Способы ступенчатого регулирования напряжения получили наибольшее распространение в сетях среднего напряжения как более простые и надежные. Для получения широких пределов изменения напряжения на выходе трансформатора схемы ступенчатого регулирования малопригодны, так как при этих схемах усложняется переключающая аппаратура, в трансформаторе нарушается равномерное распределение магнитного поля, что приводит к возникновению механических усилий в обмотках, особенно возрастающих при коротких замыканиях. Поэтому лучше регулировать напряжения без переключения витков. Из ряда известных способов такого регулирования приводятся некоторые, представляющие общий интерес, или более перспективные в отношении возможного распространения в сельской электрификации.
Плавное регулирование напряжения возможно при плавном изменении числа включенных в работу витков вторичной обмотки перемещением контактных щеток по неизолированной части внешней поверхности обмотки. Такую конструкцию используют для маломощных автотрансформаторов. В мощных трансформаторах и автотрансформаторах необходимо применить двойные комплекты щеток и сопротивления для ограничения тока при замыкании щетками соседних витков (рис. 71). Вдоль обмотки может передвигаться ряд контактов, раздельно регулирующих напряжения нескольких вторичных цепей. Недостаток этого способа заключается в сравнительно сложной конструкции подвижных щеточных контактов.
Рис. 71. Контакты, перемещающиеся по внешней поверхности обмотки.
Рис. 73. Трансформатор с подматничиваемым шунтом, расположенным вне обмоток переменного тока.
Рис. 72. Схема регулируемого трансформатора с двумя сердечниками с подмагничиванием постоянным током:
1 и 2 — сердечники а и 3 ; 3 — обмотка подмагничивания; 4 — нагрузка.
Принцип плавного регулирования напряжения конструктивно проще реализуется в трансформаторах с элементами, подмагничиваемыми постоянным током. В этом случае нет необходимости в перемещении обмоток или сердечника.
Схема с подмагничиванием раздельных сердечников трансформатора постоянным током дана на рисунке 72. Первичные и вторичные обмотки сердечников соединены последовательно, коэффициенты трансформации должны быть различными. Изменяя магнитную характеристику одного из сердечников, подмагничивая его постоянным током, можно при неизменном значении первичного напряжения U1 получить изменение вторичного напряжения в достаточно широких пределах (до 1,5Uн). Объясняется это тем, что при подмагничивании сердечника увеличивается его насыщение и уменьшается сопротивление взаимоиндукции обмоток на этом сердечнике; соответственно происходит перераспределение первичного напряжения между последовательно соединенными первичными обмотками. При неодинаковых коэффициентах трансформации это приводит к изменению вторичного напряжения. Этой схеме, как бесконтактной, свойственны отсутствие зоны нечувствительности, сравнительно высокое быстродействие и удобство автоматизации изменения подмагничивающего тока в зависимости от требований регулирования напряжения. К недостаткам схемы можно отнести увеличение затрат активных материалов, снижение общего к.п.д. и повышенное потребление реактивной мощности.
Рис. 74. Схема регулирования напряжения автотрансформатора с подвижной короткозамкнутой катушкой.
В отличие от конструкций с двумя сердечниками трансформаторы, регулируемые подмагничиванием шунтов, выполняют, как правило, в виде единой конструкции.
На рисунке 73 показана конструкция, в которой первичная, вторичная и обмотка магнитного шунта расположены самостоятельно на отдельных стержнях.
Магнитный поток первичной обмотки делится на поток Ф2, сцепляющийся со вторичной обмоткой, и поток Фш, проходящий по стержню магнитного шунта. Изменение магнитного сопротивления шунта подмагничиванием меняет и поток Ф2 и, следовательно, вторичное напряжение трансформатора 2.
Раздельное расположение основных обмоток, ослабляя магнитную связь между ними, приводит к большому рассеянию, что является недостатком данной конструкции. Для снижения рассеяния магнитные шунты вместе с их обмотками размещают между силовыми обмотками трансформатора.
Схемы с магнитными шунтами обеспечивают регулирование напряжения в более широких пределах, чем с раздельными сердечниками, однако их распространение ограничено в основном трансформаторами малых мощностей.
На рисунке 74 показаны схема и устройство автотрансформатора с подвижной короткозамкнутой катушкой. Такой автотрансформатор можно использовать как регулятор для изменения под нагрузкой в широких пределах вторичного напряжения U2 при практически неизменном напряжении 1 и как стабилизатор для поддержания на одном уровне изменяющегося в некоторых пределах подведенного напряжения U1.
Неподвижные катушки А, Б, В и Г автотрансформатора расположены на среднем стержне замкнутого сердечника. За счет встречной намотки витков катушек А и В приложенное напряжение U1 создает в сердечнике два противоположно направленных магнитных потока.
Концентрически по отношению к катушкам А и В расположена равная им по высоте подвижная катушка Я. В зависимости от расположения катушки Я приложенное напряжение будет различно распределяться между катушками А и В. Пусть катушка П расположена вверху, концентрически охватывая катушку В. Катушки В и П представят трансформатор в режиме короткого замыкания. Напряжение короткого замыкания на первичной обмотке В такого трансформатора мало. Напряжение U1 приходится в основном на катушку А.
Последняя в соединении с катушкой Б представляет автотрансформатор с согласным включением обмоток. На зажимах ах возникает напряжение
где AUв — надбавка напряжения за счет катушки Б.
При перемещении из крайнего верхнего положения в нижнее режим короткозамкнутого трансформатора воспроизведут катушки А и П. Напряжение U1 придется теперь в основном на катушку В, соединенную встречно с катушкой Г по схеме автотрансформатора. Напряжение на вторичной стороне ах
.В промежуточных положениях
при перемещении катушки Я между крайними положениями вторичное напряжение будет плавно меняться в пределах от U'2 до U"9.
К недостаткам автотрансформатора рассмотренного типа относятся значительный ток холостого хода, относительно большие потери напряжения. некоторая сложность и недостаточная надежность конструкции. При малых выдержках времени и отсутствии надежной тормозной системы в процессе регулирования может произойти перерегулирование.
Плавное регулирование, несмотря на свойственные ему преимущества, на трансформаторах средней и большой мощности не получило практического применения из-за трудного выполнения и высокой стоимости.
