Регулируемый трансформатор

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к силовым трансформаторам и предназначена для тяговых и распределительных электрических сетей.
Наиболее близким к заявленному является регулируемый трансформатор, содержащий магнитопровод с первичными и вторичными обмотками, состоящими из нескольких катушек, секционируемых коммутационными аппаратами, с одинаковым числом витков на вторичной обмотке (Пат. № 2364972 на изобретение (РФ), МПК Н 01 F 29/02. Регулируемый трансформатор / В.А. Соломин, Ю.И. Жарков, А.В. Костюков (РФ). - № 2007147198/09; Заявлено 18.12.2007. Опубл. 20.08.2009. Бюл. № 23).
Недостатками известного регулируемого трансформатора являются неполное использование по времени всех катушек первичной и вторичной обмотки, вызванное снятием напряжения с некоторых катушек на период малых нагрузок потребителей, невозможность снижения магнитных потерь (в стали) при регулировании мощности трансформатора в виду неизменности магнитного потока в магнитопроводе из-за параллельного включения катушек первичной обмотки, отсутствие регулятора с обратной связью для осуществления возможности автоматического управления регулируемым трансформатором.
Предлагаемый регулируемый трансформатор позволяет устранить указанные выше недостатки.
Целью полезной модели является повышение экономичности работы трансформатора и расширение его функциональных возможностей за счет управляемого снижения потерь холостого хода при малых нагрузках.
Указанная цель достигается тем, что в известном регулируемом трансформаторе, содержащем магнитопровод с первичными и вторичными обмотками, обмотки содержат ответвления для их секционирования коммутационными аппаратами на несколько частей с возможностью последовательного, последовательно-параллельного и параллельного соединения при условии неизменного коэффициента трансформации, а сечение обмоток соответствует номинальной мощности трансформатора при их параллельном соединении, при этом трансформатор дополнен исполнительным органом, связанным с упомянутыми коммутационными аппаратами.
Под понятием «сечение обмоток» трансформатора понимается площадь сечения витка обмотки, который может состоять из одного или нескольких проводов.
Так как каждая секционированная коммутационными аппаратами часть обмотки при параллельном включении должна иметь количество витков, соответствующее номинальному магнитному потоку трансформатора, то разделение обмоток на отдельные части приведет к увеличению общего числа витков обмотки (при их последовательном соединении).
Конструктивное исполнение всех секционируемых частей обмоток с сечением, соответствующим номинальному току трансформатора, потребовало бы увеличение расхода активных материалов обмоток (меди). Поэтому сечение обмоток соответствует номинальной мощности трансформатора при параллельном соединении всех ее частей. Например, при конструктивном исполнении обмоток, состоящих из двух секционируемых частей, расчетный ток в них вдвое меньше номинального тока трансформатора в целом.
Как известно, индукция в магнитопроводе трансформатора определяется по выражению, Тл:
Пс
Uв
2
где  - частота питающего напряжения, Гц;  - активное сечение стержня, м;  - напряжение витка, В:
U
w
ф
- напряжение обмотки, В;  - число витков, приходящихся на напряжение обмотки.
Переключение частей первичной и вторичной обмоток с параллельной на последовательную схему соединения при малых нагрузках приведет к снижению напряжения, приходящегося на один виток первичной обмотки, а, следовательно, к снижению индукции и магнитного потока.
За счет изменения схемы соединения частей первичной и вторичной обмоток с параллельной на последовательную или последовательно-параллельную при условии неизменного коэффициента трансформации снижаются потери холостого хода, но при этом эквивалентное сопротивление обмоток увеличивается, а, следовательно, возрастают потери короткого замыкания (в меди). Таким образом, суммарные потери в рассматриваемом трансформаторе при определенной его загрузке могут не только снизиться из-за потерь холостого хода, но и возрасти за счет увеличения электрических потерь в обмотках.
Коэффициент нагрузки трансформатора, в пределах которого достигается снижение потерь за счет изменения схемы соединения обмоток, определяется по выражению:
Р
Рk
0
где а - количество последовательно соединенных частей обмоток трансформатора; ,  - потери холостого хода и короткого замыкания трансформатора соответственно.
На фиг. показана схема регулируемого однофазного трансформатора с обмотками, секционированными на две части на стороне низкого и высокого напряжений. Подобным образом реализуется трехфазный трансформатор с различным количеством секционируемых частей обмотки, имеющих свои ответвления.
Список обозначений: 1 - обмотка трансформатора; 2 - коммутационные аппараты; 3 - исполнительное устройство.
Регулируемый трансформатор работает следующим образом.
При загрузке трансформатора, близкой к номинальной, первичные и вторичные отдельные секционируемые части обмоток 1, соединены параллельно с помощью коммутационных аппаратов 2, обеспечивая номинальные параметры трансформатора, в том числе магнитный поток.
При снижении мощности нагрузки для снижения потерь холостого хода возможно снижение мощности трансформатора переключением одновременно схемы включения частей первичной и вторичной обмоток с параллельной на последовательную (синфазно) или последовательно-параллельную (при количестве частей обмоток более четырех).
С точки зрения массогабаритных показателей и стоимости трансформатора предпочтительным является секционирование обмоток на две части. Например, если нагрузка регулируемого трансформатора с двумя секционируемыми частями обмоток составляет до 20%, то переключение схемы соединения частей первичной и вторичной обмоток с параллельной на последовательную приведет к снижению напряжения, приходящегося на один виток первичной обмотки, а, следовательно, к снижению магнитного потока вдвое, потерь холостого хода трансформатора в 3-3,5 раза.
Расширение функциональных возможностей регулируемого трансформатора можно обеспечить за счет автоматического управления изменением схем секционирования частей обмоток с помощью исполнительного устройства 3.
к
н
Исполнительное устройство может быть реализовано на базе типовых регуляторов, при этом задача управления будет заключаться в обеспечении положительного значения снижения суммарных потерь в трансформаторе за счет изменения схемы соединения секционируемых частей первичной и вторичной обмоток при изменении нагрузки ():
Рассматриваемый регулируемый трансформатор может быть реализован специалистами на основании уровня техники.
Регулируемый трансформатор может найти применение в качестве силового трансформатора распределительных сетей с медленно изменяющимися нагрузками в широком диапазоне мощностей (дачные поселки, сезонные нагрузки промышленных предприятий). Использование предлагаемого регулируемого трансформатора позволит повысить экономичность его работы за счет снижения потерь холостого хода при малых нагрузках и расширить его функциональные возможности за счет автоматического управления.