Трансформаторы с перераспределением напряжения между обмотками относятся к числу трансформаторов с подмагничиваемыми постоянным током магнитопроводами. Они предназначены для плавного регулирования напряжения у потребителей. Преимущество таких трансформаторов заключается в сравнительно линейном регулировании выходного напряжения при довольно высоком коэффициенте мощности по сравнению с трансформаторами, имеющими подмагничиваемый шунт.
Рис. 14. Схема трансформатора с перераспределением напряжения между обмотками.
На рис. 14 представлена схема трансформатора с перераспределением напряжения между обмотками. Трансформатор имеет пятистержневой сердечник, причем стержни 1, 2, 4, 5 одинакового сечения, а сечение стержня 3 вдвое больше других. Условно конструкцию трансформатора можно разделить как бы на два автономных трансформатора: Тα и Тδ. Первичные обмотки этих трансформаторов с равными числами витков W1 соединены последовательно и включены со стороны первичного напряжения таким образом, что напряжение Uа трансформатора Та действует встречно, а напряжение Uδ трансформатора Тδ согласно с напряжением сети U1. Регулируемое напряжение Нг равно сумме основного напряжения U1 и добавочных напряжений Uαи Uδ.
Регулирование осуществляется дифференциальным подмагничиванием сердечников трансформаторов Та и Тδ, то есть увеличение тока подмагничивания, например в трансформаторе Та, сопровождается уменьшением тока подмагничивания в трансформаторе Тδ, и наоборот. В крайних положениях один из трансформаторов может быть полностью подмагничен, в другом подмагничивание равно нулю.
Постоянный магнитный поток при подмагничивании трансформатора Та замыкается по стержням 1, 2, 3 или по стержням 4, 5, 3 при подмагничивании трансформатора Тδ. При этом в стержнях 1, 2, 4, 5 потоки имеют одинаковое направление. Переменные потоки в той части магнитопровода, которая относится к трансформаторам Та или Тδ, замыкаются соответственно по стержням 1,2 и 4, 5.
Полностью подмагниченный один из трансформаторов (Та или Тδ) как бы исключается из схемы, так как при этом резко уменьшается динамическая магнитная проницаемость стали сердечника, и следовательно, уменьшается связь между обмотками W1 и W2 в этом трансформаторе. Поэтому вторичное напряжение достигнет максимального значения при полном подмагничивании трансформатора Тα. Добавочное напряжение Uδобусловливается практически только трансформатором U1 и действует согласно с напряжением U1. Минимальное же значение вторичного напряжения будет при полном подмагничивании трансформатора Τδ. При этом добавочное напряжение Uα обусловливается только трансформатором Тα и действует встречно по отношению к напряжению U1. Часть энергии, отдаваемой вторичной обмоткой W2 в трансформаторе Тα, возвращается обратно в сеть через обмотку W1. В промежуточных положениях при наличии подмагничивания в обоих трансформаторах Та и Тδ регулируемое напряжение U2 имеет промежуточное значение.
Чтобы освободить обмотки подмагничивания от переменной э.д.с. основной частоты, они выполнены из двух частей, охватывающих два стержня с противоположным направлением переменных потоков, в результате чего суммарная э.д.с. первой гармонической в них равна нулю. Для упрощения конструкции средний стержень и участки, отмеченные пунктиром, выполнены из отливки.
Существенным недостатком данной конструкции является перенасыщение магнитопровода трансформатора К при максимальном значении выходного напряжения U2. Это является причиной искажения кривой напряжения U2, что, как известно, крайне нежелательно для потребителя.
Кроме того, по сравнению с трансформаторами, имеющими ответвления обмоток, трансформатор с перераспределением напряжения между обмотками имеет худшее значение к.п.д. и cos φ, а также повышенный расход активных материалов.
В настоящее время Московским энергетическим институтом совместно с Всесоюзным институтом электрификации сельского хозяйства разработаны две конструкции вольтодобавочных автотрансформаторов с плавным регулированием напряжения для сельских электрических сетей напряжением 6 и 10 кВ. Автотрансформатор типа АТГРПН, регулируемый перераспределением напряжения путем подмагничивания постоянным током, состоит из трех однофазных трансформаторов, другой — типа АТРПН имеет одну объединенную трехфазную магнитную систему.
Ленинградский электромеханический завод «Сельэлектро» изготовил образцы плавно регулируемых вольтодобавочных автотрансформаторов АТГРПН-750/10 и АТРПН-750/10 на проходную мощность 750 кВА, номинальное напряжение 10 кВ с диапазоном регулирования 15%.
Автотрансформатор АТРПН-750/10 имеет сердечник специальной конструкции, состоящий из двух трехфазных двухэтажных сердечников с общим ярмом. В автотрансформаторе имеются также первичные и вторичные обмотки переменного тока и обмотки, подмагничиваемые постоянным током.
Стержни сердечников соответствующей шихтовкой разделены на две части. Внутри основных обмоток переменного тока размещены катушки обмотки подмагничивания, соединенные встречно для наводимых в них э.д.с. основной частоты. Катушки управления имеют форму полуокружности, основные обмотки прямоугольной формы. Кроме того, в трансформаторе имеются обмотки для питания цепи управления, которые составляют одно целое со схемой автоматического управления.
Пределы регулирования автотрансформатора типа АТРПН-750/10 составляют — 5% +10%. Схема соединения обмоток γ/γ 12-авто.
Трехфазные регуляторы напряжения типа АТРПН могут быть выполнены с регулированием по одному из трех линейных выходных напряжений или с пофазным регулированием.
В первом случае, при несколько упрощенной схеме, хорошая точность регулирования достигается лишь при практически равномерной нагрузке фаз и симметричном первичном напряжении. Схема с пофазным регулированием позволяет добиться достаточной точности при значительной несимметрии нагрузки. Для автотрансформатора АТРПН-750/10 выбрана схема регулирования по одному из линейных напряжений, то есть схема симметричного регулирования напряжения всех трех фаз.
В схеме (рис. 15) имеется измерительный элемент ИЭ, который определяет отклонение одного из трех выходных напряжений от номинального значения. Обмотки подмагничивания трех фаз соединены последовательно. Токи подмагничивания регулируются двумя магнитными усилителями с внутренней обратной связью таким образом, чтобы стабилизировалось измеряемое напряжение. Преимущество схемы автоматического управления состоит в том, что она выполнена только на бесконтактных элементах (магнитные усилители, дроссели насыщения, выпрямители), которые не имеют подвижных частей. Это повышает надежность и долговечность работы автотрансформатора в целом.
Рис. 15. Схема плавно регулируемого вольтодобавочного автотрансформатора типа АТРПН-750/10:
ИЭ — измерительный элемент; У — устройство автоматического управления.
Регулируемые вольтодобавочные автотрансформаторы типа АТГРПН-750/10 и АТРПН-750/10 были опробованы в сети 10 кВ Бронницкого района (Моссельэнерго). Испытания и проверка их в условиях эксплуатации показали, что автотрансформаторы поддерживают заданный уровень напряжения в пределах диапазона регулирования с погрешностью не более 0,5 %. Инерционность регулирования составляет примерно 0,5—0,6 секунд.
Основным недостатком автотрансформаторов АТГРПН-750/10 и АТРПН-750/10 являются:
повышенный расход активных материалов (вес стали у автотрансформатора АТРПН 750/10—750 кг; вес меди — 185 кг; общий вес — 1900 кг, у трансформатора ЛТГРПН-750/10 вес активных материалов еще больше), и как следствие, высокая стоимость;
искажение формы кривой вторичного напряжения;
худшие значения к.п.д. и cos в сравнении с трансформаторами, имеющими ответвления обмоток;
наличие источника постоянного тока мощностью около 5 кВт.
