Автотрансформатор

Содержание

 

Введение

1. Понятие трансформатор и автотрансформатор
2. Отличие трансформатора и автотрансформатора
3. Назначение, устройство и принцип действия автотрансформаторов
4. Преимущества и недостатки автотрансформаторов
5. Условия применения автотрансформаторов

Заключение

Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Без трансформаторов просто невозможно представить работу любого предприятия, они прочно вошли в наш быт и нашу жизнь. Конструкторы и разработчики-электротехники разрабатывают новые конструкции трансформаторов с применением новых электротехнических материалов, добиваясь снижения потерь при трансформации напряжения и повышения КПД.

Еще в давнее время физики обратили внимание на тот факт, что при небольших коэффициентах трансформации гораздо эффективнее применение принципа автотрансформации по сравнению с обычным принципом работы трансформаторов. Современный автотрансформатор представляют собой электротехническое устройство, имеющий в отличие от обычных трансформаторов, всего лишь одну обмотку, часть которой является одновременно первичной и вторичной обмоткой. В результате такого принципа входное и выходное напряжение имеют между собой не только магнитную, но и электрическую связь, снижая при этом потери электроэнергии до минимума. В зависимости от назначения автотрансформаторы выпускаются однофазными и трехфазными.

Автотрансформаторы нашли самое широкое применение в электротехнике, промышленности, различных мастерских и лабораториях, а также в быту, всюду, где нужно устойчивое с минимальными колебаниями напряжение электрического тока при определенных скачках входного напряжения. В качестве иллюстрации можно привести следующий пример. Люди старшего поколения помнят, что отечественные телевизоры, особенно цветные, были очень чувствительных к перепадам напряжения, поэтому их включение осуществлялось через автотрансформаторы, а позже через автостабилизаторы напряжения.

 

 

 

 

 

 

 

1. Понятие трансформатор и автотрансформатор

Трансформатор — статический электромагнитный агрегат, преобразующий переменный ток одного напряжения в ток другого напряжения (понижает или повышает), а также для преобразования частоты и числа фаз.

Трансформатор обычно состоит из нескольких обмоток (двух и более), намотанных на общий стальной сердечник. Одна обмотка подключается к источнику переменного тока, а другая (другие) обмотка соединяется с потребителем электрического тока. Действие прибора основано на использовании электромагнитной индукции (закон Фарадея). Иными словами, изменение проходящего через обмотку магнитного потока создает  в этой обмотке электродвижущую силу. В трансформаторах, работающих на сверхвысоких частотах, иногда может отсутствовать магнитопровод, такие устройства называются воздушными. В случаях, когда требуется менять напряжение в небольших пределах, используют автотрансформатор. 

 

                                   Рис. 1 - Конструкция трансформатора

 

Автотрансформатор — это такой тип трансформатора, где первичная и вторичная обмотки объединены в одну (вторая является неотъемлемой частью первой). За счет этого они имеют между собой не только электромагнитную, но и электрическую связь. Кроме того, обмотка автотрансформатора оборудована, как минимум, тремя выводами, благодаря чему имеется возможность подключения к разным выводам, и получения на выходе различных напряжений.

2. Отличие трансформатора и автотрансформатора

Итак, главным отличием трансформатора от автотрансформатора является количество обмоток. У трансформаторов их две и более, у автотрансформаторов одна.

Автотрансформаторы нашли широкое применение в сетях с напряжением 150 кВ и выше, за счет меньшей, чем у трансформаторов, стоимости, меньшим потерям в обмотках активной мощности (в сравнении с трансформаторами такой же мощности). Кроме того, автотрансформаторы по своим габаритам гораздо меньше трансформаторов.

Главным преимуществом автотрансформаторов перед другими видами трансформаторов, является их  более высокий КПД, так как преобразованию в них подвергается только часть мощности. Кроме того, из-за меньшего расхода стали для сердечника, меди на обмотки, меньшим габаритам и весу стоимость данного вида трансформаторов существенно ниже, чем у других вариантов.

Недостатком автотрансформаторов (в сравнении с трансформаторами) является отсутствие между первичной и вторичной обмотками электрической изоляции. Это не важно для промышленных сетей, где в любом случае нулевой провод обязательно заземляется, но неприемлемо для применения в быту, т.к. при авариях в автотрансформаторах высшее напряжение с первичной обмотки вполне может оказаться приложенным к низшему (пробой изоляции токопроводящих частей). В результате, все части установки будут соединены с высоковольтной частью, что недопустимо по правилам безопасности при обслуживании подобного оборудования. Для бытовых нужд обычно используется более надежный и безопасный трансформатор.

Разница между трансформатором и автотрансформатором

1. Количество обмоток у трансформатора две и более, у автотрансформатора — одна.

2. Автотрансформатор менее надежен и более опасен в эксплуатации, чем трансформатор.

3. Стоимость автотрансформатора значительно ниже, чем у трансформатора.

4. У автотрансформатора более высокий, чем у трансформатора, КПД.

5. Трансформатор, в отличие от  автотрансформатора, имеет значительно большие размеры.

 

3. Назначение, устройство и принцип действия автотрансформаторов

В некоторых случаях бывает необходимо изменять напряжение в небольших пределах. Это проще всего сделать недвухобмоточными трансформаторами, а однообмоточными, называемыми автотрансформаторами. Если коэфициент трансформации мало отличается от единицы, то разница между величиной токов в первичной и во вторичной обмотках будет невелика. Что же произойдет, если объединить обе обмотки? Получится схема автотрансформатора.

 

 

 

 

Рис. 2 - Схемы однофазных автотрансформаторов: а - понижающего, б - повышающего.

 

Автотрансформаторы относят к трансформаторам специального назначения. Автотрансформаторы отличаются от трансформаторов тем, что у них обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения, т. е. цепи этих обмоток имеют не только магнитную, но и гальваническую связь.

В зависимости от включения обмоток автотрансформатора можно получить повышение или понижение напряжения.

Если присоединить источник переменного напряжения к точкам а и х, то в сердечнике возникнет переменный магнитный поток. В каждом из витков обмотки будет индуктироваться ЭДС одной и той же величины. Очевидно, между точками а и х возникнет ЭДС, равная ЭДС одного витка, умноженной на число витков, заключенных между точками а и х.

Если присоединить к обмотке в точках a и х какую-нибудь нагрузку, то вторичный ток i2 будет проходить по части обмотки и именно между точками a и х. Но так как по этим же виткам проходит и первичный ток i1, то оба тока геометрически сложатся, и по участку ax будет протекать очень небольшой по величине ток, определяемый разностью этих токов. Это позволяет часть обмотки сделать из провода малого сечения, чтобы сэкономить медь. Если принять во внимание, что этот участок составляет большую часть всех витков, то и экономия меди получается весьма ощутимой.

Таким образом, автотрансформаторы целесообразно использовать для незначительного понижения или повышения напряжения, когда в части обмотки, являющейся общей для обеих цепей автотрансформатора, устанавливается уменьшенный ток что позволяет выполнить ее более тонким проводом и сэкономить цветной металл. Одновременно с этим уменьшается расход стали на изготовление магнитопровода, сечение которого получается меньше, чем у трансформатора.

В электромагнитных преобразователях энергии - трансформаторах - передача энергии из одной обмотки в другую осуществляется магнитным полем, энергия которого сосредоточена в магнитопроводе. В автотрансформаторах передача энергии осуществляется как магнитным полем, так и за счет электрической связи между первичной и вторичной обмотками.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3 - Трансформатор и автотрансформатор

 

Автотрансформаторы успешно конкурируют с двухобмоточными трансформаторами, когда их коэффициент трансформации - мало отличается от единицы и но более 1,5 - 2. При коэффициенте трансформации свыше 3 автотрансформаторы себя не оправдывают.

В конструктивном отношении автотрансформаторы практически не отличаются от трансформаторов. На стержнях магнитопровода располагаются две обмотки. Выводы берутся от двух обмоток и общей точки. Большинство деталей автотрансформатора в конструктивном отношении не отличаются от деталей трансформатора.

Лабораторные автотрансформаторы (ЛАТРы)

Автотрансформаторы применяются также в низковольтных сетях в качестве лабораторных регуляторов напряжения небольшой мощности (ЛАТР). В таких автотрансформаторах регулирование напряжения осуществляется при перемещении скользящего контакта по виткам обмотки.

Лабораторные регулируемые однофазные автотрансформаторы состоят из кольцеобразного ферромагнитного магнитопровода, обмотанного одним слоем изолированного медного провода (рис. 4).

От этой обмотки сделано несколько постоянных ответвлений, что позволяет использовать эти устройства как понижающие или повышающие автотрансформаторы с определенным постоянным коэффициентом трансформации. Кроме того, на поверхности обмотки, очищенной от изоляции, имеется узкая дорожка, по которой перемещают щеточный или роликовый контакт для получения плавно регулируемого вторичного напряжения в пределах от нуля до 250 В.

При замыкании соседних витков в ЛАТР не происходит витковых замыканий, так как токи сети и нагрузки в совмещенной обмотке автотрансформатора близки друг к другу и направлены встречно.

Лабораторные автотрансформаторы изготовляют номинальной мощностью 0,5; 1; 2; 5; 7,5 кВА. 

 

 

 

 

 

 

                  Рис. 4 - Схема лабораторного регулируемого однофазного автотрансформатора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5 - Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР)

 

Трехфазные автотрансформаторы

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

В трехфазных автотрансформаторах фазы обычно соединяют звездой с выведенной нейтральной точкой (рис. 6). При необходимости понижения напряжения электрическую энергию подводят к зажимам А, В, С и отводят от зажимов а, b, с, а при повышении напряжения - наоборот. Их применяют в качестве устройств для снижения напряжения при пуске мощных двигателей, а также для ступенчатого регулирования напряжения на зажимах нагревательных элементов электрических печей. 

 

 

 

 

 

Рис. 6 - Схема трехфазного автотрансформатора с соединением фаз обмотки звездой с выведенной нейтральной точкой

 

Трехфазные высоковольтные трехобмоточные трансформаторы используются также в высоковольтных электрических сетях.

Трехфазные автотрансформаторы, как правило, на стороне высшего напряжения соединяются в звезду с нулевым проводом. Соединение в звезду обеспечивает снижение напряжения, на которое рассчитывается изоляция автотрансформатора.

Применение автотрансформаторов улучшает КПД энергосистем, обеспечивает снижение стоимости передачи энергии, но приводит к увеличению токов короткого замыкания. 

 

4. Преимущества и недостатки автотрансформаторов

Преимущества

При благоприятном соотношении первичного и вторичного напряжений автотрансформатор имеет существенные преимущества перед трансформатором с тем же соотношением напряжений и той же проходной мощностью. Автотрансформатор имеет меньшие массу, размеры, потери холостого хода и нагрузочные, намагничивающий ток и сопротивление короткого замыкания.

Как известно, линейные размеры трансформатора пропорциональны его мощности в степени 0,25 (S0,025), а объем и масса — в степени 0,75 (S0,75) при прочих равных условиях.

Таким образом, чем меньше типовая мощность по сравнению с проходной, тем меньше размеры, масса и потери автотрансформатора. Так при типовой мощности вдвое меньшей проходной, масса потери и ток холостого хода автотрансформатора будут на 10% меньше, чем у трансформатора той же проходной мощности. Благодаря снижению потерь повышается коэффициент полезного действия. Снижение сопротивления короткого замыкания позволяет уменьшить напряжения при работе автотрансформатора.

Сниженные масса и размеры автотрансформатора создают более благоприятные условия для его доставки к месту установки. В случае необходимости трансформации очень большой мощности, например при связи двух очень мощных энергосистем, только автотрансформатор может быть изготовлен в пределах транспортных ограничений по массе и габаритным размерам, т. е. в одной транспортной единице.

 

Недостатки

Наличие гальванического соединения обмоток в автотрансформаторе имеет следствием определенные недостатки.

Как правило, обмотки автотрансформатора соединяют в звезду с заземленной нейтралью. Другие соединения теоретически возможны, но связаны с определенными неудобствами и поэтому применяются крайне редко. Режим заземления нейтрали обоих систем должен быть одинаковым: глухое заземление или заземление через сопротивление. При этом значение сопротивления должно быть таким, чтобы не возникало недопустимых напряжений на вводах СН здоровых фаз при замыкании на землю одной фазы в системе ВН.

Такая опасность возрастает по мере увеличения разницы напряжений двух систем. По той же причине не применяются автотрансформаторы в системах с заземленной нейтралью.

Высокие потенциалы грозовых перенапряжений на холостом вводе автотрансформатора при воздействии волны перенапряжений на другой ввод вызывают необходимость установки на вводах разрядников, не отключаемых при отключении линии, присоединенной к этому вводу.

Последовательная обмотка автотрансформатора и его продольная изоляция может подвергаться очень жестким грозовым воздействиям в случае, когда значения напряжений двух систем близки. Однако на практике таких сочетаний напряжений не бывает.

Регулировочная обмотка при регулировании в линии ВН или СН подвергается всем воздействиям, нормированным для линейного ввода. Иногда обеспечить электрическую прочность изоляции регулировочной обмотки и переключающего устройства бывает затруднительно, особенно для сверхвысокого напряжения СН (класс 525 кВ и выше).

Сопротивление короткого замыкания автотрансформатора относительно мало, что является причиной более жестких воздействий токов короткого замыкания. Приходится принимать специальные меры для увеличения сопротивления короткого замыкания.

Особого внимания требует обеспечение прочности при однофазных замыканиях. Наличие обмотки НН (третичной обмотки) требует обеспечения ее динамической прочности, например, путем увеличения сопротивления нулевой последовательности (сопротивление в нейтрали или в треугольнике).

 

5. Условия применения автотрансформаторов

По сравнению с обычными трансформаторами тех же параметров, автотрансформаторы имеют меньшие размеры, но требуют определенных условий, ограничивающих их применение в энергосистемах.

Без учета специальных применений, где альтернатива отсутствует, автотрансформаторы должны выбираться после детальною рассмотрения всех условий эксплуатации.

В общем случае решение о применении авютрансформаторов может быть принято при следующих условиях:

— система с заземленной нейтралью;

— система имеет ограниченную мощность короткого замыкания:

— благоприятная ситуация с перенапряжениями;

— коэффициент трансформации, близкий к единице (0,5—2);

— сбалансированная нагрузка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В энергетике автотрансформаторы широко применяются в высоковольтных сетях для связи между энергетическими системами с соседними значениями напряжений – к примеру 110 и 220 тысяч вольт, 220 и 500 тысяч вольт, 330 или 500 и 750 тысяч вольт. Мощность силовых автотрансформаторов при этом может достигать многих сотен мегавольт-ампер. В трехфазных сетях применяются трехфазные автотрансформаторы, обмотки которых соединены в звезду или треугольник, наиболее распространены соединение в звезду, при этом нулевая точка либо заземляется, либо присоединяется к нейтральному проводу. В промышленности автотрансформаторы применяются прежде всего при пуске синхронных и асинхронных электродвигателей переменного тока.

Преимуществами автотрансформаторов по сравнению с двухобмоточными трансформаторами при одинаковой полезной мощности являются существенно меньшие потери электроэнергии, а следовательно и выше их КПД, а также меньшие изменения выходных напряжений при изменениях нагрузок и меньший расход активных материалов и следовательно автотрансформаторы имеют значительно меньшие размеры и массу. Многие электротехнические компании предлагают потребителям широкий выбор различных по назначению и конструкции автотрансформаторов.

Вместе с тем, при безусловных своих преимуществах автотрансформаторы не лишены, к сожалению, и серьезных недостатков и прежде всего при их эксплуатации. В связи с тем, что цепь вторичного пониженного напряжения имеет электрическую связь с первичным повышенным напряжением, для нее требуется более высокая степень изоляции. Кроме того не исключается проникновение во вторичную цепь пониженного напряжения   всякого рода перенапряжения в первичной цепи. Вообще любые электротехнические устройства, агрегаты и приборы требуют внимательного профессионального обращения с ними, потому что электрический ток является потенциально опасным для человека и не прощает ошибок, небрежного или халатного отношения.

 

 

 

Список используемой литературы

 

1. Токарев Б. Ф. Электрические машины: Учеб. пособие для вузов.- М.: Энэргоатоииздат, 1990.-624 с.: ил.
2. Лотоцкий К. В. Электрические машины и основы электропривода. М.: Издательство «Колос» 1964.-495 с.: ил
3. С.Д.Лизунов  А.К.Лоханин "Силовые трансформаторы"