O privire de ansamblu asupra autotransformatorului

 

 

Un autotransformator diferă de un transformator convențional cu două-înfășurări, deoarece are o singură înfășurare continuă, care acționează atât ca primar, cât și ca secundar. Acest lucru duce la formule de calcul unice și avantajoase.

Să definim simbolurile:

: Tensiune și curent primar

: Tensiune și curent secundar

N₁: Numărul total de spire în înfășurarea primară

N₂: Numărul de spire în înfășurarea secundară (care face parte din N₁)

a: Raportul de ture

: Putere de inducție electromagnetică (capacitate de înfășurare)

: Putere aparentă de intrare/ieșire (capacitate de debit)

 

Categorie	Formula	Descriere
Raportul de ture		Aceeași definiție ca un transformator standard
Relația de tensiune		Tensiunea de ieșire este invers proporțională cu raportul
Relația curentă		Curentul de ieșire este direct proporțional cu raportul
Capacitate de ieșire		Puterea totală transmisă de transformator
Capacitate electromagnetică		Putere care determină dimensiunea fizică a transformatorului
Avantaj de capacitate		Formula de bază: Beneficiul este cel mai mare atunci când a este aproape de 1

 

 

 

 

 

Avantajele unui autotransformator

1.Eficiență mai mare, Pierderi mai mici

• Motiv:Deoarece o porțiune a înfășurării este comună ambelor părți, curentul din porțiunea comună este mai mic decât curentul de sarcină pentru aceeași putere. Acest lucru reduce semnificativ pierderile de cupru (pierderi I²R).
• Rezultat:Eficiența este de obicei mai mare decât cea a unui transformator echivalent cu două-înfășurări, mai ales atunci când raportul de spire (K) este aproape de 1 (de exemplu, 230V la 115V).

2. Cost mai mic, dimensiune mai mică și greutate mai mică

• Motiv:Elimină o înfășurare secundară separată, folosind mai puțin material conductiv (cupru/aluminiu) și mai puțin material de miez (oțel siliciu).
• Rezultat:Pentru aceeași capacitate nominală, un autotransformator este mai puțin costisitor, mai mic și mai ușor decât un transformator cu două-înfăşurări. Acest lucru face ca transportul și instalarea să fie mai ușor și mai ieftin.

3. Capacitate excelentă de reglare a tensiunii

• Motiv:Prin furnizarea de robinete multiple sau a unui contact de alunecare (perie) de-a lungul înfășurării, tensiunea de ieșire poate fi reglată ușor și continuu.
• Aplicație:Acesta este principiul de funcționare al unui transformator „variac” sau variabil comun, utilizat pe scară largă în laboratoare și aplicații care necesită un control precis al tensiunii.

4. Impedanță mai mică-de scurtcircuit și o mai bună reglare a tensiunii

• Motiv:Primarul și secundarul sunt cuplate atât electric, cât și magnetic, rezultând o reactanță de scurgere mai mică în comparație cu un transformator cu două-înfăşurări.
• Rezultat:Tensiunea de ieșire rămâne mai stabilă în condiții variate de sarcină, ceea ce duce la o reglare superioară a tensiunii.

 

Dezavantajele unui autotransformator

1. Lipsa izolației electrice (cel mai semnificativ dezavantaj)

• Motiv:Părțile primară și secundară sunt conectate direct electric, spre deosebire de izolarea magnetică oferită de un transformator cu două-înfăşurări.
• Riscuri:

O defecțiune pe partea de-tensiune înaltă (de exemplu, o supratensiune înaltă-) poate fi transmisă direct la partea de-joasă tensiune, reprezentând o amenințare gravă pentru echipamente și personal.

Dacă înfășurarea comună se rupe, tensiunea de intrare completă poate apărea pe sarcină, ceea ce este extrem de periculos.

• Implicare:În aplicațiile în care siguranța este critică, trebuie utilizat un transformator de izolare suplimentar, ceea ce îi anulează avantajele de cost și dimensiune.

2. Curenți-de scurtcircuit mai mari

• Motiv:Datorită inferioarei saleimpedanța de scurt{0}circuit, o defecțiune pe partea secundară va duce la un curent de scurt{0}}circuit mult mai mare decât într-un transformator echivalent cu două-înfășurări.
• Cerinţă:Acest lucru necesită o rezistență mecanică și o stabilitate termică mai ridicate din partea transformatorului însuși, precum și dispozitive de protecție mai robuste și cu capacitate{0}}de rupere- mai robuste (cum ar fi întrerupătoarele și siguranțele).

3. Protecție mai complexă

• Înfășurarea comună face relațiile electromagnetice interne mai complexe decât într-un transformator cu două-înfăşurări. Acest lucru complică configurarea sistemelor de protecție (de exemplu, relee diferențiale), deoarece protecția standard la supracurent nu poate face distincția între defecțiunile interne și funcționarea normală.

4. Aplicație cu raportul de rotații limitate

• Avantajele economice ale unui autotransformator sunt cele mai pronunțate cu un raport de rotație mic (K), de obicei între 1,2 și 2,0. Pentru rapoarte mari (de exemplu, 10:1), economiile de material devin neglijabile, în timp ce lipsa izolării devine un dezavantaj major, făcându-l nepotrivit.

 

 

 

1. Sisteme de alimentare

Aceasta este cea mai semnificativă și-zonă de aplicație cu cea mai mare capacitate pentru autotransformatoare.

(1) Interconectarea rețelei și transformarea tensiunii

• Aplicație:Interconectarea a două sisteme de transmisie de-înaltă tensiune cu niveluri similare de tensiune, de exemplu, conectarea unei rețele de 220 kV la o rețea de 110 kV sau a unui sistem de 500 kV la un sistem de 330 kV.
• De ce este potrivit:În sistemele electrice, nivelurile de tensiune ale diferitelor rețele regionale sunt adesea relativ apropiate (de exemplu, cu un raport mai mic de 3:1). În astfel de cazuri, folosirea unui autotransformator este mult mai economică decât un transformator cu două-înfăşurări, reducând semnificativ costul materialului, pierderile de energie şi amprenta fizică-un avantaj critic pentru transmisia de energie în vrac.

(2) Pornirea centralei electrice/transformatoare auxiliare

• Aplicație:Unitățile mari de generare termică sau nucleară necesită o sursă externă de energie pentru a-și alimenta echipamentele auxiliare (cum ar fi ventilatoare, pompe) în timpul pornirii. Acest transformator de alimentare externă este adesea un autotransformator.
• De ce este potrivit:Tensiunea proprie a generatorului este mare (de exemplu, 20kV), în timp ce tensiunea de putere auxiliară a stației este mai mică (de exemplu, 6kV sau 10kV). Raportul de tensiune nu este mare, ceea ce face din autotransformator o soluție rentabilă și eficientă pentru această aplicație de-capacitate mare.

(3) Reglementarea punctului neutru în trei-faze

• Aplicație:În rețelele de ultra-tensiune (UHV) și de foarte-tensiune (EHV), tensiunea trebuie ajustată pentru a stabiliza sistemul și a gestiona fluxul de putere reactivă.
• De ce este potrivit:Autotransformatoarele au adeseaschimbatoare de apăsarepe înfăşurarea comună (partea neutră) ptreglarea tensiunii. Acest design permite o gamă mai largă de reglare, iar echipamentul-schimbător de robinet are cerințe mai mici de izolație, ceea ce îl face favorabil atât din punct de vedere tehnic, cât și economic.

 

2. Control industrial și motor

(1) Pornire motor cu-tensiune redusă (pornire automată-transformator)

• Aplicație:Pornirea motoarelor mari cu inducție în trei-faze pentru a reduce curentul de pornire și pentru a minimiza scăderile de tensiune în rețeaua de alimentare.
• De ce este potrivit:În timpul pornirii, motorului i se aplică o tensiune redusă prin robinete de pe autotransformator. Odată ce motorul se apropie de viteza nominală, este comutat la tensiunea de linie completă. Această metodă oferă un cuplu de pornire mai mare în comparație cu metoda Star-Delta și este foarte eficientă la limitarea curentului de pornire. Deoarece este utilizat pe durate scurte, beneficiile de dimensiune și cost ale autotransformatorului sunt pe deplin realizate.

(2) Surse variabile de tensiune AC și compensatoare de tensiune

• Aplicație:Folosit ca sursă de alimentare AC reglabilă continuu în laboratoare sau pentru echipamente industriale unde stabilitatea precisă a tensiunii nu este critică.
• De ce este potrivit:O perie de carbon glisantă se mișcă de-a lungul spirelor expuse ale înfășurării, permițând o ajustare lină a tensiunii de ieșire. Acest design este simplu, robust și cu costuri reduse-, ceea ce îl face ideal pentru aplicațiile care necesită tensiune flexibilă.

 

3. Laborator & Testare

(1) Sursă de alimentare variabilă AC (Variac)

• Aplicație:În laboratoarele de electronică și pentru experimente educaționale, pentru a oferi o tensiune AC reglabilă de la zero la puțin peste tensiunea de linie.
• De ce este potrivit:Este simplu, durabil, ieftin și oferă o ieșire cu undă sinusoidală pură (spre deosebire de regulatoarele electronice cu stare solidă-), făcându-l perfect potrivit pentru experimentare și testare.

 

4. Electrificarea Căilor Ferate

(1) Sisteme de alimentare cu energie de tracțiune (sistem AT)

• Aplicație:În unele electricesistemele feroviare(de exemplu, sisteme de curent alternativ mai vechi), este utilizat sistemul de alimentare cu autotransformator (AT).
• De ce este potrivit:Sistemul AT folosește autotransformatoare pentru a reduce tensiunea de transmisie înaltă (de exemplu, 110 kV sau 220 kV) la tensiunea utilizată de catenaria aeriană (de exemplu, 25 kV sau 55 kV). Reduce simultan interferența electromagnetică cu liniile de comunicație și permite distanțe mai mari între stații, făcându-l deosebit de potrivit pentru căile ferate de-viteză mare și de transport greu-.

 

 

„Simplitatea” unui autotransformator este doar superficială. Designul și producția sa sunt impregnate de inginerie și măiestrie la nivel de maestru-.

1. Detaliile proiectării bobinării

Înfășurarea servește atât ca primar, cât și ca secundar, creând complexități de design unice care nu se găsesc în transformatoarele de izolare.

(1) Distribuția curentului și dimensionarea ne-uniformă a conductorului:

• Provocarea de bază:Înfășurarea este împărțită înÎnfășurare în serie(portiunea nu este comuna ambelor parti) si celÎnfășurare comună(partea partajată atât de intrare cât și de ieșire). Curenții care curg prin aceste secțiuni sunt diferiți.

-TheÎnfășurare în serietransportă doar „curentul de transfer” legat de diferența dintre tensiunile de intrare și de ieșire.

-TheÎnfășurare comunătransportă „curentul auto-indus” mai mic, care este o funcție a curentului de sarcină și a raportului de spire.

• Rezoluție tehnică:Calculele precise ale curentului sunt esențiale. TheÎnfășurarea comună poate fi înfășurată cu un conductor cu secțiune transversală mai mică-deoarece transportă mai puțin curent, în timp ce înfășurarea în serie necesită un conductor mai mare. Acestdesign ne-uniform, cu secțiune-transversală-variabilăeste cheia pentru obținerea unei greutăți ușoare, a costurilor reduse și a eficienței ridicate, dar complică semnificativ procesul de înfășurare, necesitând scheme și scule precise.

(2) Echilibrul electromagnetic și forțele de scurt{1}circuit:

• Provocarea de bază:Datorită asimetriei structurale inerente (borne de-tensiune înaltă, terminale de-joasă tensiune și robinete, toate situate pe o singură înfășurare), obținerea perfectăAmperi-Echilibrul de turăeste mai dificil decât într-un transformator de izolare. Învârtirile de amplificare-neechilibrate creează o putere puternicăcâmp magnetic parazit (flux de scurgere).
• Rezoluție tehnică:

1. Simulare EM sofisticată:Software-ul avansat de simulare a câmpului electromagnetic este esențial pentru a optimiza în mod iterativ aranjamentul înfășurării, înălțimea și dimensiunile radiale pentru a minimiza fluxul de scurgere.
2. Gestionarea forțelor electrodinamice de scurt{0}circuit:În timpul unui scurt-circuit, curenții de defect masiv care interacționează cu câmpul puternic de scurgere generează forțe electromecanice extraordinare (forța Lorentz) care caută să distorsioneze și să zdrobească înfășurarea. În autotransformatoare, aceste forțe pot fi foarte asimetrice. În consecință, celcontravântuirea mecanică a înfășurărilor trebuie să fie excepțional de robustă. Distanțierele izolatoare de înaltă-rezistență, plăcile de prindere și bastoanele de susținere sunt utilizate pentru a crea o structură „cușcă” care blochează în siguranță înfășurările, prevenind deformarea sau deteriorarea în cazul șocurilor repetate sau bruște de scurt-circuit.

 

 

2. Peria de cărbune cu reglare-tensiunii – „Inima” și „Gâtul de sticlă”

Pentru autotransformatoarele variabile (variabile), peria de carbon glisantă este cea mai critică și mai vulnerabilă componentă.

(1) Cerințe stricte de material:

• Provocarea de bază:Peria trebuie să îndeplinească simultan proprietăți multiple, adesea conflictuale.
• Rezoluție tehnică:Este de obicei realizat dintr-unmaterial compozit de metal-grafit.

1. TheGrafitoferă auto--lubrifiere și rezistență la uzură, asigurând o alunecare lină și o durată lungă de viață.
2. TheMetal (de exemplu, cupru, pulbere de argint)asigură o conductivitate electrică ridicată, asigurând o rezistență de contact minimă.
3. Raportul precis și procesul de sinterizare ale acestui compozit sunt secretele de bază ale producătorului.

(2) Criticitatea fiabilității contactului:

• Provocarea de bază:Interfața dintre peria de cărbune și înfășurare este acontact electric alunecos. Oricecontact slabduce la defecțiuni catastrofale: Rezistență de contact crescută → Supraîncălzire localizată → Scântei electrice și arc electric → Eroziunea și deteriorarea permanentă atât a suprafeței de înfășurare, cât și a periei.
• Rezoluție tehnică:

1. Prelucrare ultra-de precizie a suprafeței de contact:Pista de contact expusă a înfășurării nu poate fi din cupru gol. Trebuie să fielustruit până la o oglindă-finisaj neted, fără bavuri sau imperfecțiuni.
2. Placare avansată a suprafeței:Această pistă este adeseaplacat cu un strat de argint sau aliaj de argint. Argintul oferă o conductivitate superioară și o rezistență la oxidare, menținând o-rezistență scăzută la contact în timp și prevenind defecțiunea termică din cauza oxidării.

• Dissiparea căldurii și managementul uzurii:

1. Provocarea de bază:Punctul de contact este o sursă concentrată de căldură și uzură mecanică.
2. Rezoluție tehnică:Variacele-de mare putere încorporează canale de aer de răcire dedicate sau chiar răcire forțată pentru ansamblul periei. În plus, presiunea de contact al periei și mecanismul arcului trebuie calibrate cu meticulozitate-presiunea prea mică provoacă instabilitate și arc, în timp ce presiunea prea mare accelerează uzura mecanică și crește rezistența la alunecare.

 

3. Managementul termic într-un design compact

(1) Provocarea de bază:Un autotransformator este mai mic și folosește mai puțin material decât un transformator de izolare cu putere nominală echivalentă. Aceasta se traduce prin adensitate mai mare a pierderilor de putere (pierderi de cupru și fier) ​​pe unitate de volum, ceea ce face disiparea căldurii mai dificilă.

(2) Rezoluție tehnică:

• Design termic sofisticat:Proiectarea canalelor de răcire (de exemplu, conductele de ulei din înfășurări, orificiile de ventilație) trebuie să fie optimă, nu doar adecvată. Dinamica fluidelor computaționale (CFD) și simulările termice sunt cruciale pentru a mapa cu precizie fluxul de lichid de răcire și pentru a elimina eventualele puncte fierbinți.
• Metode de răcire îmbunătățite:

1. Ulei-imersat:Autotransformatoarele mari folosesc răcirea cu ulei-imersie cu căi complexe de curgere a uleiului, direcționând uleiul prin cele mai fierbinți părți ale înfășurărilor.
2. Răcit-aer:Autotransformatoarele variabile de tip uscat-au aripioare de răcire eficiente și încorporează adesea ventilatoare pentru răcirea forțată cu aer (AF) sau chiar sisteme mai avansate de răcire forțată cu ulei-.