Автотрансформаторы, принцип действия, назначение лабораторных и силовых устройств
Автотрансформатором (АТ) называют разновидность исполнения трансформатора, которая характеризуется наличием на магнитном сердечнике только одной обмотки, имеющей несколько отводов (отпаек).
Каждой отпайке соответствует определённый уровень напряжения. Таким образом, когда говорят о первичной или вторичной обмотке автотрансформатора, подразумевают те или иные обмоточные отпайки.
Особенность электрической схемы автотрансформатора, заключающаяся в наличии только одной обмотки, определяет отличие его технических параметров от характеристики обычного трансформатора.
Основные различия могут быть сформулированы следующим образом:
- более высокий КПД по сравнению с обычным трансформатором;
- меньший расход меди и стали при изготовлении обмоточных проводников и магнитопровода, соответственно меньший вес и стоимость оборудования при той же мощности;
- наличие гальванической связи между первичными и вторичными электрическими сетями.
Повышенный КПД устройства определяется тем, что не вся трансформируемая мощность подвергается электромагнитному преобразованию, так как первичная и вторичная обмотки имеют общий участок. Вследствие этого потери энергии в меди и стали автотрансформатора ниже, чем у трансформатора аналогичной мощности.
Отсутствие необходимости изготавливать и монтировать вторую обмоточную катушку с проводником значительно снижает вес устройства и создаёт лучшие условия для охлаждения меди и стали.
Гальваническую связь между первичной и вторичной электрической сетью принято считать минусом устройства, однако в сетях с заземлённой нейтралью эта особенность роли не играет, а выигрыш в цене оборудования и уменьшение потерь может быть весьма значительным.
ПРИНЦИП РАБОТЫ АВТОТРАНСФОРМАТОРА
Рассмотрим принцип работы устройства на примере самой простой схемы с обмоточной катушкой, имеющей три отвода — два крайних и один средний (рис.1).
Полное число витков обмотки Wв подключено к сети высокого напряжения, часть витков до отпайки Wн — к стороне низкого напряжения.
Нижний по схеме вывод является общим.
В случае, когда устройство используется как повышающий преобразователь, на выводы Uн подаётся питающее напряжение, с выводов Uв снимается его повышенное значение в результате трансформации. Если мощность направлена от Uв к Uн, питающее напряжение подключается к отпайкам высокой стороны.
Коэффициент трансформации является масштабным показателем преобразования устройства и в данном случае определяется так же, как для обычного трансформатора:
K = Uв/Uн = Wв/Wн,
то есть численно равен отношению количества витков первичной и вторичной обмотки. Коэффициент трансформации может быть выражен также через значения токов. Соотношение в этом случае будет обратным:
K = Iн/Iв = Wв/Wн,
которое иллюстрирует, что с увеличением числа витков и соответственно значения U обмотки, ток в ней пропорционально уменьшается. Физически это означает, что значения мощностей в обмотках одинаковы, если пренебречь величиной потерь.
Строго говоря, мощность в обмотке, к которой подключен потребитель, всегда меньше мощности в питающей обмотке на величину потерь.
Сфера применения автотрансформаторов распространяется на различные отрасли, в числе которых:
- энергетика (электроснабжение), где данные устройства большой мощности широко применяются на сетевых электрических подстанциях;
- электроника, в которой многие радиотехнические устройства содержат АТ;
- лабораторные электротехнические устройства регулирования электрических параметров (ЛАТР).
ЛАБОРАТОРНЫЙ АВТОТРАНСФОРМАТОР (ЛАТР)
Данное устройство предназначено для регулирования сетевого напряжения 220В в широких пределах, нередко от нуля до номинального значения.
В лабораторной практике ЛАТР используется:
- для испытания различного электрооборудования;
- как регулируемый источник переменного напряжения.
Основой лабораторного АТ является кольцевой (тороидальный) магнитопровод, на котором расположена обмотка, выполненная медным эмалированным проводом.
Крайние выводы обмотки включаются в электрическую сеть 220 вольт, средний вывод обмотки — скользящий.
Токосъёмник среднего вывода имеет следующую конструкцию. Наружный слой обмотки лабораторного АТ зачищен от изоляционного лака с одной из торцевых сторон. По зачищенному участку обмотки перемещается графитовое токосъёмное колесо, прижимаемое к обмотке усилием пружины.
Ось механизма вращения токосъёмника находится в центре тора, а на её конце установлена ручка, при вращении которой перемещается токосъёмник.
Нагрузка лабораторного АТ подключается к одному из крайних выводов и среднему. Таким образом, вращение рукоятки, вызывающее перемещение токосъёмника изменяет число витков обмотки, подключенной к нагрузке, следовательно, и значение U на нагрузке.
В эпоху ламповых телевизоров данное устройство имело широкое применение в качестве ручного регулятора напряжения. Автотрансформатор снабжался стрелочным индикатором выходного напряжения, за уровнем которого потребитель должен был наблюдать и при необходимости производить корректировку вращением рукоятки.
В наши дни такой принцип регулирования также не потерял актуальность. Лабораторный автотрансформатор находится в основе конструкции автоматических стабилизаторов напряжения электромеханического типа.
Ось токосъёмника в этих устройствах сопряжена с электронным сервоприводом, который автоматически устанавливает токосъёмник в положение, обеспечивающее номинальное значение напряжения на выходе. Сервопривод управляется электронной системой контроля.
Примечание. Электромеханические стабилизаторы напряжения относятся к наиболее точным приборам. Малая величина их погрешности обусловлена бесступенчатой системой регулирования.
СИЛОВЫЕ АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ
Применение автотрансформаторов на высоковольтных электрических подстанциях в качестве альтернативы обычным трансформаторам имеет чисто экономический смысл.
Оборудование данного типа используется только для соединения электрических сетей с заземлённой нейтралью в сетях напряжением 110 кВ и выше.
В сетях с изолированной нейтралью автотрансформаторы не используются, так как при однофазном коротком замыкании, в смежной сети происходит недопустимое повышение напряжения.
Широкое применение в энергосистемах получили трёхобмоточные автотрансформаторы как в трёхфазном исполнении, так и в виде группы из трёх однофазных устройств. Каждая из трёх обмоток — высокого напряжения (ВН), среднего напряжения (СН) и низкого напряжения (НН) подключена к соответствующей электрической сети.
Данные АТ являются, по сути, гибридами традиционного трансформатора и автотрансформатора. Две ступени этих устройств (ВН и СН) гальванически связаны между собой, а третья (НН) имеет с ними только электромагнитную связь.
В зависимости от того, какие ступени АТ задействованы, трёхобмоточный автотрансформатор способен работать в одном из трёх режимов:
- автотрансформаторный режим, при котором задействованы только ступени ВН и СН, имеющие гальваническую связь;
- трансформаторный режим, который реализуется при работе одной из пар ступеней — ВН и НН либо СН и НН;
- смешанный режим осуществляется при работе всех трёх ступеней автотрансформатора.
* * *
© 2014-2022 г.г. Все права защищены.
отличия от обычных трансформаторов, сфера применения
Для корректировки и изменения показателей напряжения в пределах маленьких значений используются автотрансформаторы. Устройство и принцип действия этих приборов основана на магнитной и гальванической связи между цепями, так как обмотка напряжения низшего входит в обмотку напряжения высшего. В зависимости от того, какая из них включается, происходит незначительное понижение или повышение напряжения.
- Устройство и технические характеристики
- Типы агрегатов
- Однофазные и трехфазные приборы
- Недостатки эксплуатации
Устройство и технические характеристики
Сфера применения автотрансформаторов — питание бытовой техники, промышленные электросети, пуск асинхронных электродвигателей.
На крупных производственных объектах они необходимы для повышения напряжения и одновременного уменьшения возможных потерь в линиях электропередач. Благодаря особенностям конструкции, оборудование составило серьезную конкуренцию обычным трансформаторам. В зависимости от назначения, устройствам присваивается буквенное наименование:
- С — для собственных нужд отдельных электрических станций.
- П — для электролиний с постоянным током.
- ПН — для подключения электронасосов погружного типа.
- Б — для буровых установок и бетоногрейных установок.
- Э — для экскаваторов с электрооборудованием.
- ТО — для организации временного освещения или тепловой обработки грунта или бетона.
В преобразователях электромагнитного типа передача энергии между обмотками происходит благодаря возникновению магнитного поля, сосредоточенного внутри магнитопровода.
Отличие автотрансформатора от трансформатора заключается в наличии еще и электрической связи. В момент установки уменьшенного тока в той части обмотки, которая является общей между двумя цепями, возникает увеличение или понижение напряжения. По мнению специалистов, такое устройство позволяет сэкономить сталь, сократив ее количество для создания магнитопровода с меньшим сечением.
Большинство других деталей в конструкции практически ничем не отличается от комплектующих трансформатора. Принцип функционирования агрегата заключается в следующем: в момент создания нагрузки по обмотке перемещается электрический поток, а по проводнику — ток первичный. Происходит геометрическое сложение двух потоков, в результате чего на обмотку выдаются совсем малые показатели.
Типы агрегатов
В зависимости от схемы автотрансформатора и других особенностей конструкции выделяют несколько разновидностей оборудования.
Наиболее популярными являются 8 из них, остальные встречаются реже. Каждый из них выбирается в соответствии с будущими условиями эксплуатации:
- АТД — оборудование с устаревшей конструкцией мощностью в районе 25 Вт.
- ВУ- 25-Б — позволяет уравнивать токи на вторичной обмотке, если используется схема дифференциальной защиты для силового трансформатора.
- ЛАТР-1 — лабораторный автотрансформатор, который может использоваться при 127 В.
- ЛАТР-2 — предназначен для бытовых сетей с напряжением 220 В, регулирует показатели напряжения контактом, который скользит по виткам обмотки.
- ДАТР-1 — разработан для функционирования в условиях невысокой нагрузки.
- РНО — предназначен для сетей с повышенной нагрузкой.
- АТНЦ — незаменимое оборудование в сфере телеизмерений.
- РНТ — оборудование, рассчитанное на максимально сильные нагрузки в сетях особого назначения.
Кроме того, классификация предполагает деление агрегатов на группы с малой мощностью (не более 1 кВ), средней мощностью свыше 1 кВ и силовые приборы.
Использование автотрансформаторов позволяет повысить КПД в работе энергетических систем, а также уменьшить стоимость транспортировки энергии.Однофазные и трехфазные приборы
В разных отраслях сегодня используются трехфазные и однофазные агрегаты. Последние представлены таким типом оборудования, как ЛАТР (лабораторные автотрансформаторы, рассчитанные на низковольтные сети). В линиях с повышенным напряжением используются понижающие автотрансформаторы, например, 220/100 и 220/110, в которых вторичная обмотка является частью первичной. В конструкциях повышающего типа первичная обмотка — это часть вторичного контура.
Схема автотрансформатора однофазного типа предполагает несколько отводов, которые ответвляются от основной катушки. Именно они и определяют понижающую или повышающую способность агрегата. В трехфазных конструкциях может быть два или три контура, а соединение обмоток напоминает по форме звезду.
Они предназначены для работы нагревательных элементов в печах.
Аппараты, представленные с тремя обмотками, являются рабочими элементами высоковольтных сетей. Тип контакта предполагает соединения нулевого провода со звездой, что позволяет понизить напряжение, повысить КПД линии и уменьшить расходы на передачу энергии. Одним из недостатков является увеличение количества токов короткого замыкания.
Несмотря на то что автотрансформатор гораздо эффективнее и дешевле в эксплуатации, чем обычный трансформатор, в его использовании тоже могут возникать проблемы. Одним из серьезных недостатков является невозможность гальванической развязки обмоток.
Незначительный рассеивающийся электрический поток между обмотками может спровоцировать короткое замыкание при внезапных неисправностях и неполадках. Чтобы не спровоцировать нарушение функционирования агрегатов, вторичная и первичная обмотка должны иметь идентичные соединения.
В представленной системе затрудняется сохранение электромагнитного баланса, нормализовать который можно увеличением корпуса оборудования. При большой трансформации диапазона не получится существенная экономия энергоресурсов.
Принцип работы автотрансформатора и его конструктивные особенности не позволяют сделать систему с односторонним заземлением. При ремонте и устранении аварийных ситуаций персонал, обслуживающий оборудование, может подвергаться опасности из-за вероятности возникновения высшего напряжение и на низших обмотках. В таком случае установится соединение всех элементов с высоковольтной частью, а изоляция проводников может оказаться пробитой, что не допускается правилами безопасности.
Автотрансформатор, испытанный на короткое замыкание | Ссылки
Самое сложное испытание на механическую нагрузку для трансформатора. Siemens успешно испытал на короткое замыкание и сертифицировал однофазный автотрансформатор 500 кВ с номинальной мощностью 300 МВА.
Испытанный блок является одним из крупнейших в мире автотрансформаторов, испытанных на короткое замыкание, и был сертифицирован независимой испытательной лабораторией в Нидерландах.
«Испытание на стойкость к короткому замыканию» — это серьезное и сложное специальное испытание, проводимое в соответствии с международными стандартами (IEC или IEEE). Цель состоит в том, чтобы сделать энергетическое оборудование более безопасным и надежным, а также выполнить требования клиентов. Из-за высоких затрат и времени, необходимых для выполнения этого специального испытания, оно обычно проводится только на первом блоке силового трансформатора новой конструкции.
Завод Siemens Transformers в Гуанчжоу (Китай) провел «испытание на устойчивость к короткому замыканию» одного из крупнейших в мире автотрансформаторов весом 225 тонн в сторонней испытательной лаборатории в Нидерландах. После успешного испытания на стойкость к короткому замыканию реактивное сопротивление трансформатора изменилось всего на 0,1 %, что в десять раз лучше стандартных требований.
Этот результат количественно определяет механические характеристики трансформатора посредством анализа таких критериев, как механические деформации и смещения обмоток. После первоначального испытания в Нидерландах трансформатор был отправлен обратно в Китай для дальнейших приемочных испытаний и визуального осмотра активной части, прежде чем он получил «сертификат работоспособности при коротком замыкании».
Конструкция и применение трансформатора этого типа обычно предназначены для использования в районах с большими расстояниями передачи, например, в странах Азии и Южной Америки.
В целом, частота отказов крупных силовых трансформаторов во время испытаний на стойкость к короткому замыканию составляет 30 %, поскольку они испытываются токами, которые выше, чем при нормальных условиях эксплуатации. Эти условия испытаний гарантируют, что наш сертифицированный силовой автотрансформатор может предоставить клиентам уверенность в использовании высоконадежного продукта с выдающимися долгосрочными характеристиками в их энергосистеме.
Компания «Сименс» использовала многолетний опыт проектирования и производства трансформаторов, и более 130 единиц успешно прошли испытания в диапазоне среднего и высокого напряжения. Инженерные знания, надлежащий запас прочности при проектировании и проверки качества на всех заводах «Сименс» гарантируют производство трансформаторов, которые неизменно соответствуют нашим общим стандартам качества. При дальнейшем развитии наших глобальных правил проектирования для оптимизации механического поведения активных частей трансформатора мы используем компьютерное моделирование, макеты трансформаторов и модели обмоток.
С недавнего времени эффективность трансформаторов Siemens при коротком замыкании поддерживается применением методов моделирования следующего поколения. Эти методы гарантируют, что физическим испытаниям подлежат только отдельные трансформаторы, а не каждый отдельный блок новой конструкции. Путем объединения моделей компьютерного моделирования с макетами и результатами полномасштабных испытаний был создан цифровой двойник.
На основании этого цифровой двойник представляет работу обмоток трансформатора в условиях короткого замыкания.
Благодаря моделированию конструкции нового поколения на основе цифрового двойника «Сименс» предлагает инновационные и отказоустойчивые продукты и системы передачи для самых требовательных приложений.
Доктор Беатрикс Наттер, генеральный директор Siemens Transmission Products
Передающие устройства играют жизненно важную роль в цепочке создания стоимости энергии. Компания Siemens Transmission Products предлагает все ключевые элементы, включая силовые трансформаторы, распределительные устройства с элегазовой и/или воздушной изоляцией и компоненты, по отдельности или в комплекте, с соответствующим проектированием. Благодаря нашей глобальной заводской сети и передовым инновациям мы обеспечиваем высочайший уровень качества и надежности, чтобы помочь нашим клиентам в достижении их целей.
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, и 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.
Теперь об эквивалентном физическом размере. Может быть, нам следует перефразировать этот вопрос. На самом деле мы хотим знать номинальную мощность в кВА, необходимую для нашего изолированного трансформатора, чтобы при подключении в качестве автотрансформатора он выдерживал нагрузку 10 кВА. Возвращаясь снова к уравнению 1 и используя связь на рис. 3, мы имеем следующее.
Эквивалентная физическая мощность = [([V.sub.H] — [V.sub.L])/[V.sub.H]] x [kVA.
