Регулируемый автотрансформатор

В первую очередь давайте вспомним, что из себя представляет стандартный автотрансформатор и как он устроен — обязательно читайте по ссылке нашу подробную статью об этом.

Из неё вы, в частности, узнаете, что автотрансформатор имеет одну общую обмотку, часть которой является первичной, к ней подключается электрический ток питающей сети, а другая часть — вторичной, к ней подключается нагрузка — какой-нибудь электроприбор.

При этом отводов от основной обмотки может быть несколько, все они с определенным шагом изменяют входящее напряжение, какие-то повышают, а какие-то понижают. Схема стандартного автотрансформатора представлена ниже:

В нашем примере, у автотрансформатора имеется два дополнительных отвода от обмотки а2 и а3 , с коэффициентами трансформации k1 = 1,125 и k2 = 0,9 .

Таким образом, если мы подаём на первичную обмотку переменный ток напряжением 220В, на первом отводе получаем 220/0,9 = 244,4 В, а на втором 220/1,125 = 195,55 В. (Входящее напряжение именно делится на коэффициент трансформации, для получения величины выходного напряжения у автотрансформатора, т.к. формула для определения коэффициента следующая: k=U1/U2, где k – коэффициент трансформации, U1 – входящее напряжение, U2 – получаемое напряжение на отпайках.)

Чаще всего, автотрансформаторы имеют по несколько дополнительных отпаек, которые и формируют вторичные обмотки, несколько ступеней регулирования входящего напряжения и, соответственно, остальных параметров электрического тока.

Главным недостатком такой конструкции автотрансформатора является то, что изменять входящее напряжение можно лишь кратно коэффициентам трансформации существующих отводов от обмотки , а сделать много сложно и не практично, поэтому напряжение может регулироваться лишь ступенчато, с определенным шагом.

Здесь нам и приходит на помощь регулируемый автотрансформатор, он устроен так, что позволяет плавно и достаточно точно изменять входящее напряжение, получая на выходе требуемые величины.

На изображении ниже вы можете видеть устройство стандартного регулируемого автотрансформатора:

Регулируемый автотрансформатор, как и обычный, представляет собой магнитный сердечник с обмоткой из медной проволоки, к которой в точках А1 и Х подключается входящий переменный электрический ток, например, стандартной бытовой электросети 220В.

На этом сходство с обычным автотрансформатором заканчивается, ведь вместо нескольких отводов с разным коэффициентом трансформации, здесь есть всего один контакт, подключенный к подвижному механизму, который может перемещаться по обмотке.

При этом, с части обмотки снят изоляционный слой, в этом месте с ней и контактирует угольная щетка или ролик этого механизма, таким образом создаётся электрическая связь с требуемой частью обмотки.

Способы регулировки тока

Существуют множество способов регулировки тока, и выше мы писали о вторичной и первичной обмотке. На самом деле, это очень грубая классификация, поскольку регулировка еще делится на несколько составляющих. Мы не сможем разобрать все составляющие в рамках этой статьи, поэтому остановимся на наиболее популярных.

Один из самых часто применяемых методов регулировки тока — это добавление баластника на выходе вторичной обмотки. Это надежный и долговечный способ, баластник можно легко сделать своими руками и использовать в работе без дополнительных приборов. Зачастую баластники используют исключительно для уменьшения силы тока.

В этой статье мы подробно описывали принцип работы и особенности использования баластника для сварочного полуавтомата. Там вы найдете подробную инструкцию, как изготовить прибор в домашних условиях и как использовать его в своей работе.

Несмотря на множество достоинств, метод регулировки тока по вторичной обмотке при использовании в связке с трансформатором для сварки может быть не очень удобен, особенно для начинающих сварщиков. Прежде всего, баластник довольно громоздкий и его размер может достигать метра в длину. Еще прибор часто находится под ногами и при этом сильно нагревается, а это грубое нарушение техники безопасности.

Если вы не готовы мириться с этими недостатками, то рекомендуем обратить внимание на метод, когда производится регулировка сварочного тока по первичной обмотке. Для этих целей зачастую используются электронные приборы, которые можно легко сделать своими руками. Такой прибор будет беспроблемно регулировать ток по первичке и не доставит сварщику неудобств при эксплуатации.

Электронный регулятор станет незаменимым помощником дачника, который вынужден проводить сварку в условиях нестабильного напряжения. Часто домам просто не положено использование электроприборов более 3-5 кВт, а это очень ограничивает в работе. С помощью регулятора можно настроить свой аппарат таким образом, чтобы он мог бесперебойно работать даже с учетом низкого напряжения. Также такой прибор пригодится мастерам, которым необходимо постоянно перемещаться с места на место во время работы. Ведь регулятор не нужно таскать за собой, как баластник, и он никогда не станет причиной травм.

Теперь мы расскажем о том, как самому изготовить электронный регулятор из тиристоров.

Вывод

Энергопотери в условиях холостого хода трансформатора связаны с магнитными потерями, потерями в первичной обмотке и изоляционном слое. Для снижения этого показателя до сих пор ведутся работы, несмотря на то, что КПД современных трансформаторов в условиях повышенной нагрузки составляет 99%.

Для снижения показателя утечки энергии необходимо снизить влияние провоцирующих факторов. Чтобы добиться этого, постоянно усовершенствуют технологию создания устройств, используют только прочные материалы, проверяя их экспериментальным путем.

Принцип действия автотрансформатора

Несмотря на особенности строения обмоточной части агрегата, его принцип действия очень напоминает работу обычного трансформатора. По такому же принципу во время циркуляции переменного тока возникает магнитный поток в сердечнике. Его действие на обмотку характеризуется появлением на каждом отдельном витке равновеликой электродвижущей силы. Суммарная ЭДС на отрезке обмотки равна сумме величин токов всех отдельно взятых витков.

Особенностью является то, что по обмотке циркулирует ещё и первичный ток, который оказывается в противофазе к индукционному потоку. Результирующие значения этих токов на участке обмотки, предназначенной для потребителя, получаются меньшими (для понижающего тр.) чем параметры поступающего электричества.

Схема понижающего автотрансформатора

Соотношение величин ЭДС выражается формулой: E₁/E₂ = w₁/w₂ = k , где E – ЭДС, w – количество витков, k – коэффициент трансформации.

Учитывая то, что падение напряжений в обмотках трансформатора невелико – его можно не учитывать. В таком случае равенства: U₁ = E₁; U₂ = E₂ можно считать справедливыми. Таким образом, приведённая выше формула приобретает вид: U₁/U₂ = w₁/w₂ = k, то есть, соотношение напряжений к числу витков такое же, как и для обычного трансформатора.

Не вдаваясь в подробности, заметим, что отношение силы тока верхней катушки к току нагрузки, как и для обычного трансформатора, выражается формулой: I₁/I₂ = w₂/w₁ = 1/k. Отсюда следует, что поскольку в понижающем трансформаторе w₂ < w₁, то I₂ < I₁. Другими словами ток на выходе значительно меньше величины входящего тока. Таким образом, расходуется меньше энергии на нагревание проволоки, что позволяет использовать провода меньшего сечения.

Примечательно, что мощность нагрузки образуют токи электромагнитной индукции и электрической составляющей. Электрическая мощность ( P = U₂*I₁ ) довольно ощутима, в сравнении с индукционной составляющей, поступающей во вторичную цепь. Поэтому, чтобы получить требуемую мощность, используются меньшие значения сечений для магнитопроводов.

Способы регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой

Регулирование напряжения трансформаторов способом РПН производится в принципе так же, как и способом ПБВ, но число ответвлений обмотки, т. е. число регулировочных ступеней, обычно бывает больше, а диапазон регулирования — шире. Так, ГОСТ 12022—76 для трансформаторов мощностью 63—630 кВА установил диапазон регулирования напряжения относительно номинального ±10% ступенями по 1,67% (±6X1,67%). ГОСТ 11920—73 разрешил для трансформаторов мощностью 1000—80000 кВА иметь различные диапазоны регулирования: ±9, ±10, ±12%. Существуют серии трансформаторов с еще большим диапазоном: ±16, ±22, ±36. Еще более «глубокое» регулирование требуется для некоторых специальных трансформаторов, например электропечных, где отношение пределов регулирования напряжения обмотки НН нередко составляет 1 : 2, 1 : 3 и даже 1 : 5.

Рассмотрим наиболее распространенную схему работы переключающего устройства с токоограничивающим реактором (рисунок 2). Переключающее устройство имеет следующие основные части: избиратель ответвлений, контактор, токоограничивающий реактор, привод устройства. В схеме имеется два отводящих (токосъемных) контакта избирателя П1 и П2, два контактора К1 и К2, токоограничивающий реактор Р (Iн — номинальный ток трансформатора).

• а — положение «два вместе»;
• б — разомкнут контакт ФК2;
• в — положение «мост»;
• г — разомкнут контакт К1

На рисунке 2, а оба отводящих контакта установлены на одном ответвлении обмотки. Такое положение контактов называют «два вместе». Номинальный ток нагрузки делится поровну между двумя половинами переключающего устройства. При необходимости перейти на другое ответвление (ступень) обмотки привод в первую очередь размыкает контакты контактора К2 (рисунок 2, б). Эти контакты разрывают ток, равный половине номинального, и между ними возникает электрическая дуга. После гашения дуги весь ток проходит только через вторую (верхнюю) половину переключающего устройства. Отводящий контакт избирателя (П2) при отсутствии тока (цепь разорвана) переходит на другое ответвление обмотки, после чего контакты К2 вновь замыкаются (рисунок 2, в).

Такое положение переключающего устройства обычно называют положением «мост». Как и в положении «два вместе», номинальный ток нагрузки делится пополам между каждой половиной переключающего устройства. Однако в положении «мост» кроме нагрузочного тока возникает циркулирующий ток, замыкающийся внутри контура, образованного частью обмотки трансформатора и реактором (рисунок 2, в). Величина циркулирующего тока ограничивается сопротивлением контура — в основном сопротивлением реактора. Обычно сопротивление реактора подбирают так, чтобы величина циркулирующего тока была равна половине номинального. В этом случае ток, проходящий через отводящие контакты П1 и П2, не будет больше номинального и нет опасности их чрезмерного нагрева.

Далее размыкаются контакты К1, разрывающие номинальный ток (рисунок 2, г). После гашения дуги весь ток проходит уже через другую половину переключающего устройства. Отводящий контакт П1 избирателя при отсутствии тока переходит на ответвление, где уже стоит контакт П2, контакт К2 вновь замыкается и переключение заканчивается.

Из рассмотрения работы переключающего устройства РПН можно сделать следующие выводы:

• контакты контактора К1 и К2 замыкают и размыкают ток, т.е. подвергаются воздействию электрической дуги;
• контакты избирателя П1 и П2 замыкаются и размыкаются без разрыва тока, т. е. при отсутствии дуги;
• привод должен обеспечить описанную последовательность работы контактов;
• реактор служит для ограничения циркулирующего тока до необходимой величины (например, до половины номинального тока нагрузки);
• в положениях контактов избирателя «два вместе» и «мост» ток нагрузки распределяется поровну между двумя обмотками реактора, установленными на одном сердечнике. Эти токи направлены навстречу друг другу и в положение «два вместе» не создают возбуждающего поля в сердечнике и падения напряжения.

Достоинство переключающих устройств с токоограничивающий реактором заключается в возможности длительно работать в промежуточном положении «мост», поэтому для привода этих устройств не требуется специальных быстродействующих механизмов, значит, они могут быть относительно простыми и дешевыми.

В последние годы широкое распространение получили и другие переключающие устройства — с активными токоограничивающими сопротивлениями. Не рассматривая подробно эти устройства, отметим, что их конструкция получается более сложной и дорогой, чем у переключающих устройств с реакторами. Однако они обладают рядом весьма существенных достоинств: громоздкий и тяжелый реактор заменен сравнительно легкими активными сопротивлениями; конструктивно эти устройства более компактны; условия гашения дуги более благоприятны.

Существует много схем регулируемых обмоток трансформаторов. На рисунке 3 показана в качестве примера схема обмотки ВН однофазного трансформатора, регулируемой переключающим устройством с реактором.

Рисунок 3 — Схема обмотки ВН однофазного трансформатора, регулируемой переключающим устройством с реактором

Достоинства и недостатки

Среди достоинств рассматриваемого типа включения следует отметить следующие:

• увеличение допустимой мощности потребителей;
• возможность горячего резервирования питания особо требовательных групп потребителей;
• улучшение условий охлаждения устройств;
• возможность оперативного регулирования количества подключенных устройств в условиях значительного изменения мощности потребителей.

При проектировании питающих установок нужно учитывать, что параллельные схемы включения не лишены недостатков:

• усложнение за счет установки коммутирующих и соединительных устройств;
• необходимость установки однотипных устройств;
• увеличение габаритов помещения;
• сложность подключения.

Всё об энергетике

Трансформатор, как любое электромагнитное устройство, имеет несколько устойчивых режимов, в которых может (и должен) работать неограниченно долго.

Режимы работы трансформатора

Существует пять характерных режимов работы трансформатора:

1. Рабочий режим;
2. Номинальный режим;
3. Оптимальный режим;
4. Режим холостого хода;
5. Режим короткого замыкания;

Рабочий режим

Режим характеризуется следующими признаками:

• Напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему (dot_1 ≈ dot_<1ном>);
• Ток первичной обмотки меньше своего номинального значения или равен ему (dot_1 ≤ dot_1ном).

В рабочем режиме эксплуатируются большинство трансформаторов. Например, силовые трансформаторы работают с напряжениями и токами обмоток отличными от номинальных. Так происходит из-за переменчивого характера их нагрузки.

Измерительные, импульсные, сварочные, разделительные, выпрямительные, вольтодобавочные и другие трансформаторы, также обычно эксплуатируются в рабочем режиме просто из-за того, что напряжение сети к которой они подключены отличается от номинального.

Номинальный режим работы

Характерные признаки режима:

• Напряжение первичной обмотки равно номинальному (dot_1 = dot_<1ном>);
• Ток первичной обмотки равен номинальному (dot_1 = dot_<1ном>).

Номинальный режим работы является частным случаем рабочего режима. В таком режиме могут работать все трансформаторы, но как правило, с б&#243льшими в сравнении с рабочим режимом потерями и как следствие, с меньшим КПД (коэффициентом полезного действия). Из-за этого при эксплуатации трансформатора его избегают.

Оптимальный режим работы

Режим характеризуется условием:

Где (P_<хх>) — потери холостого хода;
(P_<кз>) — потери короткого замыкания;
(k_<нг>) — коэффициент нагрузки трансформатора, определяемый по формуле:

Где (P_2) — ток нагрузки вторичной обмотки;
(P_<2ном>) — номинальный ток вторичной обмотки.

В оптимальном режиме работы трансформатор работает с максимальным КПД, поэтому выражение (1) по существу представляет собой условие максимального КПД [2, с.308] (Смотри «Трансформаторы. Оптимальный режим работы»).

Режим холостого хода

Характерные признаки режима:

• Вторичная обмотка трансформатора разомкнута или к ней подключена нагрузка с сопротивлением гораздо большим сопротивления номинальной нагрузки обмотки (1) трансформатора;
• К первичной обмотке приложено напряжение (dot_ <1хх>= dot_<1ном>);
• Ток вторичной обмотки (dot_2 ≈ 0) (для трехфазного трансформатора — (dot_ <2ф>≈ dot_ <2л>≈ 0).

На рисунке 1 изображена схема опыта холостого хода однофазного, а на рисунке 2 — трехфазного двухобмоточных трансформаторов.

Рисунок 1 — Схема опыта холостого хода однофазного двухобмоточного трансформатора

Рисунок 2 — Схема опыта холостого хода трехфазного двухобмоточного трансформатора

По существу в режиме холостого хода трансформатор представляет собой катушку на магнитопроводе, к которой подключен источник напряжения. Режим холостого хода является рабочим для трансформаторов напряжения. Кроме того, этот режим служит для определения тока (i_х), мощности (ΔQ_хх) холостого хода и ряда других параметров [2, c. 291][3, с. 207] (смотри «Опыт холостого хода трансформатора»).

Примечание:
1. Под сопротивлением номинальной нагрузки обмотки понимается величина (R_<Нном>), равная отношению номинального напряжения обмотки (U_<ном>) к её номинальному току обмотки (I_<ном>)

Режим короткого замыкания

Режим короткого замыкания характеризуется:

• Вторичная обмотка замкнута накоротко или к ней подключена нагрузка сопротивлением гораздо меньшим внутреннего сопротивления трансформатора;
• К первичной обмотке приложена такая величина напряжения (dot_1), что ток первичной обмотки равен её номинальному току (dot_1 = dot_<1ном>)
• Напряжение вторичной обмотки (dot_2 = 0) (для трехфазного трансформатора — (dot_ <2ф>= dot_ <2л>= 0).

Схема опыта короткого замыкания изображена на рисунке 3 для однофазного, а на рисунке 4 — для трехфазного двухобмоточных трансформаторов.

Рисунок 3 — Схема опыта короткого замыкания однофазного двухобмоточного трансформатора

Рисунок 4 — Схема опыта короткого замыкания трехфазного двухобмоточного трансформатора

Режим короткого замыкания является рабочим режимом для трансформаторов тока и сварочных трансформаторов, в тоже время являясь аварийным для других трансформаторов. Также он используется для определения напряжения (u_к), мощности (ΔP_кз) короткого замыкания и других параметров трансформатора [2, c. 294][3, с. 209] (смотри «Опыт короткого замыкания трансформатора»).

Испытание измерительных трансформаторов тока и напряжения

Перед началом испытаний проводят визуальный осмотр проверяя технический паспорт, состояние фарфора изоляторов, число и место установки заземлений вторичных обмоток. Проверка заземления вторичных обмоток выполняется там, где оно может безопасно отсоединяться без снятия высокого напряжения, на панели защиты.

Также проверяется резьба в ламелях зажимов трансформаторов тока. Трансформаторы класса токов Д и З проверяют на комплектность, номер комплекта должен совпадать.

Встроенные трансформаторы проверяют на сухость и устанавливают в соответствиями с надписями “верх”/”низ”. У выключателей с встроенными трансформаторами тока проверяют наличие уплотнения труб и сборных коробок, через которые проходят цепи трансформаторов тока.

При осмотре масляных трансформаторов удаляют резиновую шайбу из-под заливной пробки.

Проверка сопротивления изоляции обмоток

Мегаомметром на напряжение 1-2,5 кВ проверяют сопротивление первичной изоляции, каждой из вторичных обмоток и сопротивление между обмотками.

Испытание прочности изоляции обмоток производится напряжением 2 кВ на протяжении одной минуты.

Изоляцию вторичных обмоток разрешается испытывать одновременно с цепями вторичной коммутации переменным током напряжением 1 кВ в течение 1 мин.

Все испытания проводятся в соответствии с нормами.

Проверка полярности вторичных обмоток трансформаторов тока

Данная проверка проводится методом импульсов постоянного тока при помощи гальванометра.

Замыкая цепь контролируют направление отклонения стрелки прибора, при отклонении вправо, однополярные зажимы те, что присоединены к “плюсам” батареи и прибора. Для испытаний, в качестве источника тока, используются аккумуляторы или сухие батареи.

Проверка коэффициента трансформации трансформаторов тока

Нагрузочным трансформатором НТ в первичную обмотку подается ток, близкий к номинальному, не менее 20% номинального. Коэффициент трансформации проверяется на всех ответвлениях для всех вторичных обмоток.

Если на встроенных трансформаторах отсутствует маркировка, она восстанавливается следующим образом:

Подается напряжение Х автотрансформатора AT или потенциометра на два произвольно выбранных ответвления трансформатора тока. Вольтметром V измеряют напряжение между всеми ответвлениями. Максимальное значение напряжения будет на крайних выводах А и Д, между которыми заключено полное число витков вторичной обмотки трансформатора тока. На определенные таким образом начало и конец обмотки подают от автотрансформатора напряжение из расчета 1 В на виток (число витков определяют по данным каталога). После этого, измеряя напряжение по всем ответвлениям, которое будет пропорционально числу витков, определяют их маркировку.

Снятие характеристик намагничивания трансформаторов тока

Витковое замыкание во вторичной обмотке — самый распространенный дефект трансформаторов. Обнаруживается он во время проверки характеристик намагничивания, основных при оценке неисправностей, определении погрешностей. Выявляется дефект по снижению намагничивания и уменьшению крутизны.

При замыкании даже нескольких витков, характеристики резко снижаются.

Полученные характеристики оцениваются сравнением с типовыми значениями, либо с данными полученными при проверке других однотипных трансформаторов с теми же коэффициентов и классом точности.

Не рекомендуется снимать характеристики реостатом, из-за возможности появления остаточного намагничивания стали сердечника трансформатора тока при отключении тока.

В протокол проверки обязательно записывают по какой схеме проводилась проверка, для того чтобы полученные значения можно было использовать при следующих проверках.

Для трансформаторов высокого класса точности и с большим коэффициентом трансформации достаточно снимать характеристику до 220 В. При снятии характеристик намагничивания вольтметр включают в схему до амперметра, чтобы проходящий через него ток не входил в значение тока намагничивания. Амперметр и вольтметр, применяемые при измерениях, должны быть электромагнитной или электродинамической системы.

Пользоваться приборами детекторными, электронными и другими, реагирующими на среднее или амплитудное значение измеряемых величин, не рекомендуется во избежание возможных искажений характеристики.

Проверка трансформаторов напряжения

Проверка трансформаторов напряжения не отличается от проверки силовых трансформаторов. Отличается методы проверки дополнительной обмотки 5-стержневых трансформаторов напряжения типа НТМИ, так как обмотка соединена в разомкнутый треугольник.

Полярность проверяется поочередным подключением “плюса” батареи ко всем выводам обмотки, а “минус” остается нулевым. При верном подключении наблюдают отклонение стрелок гальванометра в одну сторону.

После включения трансформатора в сеть необходимо измерить напряжение небаланса.