Основное конструктивное отличие автотрансформатора от трансформатора состоит в том, что в автотрансформаторе часть обмотки ВН является обмоткой НН. В связи с этим энергия из первичнойцепи во вторичную передается не только за счет магнитной связи между этими цепями, но и за счет непосредственной электрической связи этих цепей. Рассмотрим работу однофазного понижающего автотрансформатора (рис. 3.2, а).
Участок обмотки аХ—общий для первичной и вторичной цепей. Пренебрегая током х. х., запишем уравнение МДС:
I1 wAX + waX I2=0.
Разделив это уравнение на число витков обмотки wAX, получим уравнение токов автотрансформатора:
I1+ I2 (waX / wAX)=0, или I1= - I2 / kA, (3.5)
где kA = wAX/waX — коэффициент трансформации автотрансформатора.-
По общей части витков аХ обмотки автотрансформатора проходит ток I12, равный алгебраической сумме токов, т. е.
I12 = I1 + I2. (3.6)
В понижающем автотрансформаторе вторичный ток больше первичного, т. е. I2>I1. Из этого следует, что в этом трансформаторе ток I12 в общей части витков аХ равен разности вторичного и первичного токов:
I12 =I2-I1. (3.7)
Если коэффициент трансформации автотрансформатора немногим больше единицы, то токи I1 и I2 мало отличаются друг от друга, а их разность составляет небольшую величину. Это позволяет выполнить часть аХ обмотки автотрансформатора из провода меньшего сечения.
Введем понятие проходной мощности автотрансформатора, пред- ставляющей собой всю передаваемую мощность Sпp=U2I2 из первичной цепи во вторичную. Кроме того, различают еще расчетную мощность Sрасч, представляющую собой мощность, передаваемую из первичной во вторичную цепь магнитным полем. Расчетной эту мощность называют потому, что размеры и вес трансформатора зависят от величины этой мощности. В трансформаторе вся проходная мощность является расчетной, так как между обмотками трансформатора существует лишь магнитная связь. Но в автотрансформаторе между первичной и вторичной цепями помимо магнитной связи существует еще и электрическая. Поэтому расчетная мощность составляет лишь часть проходной мощности, другая ее часть передается между цепями без участия магнитного поля. В подтверждение этого разложим проходную мощность автотрансформатора Sпр=I2U2 на составляющие. Воспользуемся для этого выражением (3.7), из которого следует, что I2=I1+I12. Подставив это выражение в формулу проходной мощности, получим
Snp=U2I2=U2(I1+I12)=U2I1+U2I12=Sэ + Sрасч. " (3.8)
Здесь Sэ—U2I1 — мощность, передаваемая из первичной цепи автотрансформатора во вторичную благодаря электрической связи между этими цепями.
Таким образом, расчетная мощность в автотрансформаторе Sрас= U2I12 составляет лишь часть проходной. Это дает возможность для изготовления автотрансформатора использовать магни-топровод меньшего сечения, чем в трансформаторе равной мощности.
Средняя длина витка_обмотки также становится меньше; следовательно, уменьшается расход меди на выполнение" обмотки авто-трансформйтораГ Одновременно уменьшаются магнитные и электрические потери, а КПД автотрансформатора повышается^
Таким образом, автотрансформатор по сравнению с трансформатором равной мощности обладает следующими преимуществами: меньшим расходом активных материалов (медь и электротёх"ничё-ская сталь), более высоким КПД, меньшими размерами и стоимостью. У автотрансформаторов большой мощности КПД достигает 99,7%.
Указанные преимущества автотрансформатора тем значительнее, чем больше мощность SЭ, а следовательно, чем меньше расчетная часть проходной мощности.
Мощность SЭ, передаваемая из первичной во вторичную цепь благодаря электрической связи между этими цепями, определяется выражением
Sэ = U2I1 = U2I2/kA = Sпр/kA, (3.9)
т. е. величина мощности Sэ обратно пропорциональна коэффициенту трансформации автотрансформатора kA.
Из графика, изображенного на рис. 3.3, видно, что применение автотрансформатора дает заметные преимущества по сравнению с двухобмоточным трансформатором лишь при небольших значениях коэффициента трансформации. Например, при kA=\ вся мощность автотрансформатора передается во вторичную цепь за счет электрической связи между цепями (Sэ/Sпр=1).
Наиболее целесообразно применение автотрансформаторов с коэффициентом трансформации kA 2. При большой величине коэффициента трансформации преобладающее значение имеют недостатки автотрансформатора, состоящие в следующем:
1. Большие токи к.з. в случаях понижающего автотрансформатора: при замыкании точек а и X (см. рис. 3.2, а) напряжение U1 подводится лишь к небольшой части витков Аа, которые обладают очень малым сопротивлением к.з. В этом случае автотрансформаторы не могут защитить сами себя от разрушающего действия токов к.з., поэтому токи к.з. должны ограничиваться сопротивлением других элементов электрической установки, включаемых в цепь автотрансформатора.
2. Электрическая связь стороны ВН со стороной НН; это требует усиленной электрической изоляции всей обмотки.
3. При использовании автотрансформаторов в схемах понижения напряжения между проводами сети НН и землей возникает напряжение, приблизительно равное напряжению между проводом и землей на стороне ВН.
4. В целях обеспечения электробезопасности обслуживающего персонала нельзя применять автотрансформаторы для питания цепей НН от сети ВН.
Задача № 1
Выберите тип обмотки и рассчитайте её шаги. Обоснуйте свой выбор. Начертите развёрнутую схему и схему параллельных ветвей обмотки якоря машины постоянного топка.
Исходные данные:
Число пар полюсов Р = 1
Число элементарных пазов Zэ = 15
Число секций S = 15
Число коллекторных пластин. К = 15
Ток в якоре Ia = 600А
Ток параллельной ветви должен ограничивается значением. ia = (300 – 350) А
Ia = 2a ia
2a – число параллельных ветвей обмотки якоря
ia – ток одной параллельной ветви
2а = 2Р ia = Ia/2a = 600/2*1 = 300A
Выбираем простую петлевую обмотку.
Задача № 2
Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением работает в номинальном режиме с мощностью Р ном при напряжении Uном и токе Iном. Ток в обмотке возбуждения -- Iв, в обмотке якоря - Iа. Сопротивление обмотки возбуждения при tхол = 20 °С - RВ 20°С, а обмотки якоря – Ra 20°С. ЭДС генератора- Е. КПД генератора - rном, а суммарные потери мощности в генераторе ∑ р.
По заданным в таблице 2 значениям величин определить все остальные, отмеченные в таблице прочерками. Начертите схему такого генератора и поясните назначение каждого элемента схемы.
ЗАДАЧА 3
Трехфазный трансформатор имеет номинальную мощность SHQM. номинальные (линейные) напряжения обмоток U1ном и U2ном - номинальные токи I 1ном и I 2ном и коэффициент трансформации k. В сердечнике трансформатора сечением Q создается магнитная индукция Втах при частоте тока 
= 50 Гц. Обе обмотки соединены в-звезду. Числа виткоз первичной и вторичной обмоток – w1 и w2. ЭДС в обмотках (фазные величины) составляют Е1ф и Е2ф. По заданным в таблице 3 значениям величин определить все остальные, отмеченные в таблице прочерками.