Блог

В этой статье мы поговорим об автотрансформаторах. Данная статья посвящена теории и конструкции автотрансформатора, его значениям эффективности, электрическим обозначениям, методам запуска, мерам защиты, преимуществам, недостаткам, устройствам и многому другому.

Трансформаторы — это электромагнитные устройства, которые передают электрическую энергию от одной цепи к другой по принципу взаимной индукции. Взаимная индукция — это связь индуктивностей их взаимными магнитными полями. Например, в однофазном трансформаторе есть две катушки: первичная и вторичная.

Первичная катушка будет получать питание от любого источника электричества, такого как, например, генератор переменного тока. Магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, индуцирует напряжение во вторичной катушке. Эта вторичная обмотка будет подключена к нагрузке и получит соответствующее питание.

Трансформаторы используются для повышения напряжения до более высокого уровня, и они называются повышающими трансформаторами. Таким же образом трансформаторы понижают напряжение до более низкого уровня, и они называются понижающими трансформаторами.

Что такое автотрансформатор?

Как сказано выше, обычный трансформатор будет иметь две обмотки, которые физически разделены, но связаны вместе с помощью магнитного сердечника. Поскольку они изолированы друг от друга, они называются первичной обмоткой, на которую подается напряжение от источника, и вторичной обмоткой, от которой передается ток на выходную нагрузку.

Но трансформатор, в котором будет только одна обмотка, общая как для первичной, так и для вторичной обмотки, называется автотрансформатором. Термин «Авто» означает, что колебания входного напряжения будут автоматически повышаться или уменьшаться с использованием одной обмотки.

Автотрансформаторы используются в устройствах, где не требуется электрическая изоляция между входной и выходной обмотками.

Теория и конструкция автотрансформатора

В автотрансформаторе часть энергии передается за счет индукции, а остальная — за счет теплопроводности. Существует три типа автотрансформаторов: повышающие, понижающие и регулируемые автотрансформаторы, которые могут повышать или понижать напряжение.

Регулируемые автотрансформаторы используются в промышленности для обеспечения широкого диапазона переменного напряжения от одного источника. На схеме выше показаны повышающие и понижающие автотрансформаторы.

На приведенной выше схеме первая обмотка показана присоединенной к вторичной обмотке аддитивным образом. Теперь соотношение между напряжением на первой обмотке и напряжением на второй обмотке определяется отношением витков трансформатора.

Однако напряжение на выходе всего трансформатора представляет собой сумму напряжения на первой обмотке и напряжения на второй обмотке. Первую обмотку здесь называют общей обмоткой, потому что ее напряжение появляется с обеих сторон трансформатора. Вторая (малая) обмотка называется последовательной обмоткой, потому что она включена последовательно с общей обмоткой.

Соотношение напряжений в автотрансформаторе, показанное на схеме выше слева, определяется выражением:

V₂ = V _c + V _se

Но,

V _c / V _se = N _c / N _se  

===> V₂ = V _c + (N _c / N _se ) * V _c ;

Но,

V₁ = V _c  

===> V₂ = V₁ + (N _c / N _se ) * V1 = ((N _c + N _se ) / N _se ) * V₁;

Текущее соотношение между двумя сторонами в автотрансформаторе, как показано на схеме слева выше, определяется выражением:

I₁ = I _c + I _se

Но,

I _c = (N _se / N _c ) * I _se

===> I₁ = I _se + (N _se / N _c ) * I _se

Но,

I₂ = I_se

===> I₁ = I₂ * (1 + (N _se / N _c ))

Интересно отметить, что не вся мощность, передаваемая от первичной обмотки к вторичной в автотрансформаторе, проходит через обмотки. В результате, если обычный трансформатор повторно подключить как автотрансформатор, он сможет выдерживать гораздо большую мощность, чем первоначально рассчитано. Обратите внимание, что полная входная мощность автотрансформатора определяется выражением:

S _в = V₁I₁;

а полная выходная мощность определяется выражением:

S _out = V₂I₂.

Видно, что полная входная мощность равна полной выходной мощности, так что

S_in = S_out =S_IO

S _IO определяется как полная входная и выходная мощность трансформатора. Связь между мощностью, поступающей в первичную обмотку трансформатора, и фактическими обмотками можно определить следующим образом:

S_w =V_cI_c = V_SE * I_SE

S_w =V₁ * (I₁­-I₂)

S_w =V₁I₁­ – V₁ I₂

Для лучшего понимания рассмотрим пример.

Автотрансформатор мощностью 500 кВА, соединяющий линию 110 кВ с линией 138 кВ, так что отношение N _c / N _se будет 110/28. Теперь, используя полученную формулу мощности обмотки и полной мощности, мы можем вычислить фактическую мощность, проходящую через обмотки.

S w = S io x N se / (N se + N c )

S w = (5000) x 28 / (28 + 110) = 1015 кВА

Это означает, что фактическая пропускная способность обмотки составляет всего 1015 кВА, но этот автотрансформатор может выдерживать 5000 кВА, что означает, что автотрансформатор может обрабатывать в 5 раз больше мощности и в 5 раз меньше, чем обычный двухобмоточный трансформатор.

Это означает, что мы должны спроектировать и выбрать медный провод только для работы с мощностью до 1015 кВА. Если у нас есть рабочее напряжение 220, то полный ток будет:

1015 кВА / 220 = 1015 x 1000/220 = 4613,63 А.

Мы можем выбрать медный провод из таблицы размеров проводов SWG или AWG для обеспечения надлежащей плотности тока.

Автотрансформатор также может быть сконструирован с более чем одной точкой отвода. Автотрансформаторы могут использоваться для обеспечения различных точек напряжения вдоль его обмотки.

Автотрансформатор с несколькими точками подключения

Символы автотрансформатора

Обозначение однофазного автотрансформатора	Обозначение трехфазного автотрансформатора

Типы автотрансформаторов

Существует 3 основных типа автотрансформаторов, которые подразделяются на категории в зависимости от использования автотрансформатора:

• Повышающий автотрансформатор
• Понижающий автотрансформатор
• Регулируемый автотрансформатор

Повышающий автотрансформатор

В этом типе автотрансформатора входное напряжение повышается до желаемого напряжения, а выходное напряжение будет зависеть от коэффициента трансформации автотрансформатора.

Это схема подключения повышающего автотрансформатора:

Как мы уже говорили, рассматривайте каждую петлю индуктивности как батарею, чем больше петель в выходной цепи, тем выше напряжение переменного тока по сравнению со входом. Мы знаем, что входная и выходная мощность одинакова, поэтому, если мы собираемся повышать напряжение, ток, безусловно, будет уменьшаться, чтобы поддерживать баланс мощности.

Понижающий автотрансформатор

Конструкция повышающего и понижающего автотрансформатора одинакова, но в этой конфигурации первичное напряжение высокое, а вторичное напряжение низкое, поэтому его называют понижающим трансформатором.

Регулируемый автотрансформатор (вариак или диммер)

Автотрансформаторы с фиксированным передаточным числом широко используются во многих устройствах, но иногда требуется наличие переменного выходного напряжения. Такие трансформаторы очень полезны, потому что их можно настроить на любое необходимое напряжение, просто повернув ручку. Их можно использовать вместо повышающих и понижающих автотрансформаторов.

Центральная часть этого индуктора — ручка. Напряжение изменяется вращением ручки автотрансформатора. Регулируемый автотрансформатор может быть оснащен множеством ответвлений в зависимости от конкретного применения и действовать как регулятор переменного напряжения.

Путем добавления некоторой чувствительной схемы этот регулируемый автотрансформатор можно использовать в качестве автоматического регулятора напряжения. Он также называется вариак или диммер.

Запуск автотрансформатора

Когда трансформаторы подключаются к электроцепи, пусковой ток подключенного оборудования будет в 10-15 раз больше, чем номинальный ток оборудования, тогда общий ток будет протекать через 2 обмотки трансформатора в течение некоторого времени.

В некоторых трансформаторах пусковой ток в 60 раз превышает номинальную. В больших трансформаторах этот переходный ток может сохраняться в течение нескольких секунд, пока не будет достигнуто время равновесия или стабилизации.

Таким же образом в автотрансформаторе пусковой ток также является значительным, когда источник питания подключен к трансформатору в момент, когда напряжение пересекает нулевое время прохождения, ток нагрузки зависит от сопротивления и индуктивности обмоток трансформатора.

Для больших трансформаторов с очень высокими индуктивностями по сравнению с нагрузкой время переходного тока также будет большим, и наоборот.

КПД автотрансформатора

КПД автотрансформатора намного выше, чем у двухобмоточных трансформаторов. КПД автотрансформаторов иногда достигает 99% при всех комфортных условиях.

КПД = (P _out / P _in ) * 100

P_out= V_s * I_s * Cos(Ø)

Коэффициент мощности = Cos (Ø)

P _in = P _out + P _потери

Потери: в любом трансформаторе в основном есть 2 типа потерь:

• Электрические
• Магнитные

Электрические потери можно рассчитать с помощью теста на короткое замыкание, а магнитные потери можно рассчитать с помощью теста на разрыв цепи. После вычисления обеих потерь алгебраическая сумма обеих этих потерь составляет общую потерю в автотрансформаторе.

Расчет импеданса автотрансформатора

Автотрансформаторы имеют один дополнительный недостаток по сравнению с двухобмоточными трансформаторами. Оказывается, для данного автотрансформатора сопротивление на единицу меньше по сравнению с двухобмоточным обычным трансформатором на коэффициент, равный преимуществу автотрансформатора по мощности перед обычным.

Этот меньший внутренний импеданс может быть серьезной проблемой в таких случаях, когда уменьшение тока в неисправностях схемы, таких как короткое замыкание, поэтому в этой ситуации очень желательно ограничить ток, чтобы уменьшить вероятность большего повреждения.

Теперь рассчитаем внутренний импеданс автотрансформатора.

Пример импеданса автотрансформатора

Обычный трансформатор на 1000 кВА, напряжение 12/1,2 кВ, 60 Гц, теперь этот трансформатор должен использоваться в качестве автотрансформатора 13,2/12 кВ в схеме. Теперь рассчитайте преимущество этого автотрансформатора в мощности и рассчитайте сопротивление автотрансформаторов на единицу.

Полное сопротивление второй обмотки трансформатора = 0,01 + j0,08.

Коэффициент поворота: N _c / N _se = 12 / 1,2 = 10

S _io = (N _se + N _c / N _se ) * S _w

S _io = (1 + 10/1) x 1000 = 11000 кВА

Таким образом, коэффициент преимущества по мощности равен 11.

Как мы знаем, полное сопротивление трансформатора с двумя обмотками равно

Z eq = 0,01 + j0,08.

Таким образом, полное сопротивление автотрансформатора будет

Z eq = (0,01 + j0,08) / 11 = 0,00091+ j0,00727.

Видно, что внутреннее сопротивление автотрансформатора в 11 раз меньше, чем у обычного двухобмоточного трансформатора.

Трехфазный автотрансформатор

Трехфазный автотрансформатор — это особый тип, в котором общая обмотка разделяется на высокое и низкое напряжение. Трехфазный переменный ток подается на первичную обмотку, а выходной — на вторичную. Трехфазный автотрансформатор используется в таких случаях, когда в распределительной системе используется небольшое напряжение. Между ними не предусмотрена гальваническая развязка. Он предназначен для повышения и понижения напряжения и работает по принципу магнитной индукции.

Ключевые особенности трехфазного автотрансформатора:

• Номинальная мощность от 3 кВА до 500 кВА
• Частота 50/60 Гц
• Три фазы

Трехфазный автотрансформатор используется в силовых установках для подключения схемы, работающей на уровне напряжения от 66 кВ до 138 кВ.

Трехфазный автотрансформатор будет соответствовать следующей схеме:

Ниже представлен еще один тип подключения и его векторная диаграмма:

На следующей схеме поясняются различные типы подключения трехфазного автотрансформатора.

Для расчета трехфазной кВА мы используем формулу ниже

КВА = (вольт * ампер * 1,73) / 1000

Автотрансформаторный пускатель асинхронного двигателя

Принцип действия автотрансформатора аналогичен методу пускателя со звезды на треугольник. Пусковой ток ограничен трехфазным автотрансформатором. Автотрансформатор можно заменить пускателем со звезды на треугольник и другими пускателями, которые более дороги и сложны в эксплуатации. Автотрансформатор подходит как для двигателя, подключенного по схеме звезды, так и по схеме треугольника, пусковой ток и крутящий момент можно регулировать путем правильного отвода от автотрансформатора. Это дает самый высокий крутящий момент двигателя.

Дополнительная информация по автотрансформаторам

Особенности автотрансформатора

Номинальные характеристики пускателей автотрансформатора ниже, чем у обычных пускателей двигателей с более высокой мощностью киловатт. Главное, размер автотрансформатора очень мал, поэтому эффективный материал снизит стоимость. Эффективное уменьшение количества материала снижает электрические и магнитные потери, поэтому автотрансформатор по сравнению с обычными трансформаторами имеет высокий КПД.

Защита автотрансформатора

Реле может использоваться для дифференциальной защиты автотрансформатора. Дифференциальная защита трансформатора содержит ряд дополнительных функций (согласование с коэффициентом трансформации и векторной группой, стабилизация (сдерживание) от скачков тока и чрезмерного возбуждения) и, следовательно, требует некоторого фундаментального рассмотрения для конфигурации и выбора значений установок.

Дополнительные функции, встроенные в каждое реле, могут быть полезны. Однако следует учитывать, что функции резервной защиты должны быть организованы в отдельном аппаратном обеспечении (дополнительном реле) по причинам аппаратного резервирования.

Это означает, что максимальная токовая защита в дифференциальной защите может использоваться только как резервная защита от внешних сбоев в подключенной энергоцепи. Резервная защита самого трансформатора должна быть предусмотрена в виде отдельного реле максимального тока. Защита Бухгольца как быстрая защита от короткого замыкания.

Представлены различные типы схем дифференциальной защиты автотрансформатора. Какая схема будет использоваться, в основном определяется наличием основных трансформаторов тока в конкретной установке.

Рекомендуется, чтобы в дополнение к стандартной схеме дифференциальной защиты применялась дополнительная дифференциальная схема, чувствительная к замыканиям, близким к точке звезды общей обмотки. Другое возможное решение — объединить две разные схемы, которые имеют разные свойства.

Из-за размера и важности автотрансформаторов в современных энергосхемах (например, в основном используемых в качестве межсистемных трансформаторов) полное дублирование схемы защиты обычно  оправдано.

Защита третичной обмотки автотрансформатора

С точки зрения дифференциального реле схема дифференциальной защиты одинакова для обычных трансформаторов и автотрансформаторов. Единственное отличие состоит в том, что все три отдельных тока в обмотке третичного треугольника доступны для реле.

Следовательно, при таком расположении можно нагружать третичную обмотку треугольником. Используемое уравнение и преимущества такой дифференциальной схемы легко вычисляются и могут быть реализованы. В автотрансформаторе используется обмотка третичным треугольником.

Он используется для ограничения генерации гармоник напряжения, вызванных токами намагничивания, влияющими на нижний импеданс нулевой последовательности. Обмотка третичного треугольника составляет треть номинальной мощности автотрансформатора. Он перераспределяет ток, обнаруженный в результате повреждения. Это также уменьшает разбалансировку, используемую при трехфазной нагрузке.

Процедура испытаний автотрансформатора

Когда трансформаторы принимаются с завода, необходимо убедиться, что каждый трансформатор сухой и не был поврежден во время транспортировки, внутренние соединения не ослаблены, коэффициент передачи, полярность и импеданс трансформатора соответствуют его паспорту, основная изоляционная структура не повреждена, изоляция проводки не замкнута, и трансформатор готов к работе.

Физические размеры, класс напряжения и номинальная мощность в кВА являются основными факторами, определяющими объем подготовки, необходимой для ввода трансформаторов в эксплуатацию. Размер и номинальная мощность в кВА также определяют тип и количество вспомогательных устройств, которые потребуются трансформатору.

Все эти факторы влияют на количество испытаний, необходимых для подтверждения того, что трансформатор готов к включению питания и вводу в эксплуатацию.

Некоторые тесты и процедуры могут быть выполнены специалистами на этапе сборки. Также могут потребоваться специальные тесты, кроме перечисленных.

Некоторые испытания проводятся монтажной бригадой, а другие — лицами, проводящими окончательные электрические испытания трансформаторов.

Преимущества автотрансформатора

• Потери уменьшаются на заданную мощность в кВА.
• Экономия в размере и весе.
• Малый размер.
• Регулировка напряжения.
• Невысокая стоимость.
• Требование тока возбуждения низкое.
• При проектировании автотрансформатора медь используется реже.
• В обычном трансформаторе повышающее и понижающее напряжение фиксированы, в то время как в автотрансформаторе выходная мощность изменяется в соответствии с требованиями.

Недостатки автотрансформатора

• Если какая-либо обмотка автотрансформатора закорочена, выходное напряжение будет повышаться до более высокого, что приведет к очень серьезным повреждениям.
• Он состоит из одной обмотки вокруг железного сердечника, который вызывает изменение напряжения от одного конца к другому. Отсутствует изоляция низкого и высокого напряжения на входе, на выходе трансформатора. Таким образом, любой шум или напряжение, относящиеся к одной стороне, будут отражаться на другой стороне. Таким образом, схемы фильтрации необходимы везде, где в электронных схемах используется автотрансформатор.

Применение автотрансформатора

• Применяется в синхронных и асинхронных двигателях как часть пускового устройства.
• Применяется в лабораториях по испытанию электрооборудования.
• Применяется в качестве усилителя в фидерах переменного тока для повышения желаемого уровня напряжения.
• Применяется для запуска двигателей с короткозамкнутым ротором и асинхронных двигателей с фазным ротором.
• Применяется для соединения схем, работающих при пороговых напряжениях.
• Применяется как ускоритель для повышения входящего напряжения.

Осторожно

Автотрансформатор не может применяться для изолированных работающих схем, так как заземление является общим для подключенного оборудования как на входе, так и на выходе. К вопросам, связанным с безопасностью, следует отнестись строго, поскольку общая земля может создать угрозу для человека. Нарушение изоляции обмотки автотрансформатора приведет к подаче полного входного напряжения на выход.

С Уважением, МониторБанк