораторные автотрансформаторы (ЛАТРы) для плавного регулирования напряжения
• Бытовые стабилизаторы напряжения

Наиболее широко автотрансформаторы применяются в электроэнергетике для связи электрических сетей разных классов напряжения, где их преимущества проявляются в полной мере.

Особенности эксплуатации автотрансформаторов

При эксплуатации автотрансформаторов необходимо учитывать следующие особенности:

• Обязательное глухое заземление нейтрали для ограничения перенапряжений
• Повышенные требования к изоляции обмоток из-за их электрической связи
• Необходимость защиты от токов короткого замыкания
• Контроль состояния масла и изоляции обмоток
• Периодическая проверка и обслуживание устройства РПН
• Мониторинг температурного режима обмоток и масла

При соблюдении правил эксплуатации автотрансформаторы обеспечивают надежную и эффективную работу в течение длительного срока службы.

Заключение

Автотрансформаторы являются важным элементом современных электроэнергетических систем. Благодаря своим преимуществам они широко применяются для связи электрических сетей высокого напряжения. Понимание принципов работы и особенностей конструкции автотрансформаторов необходимо для их правильного выбора, проектирования и эксплуатации.

Особенности конструкции и режимы работы автотрансформаторов



 



В установках 110 кВ и выше широкое применение находят автотрансформаторы большой мощности. Объясняется это рядом преимуществ, которые они имеют по сравнению с трансформаторами.

Рис.1. Схема однофазного автотрансформатора

Однофазный автотрансформатор имеет электрически связанные обмотки ОВ и ОС (рис.1). Часть обмотки, заключенная между выводами В и С, называется последовательной, а между С и О — общей.

При работе автотрансформатора в режиме понижения напряжения в последовательной обмотке проходит ток I_в, который, создавая магнитный поток, наводит в общей обмотке ток I_o. Ток нагрузки вторичной обмотки I_c складывается из тока I_в, проходящего благодаря гальванической (электрической) связи обмоток, и тока I_o, созданного магнитной связью этих обмоток: I_c=I_в+I_o, откуда I_o=I_c-I_в.

Полная мощность, передаваемая автотрансформатором из первичной сети во вторичную, называется проходной.

Если пренебречь потерями в сопротивлениях обмоток автотрансформатора. можно записать следующее выражение:

Преобразуя правую часть выражения, получаем:

(3)

где (U_в — U_c)I_в=S_т — трансформаторная мощность, передаваемая магнитным путем из первичной обмотки во вторичную; U

cI_в=S_э — электрическая мощность, передаваемая из первичной обмотки во вторичную за счет их гальванической связи, без трансформации.

Эта мощность не нагружает общей обмотки, потому что ток I_в из последовательной обмотки проходит на вывод С, минуя обмотку ОС.

В номинальном режиме проходная мощность является номинальной мощностью автотрансформатора S=S_ном, а трансформаторная мощность — типовой мощностью S_т=S_тип.

Размеры магнитопровода, а следовательно, его масса определяются трансформаторной (типовой) мощностью, которая составляет лишь часть номинальной мощности:

(4)

где n_BC = U_BU_C — коэффициент трансформации; k_выг коэффициент выгодности или коэффициент типовой мощности.

Из (4) следует, что чем ближе U

B к U_C, тем меньше k_выг и меньшую долю номинальной составляет типовая мощность. Это означает, что размеры автотрансформатора, его масса, расход активных материалов уменьшаются по сравнению с трансформатором одинаковой номинальной мощности.

Например, при U_B=330кВ, U_C=110кВ, k_выг=0,667, а при U_B=550кВ, U_C=330кВ, k_выг=0,34.

Наиболее целесообразно применение автотрансформаторов при сочетании напряжений 220/110; 330/150; 500/220; 750/330.

Из схемы (рис.1) видно, что мощность последовательной обмотки

S_п=(U_B-U_C)I_B=S_тип;

мощность общей обмотки

Таким образом, еще раз можно подчеркнуть, что обмотки и магнитопровод автотрансформатора рассчитываются на типовую мощность, которую иногда называют расчетной мощностью. Какая бы мощность ни подводилась к зажимам В или С, последовательную и общую обмотки загружать больше чем на S

тип нельзя. Этот вывод особенно важен при рассмотрении комбинированных режимов работы автотрансформатора. Такие режимы возникают, если имеется третья обмотка, связанная с автотрансформаторными обмотками только магнитным путем.

Третья обмотка автотрансформатора (обмотка НН) используется для питания нагрузки, для присоединения источников активной или реактивной мощности (генераторов и синхронных компенсаторов), а в некоторых случаях служит лишь для компенсации токов третьих гармоник. Мощность обмотки НН S_Н не может быть больше S_тип, так как иначе размеры автотрансформатора будут определяться мощностью этой обмотки. Номинальная мощность обмотки НН указывается в паспортных данных автотрансформатора.

Рассмотрим режимы работы трехобмоточных автотрансформаторов с обмотками ВН, СН и НН (рис.2).

Рис.2. Распределение токов в обмотках автотрансформатора в различных режимах
а,б — автотрансформаторные режимы,
в,г — трансформаторные режимы,
д,е — комбинированные режимы

В автотрансформаторных режимах (рис. 2,а,б) возможна передача номинальной мощности S_ном из обмотки ВН в обмотку СН или наоборот. В обоих режимах в общей обмотке проходит разность токов I_С-I_В=k_типI_C, а поэтому последовательная и общая обмотки загружены типовой мощностью, что допустимо.

В трансформаторных режимах (рис.2,в,г) возможна передача мощности из обмотки НН в обмотку СН или ВН, причем обмотку НН можно загрузить не более чем на S_тип. Условие допустимости режима НН→ВН или НН→СН:

(5)

Если происходит трансформация S_тип из НН в СН, то общая обмотка загружена такой же мощностью и дополнительная передача мощности из ВН в СН невозможна, хотя последовательная обмотка не загружена.

В трансформаторном режиме передачи мощности S_тип из обмотки НН в ВН (рис.2,г) общая и последовательная обмотки загружены не полностью:

поэтому возможно дополнительно передать из обмотки СН в ВН некоторую мощность (см. пояснения к рис. 2,е).

В комбинированном режиме передачи мощности автотрансформаторным путем ВН→СН и трансформаторным путем НН→СН (рис.2,д) ток в последовательной обмотке.

где Р_B Q_B — активная и реактивная мощности, передаваемые из ВН в СН.

Нагрузка последовательной обмотки

Отсюда видно, что даже при передаче номинальной мощности S_B=S_ном последовательная обмотка не будет перегружена.

В общей обмотке токи автотрансформаторного и трансформаторного режимов направлены одинаково:

I_o=I_o(a)+I_(т).

Нагрузка общей обмотки

S_o=U_C(I_o(a)+I_(т)).

Подставляя значения токов и производя преобразования, получаем:

(6)

где Р_H, Q_H — активная и реактивная мощности, передаваемые из обмотки НН в обмотку СН.

Таким образом, комбинированный режим НН→СН, ВН→СН ограничивается загрузкой общей обмотки и может быть допущен при условии

(7)

Если значения cosφ на стороне ВН и НН незначительно отличаются друг от друга, то кажущиеся мощности можно складывать алгебраически и (6) упрощается

(8)

В комбинированном режиме передачи мощности из обмоток НН и СН в обмотку ВН распределение токов показано на рис. 2,е. В общей обмотке ток автотрансформаторного режима направлен встречно току трансформаторного режима, поэтому загрузка обмотки значительно меньше допустимой и в пределе может быть равна нулю. В последовательной обмотке токи складываются, что может вызвать ее перегрузку. Этот режим ограничивается загрузкой последовательной обмотки

(9)

где Р_с, Q_с — активная и реактивная мощности на стороне СН; Р_н, Q_н — то же на стороне НН.

Комбинированный режим НН→ВН, СН→ВН допустим, если

(10)

Если значения cosφ на стороне СН и НН незначительно отличаются друг от друга, то (9) упрощается

(11)

Возможны и другие комбинированные режимы: передача мощности из обмотки СН в обмотки НН и ВН или работа в понижающем режиме при передаче мощности из обмотки ВН в обмотки СН и НН. В этих случаях направления токов в обмотках изменяются на обратные по сравнению с рис.2,д,е, но приведенные рассуждения и расчетные формулы (6)-(11) останутся неизменными.

Рис.3. Схема включения трансформаторов тока
для контроля нагрузки автотрансформатора

Во всех случаях надо контролировать загрузку обмоток автотрансформатора. Ток в последовательной обмотке может контролироваться трансформатором тока ТА1, так как I_п=I_B (рис.3). Трансформатор тока ТА2 контролирует ток на выводе обмотки СН, а для контроля тока в общей обмотке необходим трансформатор тока ТАО, встроенный непосредственно в эту обмотку. Допустимая нагрузка общей обмотки указывается в паспортных данных автотрансформатора.

Рис.4. Схема трехфазного трехобмоточного автотрансформатора

Выводы, сделанные для однофазного трансформатора [формулы (4)-(11)], справедливы и для трехфазного трансформатора, схема которого показана на рис.4. Обмотки ВН и СН соединяются в звезду с выведенной нулевой точкой, обмотки НН — в треугольник.

К особенностям конструкции автотрансформаторов следует отнести необходимость глухого заземления нейтрали, общей для обмоток ВН и СН. Объясняется это следующим. Если в системе с эффективно-заземленной нейтралью включить понижающий автотрансформатор с незаземленной нейтралью, то при замыкании на землю одной фазы в сети СН на последовательную обмотку этой фазы будет воздействовать полное напряжение U_B/√З вместо (U_B-U_C)√3, напряжение выводов обмотки СН возрастет примерно до U_B, резко увеличится напряжение, приложенное к обмоткам неповрежденных фаз. Аналогичная картина наблюдается в случае присоединения повышающего автотрансформатора с незаземленной нейтралью к системе с эффективно-заземленной нейтралью.

Такие перенапряжения недопустимы, поэтому нейтрали всех автотрансформаторов глухо заземляются. В этом случае заземления на линии со стороны ВН или СН не вызывают опасных перенапряжений, однако в системах ВН и СН возрастают токи однофазного КЗ.

Подводя итог всему сказанному, можно отметить следующие преимущества автотрансформаторов по сравнению с трансформаторами той же мощности:

• меньший расход меди, стали, изоляционных материалов;
• меньшая масса, а следовательно, меньшие габариты, что позволяет создавать автотрансформаторы больших номинальных мощностей, чем трансформаторы;
• меньшие потери и больший КПД; более легкие условия охлаждения.

Недостатки автотрансформаторов:

• необходимость глухого заземления нейтрали, что приводит к увеличению токов однофазного КЗ;
• сложность регулирования напряжения;
• опасность перехода атмосферных перенапряжений вследствие электрической связи обмоток ВН и СН.



 

Особенности конструкции и сборки автотрансформаторов | Сборка трансформаторов | Архивы

• трансформатор
• монтаж

Содержание материала

• Сборка трансформаторов
• Основные параметры
• Поле рассеяния и его влияние на параметры трансформатора
• Электродинамические силы, короткое замыкание
• Напряжение кз
• Регулирование напряжения
• Способы охлаждения
• Материалы, применяемые в трансформаторах
• Требования к качеству электроизоляционных материалов
• Характеристика электроизоляционных материалов
• Конструкционные и вспомогательные материалы
• Основные части
• Классификация магнитных систем
• Устройства крепления стержней и ярм магнитной системы
• Разгрузка от механических воздействий и заземление магнитной системы
• Изоляция силовых трансформаторов
• Обмотки
• Способы прессовки обмоток
• Отводы
• Переключающие устройства
• РПН
• Вводы
• Вспомогательные устройства
• Охлаждение
• Установка активной части в баке
• Защитные и контрольно-измерительные устройства
• Сборка магнитных систем
• Влияние технологической обработки на магнитные свойства стали
• Сборка плоских шихтованных магнитных систем
• Насадка обмоток и укладка изоляции
• Распрессовка и расшихтовка верхнего ярма магнитной системы
• Насадка обмоток трансформатора мощностью до 160 кВА
• Насадка обмоток трансформаторов мощностью до 250—6300 кВА
• Расклиновка обмоток трансформаторов мощностью до 6300 кВ-А с ВН до 35 кВ
• Особенности насадки обмоток и укладки изоляции мощностью до 25 000 кВA с ВН 110кВ
• Установка прессующих колец, шихтовка верхнего ярма
• Прессовка верхнего ярма
• Изготовление, монтаж и соединение отводов
• Пайка твердыми припоями
• Электродуговая сварка
• Холодная сварка, соединение методом прессования
• Заготовка отводов
• Комплектовка переключателей
• Сборка отводов ВН трансформаторов мощностью до 6300 кВА
• Сборка отводов НН трансформаторов мощностью до 6300кВА
• Особенности сборки отводов мощных трансформаторов
• Особенности сборки отводов ВН трансформаторов с РПН
• Термовакуумная обработка активных частей
• Третья сборка трансформаторов
• Комплектование бака и крышки
• Отделка активной части и установка ее в бак
• Комплектовка и установка на трансформаторе расширителя, газового реле, выхлопной трубы
• Сборка охлаждения системы Д
• Особенности конструкции и сборки силовых сухих трансформаторов
• Особенности конструкции и сборки трансформаторов 110 кВ
• Особенности конструкции и сборки автотрансформаторов
• Особенности конструкции и сборки силовых электропечных трансформаторов
• Особенности конструкции и сборки преобразовательных трансформаторов
• Сварочные трансформаторы
• Трансформаторы тока
• Трансформаторы напряжения
• Испытание трансформаторов
• Приемо-сдаточные испытания
• Демонтаж
• Отделка, сдача, монтаж и ввод в работу
• Вспомогательные работы при сборке трансформаторов
• Организация сборочных работ
• Механизация сборочных работ

Страница 56 из 68

§ 66. АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ
В отличие от трансформаторов, у которых первичная и вторичная обмотка гальванически не связаны между собой и между ними имеется только электромагнитная связь, обмотки автотрансформаторов кроме электромагнитной связи соединены проводниками гальванически так, что они имеют общую обмотку.
Принципиальная схема соединения обмоток однофазного понижающего автотрансформатора, включенного на нагрузку, показана на рис. 123. Его режим работы на холостом ходу не отличается от режима работы трансформатора. Подведенное к первичной обмотке напряжение равномерно распределяется между витками обмотки Ах, по которой проходит ток холостого хода; вторичное напряжение пропорционально числу витков обмотки ах и равно разности потенциалов между этими точками.
Ток во вторичной цепи при нагрузке состоит из двух слагаемых: тока и первичной стороны, проходящего по обмотке Аа, минуя обмотку ах, и тока 1ах, проходящего по общей части обмотки ах, равного разности токов 2-1.
Мощность вторичной цепи на стороне нагрузки также состоит из двух слагаемых: электрической мощности, передаваемой непосредственно из первичной сети во вторичную через обмотку Аа, и электромагнитной мощности, передаваемой во вторичную цепь трансформаторным преобразованием; таким образом, S2=SЭ + SЭМ.

Рис. 123. Схема соединения обмоток и работа однофазного автотрансформатора

Вторичную обмотку автотрансформатора рассчитывают на разность токов, витки первичной обмотки — на разность напряжений. Этим и обуславливается экономическая целесообразность применения автотрансформаторов. Единицей мощности силовых автотрансформаторов, как и трансформаторов, служит киловольт-ампер (кВ-А) или более крупной единицей — мегавольт-ампер (МВ-А).
В автотрансформаторе различают проходную мощность S = U1I1 и типовую (расчетную)     

Применение автотрансформаторных схем определяется коэффициентом выгодности a:a=(1 — 1/k), где к— коэффициент трансформации автотрансформатора.
Выражая типовую мощность через а и S, имеем Sт=аS= (1—1/k)S.
Отсюда следует, что типовая мощность автотрансформатора в а раз меньше проходной и наиболее выгодные значения а принимает, когда коэффициент трансформации близок к единице. Например, для передачи мощности 120 МВ-А из сети 220 кВ в сеть 110 кВ достаточно, чтобы типовая мощность автотрансформатора была 60 МВ-А. Если для этой цели применить трансформатор, его необходимо рассчитать на мощность 120 МВ-А.
Соответственно автотрансформатор в отличие от трансформатора имеет меньшие массу, размеры и расход активных материалов (электротехнической стали, обмоточных проводов), потери электрической энергии в обмотках и магнитной системе, а следовательно, больший кпд. Однако применение автотрансформаторов ограничено и экономически целесообразно только при коэффициенте трансформации, равном 2—3, при большем — их мощность приближается к типовой мощности трансформаторов; индуктивное сопротивление обмоток, соединенных по автотрансформаторной схеме (особенно при большом коэффициенте трансформации), значительно меньше сопротивления обмоток трансформатора той же мощности, поэтому при коротком замыкании в сети напряжение на стороне НН возрастает до напряжения стороны ВН и через обмотки автотрансформатора будет проходить недопустимо большой ток короткого замыкания. Для защиты автотрансформатора от разрушения приходится применять специальные устройства, ограничивающие этот ток до допустимых пределов. Кроме того, связь через автотрансформатор электросетей НН и ВН вызывает опасность для обслуживающего персонала и оборудования электроустановок, так. как между проводниками сети НН и землей постоянно действует напряжение стороны ВН. При отключении сети со стороны обмоток ВН на стороне обмоток НН будет действовать высокое напряжение, соответствующее обмоткам ВН.
Автотрансформаторы так же, как и трансформаторы, могут быть одно- и трехфазными, двух- и трехобмоточными. На рис. 124 показана стандартная схема соединения обмоток ВН и НН трехфазных двухобмоточных силовых автотрансформаторов и ее условное обозначение (схемы и группы соединения обмоток), а на рис. 125 — трехфазных трехобмоточных автотрансформаторов.

Рис. 124. Стандартная схема соединения обмоток ВН и НН трехфазных двухобмоточных силовых автотрансформаторов и ее условное обозначение

Рис. 125. Стандартная схема соединения обмоток трехфазyых трехобмоточных автотрансформаторов и ее условное обозначение
Как видно из рис. 124 и 125, у двухобмоточных и трехобмоточных автотрансформаторов гальванически связанные обмотки ВН и СН соединены з звезду. У трехфазного трехобмоточного автотрансформатора обмотки НН соединяют в треугольник.
Конструкция сборочных единиц в целом, а также технологические процессы сборки автотрансформаторов практически такие же, как и у трансформаторов. Силовые автотрансформаторы строят на большие мощности и высокие напряжения с максимально большим коэффициентом трансформации, с тем чтобы коэффициент выгодности был возможно большим, но не менее 0,5.
Обозначение типа автотрансформатора отличается от обозначения трансформатора буквой А, стоящей в начале или конце. Если автотрансформатор понижающий, то буква А стоит в начале обозначения, если повышающий — в конце. Например, обозначение ОЦТА-135000/500 читается так: однофазный, охлаждение масляно-водяное с принудительной циркуляцией масла и воды, трехобмоточный, автотрансформатор повышающий, мощность 135 000 кВ-А, класс напряжения 500 кВ. Обозначение АТДЦТН-125000/220 расшифровывается так: авто
трансформатор понижающий, трехфазный, масляное дутьевое охлаждение с принудительной циркуляцией масла (перекачка через охладители насосами), трехобмоточный, с регулированием напряжения под нагрузкой, мощность 125 000 кВ-А, класс напряжения 220 кВ.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит отличие конструкции н сборки сухих силовых трансформаторов от масляных?
2. Какова особенность конструкции обмоток, изоляции и вводов трансформаторов класса 110 кВ от более низких классов напряжения?
3. Какое преимущество имеют автотрансформаторы перед трансформаторами и в чем состоит их конструктивное отличие?

• Назад
• Вперед

• Назад
• Вперед

• Вы здесь:  
• Главная
• org/ListItem»> Книги
• Архивы
• Монтаж вторичных устройств, кабелей

Читать также:

• Последний трансформатор доставлен на подстанцию ​​Цзиньчжун
• Монтаж силовых трансформаторов напряжением до 110 кВ
• Трансформаторные подстанции с одним питанием
• Tesar — сухие трансформаторы
• Наладка электроустановок

Как работает автотрансформатор — Как сделать

Автотрансформатор представляет собой электрический трансформатор, состоящий только из одной непрерывной неизолированной обмотки с ответвленными клеммами в различных точках обмотки. Участок обмотки между ответвлениями, которые соответствуют сети переменного тока, используется с сетью переменного тока, а остальные ответвления используются для получения желаемых выходных напряжений в соответствии с коэффициентами их обмотки.

Эти выходные напряжения могут находиться в диапазоне от уровней выше, чем входное питание, и ниже, чем входная сеть переменного тока, в зависимости от коэффициента витков обмотки в соответствующих точках ответвления..

Слово «авто» происходит от греческого термина «я», который относится к функционированию одиночной обмотки через весь трансформатор без участия какого-либо автоматического механизма.

В автотрансформаторе ответвления одной непрерывной обмотки выполняют функции как первичной, так и вторичной обмотки трансформатора.

Разница между автотрансформатором и понижающим трансформатором

Как правило, в любом стандартном понижающем трансформаторе мы находим две совершенно отдельные катушки в виде первичной и вторичной обмотки, которые электрически изолированы, но магнитно связаны друг с другом. , как показано ниже.

Здесь соотношение витков первичной и вторичной обмотки определяет величину передачи напряжения и тока между двумя обмотками за счет магнитной индукции.

Это означает, что если предположить, что первичная обмотка имеет в 10 раз больше витков, чем вторичная, то переменный ток 220 В, подаваемый на первичную обмотку, вызовет в 10 раз более низкое напряжение на вторичной обмотке, равное 220 В/10 = 22 V.

Аналогичным образом, если на вторичную обмотку подается переменное напряжение 22 В, на первичной стороне будет генерироваться повышенное напряжение 220 В.

В отличие от этого, в автотрансформаторе есть одна непрерывная обмотка, разделенная на различные ответвления напряжения, которые определяют различные уровни напряжения во всей обмотке, как показано ниже.

Все эти ответвления не имеют гальванической развязки, но могут получать магнитное питание, как и наш стандартный трансформатор, обеспечивая пропорциональное распределение напряжения и тока между секциями в зависимости от соотношений обмоток между ответвлениями.

Как сделать автотрансформатор

Автотрансформатор можно построить, используя те же расчеты, что и для обычного понижающего трансформатора, за исключением вторичной обмотки.

На самом деле сделать автотрансформатор намного проще, чем стандартный трансформатор, так как здесь мы можем исключить вторичную боковую обмотку и использовать одну первичную непрерывную обмотку на 300 В или 400 В.

Таким образом, выполните все шаги, описанные в следующей статье, просто пропустите расчеты вторичной стороны и выполните расчеты только первичной стороны 220 В.

Детали обмотки

Используйте 400 В для первичного напряжения и 1 ампер для тока. После намотки вы можете прикрепить отводы через различные интервалы обмотки для получения желаемого повышенного или пониженного напряжения.

Преимущества и недостатки автотрансформатора

В обмотке автотрансформатора обычно имеется как минимум 3 ответвления, электрически соединенных в качестве выходов.

В связи с тем, что одна обмотка работает как первичная, так и вторичная, автотрансформаторы имеют больше преимуществ, поскольку они меньше по размеру, легче по весу и более доступны по цене, чем обычные понижающие трансформаторы с двойной обмоткой.

Однако недостатком автотрансформатора является то, что ни один из его выводов обмоток не изолирован от сети переменного тока и может вызвать смертельный удар током при прикосновении во включенном состоянии.

Среди других преимуществ автотрансформаторов — уменьшенное реактивное сопротивление рассеяния, уменьшенные потери, меньший ток возбуждения и повышенная номинальная мощность ВА для любых существующих размеров и объемов.

Приложение

Хорошим примером применения автотрансформатора является туристический преобразователь напряжения, который позволяет путешественнику подключать приборы на 230 В к источникам питания на 120 В или наоборот.

Автотрансформатор с несколькими выходными ответвлениями можно использовать для адаптации напряжения на конце расширенной распределительной цепи, чтобы противостоять любому избыточному падению напряжения. Эту же ситуацию можно было автоматически контролировать с помощью электронной схемы переключения.

Обычно это реализуется с помощью АРН или автоматического регулятора напряжения, который автоматически переключает различные ответвления автотрансформатора через реле или симисторы для компенсации выхода в ответ на изменения сетевого напряжения.

Как это работает

Как обсуждалось выше, автотрансформатор включает только одну обмотку с двумя концевыми выводами.

Между точками ответвления может быть одна или несколько клемм для получения ступенчатого повышения/понижения напряжения на точках ответвления. В автотрансформаторе первичная (входная) и вторичная (выходная) секции катушек имеют общие витки.

Эта часть обмотки, совместно используемая двумя первичными и вторичными обмотками, обычно известна как «Общая секция».

Принимая во внимание, что часть обмотки, отходящая от этой «общей секции» или секции, которая не является общей для первичной и вторичной частей, обычно называется «последовательной секцией».

Первичное (входное) напряжение питания подключается к двум соответствующим клеммам, номинал или спецификация которых соответствует диапазону входного питания.

Вторичное (выходное) напряжение получают от пары клемм или отводов, одна из которых обычно является общей, как для входной, так и для выходной клеммы напряжения.

В автотрансформаторе, поскольку вся отдельная обмотка имеет одинаковые характеристики, ее вольт на виток также одинаково во всех точках ответвления. Это означает, что напряжение, индуцированное на каждой из секций ответвления, будет пропорционально количеству витков.

Из-за магнитной индукции в обмотке и сердечнике напряжение и ток будут пропорционально добавляться или вычитаться из обмотки в зависимости от количества витков.

Например, нижние точки ответвления будут показывать пониженное напряжение и повышенный ток по отношению к общей линии заземления, а верхние точки отвода будут показывать более высокое напряжение и меньший ток по отношению к общей линии заземления.

Самый верхний ответвитель в последовательной секции будет показывать напряжение, превышающее входное напряжение питания.

Однако передача входной и выходной мощности будет одинаковой. Это означает, что произведение напряжения и тока или V x I всегда будет равным для входной и выходной секций.

Как рассчитать напряжение и витки

Поскольку параметры напряжения, тока и числа витков пропорциональны по своей природе, формула для расчета силы тока, напряжения и числа витков определяется простой универсальной формулой, приведенной ниже:

N1/N2 = V1/V2 = I1/I2

Давайте рассмотрим следующий пример. Необходимо иметь на руках как минимум два параметра, чтобы определить остальные параметры при расчете автотрансформатора.

Здесь у нас есть количество витков и напряжение на первичной или входной стороне автотрансформатора, но мы не знаем параметры на стороне выхода или на стороне нагрузки.

Теперь предположим, что мы хотим, чтобы отвод N7 на стороне выхода производил 300 В переменного тока через входное напряжение 220 В переменного тока. Следовательно, мы можем вычислить следующим простым способом:

N1/N7 = V1/V7

500/N7 = 220/300

N7 = 500 x 300/220 = 681 виток.

Это означает, что если обмотка N7 имеет 681 виток, она будет производить необходимые 300 В при подаче на вход 220 В переменного тока.

Аналогично, если мы хотим, чтобы обмотка N2 генерировала напряжение, скажем, 24 В, то количество витков этой секции ответвления можно рассчитать по той же формуле:

N1/N2 = V1/V2

500/ N2 = 220/24

24 x 500 = 220 x N2

N2 = 500 x 24 / 220 = 55 витков

Как рассчитать номинальный ток

боковая обмотка 220 В. Допустим, это 2 ампера, тогда ток через обмотку N7 можно рассчитать, используя следующую базовую формулу мощности: 2/300 = 440/300 = 1,46 ампер.

Это показывает, что в автотрансформаторе или трансформаторе любого типа выходная мощность в идеале почти равна входной мощности.

Как преобразовать обычный трансформатор в автотрансформатор

Как обсуждалось в предыдущих параграфах этой статьи, обычный трансформатор включает в себя две отдельные обмотки, которые электрически изолированы, образуя соответствующие первичную и вторичную обмотки.

Поскольку две стороны обмотки электрически изолированы, становится невозможным генерировать индивидуальные повышающие и понижающие напряжения сети переменного тока с помощью этих трансформаторов, в отличие от автотрансформатора.

Однако при небольшой доработке блока обычный трансформатор вполне можно превратить в автотрансформатор. Для этого нам просто нужно соединить провода первичной стороны с проводами вторичной стороны в формате s, как показано на следующей схеме:

Здесь мы находим обычный понижающий трансформатор 25-0-25 В / 220 В, преобразуемый в удобный маленький автотрансформатор, просто присоединив соответствующие вторичные/первичные провода.

После соединения проводов показанным образом модифицированный автотрансформатор позволяет пользователю получить повышенную сеть 220 + 25 = 245 В переменного тока или пониженную сеть 220 — 25 = 195 выходов AC V от соответствующих выходных проводов.

Основы автотрансформаторов | ЭЦиМ

Автотрансформатор – это трансформатор, часть обмотки которого включена как во входную, так и в выходную цепи. Простое подключение автотрансформатора показано на рис. 1. Обратите внимание, что поскольку имеется общая часть обмотки (раздел 1-2), между входной и выходной цепями отсутствует изоляция. Также обратите внимание, что обмотка всего одна.

Как показано на диаграмме, линейный ток составляет 10 А для выходной мощности 2000 ВА (10 А x 200 В). Ток нагрузки составляет 20 А при выходном напряжении 100 В или 2000 ВА.

Обмотка отводится на 100 В, так что автотрансформатор работает как понижающий трансформатор с 200 В на 100 В. Хотя это приемлемое подключение трансформатора, его применение довольно ограничено из-за отсутствия изоляции между входной и выходной цепями.

Обратите внимание, что ток нагрузки течет в направлении, противоположном линейному току, что характерно для всех трансформаторов. Таким образом, ток в разделе 1-2 представляет собой разницу между этими двумя токами или 10 А (нагрузка 20 А минус линия 10 А).

Расчет эквивалентного размера

Эквивалентный размер автотрансформатора на схеме ниже можно найти следующим образом.

Секция 2-3 ВА равна 100 В, умноженной на 10 А, или 1000 ВА. Секция 1-2 ВА равна количеству тока нагрузки минус линейный ток, умноженному на 100 В [(20–10 А) x 100 В] или 1000 ВА.

Таким образом, эквивалентная физическая мощность равна сумме ВА для секций 1-2 плюс ВА для секций 2-3, разделенных на 2[(1000 ВА + 1000 ВА)/2] или 1000 ВА. Таким образом, у нас есть трансформатор с эквивалентной мощностью 1000 ВА, но питающий нагрузку 2000 ВА. Получаем ли мы что-то даром? Не совсем. Отмеченное здесь преобразование на самом деле составляет только половину кВА нагрузки, а не все, как это было бы с изолированным трансформатором.

Следующее уравнение можно использовать для расчета эквивалентного размера любого автотрансформатора.

Эквивалентный физический размер = [([V.sub.H] — [V.sub.L])/[V.sub.H]] x [kVA.sub.load] (уравнение 1)

где [VH] = входное напряжение

[VL] = выходное напряжение

Возвращаясь к диаграмме и подставляя известные значения в уравнение 1, мы имеем следующее.

Эквивалентный физический размер = [([V.sub.H] — [V.sub.L])/[V.sub.H]] x [kVA.sub.load]

= [(200 В — 100 В)/200 В] x 2 кВА

= 1 кВА

Обратите внимание, что чем больше коэффициент трансформации, тем больше эквивалентный физический размер трансформатора, а чем меньше коэффициент трансформации, тем меньше эквивалентный физический размер. Например, предположим, что у нас есть автотрансформатор с соотношением 200 В к 50 В, питающий нагрузку той же мощности кВА (2 кВА). Эквивалентный физический размер выглядит следующим образом.

Эквивалентный физический размер = [([V.sub.H] — [V.sub.L])/[V.sub.H]] x [kVA.sub.load]

= [(200 В — 50 В)/200 В] X 2 кВА

= 1,5 кВА

Теперь давайте предположим, что у нас есть автотрансформатор с меньшим коэффициентом трансформации, 200 В в 190 В, но питающий нагрузку той же мощности, кВА. Его эквивалентный физический размер выглядит следующим образом.

Эквивалентная физическая мощность = [([V.sub.H] — [V.sub.L])/[V.sub.H]] x [kVA.sub.load]

= [(200В — 190В)/200В]/200кВА

= 0,1 кВА

Как видите, чем больше коэффициент трансформации, тем менее экономичным становится автотрансформатор. В результате автотрансформаторы с коэффициентом трансформации более 2 используются редко.

Небольшая викторина

Чтобы помочь вам понять области применения автотрансформаторов, давайте проведем небольшой тест. Пожалуйста, изучите соединения трансформатора, показанные на рис. 2, 3 и 4. На рис. 2 представлена ​​электрическая схема изолированного трансформатора с указанием входного и выходного напряжения на каждой обмотке. На рис. 3 показан тот же изолированный трансформатор, подключенный как понижающий автотрансформатор, а на рис. 4 — как понижающий автотрансформатор.

Предположим, вы хотите понизить напряжение линии 132 В до 120 В. Какое подключение автотрансформатора следует использовать и трансформатор какой физической мощности требуется для работы с нагрузкой 10 кВА?

Отвечать. Если вы выбрали рис. 4, вы ошибаетесь, потому что это соединение требует 132 В на обмотке 120 В. Напряжение на обмотке 12В будет 13,2В. Таким образом, вы получите 118,8 В (132–13,2 В) на стороне нагрузки, потому что это компенсационное соединение. В результате трансформатор будет перегреваться из-за того, что входное напряжение будет на 10 % выше.

Правильный ответ — рис. 3, потому что в этом соединении обе обмотки используются при их номинальном напряжении, и обеспечивается точное требуемое соотношение напряжений.