Автотрансформаторы
Автотрансформатор представляет собой трансформатор, у которого первичная и вторичная обмотки не изолированы друг от друга и частично совмещены. У понижающего автотрансформатора обмотка низкого напряжения является частью обмотки высокого напряжения.
Если часть обмотки автотрансформатора сделать первичной, а всю обмотку вторичной, то автотрансформатор будет повышающим
По сравнению с обычным трансформатором при одной и той же мощности автотрансформатор имеет меньшую площадь сечения сердечника. Это объясняется тем, что в автотрансформаторе не вся энергия передается через магнитный поток. Часть энергии передается за счет непосредственного прохождения тока из первичной цепи во вторичную, так как они соединены друг с другом. Чем ближе коэффициент трансформации автотрансформатора к единице, тем меньше энергии передается магнитным потоком. Если n = 1, то вся энергия переходит из первичной цепи во вторичную без помощи магнитного потока, и в этом случае автотрансформатор становится лишним. Поскольку формула трансформаторной ЭДС применима к обмоткам автотранформатора так же, как и к обмоткам трансформатора, коэффициент трансформации автотрансформатора выражается известными соотношениями.
Так как часть витков автотрансформатора входит и в первичную и во вторичную обмотки, то количество провода для обмоток требуется меньше, чем в трансформаторе. Кроме того, через общую часть обмотки автотрансформатора проходит ток обеих цепей. Чем ближе друг к другу токи I1 и I2, тем меньше ток в общей части обмотки и тем меньше может быть диаметр её провода. Таким образом, при коэффициенте трансформации, близком к единице (k = 0,5...1 для повышающего автотрансформатора и k = 1...2 - для понижающего) экономится значительное количество меди. Чаще всего автотрансформаторы изготавливают со скользящим контактом, что позволяет плавно регулировать выходное напряжение в широких пределах. Примером может служить лабораторных автотрансформатор (ЛАТР).
Первичные и вторичные обмотки обычных трансформаторов взаимодействуют между собой электромагнитным путем. Автотрансформаторы имеют только одну обмотку, которая одновременно является первичной и вторичной.
Эта обмотка размещается на замкнутом магнитопроводе, и поэтому в автотрансформаторе между условными первичной и вторичной обмотками существует не только электромагнитная, но и электрическая связь. Принцип действия автотрансформаторов аналогичен работе обычных трансформаторов.
На рис. 1 показана схема автотрансформатора, у которого число витков W1>W2. Подключение всей обмотки W1 на напряжение сети U1 вызовет в первичной цепи ток I1. При подключении части этой обмотки W2 на сопротивление нагрузки Z во вторичной цепи потечет ток I2.
Рис. 1. Устройство (а) и схема включения (б) автотрансформатора
Ток I2 на участке АВ обмотки W2 направлен встречно току I1. Результирующий ток I1,2 общего участка обмотки определяется геометрической разностью токов:
По этой причине общая часть обмотки автотрансформатора наматывается проводом меньшего сечения, что приводит к экономии массы и объема расходуемой меди, а следовательно, к уменьшению массы стали. С уменьшением массы стали уменьшаются и магнитные потери, поэтому автотрансформаторы имеют меньшую стоимость и более высокий к. п. д. по сравнению с обычными трансформаторами той же мощности.
Коэффициент трансформации автотрансформатора:
Автотрансформаторы могут быть понижающими и повышающими, одно- и трехфазными. При наличии большого числа отводов у обмотки автотрансформатора можно регулировать вторичное напряжение U2от нуля до напряжения U1 сети. Подводимая к автотрансформатору мощность передается во вторичную обмотку частично электромагнитным путем, за счет электромагнитного взаимодействия двух частей обмотки, и частично в форме электрической мощности, за счет прямой электрической связи между первичной и вторичной обмотками.
Недостатком автотрансформаторов является наличие электрической связи между вторичной и первичной цепями, и в связи с этим, возможность попадания высокого напряжения в сеть низкого напряжения, что ограничивает возможности их использования.
Автотрансформаторы применяют в схемах пуска мощных А.Д. и С.Д., в ЛЭП и распределительных сетях, в электротермических установках для ступенчатого регулирования напряжения на нагревательных элементах, в лабораториях ЛАТр.
Измерительные трансформаторы
В технике больших токов и высоких напряжений измерения электрических величин производят только через измерительные трансформаторы - трансформаторы тока и напряжения, так как непосредственные измерения с помощью шунтов и добавочных резисторов весьма затруднительны. Так, наибольший ток, который еще можно измерить путем непосредственного включения прибора, составляет 600 А, а 7 напряжение — 2000 В. К тому же шунты и добавочные сопротивления получаются громоздкими и дорогими, а прикосновение к таким приборам в сетях высокого напряжения опасно для жизни. Трансформатор тока состоит из сердечника и двух обмоток — первичной и вторичной.
Вопросы для повторения
1. Объясните устройство и принцип действия трансформатора.
2. Перечислите потери в трансформаторе и объясните их физическую природу.
3. Почему сердечник трансформатора собирают из тонких листов трансформаторной стали, изолированных друг от друга?
4. Что называется коэффициентом трансформации?
5. Какой режим работы трансформатора называется холостым ходом?
7. Как измеряют КПД трансформатора?
8. Каково устройство трехфазного трансформатора?
9. Как соединяются между собой обмотки трехфазных трансформаторов?
10. Объясните устройство автотрансформатора.