05.02.2023     0
 

Чем принципиально отличается автотрансформатор (autotransformer) от трансформатора


Трансформаторы и автотрансформаторы используются для повышения или понижения уровня напряжения. Но почему для одной и той же цели используются, казалось бы, разные устройства? В чем их принципиальные различия и сходства?

Виды трансформаторов

Виды трансформаторов

Определения

Давайте дадим определения этим двум устройствам:

Трансформатор

Трансформатор — статическое электромагнитное устройство, включающее в свою конструкцию две или более индуктивно связанных обмоток, намотанных на магнитопровод и предназначенное для преобразования переменного напряжения одной величины в другое без изменения величины передаваемой мощности.

Главная особенность трансформатора состоит в том, что первичная и вторичная обмотки в нем гальванически развязаны (то есть нет прямого электрического контакта), между ними есть только магнитная связь. Схематично это выглядят так:

Схема трансформатора

Схема трансформатора

Областей, в которых используются трансформаторы очень много: электроэнергетические системы, системы электроснабжения городов и предприятий, электронная техника и многие другие. Наиболее мощные трансформаторы используются в электроэнергетических системах. Как правило, в таких системах используют классы напряжения 750 кВ, 500 кВ, 220 кВ, 110 кВ. В сетях городов и промышленных предприятий преобладают классы напряжения 35 кВ, 10 кВ, 6 кВ, иногда 20 кВ. В электронных устройствах могут применяться различны классы напряжения: 110 В, 45 В, 5 В и многие другие.

Существуют понижающие и повышающие трансформаторы. Применительно к электроэнергетическим системам, понижающие трансформаторы устанавливаются на узловых, проходных, тупиковых понижающих подстанциях, на главных понизительных подстанциях предприятий и городских сетей. На трансформатор такой подстанции приходит высокое напряжение, а уходит с него низкое напряжение. Например, на силовые трансформаторы узловой подстанции приходит напряжение 500 кВ, а уходит напряжение 220 кВ.

Повышающие трансформаторы работают в составе распределительных устройств электростанций, повышая напряжение от 6, 10, 18 или 24 кВ (так называемые генераторные напряжения) до напряжений, характерных для энергосистем (35-750 кВ)

Трансформатор

Трансформатор

Трансформаторы могут быть двух или трехобмоточными. У двухобмоточного трансформатора два класса напряжения – высший и низший, например, 110/6 кВ, а у трехобмоточного трансформатора три класса напряжения: высший, средний и низший, например, 110/35/6 кВ.

Автотрансформатор

Автотрансформатор — тип трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки электрически соединены между собой. При этом одна обмотка имеет не менее трех выводов, соединив их можно получить напряжения разных классов.

Схематично их можно представить следующим образом:

Схема автотрансформатора

Схема автотрансформатора

Следует подчеркнуть, что автотрансформаторы не имеют гальванической развязки, то есть в аварийной ситуации (пробое) первичное высокое напряжение вполне может быть подано на низкую сторону, что выведет из строя все устройства, подключенные в качестве нагрузки к низкой стороне.

Автотрансформаторы бывают с фиксированным и регулируемым выходным напряжением. Регулируемые версии включают такие продукты, как лабораторный автотрансформатор (ЛАТР).

Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР)

Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР)

Автотрансформаторы, также, как и трансформаторы могут быть как понижающими, так и повышающими. В электроэнергетических системах автотрансформаторы зачастую применяются на мощных подстанциях по причине меньшей материалоемкости в сравнении с трансформаторами аналогичной мощности.

Количество обмоток в автотрансформаторе напрямую связано с количеством фаз. Другими словами, если нам нужен автотрансформатор в однофазной сети, то он будет однообмоточный, если в трехфазной сети, то трехобмоточный.

Кратко о принципе действия

Примечание. Далее мы рассмотрим так называемые идеальные трансформаторы, где падением напряжения можно пренебречь. Это означает, что выполняется следующее равенство U1 = E1 и U2 = E2.

Кратко расскажем о принципах работы этих двух устройств.

Итак, как мы знаем, трансформатор имеет как минимум пару обмоток, которые намотаны на сердечник и изолированы друг от друга.

Обозначение обмоток трансформатора

Обозначение обмоток трансформатора

Если на первичную обмотку подать переменное напряжение от сети или от другого источника тока, то протекающий в ней ток создает магнитное поле, поток вектора магнитной индукции этого поля сцепляется с витками вторичной обмотки, наводя в ней напряжение. Магнитопровод служит усилителем магнитного поля, в силу своей хорошей магнитной проводимости.

В этом случае разность напряжений между первичной и вторичной обмотками находится по соотношению их витков (коэффициент трансформации).

Uп/Ud=n1/n2

Где n1,n2 – количество витков на первичной и вторичной обмотке соответственно

Теперь скажем несколько слов об автотрансформаторе.

Электромагнитная схема автотрансформатора

Электромагнитная схема автотрансформатора

Схема понижающего автотрансформатора построенного из обычного трансформатора

Схема понижающего автотрансформатора построенного из обычного трансформатора

Предположим, что к виткам W1 обмотки автотрансформатора подключен источник переменной энергии, а к виткам W2 подключен потребитель. При протекании переменного тока в обмотке автотрансформатора образуется переменный магнитный поток, который формирует в обмотке электродвижущую силу, находящуюся в прямой зависимости от числа витков.

Это означает, что части обмотки, где витки W1, образованы U1 и, следовательно, где W2 образованы U2.

Коэффициент трансформации для автотрансформатора определяется по тому же принципу, что и для обычного трансформатора, с помощью следующего уравнения:

К = U1/U2 = W1/W2

Существенные отличия начинаются при рассмотрении протекающих токов.

Так как у нас подключена нагрузка, то в части обмотки с числом витков W2 образуется ток I2.

В верхней половине обмотки, где количество витков (W1-W2), протекает ток I1, который будет значительно отличаться от тока, протекающего в нижней обмотке (W2). В нижнюю обмотку протекает результирующий ток, который, согласно правилу Ленца, будет равен I2-I1.

А это значит, что в части обмотки, с которой подается напряжение к потребителю, ток будет значительно меньше, чем в токе в нагрузке, то есть выражение верно.

I 2- I 1<< I 2

Этот эффект позволяет значительно удешевить саму обмотку, что снижает себестоимость изделия.

Преимущества и недостатки

Преимущества и недостатки автотрансформатора

Итак, сначала давайте рассмотрим преимущества и недостатки автотрансформатора.

Достоинства и недостатки автотрансформатора
Достоинства (Данные достоинства актуальны только при условии что коэффициент трансформации K≤2)Недостатки
Меньший расход стали при производстве сердечникаДля нормальной работы требуется глухозаземленная нейтраль, что приводит к увеличению токов к.з.
Меньший расход меди при производстве обмотокЭлектрическая связь стороны ВН со стороной НН требует усиления изоляции между обмотками и корпусом
Меньшие габариты конструкцииЭлектрическая связь повышает опасность попадания ВН на сторону НН
Высокий КПД до 99%
Меньшие потери на обмотках и магнитопроводе
Часть электроэнергии передается за счет электрической связи

Теперь давайте узнаем о преимуществах и недостатках трансформатора

Достоинства и недостатки трансформатора
Достоинства Недостатки
Присутствует гальваническая развязка, что гарантирует непопадания высокого напряжения ВН на ННВысокий расход меди при производстве катушек
Высокая степень надежностиВысокий расход стали при производстве сердечника
Простота конструкцииВысокая стоимость производства
Эффективная эксплуатация в любой режим нагрузки (в том числе быстрый запуск из выключенного состояния на полную мощность)

Область использования

Классический трансформатор можно встретить практически везде: от самой обычной зарядки до огромных электростанций на крупных высоковольтных станциях.

Автотрансформаторы также довольно распространены. Хорошо известен лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), но силовые автотрансформаторы также можно встретить в сетях, где есть заземленная нейтраль.

Статья была проверена и отредактирована экспертом нашего сайта

Саксонов А.С.

Научный сотрудник Самарского государственного технического университета, кафедра теоретическая и общая электротехника (Самара)

 Подробнее об эксперте 


Ваш комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *