Autotransformatory — urządzenie, zasada działania, zalety i wady

Przeznaczenie, urządzenie i zasada działania autotransformatorów

W niektórych przypadkach konieczna jest zmiana napięcia w niewielkim zakresie. Najprostszym sposobem na to nie jest transformatory z podwójnym uzwojeniemoraz pojedyncze uzwojenia zwane autotransformatorami. Jeśli współczynnik transformacji różni się nieco od jedności, wówczas różnica między wielkością prądów w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym będzie niewielka. Co się stanie, jeśli połączysz dwie cewki? Otrzymasz schemat autotransformatora (ryc. 1).

Autotransformatory są klasyfikowane jako transformatory specjalnego przeznaczenia. Autotransformatory różnią się od transformatorów tym, że ich uzwojenie niskiego napięcia jest częścią uzwojenia wyższego napięcia, to znaczy obwody tych uzwojeń mają nie tylko połączenie magnetyczne, ale także galwaniczne.

W zależności od włączenia uzwojeń autotransformatora może wystąpić wzrost lub spadek napięcia.

Ryż.1 Schematy autotransformatorów jednofazowych: a-step-down, b-step-up.

Jeśli podłączysz zmienne źródło napięcia do punktów A i X, wówczas w rdzeniu pojawi się zmienny strumień magnetyczny. W każdym zwoju cewki będzie indukowane pole elektromagnetyczne o tej samej wielkości. Oczywiście między punktami a i X będzie SEM równe SEM jednego obrotu pomnożonej przez liczbę zwojów zamkniętych między punktami a i X.

Jeśli podłączysz do cewki w punktach a i X dowolne obciążenie, wówczas prąd wtórny I2 przejdzie przez część cewki i znajdzie się między punktami a i X. Ale ponieważ prąd pierwotny przepływa przez te same zwoje I1, to dwa prądy sumuje się geometrycznie i wzdłuż odcinka aX popłynie bardzo mała ilość prądu, określona przez różnicę między tymi prądami. Pozwala to na wycięcie części uzwojenia z drutu o małej średnicy w celu zaoszczędzenia miedzi. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że ta sekcja stanowi większość wszystkich obrotów, to gospodarka miedzią jest bardzo zauważalna.

Dlatego zaleca się stosowanie autotransformatorów w celu nieznacznego zmniejszenia lub zwiększenia napięcia, gdy w części uzwojenia zostanie ustawiony zmniejszony prąd, który jest wspólny dla obu obwodów autotransformatora, co pozwala na zastosowanie cieńszego drutu i oszczędność metali nieżelaznych metale. Jednocześnie zmniejsza się zużycie stali do produkcji obwodu magnetycznego, którego przekrój jest mniejszy niż przekrój transformatora.

W elektromagnetycznych przetwornikach energii - transformatorach - przenoszenie energii z jednej cewki do drugiej odbywa się za pomocą pola magnetycznego, którego energia jest skoncentrowana w obwodzie magnetycznym.W autotransformatorach energia jest przenoszona zarówno przez pole magnetyczne, jak i przez połączenie elektryczne między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym.

Transformator i autotransformator

Autotransformatory z powodzeniem konkurują z transformatorami dwuuzwojeniowymi, gdy ich przekładnia różni się nieznacznie od jedności i jest większa niż 1,5 — 2. Gdy przekładnia jest większa niż 3, autotransformatory nie mają uzasadnienia.

Strukturalnie autotransformatory praktycznie nie różnią się od transformatorów. Na rdzeniach obwodu magnetycznego znajdują się dwie cewki. Przewody są pobierane z dwóch uzwojeń i wspólnego punktu.Większość części autotransformatora jest strukturalnie nie do odróżnienia od części transformatora.

Autotransformatory laboratoryjne (LATR)

Autotransformatory są również stosowane w sieciach niskiego napięcia jako laboratoryjne regulatory napięcia małej mocy (LATR). W takich autotransformatorach regulacja napięcia odbywa się poprzez przesuwanie styku ślizgowego wzdłuż zwojów uzwojenia.

Sterowane laboratoryjnie jednofazowe autotransformatory składają się z pierścieniowego ferromagnetycznego obwodu magnetycznego owiniętego pojedynczą warstwą izolowanego drutu miedzianego (rys. 2).

Z tego uzwojenia wykonuje się kilka stałych odczepów, co pozwala na stosowanie tych urządzeń jako autotransformatorów obniżających lub podwyższających z pewnym stałym współczynnikiem transformacji. Dodatkowo na powierzchni cewki, oczyszczonej z izolacji, znajduje się wąska ścieżka, po której porusza się styk szczotki lub wałka, aby uzyskać płynnie regulowane napięcie wtórne w zakresie od zera do 250 V.

Kiedy sąsiednie zwoje są zamknięte w LATR, nie następuje zamknięcie zwoju, ponieważ prądy linii i obciążenia w połączonym uzwojeniu autotransformatora są blisko siebie i w przeciwnych kierunkach.

Autotransformatory laboratoryjne produkowane są z mocą nominalną 0,5; 1; 2; 5; 7,5 kVA.

Schemat kontrolowanego laboratoryjnie jednofazowego autotransformatora

Autotransformator laboratoryjny (LATR)

Autotransformatory trójfazowe

Wraz z jednofazowymi autotransformatorami dwuuzwojeniowymi często stosuje się trójfazowe autotransformatory dwuuzwojeniowe i trójfazowe trójuzwojeniowe.

W autotransformatorach trójfazowych fazy są zwykle połączone w gwiazdę z zaostrzonym punktem neutralnym (ryc. 3). Jeśli konieczne jest zmniejszenie napięcia, energia elektryczna jest dostarczana do zacisków A, B, C i odbierana z zacisków a, b, s, a przy wzroście napięcia — odwrotnie. Stosowane są jako urządzenia do redukcji napięcia podczas rozruchu silników o dużej mocy, a także do stopniowej regulacji napięcia na zaciskach. elementy grzejne piekarniki elektryczne.

Ryż. 3. Schemat autotransformatora trójfazowego z połączeniem gwiazdowym faz uzwojenia z usuniętym punktem neutralnym

Trójfazowe transformatory wysokiego napięcia z trzema uzwojeniami są również stosowane w sieciach elektrycznych wysokiego napięcia.

Trójfazowe autotransformatory z reguły po stronie wyższego napięcia są połączone w gwiazdę z przewodem neutralnym. Połączenie w gwiazdę zapewnia spadek napięcia, dla którego zaprojektowano izolację autotransformatora.

Zastosowanie autotransformatorów poprawia sprawność systemów energetycznych, zmniejsza koszty przesyłu energii, ale prowadzi do wzrostu prądów zwarciowych.

Wady autotransformatorów

Wadą autotransformatora jest konieczność izolowania dwóch uzwojeń dla wyższych napięć, ponieważ uzwojenia są połączone elektrycznie.

Istotną wadą autotransformatorów jest galwaniczne połączenie między obwodem pierwotnym i wtórnym, co nie pozwala na ich stosowanie jako zasilaczy w sieciach 6-10 kV, gdy napięcie spada do 0,38 kV, ponieważ 380 V jest dostarczane do sprzętu, na którym ludzie pracują.

W przypadku awarii spowodowanych obecnością połączenia elektrycznego między uzwojeniami autotransformatora, wyższe napięcie może być przyłożone do dolnego uzwojenia. W takim przypadku wszystkie części instalacji eksploatacyjnej zostaną podłączone do części wysokonapięciowej, co jest niedopuszczalne ze względu na bezpieczeństwo obsługi i możliwość przerwania izolacji części przewodzących podłączonych urządzeń elektrycznych.

Autotransformatory wysokiego napięcia