Однофазные и трехфазные автотрансформаторы

В ряде случаев при передаче электроэнергии требуется соединить через трансформатор электрические цепи, отношение номинальных напряжений которых не превышает 2, например, цепи высокого напряжения 11О и 220 кВ. В подобных случаях экономически целесообразно вместо трансформатора применить автотрансформатор, так как его КПД выше, а размеры меньше, чем у трансформатора той же номинальной мощности.

Автотрансформатор отличается от трансформатора тем, что имеет лишь одну обмотку — обмотку высшего напряжения, а обмоткой низшего напряжения служит часть обмотки высшего напряжения. Обмотка высшего напряжения автотрансформатора может быть первичной (рис. 7.25, в) или вторичной (рис. 7.25, б). При заданном первичном напряжении автотрансформатора и числе витков w₁ амплитуду магнитного потока Ф_m в магнитопроводе можно считать вполне определенной, так как

(7.55)

(равенство получается для идеализированного трансформатора). Этот магнитный поток индуктирует в каждом витке обмотки ЭДС, практически не зависящую от тока в обмотке. Следовательно, постоянными поддерживаются и напряжения между отдельными частями обмотки. Напряжения и токи автотрансформатора связаны теми же приближенными соотношениями, что и в трансформаторе

(7.56)

Ток в общей части обмотки равен разности первичного I₁ и вторичного I₂ токов (рис. 7.25). Фазы этих токов, так же как у трансформатора (рис. 7.10), почти одинаковые, поэтому, пренебрегая влиянием намагничивающего тока I_1x, можно считать, что в общей части обмотки действующее значение тока равно разности │I₁ – I₂ │.

Если коэффициент трансформации n₁₂ = w₁ / w₂ лишь немного отличается от единицы, то действующие значения токов I₂ и I₁ почти одинаковые и их разность | I₂ – I₁ | мала по сравнению с каждым из них. Поэтому общую часть первичной и вторичной обмоток можно сделать из значительно более тонкого провода, т. е. стоимость обмотки автотрансформатора меньше, чем обмоток трансформатора, и для ее размещения требуется меньше места.

Размеры трансформатора зависят от его расчетной полной мощности

(7.57)

т. е. номинальной полной мощности в сопротивлении нагрузки транс­форматора, а у автотрансформатора его расчетная полная мощность S_ат меньше полной мощности в сопротивлении нагрузки.

Расчетная полная мощность общей части обмотки автотрансформатора (рис. 7.25, а)

(7.58)

расчетная полная мощность остальной части обмотки

(7.59)

а так как приближенно

(7.60)

то

. (7.61)

Расчетная полная мощность каждой из обмоток обычного трансформатора

(7.62)

Рис. 7.25

Рис. 7.26

Следовательно, при одной и той же полной мощности в сопротивлении нагрузки получается следующее соотношение между расчетными полными мощностями автотрансформатора и трансформатора:

(7.63)

т. е. чем меньше различаются числа витков w₂ и w₁, тем выгоднее применение автотрансформатора.

Итак, преимущества автотрансформатора уменьшаются с увеличением коэффициента трансформации. Кроме того, только при высшем и низшем напряжениях одного порядка электрическое соединение цепей высшего и низшего напряжений не встречает препятствий. Но автотрансформатор нельзя применить, например, для питания распределительной сети 220 В от сети высокого напряжения 6000 В. При таком автотрансформаторе не только пришлось бы рассчитать изоляцию распределительной сети на 6000 В, что чрезвычайно увеличило бы ее стоимость, но и пользоваться такой распределительной сетью было бы опасно для жизни.

Изменением положения точки (а) на обмотке автотрансформатора (рис. 7.25) можно плавно регулировать вторичное напряжение, например, в лабораторных автотрансформаторах (ЛАТР), у которых одним из выводов вторичной цепи служит подвижный контакт. Обмотки трехфазных автотрансформаторов обычно соединяются звездой с выведенной нейтральной точкой или без нее (рис. 7.26).