Autotranszformátorok hatékonysági és környezetvédelmi védelemre

Az autotranszformátor, más néven autotranszformátor, egy átalakító modell, amelyet az áram feszültségének csökkentésére vagy növelésére használnak. A hagyományos Transformer modellel ellentétben az autotranszformátor csak egy tekercsből áll, amely elsődleges és másodlagos tekercsként is működik.

Az autotranszformátor működési elve az elektromágneses indukció elvén alapul. Amikor a váltakozó áram átáramlik a tekercsen, mágneses mező keletkezik, és a mágneses mező eloszlik a Transformer modell magján. A mágneses mező a tekercsek számával arányos feszültséget indukál.

Attól függően, hogy a tekercsek hogyan vannak csatlakoztatva, az autotranszformátorok a feszültség növelésére vagy csökkentésére használhatók. Ha a tekercs egy pontja csatlakozik, a feszültség csökken, és egy másik ponton a feszültség emelkedik.

A hagyományos transzformátorokhoz képest az autotranszformátorok előnyei a nagy hatékonyság és a könnyű súly. Azonban hátránya, hogy nem biztosítja az elsődleges és a másodlagos oldalak közötti áramelkülönítést, ami azt jelenti, hogy a vezetékek csatlakoztatva maradnak, és vannak bizonyos biztonsági kockázatok.

Az autotranszformátorokat elsősorban az elektromos rendszerek feszültségszabályozására használják. Képesek átalakítani az elektromos energiát egy bizonyos feszültséggel különböző feszültségekre, hogy megfeleljenek a különböző eszközök követelményeinek.

Az autotranszformátorok egyik fő előnye a nagy hatékonyság. Mivel csak egy tekercselésük van, a huzal ellenállása miatt kevesebb veszteség van. Ez alacsonyabb működési költségeket és kevesebb hőtermelést eredményez.

Egy másik előny a kompakt kialakítás. A Transformer modell kisebb és könnyebb lehet, ha kihagyja a különálló másodlagos tekercseket. Ez különösen előnyös a korlátozott térben, például az elektronikus berendezésekben vagy az iparban.

Emellett az autotranszformátorok nagy megbízhatóságot és könnyű telepítést biztosítanak. Mivel kevesebb mozgó alkatrész van, mint a hagyományos transzformátorok, nem hajlamosak a hibákra vagy a meghibásodásra.

Általában az autotranszformátorok költséghatékony megoldást jelentenek a feszültségszabályozásra különböző alkalmazásokban. Különböző iparágakban használhatók, beleértve a hatalmat, az automatizálást és az épületgépészetet.

Az autotranszformátor és a hagyományos transzformátor közötti fő különbség a működési mód, a tekercsszerkezet és a tervezett felhasználás.

1. Működési mód: A hagyományos Transformer modellben a feszültség vagy emelkedik (nagyfeszültségű Transformer modell) vagy csökken (kisfeszültségű Transformer modell), míg az áramot ellentétes arányban állítják be. Az autotranszformátor azonban egy speciális átalakító modell, csak egy tekercseléssel. Ennek eredményeképpen a feszültség állandó, és csak az áram van beállítva.

2.A tekercs szerkezete: A hagyományos átalakító modell két tekercsből áll, az elsődleges tekercsekből és a másodlagos tekercsekből, amelyek mágnesesen kapcsolódnak egymáshoz. Ezek a tekercsek elektromosan szigeteltek egymástól. Az autotranszformátorban azonban csak egy tekercs van elválasztva a közepétől. Ez megszakítja az áramkört és csökkenti az áramot.

3.Rendelkezésre álló felhasználás: Az autotranszformátorokat elsősorban olyan alkalmazásokban használják, ahol a feszültség megváltoztatása nélkül kell beállítani az áramot. Gyakori példa a világítástechnika, ahol a feszültségnek állandónak kell maradnia, miközben csökkenti az áramot az energiatakarékosság érdekében. Az autotranszformátorokat egyes motorokban és elektronikában is használják az áram szabályozására.

Röviden, a hagyományos transzformátorokhoz képest az autotranszformátoroknak csak egy tekercsük van, amely képes az áramot beállítani, miközben a feszültséget állandóan tartja. Elsősorban olyan alkalmazásokban használják, ahol az áramot csökkenteni kell a feszültség megváltoztatása nélkül, hogy energiát takarítsanak meg.

Különböző típusú autotranszformátorok vannak, amelyek az alkalmazástól függően különböző jellemzőkkel és funkciókkal rendelkeznek. Íme néhány leggyakoribb típus:

1.Rögzített arányú autotranszformátor: Ez a fajta autotranszformátor rögzített konverziós arányt mutat az elsődleges és a másodlagos tekercsek között. Általában a feszültség csökkentésére vagy növelésére használják a hálózatban.

2.Autotranszformátor változó feszültséggel: Ez a fajta autotranszformátor lehetővé teszi a feszültség változó beállítását a tekercs visszacsévélésével vagy a tekercs csapjaival (csapjaival). Általában az elektronikus eszközökben használják a feszültséget a különböző komponensekhez.

3.Autotranszformátor: Az autotranszformátor egy speciális típusú autotranszformátor, amelyben az elsődleges és a másodlagos tekercsek össze vannak kötve. Általában olyan eszközökben használják, mint a feszültségszabályozók vagy a feszültségátalakítók a feszültség stabilizálására vagy átalakítására.

4. Háromfázisú autotranszformátor: Ezt a típusú autotranszformátort háromfázisú rácsokban használják a feszültség alacsonyabb vagy magasabb szintre történő átalakítására. Ipari alkalmazásokban, például gyárakban, erőművekben vagy elosztóhálózatokban használják.

5.Oil töltött autotranszformátor: Ez az autotranszformátor speciális szigetelőolajjal van feltöltve, hogy javítsa a tekercsek közötti szigetelést és megkönnyítse a hűtést. Nagyfeszültségű alkalmazásokban, például átviteli vonalakban vagy elosztóhálózatokban használják.

6.Száraz autotranszformátor: Az olajjal töltött transzformátoroktól eltérően a száraz autotranszformátorok nem használnak folyadékszigetelést. Ehelyett speciális szigetelőanyagokat, például gyantát vagy levegőt használnak a tekercsek közötti szigeteléshez. Általában olyan épületekben, irodákban vagy ipari létesítményekben használják őket, ahol a folyadékok nem szükségesek vagy károsak lehetnek.

Ezek csak néhány példa a meglévő autotranszformátorokra. Az alkalmazástól függően más típusú autotranszformátorok is használhatók.

Számos kihívás és korlát van az autotranszformátorok használatakor:

1.Korlátozott teljesítmény: Az autotranszformátorok korlátozott teljesítmény-kapacitással rendelkeznek, ezért nem alkalmasak nagyon nagy teljesítményigényű alkalmazásokhoz.

2.Véges feszültségátalakítás: Az autotranszformátor csak korlátozott feszültségátalakítást végezhet. Általában kisebb feszültségváltozásokra tervezték, és nem képesek nagy különbségeket kezelni a bemeneti és a kimeneti feszültségek között.

3.Méret és súly: Az autotranszformátorok általában nagyobbak és nehezebbek, mint más típusú transzformátorok, amelyek hasonló teljesítményt nyújtanak. Ez hely- és súlykorlátozásokhoz vezethet, különösen a korlátozott helyigényű alkalmazásokban.

4. Költség: Az autotranszformátor drágább lehet, mint más típusú transzformátorok. Ez részben a különleges kialakításnak köszönhető, amely biztosítja a magas hatékonyságot és szigetelést.

5. Rövidzárlat kockázata: Az autotranszformátor kialakítása miatt a rövidzárlat kockázata nő. Fontos, hogy megfelelő óvintézkedéseket tegyünk a rövidzárlat elkerülése és a biztonság biztosítása érdekében.

6. A tervezés összetettsége: Az autotranszformátorok speciális tekercselési kialakítást igényelnek a szükséges feszültségátalakítás eléréséhez. Ez a gyártás és a karbantartás bonyolultságának növekedéséhez vezethet.

7. Alkalmazási korlátozások: Az autotranszformátorok nem minden alkalmazáshoz alkalmasak. Ezek a legalkalmasabbak olyan alkalmazásokhoz, amelyek korlátozott feszültségátalakítást igényelnek, és a hely- és súlykorlátozások nem jelentenek problémát.

Autotranszformátorok használatakor figyelembe kell venni ezeket a kihívásokat és korlátokat, és alaposan meg kell vizsgálni az adott alkalmazás követelményeit, hogy a megfelelő választás legyen.

Az autotranszformátor egy tekercselésű, galvanikus leválasztás nélküli transzformátor, amelyben az elsődleges és a másodlagos oldal elektromosan összekapcsolódik. A feszültség átalakítása egy vasmagon lévő közös csapos tekercselésen keresztül történik, ahol csak a differenciális teljesítményt alakítják át.

A leválasztó transzformátorokhoz képest az anyagszükséglet 30-50%-kal csökken 1:1 közeli arányok esetén. Tipikus alkalmazási területek a hálózati kapcsolások vagy a kis feszültségkülönbségű, például 110/220 kV vagy 380/400 V-os feszültségállítások.

Mi az autotranszformátor: Olyan transzformátor, amelynek primer és szekunder oldalán közös tekercselés van. A teljesítményt részben vezetőképesen továbbítja, csökkenti a rézfogyasztást és a veszteségeket, és alkalmas kis átalakítási arányok esetén.

A galvanikus leválasztás hiánya növeli a rövidzárlati teljesítményt. Használata összehangolt védelmi koncepciókat igényel, és az IEC 60076-8 szabvány szerint van szabványosítva.

Az autotranszformátorokat elsősorban 110 kV feletti nagyfeszültségű hálózatokban használják, jellemzően 110/220 kV, 220/380 kV vagy 132/275 kV hálózati kapcsolásoknál. Az anyagmegtakarítás csak 50 MVA feletti, mérsékelt áttételű teljesítményeknél indokolja a költségeket.

A középfeszültség-tartományban a 15/25 kV-os vontatási tápegységekhez vagy ipari feszültségszabályozáshoz használnak autotranszformátorokat. 10 kV alatt nem gazdaságosak, mivel a biztonsági követelmények és a leválasztás hiánya miatt nem érvényesülnek.

Az autotranszformátorokat túlnyomórészt YNyn0 kapcsolási csoportban tervezik, mivel mindkét tekercselő résznek csillaggal kell összekötve lennie, és a csillagpontnak földeltnek kell lennie. A fáziseltolódás 0°, ami közvetlen hálózati kapcsolást tesz lehetővé szöghiba nélkül.

Háromfázisú áramkörök, mint például Dy5 vagy Yz11 nem valósíthatók meg, mivel a folytonos tekercselés nem teszi lehetővé a független tekercselési szálak alkalmazását. A fáziseltoláshoz további tercier tekercseket kell használni, vagy külön transzformátorokat kell előtte csatlakoztatni.

Egy autotranszformátorban a kisfeszültségű tekercs nagyfeszültségű potenciálon van, mivel nincs galvanikus leválasztás. A szigetelést végig a legmagasabb üzemi feszültségre kell tervezni, nem csak magára a tekercsfeszültségre.

A nagyfeszültségű oldalon keletkező túlfeszültségek közvetlenül a kisfeszültségű oldalra továbbítódnak. Ehhez mindkét oldalon összehangolt túlfeszültség-levezetőkre és magasabb szigetelési szintekre van szükség, mint a leválasztó transzformátorok esetében. A villámimpulzus ellenálló feszültséget a hálózati oldalon koordinálni kell.

Az autotranszformátorok fő hátránya az elektromos leválasztás hiánya. A primer és a szekunder oldal közötti vezetőképes kapcsolat miatt a hálózati potenciál közvetlenül áthalad, ezért ezeket a transzformátorokat a szabványok nem engedélyezik személyi védelemre szolgáló védőválasztóként (SELV/PELV).

Egy másik műszaki hátrány a csökkent rövidzárlati impedancia. Hiba esetén ez a szigetelt transzformátorokhoz képest lényegesen nagyobb rövidzárlati áramokhoz ($I_k$) vezet, ami szükségszerűen a következő védelmi eszközöknek megfelelően nagyobb kapcsolási kapacitást igényel.

A nagyfeszültségű hálózatokban az autotranszformátorok jelentős előnye a nagyobb átvihető látszólagos teljesítménykomponens azonos magtérfogat mellett. Az átmenő teljesítményt induktív és galvanikus úton továbbítják, ami a hagyományos transzformátorokhoz képest növeli a hatékonyságot.

Hátránya a megnövekedett rövidzárlati áram hiba esetén, mivel a közös tekercs alacsony szivárgási induktivitása csökkenti a rövidzárlati impedancia értékét. Ez megnövekedett követelményeket támaszt a hálózat védőberendezéseivel és a kapcsolóberendezések kialakításával szemben.

Az autotranszformátor fő előnye a csökkentett anyagfelhasználás: az 1:1 közeli átalakítási arányok esetén a réz és a mag térfogata 30-50%-kal csökken a két tekercselésű transzformátorokhoz képest. A hatásfok 99% fölé emelkedik, mivel csak a differenciális teljesítményt alakítják át.

Az átmenő teljesítményt részben galvanikusan, részben induktívan továbbítják - ez nagyobb látszólagos teljesítményt tesz lehetővé azonos magkeresztmetszet mellett. Hátránya: Nincs galvanikus leválasztás a primer és a szekunder oldal között, ami azt jelenti, hogy a hibafeszültségek közvetlenül továbbításra kerülnek. A rövidzárlati áramok magasabbak az alacsony szivárgási induktivitás miatt. Nagyfeszültségű hálózatokban, indító transzformátorokban és változtatható transzformátorokban használatos - nem megengedett a VDE 0551 szerinti védőelkülönítés.

Tipikus autotranszformátor-alkalmazások a nagyfeszültségű hálózatok (110-380 kV-os kapcsolás), változó kimeneti feszültségű változó transzformátorok, motorindító áramkörök áramkorlátozásra és vasúti áramellátás (15 kV/25 kV). Az átalakítási aránynak közel 1:1 arányúnak kell lennie a maximális hatékonyság érdekében.

Nem megengedett a VDE 0551 szerinti védőválasztáshoz, mivel nincs galvanikus elválasztás - a hibafeszültségek közvetlenül továbbítódnak. A próbafülkékben 400 kVA-ig fokozatmentes feszültségbeállításra autotranszformátorokat használnak. Laboratóriumi alkalmazásokban kis feszültségkülönbségű, nagyáramú vizsgálatokhoz használják őket. Az alacsony szivárgási induktivitás növeli a rövidzárlati áramokat - a védőberendezéseket ennek megfelelően kell méretezni.

Az autotranszformátoros nagy transzformátorok esetében az anyagelőny az átalakítási arány növekedésével csökken: 1:2 feletti arányoknál a réz és a mag megtakarítása nagyrészt eltűnik. A galvanikus leválasztás hiánya biztonsági kockázattá válik - szigetelési hiba esetén a teljes szekunder feszültség a primer áramkörre kerül.

A magas transzformáció alacsony primer feszültségek esetén kritikussá válik: Egy 24 V/230 V-os autotranszformátor (9,6 faktor) már nem nyújt anyagi előnyt, és a védőtávolság hiánya miatt sérti a VDE 0551 szabványt. A tekercsrészek közötti dielektromos szilárdságnak képesnek kell lennie a teljes feszültségkülönbség (ebben az esetben 206 V) elviselésére. Közös: autotranszformátor-felfokozás legfeljebb 1:1,5, amely felett technikailag és normatívan két tekercselésű, galvanikus leválasztással ellátott transzformátorok szükségesek.