Обзор автотрансформатора

 

 

Автотрансформатор отличается от обычного трансформатора с двумя-обмотками, поскольку он имеет одну непрерывную обмотку, которая выполняет функции как первичной, так и вторичной обмотки. Это приводит к уникальным и выгодным формулам расчета.

Давайте определимся с символами:

: Первичное напряжение и ток

: Вторичное напряжение и ток

N₁: Общее количество витков в первичной обмотке.

N₂: Число витков вторичной обмотки (которая является частью N₁)

a: Коэффициент оборотов

: Мощность электромагнитной индукции (емкость обмотки)

: Полная входная/выходная мощность (Пропускная способность)

 

Категория	Формула	Описание
Коэффициент поворотов		То же определение, что и у стандартного трансформатора.
Соотношение напряжений		Выходное напряжение обратно пропорционально коэффициенту
Текущее отношение		Выходной ток прямо пропорционален коэффициенту
Выходная мощность		Суммарная мощность, передаваемая трансформатором
Электромагнитная емкость		Мощность, определяющая физический размер трансформатора
Преимущество мощности		Основная формула: Выгода максимальна, когда a близко к 1.

 

 

 

 

 

Преимущества автотрансформатора

1.Более высокая эффективность, Более низкие потери

• Причина:Поскольку часть обмотки является общей для обеих сторон, ток в общей части меньше тока нагрузки при той же пропускной мощности. Это значительно снижает потери в меди (потери I²R).
• Результат:КПД обычно выше, чем у эквивалентного двухобмоточного трансформатора, особенно если коэффициент витков (K) близок к 1 (например, от 230 В до 115 В).

2. Более низкая стоимость, меньший размер и меньший вес.

• Причина:Он устраняет необходимость использования отдельной вторичной обмотки, используя меньше проводящего материала (медь/алюминий) и меньше материала сердечника (кремниевая сталь).
• Результат:При той же номинальной мощности автотрансформатор дешевле, меньше и легче, чем двухобмоточный трансформатор. Это упрощает и удешевляет транспортировку и установку.

3. Отличная возможность регулирования напряжения.

• Причина:Путем установки нескольких отводов или скользящего контакта (щетки) вдоль обмотки можно легко и плавно регулировать выходное напряжение.
• Приложение:Это принцип работы обычного «вариака» или регулируемого трансформатора, широко используемого в лабораториях и приложениях, требующих точного контроля напряжения.

4. Снижение сопротивления короткого-цепи и лучшее регулирование напряжения.

• Причина:Первичная и вторичная обмотки связаны как электрически, так и магнитно, что приводит к более низкому реактивному сопротивлению рассеяния по сравнению с двухобмоточным трансформатором.
• Результат:Выходное напряжение остается более стабильным при различных условиях нагрузки, что приводит к превосходному регулированию напряжения.

 

Недостатки автотрансформатора

1. Отсутствие электрической изоляции (самый существенный недостаток)

• Причина:Первичная и вторичная стороны электрически соединены напрямую, в отличие от магнитной изоляции, обеспечиваемой двухобмоточным трансформатором.
• Риски:

Неисправность на стороне высокого-напряжения (например, скачок высокого-напряжения) может напрямую передаваться на сторону низкого-напряжения, создавая серьезную угрозу для оборудования и персонала.

При обрыве общей обмотки на нагрузке может появиться полное входное напряжение, что крайне опасно.

• Импликация:В приложениях, где безопасность имеет решающее значение, необходимо использовать дополнительный изолирующий трансформатор, что сводит на нет его преимущества в стоимости и размерах.

2. Более высокие токи короткого-замыкания.

• Причина:Из-за своего более низкогосопротивление короткого-замыкания, неисправность на вторичной стороне приведет к гораздо более высокому току короткого-замыкания, чем в эквивалентном двух-обмоточном трансформаторе.
• Требование:Это требует более высокой механической прочности и термической устойчивости самого трансформатора, а также более надежных и более надежных защитных устройств с более высокой -отключающей-способностью (например, автоматических выключателей и предохранителей).

3. Более сложная защита

• Общая обмотка усложняет внутренние электромагнитные взаимоотношения, чем в двухобмоточном трансформаторе. Это усложняет настройку систем защиты (например, дифференциальных реле), поскольку стандартная защита от сверхтоков не может эффективно отличить внутренние неисправности от нормальной работы.

4. Применение с ограниченным коэффициентом поворота

• Экономические преимущества автотрансформатора наиболее выражены при небольшом коэффициенте трансформации (K), обычно от 1,2 до 2,0. При больших соотношениях (например, 10:1) экономия материала становится незначительной, а отсутствие изоляции становится основным недостатком, делающим его непригодным.

 

 

 

1. Энергетические системы

Это наиболее важная и мощная-область применения автотрансформаторов.

(1) Соединение с сетью и преобразование напряжения

• Приложение:Соединение двух систем передачи высокого-напряжения с одинаковыми уровнями напряжения, например соединение сети 220 кВ с сетью 110 кВ или системы 500 кВ с системой 330 кВ.
• Почему это подходит:В энергосистемах уровни напряжения различных региональных сетей зачастую относительно близки (например, с соотношением менее 3:1). В таких случаях использование автотрансформатора гораздо более экономично, чем двухобмоточный трансформатор, что значительно снижает стоимость материала, потери энергии и занимаемую площадь,-что является решающим преимуществом для передачи большой мощности.

(2) Пуск электростанции/вспомогательные трансформаторы

• Приложение:Крупным тепловым или ядерным энергоблокам требуется внешний источник питания для питания вспомогательного оборудования (например, вентиляторов, насосов) во время запуска. Этот внешний трансформатор питания часто является автотрансформатором.
• Почему это подходит:Собственное напряжение генератора высокое (например, 20 кВ), тогда как напряжение собственных нужд станции ниже (например, 6 или 10 кВ). Коэффициент напряжения невелик, что делает автотрансформатор экономически-эффективным и эффективным решением для приложений с высокой-мощностью.

(3) Трех-регулирование нейтральной точки трехфазного

• Приложение:В сетях сверх-высокого напряжения (СВН) и сверх{1}}высокого напряжения (СВН) напряжение необходимо регулировать для стабилизации системы и управления потоком реактивной мощности.
• Почему это подходит:Автотрансформаторы часто имеютпереключатели ответвленийна общей обмотке (нейтральная сторона) длярегулирование напряжения. Такая конструкция обеспечивает более широкий диапазон регулирования, а оборудование РПН- имеет более низкие требования к изоляции, что делает его выгодным как с технической, так и с экономической точки зрения.

 

2. Промышленное управление и управление двигателями

(1) Пуск двигателя при пониженном-напряжении (автоматический-трансформаторный стартер)

• Приложение:Запуск мощных трехфазных асинхронных двигателей-для снижения пускового тока и минимизации провалов напряжения в сети электропитания.
• Почему это подходит:Во время запуска на двигатель через отводы автотрансформатора подается пониженное напряжение. Как только двигатель приближается к номинальной скорости, он переключается на полное сетевое напряжение. Этот метод обеспечивает более высокий пусковой момент по сравнению с методом звезда-треугольник и очень эффективен для ограничения пускового тока. Поскольку автотрансформатор используется в течение короткого времени, его размер и экономическая выгода полностью реализуются.

(2) Источники переменного напряжения и компенсаторы напряжения

• Приложение:Используется в качестве источника переменного тока с плавной регулировкой в ​​лабораториях или для промышленного оборудования, где точная стабильность напряжения не имеет решающего значения.
• Почему это подходит:Скользящая угольная щетка перемещается по открытым виткам обмотки, обеспечивая плавную регулировку выходного напряжения. Эта конструкция проста, надежна и недорога,-что делает ее идеальной для приложений, требующих гибкого напряжения.

 

3. Лаборатория и тестирование

(1) Регулируемый источник питания переменного тока (Variac)

• Приложение:В лабораториях электроники и для образовательных экспериментов для обеспечения регулируемого переменного напряжения от нуля до немного выше сетевого напряжения.
• Почему это подходит:Он прост, надежен, недорог и обеспечивает выходной сигнал чистой синусоидальной волны (в отличие от полупроводниковых-электронных регуляторов), что делает его идеально подходящим для экспериментов и испытаний.

 

4. Электрификация железных дорог

(1) Системы тягового электроснабжения (система АТ)

• Приложение:В некоторых электрическихжелезнодорожные системы(например, в старых системах переменного тока) используется система питания с автотрансформатором (АТ).
• Почему это подходит:В системе AT используются автотрансформаторы для понижения высокого напряжения передачи (например, 110 кВ или 220 кВ) до напряжения, используемого воздушной контактной сетью (например, 25 кВ или 55 кВ). Он одновременно снижает электромагнитные помехи в линиях связи и позволяет увеличить расстояние между подстанциями, что делает его особенно подходящим для высокоскоростных-скоростных и тяжеловесных-железных дорог.

 

 

«Простота» автотрансформатора лишь поверхностна. Его конструкция и производство отличаются высочайшим уровнем инженерного мастерства-.

1. Особенности конструкции обмоток.

Обмотка служит как первичной, так и вторичной, создавая уникальные конструктивные сложности, которых нет в изолирующих трансформаторах.

(1) Распределение тока и не-неравномерность размеров проводников:

• Основная задача:Обмотка разделена наСерийная обмотка(часть, не являющаяся общей для обеих сторон) иОбщая обмотка(часть, разделяемая как входом, так и выходом). Токи, протекающие через эти участки, различны.

-Серийная обмотканесет только «ток передачи», связанный с разницей между входным и выходным напряжениями.

-Общая обмотканесет меньший «авто-индуцированный ток», который зависит от тока нагрузки и коэффициента трансформации.

• Инженерное разрешение:Точные расчеты тока имеют первостепенное значение.Общая обмотка может быть намотана проводником меньшей-площади поперечного сечения.поскольку по нему протекает меньший ток, а для последовательной обмотки требуется проводник большего размера. Этотнеоднородная-неоднородная, переменная-конструкция-поперечного сеченияявляется ключом к достижению легкого веса, низкой стоимости и высокой эффективности, но он значительно усложняет процесс намотки, требуя точных схем и инструментов.

(2) Электромагнитный баланс и силы короткого-замыкания:

• Основная задача:Из-за присущей конструкции асимметрии (клеммы высокого-напряжения, клеммы низкого-напряжения и отводы расположены на одной обмотке) достигается идеальноеАмпер-баланс поворотасложнее, чем в изолирующем трансформаторе. Несбалансированные усилители-создают сильныйрассеянное магнитное поле (поток рассеяния).
• Инженерное разрешение:

1. Сложная ЭМ симуляция:Усовершенствованное программное обеспечение для моделирования электромагнитного поля необходимо для итеративной оптимизации расположения, высоты и радиальных размеров обмотки, чтобы минимизировать поток рассеяния.
2. Управление электродинамическими силами короткого-замка:Во время короткого-замыкания массивные токи повреждения, взаимодействующие с сильным полем утечки, создают огромные электромеханические силы (силы Лоренца), которые стремятся деформировать и разрушить обмотку. В автотрансформаторах эти силы могут быть крайне асимметричными. Следовательно,механическое крепление обмоток должно быть исключительно прочным. Высокопрочные-изолирующие прокладки, зажимные пластины и опорные стойки используются для создания «клеточной» конструкции, которая надежно фиксирует обмотки на месте, предотвращая деформацию или повреждение при повторяющихся или внезапных коротких-сотрясениях цепи.

 

 

2. Угольная щетка, регулирующая-напряжение – «сердце» и «узкое место»

Для регулируемых автотрансформаторов (вариаков) скользящая угольная щетка является наиболее ответственным и наиболее уязвимым компонентом.

(1) Строгие требования к материалам:

• Основная задача:Кисть должна одновременно выполнять несколько, часто противоречивых, свойств.
• Инженерное разрешение:Обычно он изготавливается изкомпозитный металл-графитовый материал.

1. Графитобеспечивает самосмазывание-и износостойкость, обеспечивая плавное скольжение и длительный срок службы.
2. Металл (например, медь, серебряный порошок)обеспечивает высокую электропроводность, обеспечивая минимальное контактное сопротивление.
3. Точное соотношение и процесс спекания этого композита являются основными секретами производителя.

(2) Критичность надежности контакта:

• Основная задача:Интерфейс между угольной щеткой и обмоткой представляет собойскользящий электрический контакт. Любойплохой контактприводит к катастрофическому выходу из строя: Повышенное контактное сопротивление → Локальный перегрев → Электрическое искрообразование и искрение → Эрозия и необратимые повреждения как поверхности обмотки, так и щетки.
• Инженерное разрешение:

1. Сверхточная-точная обработка контактной поверхности:Открытая контактная дорожка обмотки не может быть медной. Должно быть, этоотполированный до зеркала-, гладкий, без каких-либо заусенцев и дефектов.
2. Усовершенствованное покрытие поверхности:Этот трек частопокрытие слоем серебра или серебряного сплава. Серебро обеспечивает превосходную проводимость и стойкость к окислению, сохраняя низкое-контактное сопротивление с течением времени и предотвращая термический отказ из-за окисления.

• Рассеяние тепла и управление износом:

1. Основная задача:Точка контакта является концентрированным источником тепла и механического износа.
2. Инженерное разрешение:Вариаки высокой-мощности оснащены специальными воздуховодами для охлаждения или даже принудительным охлаждением узла щетки. Кроме того, контактное давление щетки и пружинный механизм должны быть тщательно откалиброваны.-слишком малое давление вызывает нестабильность и искрение, а слишком большое давление ускоряет механический износ и увеличивает сопротивление скольжению.

 

3. Управление температурой в компактном дизайне

(1) Основная задача:Автотрансформатор меньше по размеру и использует меньше материала, чем изолирующий трансформатор эквивалентной номинальной мощности. Это переводится какболее высокая плотность потерь мощности (потери в меди и железе) на единицу объема, что затрудняет отвод тепла.

(2) Инженерное разрешение:

• Сложная тепловая конструкция:Конструкция каналов охлаждения (например, масляных каналов внутри обмоток, вентиляционных отверстий) должна быть оптимальной, а не просто адекватной. Вычислительная гидродинамика (CFD) и тепловое моделирование имеют решающее значение для точного картирования потока охлаждающей жидкости и устранения любых потенциальных горячих точек.
• Улучшенные методы охлаждения:

1. Масло-Погружено:В крупных автотрансформаторах используется масляное-иммерсионное охлаждение со сложными направляющими путями потока масла, которые направляют масло через самые горячие части обмоток.
2. С воздушным-охлаждением:Регулируемые автотрансформаторы сухого-типа оснащены эффективными охлаждающими ребрами и часто включают в себя вентиляторы для принудительного воздушного охлаждения (AF) или даже более совершенные системы принудительного масляного-охлаждения.