3.5 Многообмоточные трансформаторы и автотрансформаторы. Многообмоточные трансформаторы.
Наиболее распространены двухобмоточные однофазные трансформаторы (рис. 220, а). При необходимости получения от одного трансформатора нескольких различных напряжений U21, U22, U23 используют многообмоточные трансформаторы, у которых на магнитопроводе расположено несколько вторичных обмоток с различным числом витков. Например, тяговые трансформаторы электровозов имеют обычно четыре обмотки: первичную (высшего напряжения) и три вторичные (низшего напряжения). Одна из них (тяговая) служит для питания через выпрямитель цепи тяговых двигателей, вторая — для питания электрических потребителей собственных нужд (цепей вспомогательных машин, управления, освещения и пр.) и третья — для питания электрических печей отопления пассажирских вагонов. Если на электровозе предусмотрено рекуперативное торможение, то в ряде случаев применяют специальную вторичную обмотку для питания обмоток возбуждения тяговых двигателей в этом режиме. На некоторых электровозах каждый тяговый двигатель питается от собственного выпрямительного блока и в трансформаторе предусматривают соответствующее число вторичных обмоток.
Схемы двухобмоточного (а) и многообмоточного (б) трансформаторов. Автотрансформаторы.
В конструктивном отношении автотрансформатор подобен трансформатору: на стальном магнитопроводе помещены две обмотки, выполненные из проводников различного поперечного сечения. Конец одной обмотки электрически соединяется с началом другой так, что две последовательно соединенные обмотки образуют общую обмотку высшего напряжения.
Обмоткой низшего напряжения, являющейся частью обмотки высшего напряжения, служит одна из двух обмоток автотрансформатора. Таким образом, между обмотками высшего и низшего напряжений автотрансформатора имеется не только магнитная, но и электрическая связь.
Первичное напряжение подведено к зажимам А - х первичной обмотки с числом витков W1. Вторичной обмоткой является часть первичной а - х с числом витков W2.
При холостом ходе I2 = 0, пренебрегая падением напряжения в активных сопротивлениях обмоток, можно записать уравнения равновесия эдс для первичной и вторичной обмоток:
U1 = E1 = 4,44∙W1∙f∙Фm и U2 = E2 = 4,44∙W2∙f∙Фm.
Отношение напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе называется коэффициентом трансформации автотрансформатора, т. е.
U1/U2 = W1/W2 = n.
Если вторичную обмотку автотрансформатора замкмуть на какой-либо приемник энергии, то во вторичной цепи будет проходить ток I2. Пренебрегая потерями энергии, мощность, потребляемую автотрансформатором из сети, можно принять равной мощности, отдаваемой во вторичную сеть, т. е.
P = U1∙I1 = U2∙I2, откуда I1/I2 =W2/W1 = 1/n.
Таким образом, основные соотношения трансформатора остаются без изменения в автотрансформаторах.
В общей части обмотки а - х, принадлежащей сети высшего и низшего напряжения, проходят токи I1 и I2, направленные встречно.
Если пренебречь током холостого хода, величина которого очень мала то можно считать, что токи I1 и I2 сдвинуты по фазе на 180 и ток I12 в части обмотки а - х равен арифметической разности токов вторичной и первичной цепей, т. е.
I12 = I2 - I1 = I2(1 - 1/n).
В понижающем автотрансформаторе ток I12 совпадает по направлению с током I2, в повышающем — направлен противоположно току I2.
Преимуществом автотрансформатора перед трансформатором той же полезной мощности является меньший расход активных материалов - обмоточного провода и стали, меньшие потери энергии, более высокий кпд, меньшее изменение напряжения при изменении нагрузки. Масса провода обмоток автотрансформатора меньше массы провода обмоток трансформатора при одинаковых плотностях тока. Это объясняется тем, что у трансформатора на магнитопроводе имеются две обмотки — первичная с числом витков W1, поперечное сечение провода которой рассчитано на ток I1, и вторичная с числом витков W2, поперечное сечение провода которой рассчитано на ток I2.
У автотрансформатора также две обмотки, но одна из них (часть А — а) имеет число витков ( W1 - W2) из провода, поперечное сечение которого рассчитано на ток I1, а другая (часть а — х) с числом витков W2 из провода, поперечное сечение которого рассчитано на разность токов I2 - I1 = I12.
Поперечное сечение и масса стали магнитопровода автотрансформатора также меньше сечения и массы стали магнитопровода трансформатора. Это объясняется тем, что в трансформаторе энергия из первичной сети во вторичную передается магнитным путем в результате электромагнитной связи между обмотками.
В автотрансформаторе энергия из первичной сети во вторичную частично передается путем электрического соединения первичной и вторичной сети, т. е. электрическим путем. Так как в процессе передачи этой энергии магнитный поток не участвует, у автотрансформатора электромагнитная мощность меньше, чем у трансформатора.
Полезная мощность автотрансформатора при активной нагрузке равна:
Р2 = U2∙I2.
Имея в виду, что I2 = I1 + I12, получим:
Р2 = U2∙I1 + U2∙I12 = Pэ + Pм ,
где Pэ - мощность, электрически поступающая во вторичную обмотку, Рм - электромагнитная мощность автотрансформатора, определяющая необходимый магнитный поток, поперечное сечение и массу стали магнитопровода.
Недостатки автотрансформаторов: малое сопротивление короткого замыкания, что обусловливает большую кратность тока короткого замыкания; возможность попадания высшего напряжения в сеть низшего напряжения из-за электрической связи между этими сетями.
Наличие электрической связи между сетью источника и приемника энергии делает невозможным применять автотрансформатор в том случае, когда приемник энергии имеет заземленный полюс (в выпрямительных устройствах).
Достоинства автотрансформаторов будут выражены тем сильнее, чем коэффициент трансформации ближе к единице. Поэтому автотрансформаторы применяют при небольших коэффициентах трансформации (n = 12).
В трехфазных сетях используют трехфазные автотрансформаторы, обмотки которых обычно соединяются звездой.
