Una visió general de l'autotransformador

 

 

Un autotransformador es diferencia d'un transformador convencional de dos-bobinats perquè té un bobinatge únic i continu que actua com a primari i secundari. Això condueix a fórmules de càlcul úniques i avantatjoses.

Definim els símbols:

: Tensió i corrent primària

: Tensió i corrent secundaris

N₁: Nombre total de voltes al bobinatge primari

N₂: Nombre de voltes al bobinatge secundari (que forma part de N₁)

a: Relació de girs

: Potència d'inducció electromagnètica (capacitat de bobinatge)

: Potència aparent d'entrada/sortida (capacitat de rendiment)

 

Categoria	Fórmula	Descripció
Relació de girs		La mateixa definició que un transformador estàndard
Relació de voltatge		La tensió de sortida és inversament proporcional a la relació
Relació actual		El corrent de sortida és directament proporcional a la relació
Capacitat de sortida		Potència total transmesa pel transformador
Capacitat electromagnètica		Potència que determina la mida física del transformador
Benefici de capacitat		Fórmula bàsica: El benefici és més gran quan a és proper a 1

 

 

 

 

 

Avantatges d'un autotransformador

1.Major eficiència, Menys pèrdues

• Motiu:Com que una part del bobinatge és comuna a ambdós costats, el corrent a la part comuna és inferior al corrent de càrrega per a la mateixa potència. Això redueix significativament les pèrdues de coure (pèrdues I²R).
• Resultat:Normalment, l'eficiència és més alta que la d'un transformador equivalent de dos-enrotllaments, especialment quan la relació de voltes (K) és propera a 1 (p. ex., de 230 V a 115 V).

2. Menor cost, mida més petita i pes més lleuger

• Motiu:Elimina un bobinatge secundari separat, utilitzant menys material conductor (coure/alumini) i menys material central (acer al silici).
• Resultat:Per a la mateixa capacitat nominal, un autotransformador és menys car, més petit i més lleuger que un transformador de dos-bobinats. Això fa que sigui més fàcil i econòmic de transportar i instal·lar.

3. Excel·lent capacitat de regulació de voltatge

• Motiu:Proporcionant múltiples aixetes o un contacte lliscant (raspall) al llarg del bobinatge, la tensió de sortida es pot ajustar de manera fàcil i contínua.
• Aplicació:Aquest és el principi de funcionament d'un transformador "variac" o variable comú, molt utilitzat en laboratoris i aplicacions que requereixen un control precís de la tensió.

4. Menor impedància de-circuits i millor regulació de la tensió

• Motiu:El primari i el secundari estan acoblats tant elèctricament com magnèticament, donant lloc a una menor reactància de fuites en comparació amb un transformador de dos-enrotllaments.
• Resultat:La tensió de sortida es manté més estable en condicions de càrrega variables, donant lloc a una regulació de tensió superior.

 

Inconvenients d'un autotransformador

1. Manca d'aïllament elèctric (l'inconvenient més important)

• Motiu:Els costats primari i secundari estan connectats directament elèctricament, a diferència de l'aïllament magnètic proporcionat per un transformador de dos-enrotllaments.
• Riscos:

Una falla al costat d'alta-tensió (p. ex., una sobretensió d'alta-tensió) es pot transmetre directament al costat de baixa-tensió, cosa que suposa una greu amenaça per a l'equip i el personal.

Si el bobinatge comú es trenca, la tensió d'entrada completa pot aparèixer a la càrrega, cosa que és extremadament perillosa.

• Implicació:En aplicacions on la seguretat és crítica, s'ha d'utilitzar un transformador d'aïllament addicional, que anul·la els seus avantatges de cost i mida.

2. Corrents de curt-circuits més alts

• Motiu:A causa del seu baixImpedància de curt{0}circuit, una falla al costat secundari donarà lloc a un corrent de curt-circuit molt més alt que en un transformador equivalent de dos-bobinats.
• Requisit:Això requereix una major resistència mecànica i estabilitat tèrmica del propi transformador, així com dispositius de protecció més robusts i de -ruptura- més robusts (com ara interruptors i fusibles).

3. Protecció més complexa

• El bobinat compartit fa que les relacions electromagnètiques internes siguin més complexes que en un transformador de dos-bobinats. Això complica la configuració dels sistemes de protecció (per exemple, relés diferencials), ja que la protecció estàndard contra sobreintensitat pot no distingir eficaçment entre fallades internes i funcionament normal.

4. Aplicació de ràtio de girs limitats

• Els avantatges econòmics d'un autotransformador són més pronunciats amb una relació de girs petites (K), normalment entre 1,2 i 2,0. Per a proporcions grans (p. ex., 10:1), l'estalvi de material esdevé insignificant, mentre que la manca d'aïllament esdevé un gran inconvenient, el que fa que no sigui adequat.

 

 

 

1. Sistemes d'alimentació

Aquesta és l'àrea d'aplicació d'{0}}alta capacitat més important per als autotransformadors.

(1) Interconnexió de xarxa i transformació de tensió

• Aplicació:Interconnectar dos sistemes de transmissió d'alta -tensió amb nivells de tensió similars, per exemple, connectar una xarxa de 220 kV a una xarxa de 110 kV o un sistema de 500 kV a un sistema de 330 kV.
• Per què és adequat:En els sistemes elèctrics, els nivells de tensió de les diferents xarxes regionals solen ser relativament propers (per exemple, amb una relació inferior a 3:1). En aquests casos, l'ús d'un autotransformador és molt més econòmic que un transformador de dos-bobinats, la qual cosa redueix significativament el cost del material, la pèrdua d'energia i la petjada física-un avantatge crític per a la transmissió d'energia a granel.

(2) Posada en marxa de central elèctrica / Transformadors auxiliars

• Aplicació:Les grans unitats de generació tèrmica o nuclear requereixen una font d'alimentació externa per alimentar els seus equips auxiliars (com ara ventiladors, bombes) durant la posada en marxa. Aquest transformador de subministrament extern és sovint un autotransformador.
• Per què és adequat:La tensió pròpia del generador és alta (per exemple, 20 kV), mentre que la tensió de potència auxiliar de l'estació és més baixa (per exemple, 6 kV o 10 kV). La relació de tensió no és gran, cosa que fa que l'autotransformador sigui una solució rendible i eficient per a aquesta aplicació-de gran capacitat.

(3) Regulació del punt neutre de tres-fases

• Aplicació:A les xarxes d'ultra-tensió (UHV) i d'extra-tensió (EHV), la tensió s'ha d'ajustar per estabilitzar el sistema i gestionar el flux d'energia reactiva.
• Per què és adequat:Els autotransformadors solen tenircanviadors de tocsal bobinatge comú (costat neutre) perregulació de tensió. Aquest disseny permet un rang de regulació més ampli i l'equip-canviador d'aixetes té requisits d'aïllament més baixos, cosa que el fa favorable tant tècnicament com econòmicament.

 

2. Control industrial i motor

(1) Arrancada del motor de-tensió reduïda (arrencada del-transformador automàtic)

• Aplicació:Engegar motors d'inducció trifàsics grans-per reduir el corrent d'entrada i minimitzar les caigudes de tensió a la xarxa de subministrament.
• Per què és adequat:Durant la posada en marxa, s'aplica una tensió reduïda al motor mitjançant les aixetes de l'autotransformador. Una vegada que el motor s'acosta a la seva velocitat nominal, es canvia a la tensió de línia completa. Aquest mètode proporciona un parell d'arrencada més elevat en comparació amb el mètode Star-Delta i és molt eficaç per limitar el corrent d'arrencada. Com que s'utilitza per a curtes durades, la mida i els beneficis de cost de l'autotransformador es compleixen completament.

(2) Subministraments de tensió CA variable i compensadors de tensió

• Aplicació:S'utilitza com a font d'alimentació de CA ajustable contínuament en laboratoris o per a equips industrials on l'estabilitat de tensió precisa no és crítica.
• Per què és adequat:Un raspall de carbó lliscant es mou al llarg dels girs exposats del bobinatge, permetent un ajustament suau de la tensió de sortida. Aquest disseny és senzill, resistent i de baix-cost, el que el fa ideal per a aplicacions que requereixen una tensió flexible.

 

3. Laboratori i proves

(1) Font d'alimentació CA variable (Variac)

• Aplicació:Als laboratoris d'electrònica i per a experiments educatius, per proporcionar una tensió de CA ajustable de zero a lleugerament per sobre de la tensió de línia.
• Per què és adequat:És senzill, durador, econòmic i proporciona una sortida d'ona sinusoïdal pura (a diferència dels reguladors electrònics d'estat sòlid-), el que el fa perfectament adequat per a l'experimentació i proves.

 

4. Electrificació Ferroviària

(1) Sistemes d'alimentació de tracció (sistema AT)

• Aplicació:En alguns elèctricssistemes ferroviaris(p. ex., sistemes de CA més antics), s'utilitza el sistema d'alimentació de l'autotransformador (AT).
• Per què és adequat:El sistema AT utilitza autotransformadors per reduir l'alta tensió de transmissió (per exemple, 110 kV o 220 kV) a la tensió utilitzada per la catenària aèria (per exemple, 25 kV o 55 kV). Simultàniament, redueix les interferències electromagnètiques amb les línies de comunicació i permet distàncies més llargues entre subestacions, la qual cosa el fa especialment adequat per a ferrocarrils d'alta-velocitat i-transport pesat.

 

 

La "simplicitat" d'un autotransformador és simplement superficial. El seu disseny i fabricació estan impregnats d'una enginyeria exigent i d'un nivell de màster-artesania.

1. Les particularitats del disseny de bobinatges

El bobinatge serveix com a primari i secundari, creant complexitats de disseny úniques que no es troben als transformadors d'aïllament.

(1) Distribució actual i mida del conductor no-uniforme:

• El repte bàsic:El bobinatge es divideix en elBobinatge de sèrie(porció no comuna a ambdues parts) i elEnrotllament comú(part compartida tant per l'entrada com per la sortida). Els corrents que circulen per aquests trams són diferents.

-ElBobinatge de sèrietransporta només el "corrent de transferència" relacionat amb la diferència entre les tensions d'entrada i de sortida.

-ElEnrotllament comútransporta el "corrent -induït automàticament" més petit, que és una funció del corrent de càrrega i la relació de girs.

• Resolució d'enginyeria:Els càlculs actuals precisos són primordials. ElEl bobinatge comú es pot bobinar amb un conductor d'{0}}àrea de secció transversal més petitaja que transporta menys corrent, mentre que el bobinatge en sèrie requereix un conductor més gran. Aixòdisseny no-uniforme, de secció-transversal-variableés clau per aconseguir un pes lleuger, un baix cost i una alta eficiència, però complica significativament el procés de bobinat, i requereix esquemes i eines precisos.

(2) Balanç electromagnètic i forces de curt-circuit:

• El repte bàsic:A causa de l'asimetria estructural inherent (terminal d'alta -tensió, terminal de baixa-tensió i aixetes, totes situades en un sol bobinatge), aconseguint un perfecteBalanç d'amperes-Turnsés més difícil que en un transformador d'aïllament. Els girs d'amplificador-desequilibrats creen un fortcamp magnètic dispers (flux de fuga).
• Resolució d'enginyeria:

1. Simulació EM sofisticada:El programari avançat de simulació de camps electromagnètics és essencial per optimitzar de manera iterativa la disposició del bobinat, l'alçada i les dimensions radials per minimitzar el flux de fuites.
2. Gestió de les forces electrodinàmiques de-curtcircuits:Durant un curt-circuit, els corrents de falla massives que interaccionen amb el fort camp de fuga generen forces electromecàniques tremendes (força de Lorentz) que busquen distorsionar i aixafar el bobinatge. En els autotransformadors, aquestes forces poden ser molt asimètriques. En conseqüència, ell'arriostrament mecànic dels bobinatges ha de ser excepcionalment robust. Els separadors aïllants d'alta resistència, plaques de subjecció i pals de suport s'utilitzen per crear una estructura de "gàbia" que bloqueja de manera segura els bobinatges al seu lloc, evitant deformacions o danys sota cops de curt-circuits repetits o sobtats.

 

 

2. El raspall de carbó-regulador de voltatge: el "cor" i el "coll d'ampolla"

Per als autotransformadors variables (variacs), el raspall de carbó lliscant és el component més crític i vulnerable.

(1) Requisits de materials estrictes:

• El repte bàsic:El pinzell ha de complir simultàniament múltiples propietats, sovint conflictives.
• Resolució d'enginyeria:Normalment està fet d'ametall compost-material de grafit.

1. ElGrafitproporciona una auto{0}}lubricació i resistència al desgast, assegurant un lliscament suau i una llarga vida útil.
2. ElMetall (per exemple, coure, pols de plata)proporciona una alta conductivitat elèctrica, assegurant una resistència de contacte mínima.
3. La relació precisa i el procés de sinterització d'aquest compost són secrets de propietat bàsics del fabricant.

(2) La criticitat de la fiabilitat dels contactes:

• El repte bàsic:La interfície entre el raspall de carbó i el bobinatge és acontacte elèctric lliscant. Qualsevolmal contactecondueix a una fallada catastròfica: Augment de la resistència de contacte → Sobreescalfament localitzat → Espurnes i arcs elèctrics → Erosió i danys permanents tant a la superfície del bobinatge com al raspall.
• Resolució d'enginyeria:

1. Mecanitzat ultra-de la superfície de contacte:La pista de contacte exposada del bobinatge no pot ser de coure nu. Deu serpolit fins a un acabat llis-com un mirall, lliure de rebaves o imperfeccions.
2. Revestiment superficial avançat:Aquesta pista és sovintxapat amb una capa de plata o aliatge de plata. La plata ofereix una conductivitat i una resistència a l'oxidació superiors, mantenint una baixa-resistència de contacte al llarg del temps i evitant la fallada tèrmica a causa de l'oxidació.

• Dissipació de calor i gestió del desgast:

1. El repte bàsic:El punt de contacte és una font concentrada de calor i desgast mecànic.
2. Resolució d'enginyeria:Els variacs{0}}d'alta potència incorporen conductes d'aire de refrigeració dedicats o fins i tot refrigeració forçada per al conjunt del raspall. A més, la pressió de contacte del raspall i el mecanisme de molla s'han de calibrar meticulosament-massa poca pressió provoca inestabilitat i arc, mentre que una pressió excessiva accelera el desgast mecànic i augmenta la resistència al lliscament.

 

3. Gestió tèrmica en un disseny compacte

(1) El repte bàsic:Un autotransformador és més petit i utilitza menys material que un transformador d'aïllament de potència equivalent. Això es tradueix en amajor densitat de pèrdua de potència (pèrdues de coure i ferro) per unitat de volum, fent que la dissipació de calor sigui més difícil.

(2) Resolució d'enginyeria:

• Disseny tèrmic sofisticat:El disseny dels canals de refrigeració (per exemple, conductes d'oli dins de bobinatges, sortides d'aire) ha de ser òptim, no només adequat. La dinàmica de fluids computacional (CFD) i les simulacions tèrmiques són crucials per mapejar amb precisió el flux de refrigerant i eliminar qualsevol punt calent potencial.
• Mètodes de refrigeració millorats:

1. Oli-immers:Els autotransformadors grans utilitzen un refredament per immersió-d'oli amb camins de flux d'oli guiats complexos, dirigint l'oli a través de les parts més calentes dels bobinatges.
2. -Refrigerat per aire:Els autotransformadors variables de tipus sec-inclouen aletes de refrigeració eficients i sovint incorporen ventiladors per a la refrigeració per aire forçat (AF) o fins i tot sistemes de refrigeració forçada d'oli-més avançats.