Автотрансформаторы устройство и принцип действия

Автотрансформатор – устройство и принцип действия

Автотрансформаторы устройство и принцип действия
Автотрансформатор является одним из вариантов трансформатора, имеющего первичную и вторичную обмотки, подсоединенные напрямую.

Благодаря такой особенности устройство обладает не только магнитной, но и электрической связью.

Устройство и принцип действия автотрансформаторов рассмотрим в статье.

Что такое автотрансформатор?

С общей точки зрения трансформаторы — приборы, предназначенные для преобразования показателей тока входного типа с одного напряжения на выходные токи другого напряжения.

Если необходимо произвести замену уровня напряжения в незначительных пределах, то самым оптимальным вариантом станет применение однообмоточного прибора, также известного под названием автотрансформатор.

При коэффициенте трансформации на уровне единицы осуществляется полное поступление энергии непосредственно к заключительному потребителю.

Регулирование обеспечивается секционированной обмоткой внутри автотрансформатора, а сам прибор характеризуется удобством и ремонтопригодностью.

Автотрансформаторы обладают достаточно простой и интуитивно понятной конструкцией, что совершенно не умаляет достоинств такого прибора, но несколько ограничивает сферу применения.

Отличие автотрансформатора от трансформатора

Классические трансформаторы обладают не связанными друг с другом первичными и вторичными обмотками, поэтому процесс передачи энергии в таких устройствах обусловлен наличием магнитного поля.

На объединенной обмотке автотрансформатора располагается три вывода или более, при подключении к которым есть возможность получить различные показатели уровня напряжения.

В условиях малых коэффициентов трансформации, в пределах одной-двух единиц, любые автотрансформаторы показывают более высокую эффективность по сравнению с трансформаторными устройствами. Кроме всего прочего, такие приборы более легкие по весу и доступнее по стоимости, чем традиционные трансформаторы многообмоточного типа.

Устройство автотрансформатора

Однако, сравнивая основные характеристики автотрансформатора и классического трансформатора, можно смело утверждать, что второй вариант является максимально универсальным, а также отличается более широким диапазоном работы в процессе эксплуатации.

Автотрансформаторы характеризуются фактическим наличием одной обмотки с отходящими выводами, что обеспечивает высокоэффективную электромагнитную и электрическую связь.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества автотрансформаторов закономерно снижаются в условиях повышения трансформирующего коэффициента, и именно по этой причине агрегаты такого типа недопустимо использовать при питании распределительной электрической сети 220 В от напряжения шесть тысяч Вольт.

Таким образом, достоинства автотрансформатора максимально проявляются при наименьшем коэффициенте трансформации, и в этом случае бывают представлены:

  • незначительным расходом стали для изготовления сердечника;
  • пониженным расходом меди для производства обмоток;
  • простотой и незначительными габаритами конструкции;
  • почти максимальным коэффициентом полезного действия, достигающим показателей 99 %;
  • меньшими потерями на обмотках и стальных магнитных проводах;
  • частичной передачей энергии с использованием электрических связей;
  • достаточной полезной мощностью;
  • наименьшими изменениями напряжения в условиях смены нагрузки;
  • доступной для рядового потребителя стоимостью.

При наличии высшего и низшего напряжения в условиях одного порядка отсутствуют препятствия для электрического соединения цепей.

Основные недостатки автотрансформатора заключаются в малом сопротивлении короткого замыкания, объясняющим высокую токовую кратность и возможность передачи высшего напряжения в сеть с низкими показателями, что обусловлено наличием электрической связи. Низковольтная схема внутри устройства напрямую зависит от наличия в сети достаточно высокого уровня напряжения, поэтому для предотвращения сбоев разрабатываются специальные схемы.

Лабораторный автотрансформатор

Кроме всего прочего, небольшое рассеивание, возникающее между обмотками, может спровоцировать короткое замыкание. Важно помнить, что соединение между обмотками в обязательном порядке должно быть максимально равномерным, а нейтраль обладает исключительно двумя блоками.

Следует отметить, что из-за конструктивных особенностей автотрансформатора достаточно проблематично сохранять целостность электромагнитного баланса, а балансировка потребует увеличения габаритов, что негативно сказывается на весе и стоимости прибора.

Устройство автотрансформатора

Для электромагнитного устройства статического типа характерно наличие одной обмотки, часть которой одновременно отвечает как за первичную, так и за вторичную сеть.

Таким образом, в автотрансформаторе существует не только магнитная, но и электрическая связь, которая возникает между обмотками первичного и вторичного вида.

В настоящее время прибор выпускается в виде одно- и трехфазного, а также двух- или трехобмоточного устройства.

Двухобмоточный трансформатор и автотрансформатор

Автотрансформаторы имеют определенный тип конструкции и некоторые особенности, представленные первой обмоткой, которая используется в качестве части второго контура агрегата или наоборот.

Принцип действия

Наиболее важные характеристики принципа действия стандартного автотрансформатора определены особенностью подключения обмоточной части.

В процессе подключения к катушке тока переменного типа внутри сердечника отмечается наличие магнитного потока.

Каждый виток на этом этапе эксплуатации прибора характеризуется индукцией электродвижущей силы с идентичной величиной.

Таким образом, принцип работы прибора объясняется стандартной схемой автотрансформатора, а в результате подсоединения нагрузки наблюдается перемещение вторичного электрического потока по обмотке.

В это же время по проводнику осуществляется движение первичного тока.

В результате величины двух потоков суммируются, поэтому на участок обмотки осуществляется подача незначительных по величине показателей электрического тока.

Как показывает практика эксплуатации автотрансформаторов, по некоторым основным параметрам принцип работы такого прибора имеет не слишком существенные отличия от традиционных трансформаторов двухобмоточного типа.

Советы и рекомендации

В настоящее время наряду с однофазными приборами находят достаточно широкое применение и устройства трехфазного типа, отличающиеся обмоткой. Существуют современные трёхфазные автотрансформаторы, имеющие два и три контура.

Основные защитные характеристики автотрансформатора представлены несколькими вариантами:

  • дифференциальная разновидность, предупреждающая выход из строя при любых нарушениях в обмотке;
  • принцип токовой отсечки, корректирующий неполадки, возникшие на ошинковках или вводах;
  • высокоэффективная токовая защита, которая четко срабатывает в условиях повреждения агрегата;
  • газовый вид, оповещающий даже о выделениях или понижении количества маслянистой жидкости.

Конструкцией предусмотрена защита при появлении замыкания или перегрузки, но прибор не подлежит эксплуатации, если замечено повреждение изолирующего слоя, отмечается сбой на соединительных участках, присутствуют сторонние звуки или слишком сильная вибрация, а также прибор имеет на корпусе выраженные трещины или многочисленные сколы.

Автотрансформатор: описание, конструкция, схема

Автотрансформаторы устройство и принцип действия

В данной статье подробно опишем все про автотрансформатор, его конструкцию и принцип работы, а так же рассмотрим переменный автотрансформатор.

Описание

В отличие от трансформатора напряжения, который имеет две электрически изолированные обмотки: первичную и вторичную, автотрансформатор имеет только одну одиночную обмотку напряжения, которая является общей для обеих сторон.

 Эта отдельная обмотка «постукивает» по разным точкам вдоль своей длины, чтобы обеспечить процент первичного напряжения питания на его вторичной нагрузке.

 Тогда автотрансформатор имеет обычный магнитный сердечник, но имеет только одну обмотку, которая является общей для первичной и вторичной цепей.

Поэтому в автотрансформаторе первичная и вторичная обмотки связаны друг с другом как электрически, так и магнитно.

 Основным преимуществом этого типа конструкции трансформатора является то, что он может быть значительно дешевле при той же номинальной мощности ВА, но самым большим недостатком автотрансформатора является то, что он не имеет изоляции первичной / вторичной обмотки обычного трансформатора с двойной обмоткой.

Участок обмотки, обозначенный как первичная часть обмотки, соединен с источником питания переменного тока, причем вторичная обмотка является частью этой первичной обмотки.

Автотрансформатор также можно использовать для повышения или понижения напряжения питания путем изменения направления соединений.

Если первичная обмотка является общей обмоткой и подключена к источнику питания, а вторичная цепь подключена только через часть обмотки, то вторичное напряжение «понижается», как показано ниже.

Конструкция автотрансформатора

Когда первичный ток P протекает через одну обмотку в направлении стрелки, как показано, вторичный ток I S протекает в противоположном направлении.

Таким образом, в части обмотки, которая генерирует вторичное напряжение, В S ток , вытекающий из обмотки представляет собой разность P и I S .

Автотрансформатор также может быть построен с более чем одной точкой врезки. Автотрансформаторы могут использоваться для подачи различных точек напряжения вдоль его обмотки или увеличения напряжения питания относительно напряжения питания V P, как показано на рисунке.

Автотрансформатор с несколькими точками подключения

Стандартный метод маркировки обмоток автотрансформатора — маркировать его заглавными буквами, например, A , B , Z и т.д. Обычно общее нейтральное соединение обозначается как N или n .

Для вторичных ответвлений используются номера суффиксов для всех точек ответвления вдоль первичной обмотки автотрансформатора.

Эти числа обычно начинаются с цифры « 1 » и продолжаются в порядке возрастания для всех точек касания, как показано на рисунке.

Автотрансформаторный терминал маркировки

Автотрансформатор используется в основном для регулировки линейных напряжений, чтобы либо изменить его значение, либо сохранить его постоянным.

 Если регулировка напряжения на небольшую величину, либо вверх, либо вниз, то коэффициент трансформатора мал, так как P и S почти равны.

 Токи P и S также почти равны.

Следовательно, часть обмотки, которая несет разницу между двумя токами, может быть изготовлена ​​из проводника намного меньшего размера, поскольку токи намного меньше, что экономит затраты на эквивалентный трансформатор с двойной обмоткой.

Однако регулирование, индуктивность рассеяния и физический размер (поскольку нет второй обмотки) автотрансформатора для заданного значения ВА или КВА ниже, чем для трансформатора с двойной обмоткой.

Автотрансформаторы явно намного дешевле, чем обычные трансформаторы с двойной обмоткой и той же оценкой ВА. При принятии решения об использовании автотрансформатора обычно сравнивают его стоимость со стоимостью эквивалентного типа с двойной обмоткой.

Это делается путем сравнения количества меди, сэкономленной в обмотке. Если отношение « n » определено как отношение более низкого напряжения к более высокому напряжению, то можно показать, что экономия в меди составляет: n * 100% . Например, экономия на меди для двух автотрансформаторов будет:

Автотрансформатор пример

Автотрансформатор требует повышающее напряжение от 220 вольт до 250 вольт. Общее количество витков катушки на главной обмотке трансформатора составляет 2000. Определите положение первичной точки ответвления, первичного и вторичного токов, когда мощность на выходе равна 10 кВА, а экономия меди сохраняется.

Таким образом, первичный ток составляет 45,4 А, вторичный ток, потребляемый нагрузкой, составляет 40 А, и через общую обмотку протекает 5,4 А. Экономия меди составляет 88%.

Недостатки автотрансформатора

  • Основным недостатком автотрансформатора является то, что он не имеет изоляции первичной и вторичной обмоток обычного трансформатора с двойной обмоткой. Тогда автотрансформатор нельзя безопасно использовать для понижения более высоких напряжений до гораздо более низких напряжений, подходящих для меньших нагрузок.
  • Если обмотка вторичной стороны становится разомкнутой, ток нагрузки прекращает протекать через первичную обмотку, останавливая действие трансформатора, в результате чего на вторичные клеммы подается полное первичное напряжение.
  • Если вторичная цепь испытывает состояние короткого замыкания, результирующий первичный ток будет намного больше, чем у эквивалентного трансформатора с двойной обмоткой, из-за увеличенного магнитного потока, повреждающего автотрансформатор.
  • Поскольку нейтральное соединение является общим как для первичной, так и для вторичной обмотки, заземление вторичной обмотки автоматически заземляет первичную, поскольку между этими двумя обмотками нет изоляции. Трансформаторы с двойной обмоткой иногда используются для изоляции оборудования от земли.

Автотрансформатор имеет множество применений и устройств, в том числе и пуск асинхронных двигателей, используемых для регулирования напряжения линий электропередачи, и может быть использована для преобразования напряжения, когда первичные к вторичному отношению близко к единице.

Автотрансформатор также может быть изготовлен из обычных двухобмоточных трансформаторов путем последовательного соединения первичной и вторичной обмоток, и в зависимости от того, как выполнено соединение, вторичное напряжение может увеличивать или уменьшать первичное напряжение.

Переменный автотрансформатор

Наряду с наличием фиксированной или постукивающей вторичной обмотки, которая создает выходное напряжение на определенном уровне, существует еще одно полезное применение устройства типа автотрансформатора, которое можно использовать для получения переменного напряжения от источника переменного тока с фиксированным напряжением. Этот тип  переменного автотрансформатора обычно используется в лабораториях и научных лабораториях в школах и колледжах и более известен как Variac.

Конструкция переменного автотрансформатора, или вариака, такая же, как и для фиксированного типа. Одинарная первичная обмотка, намотанная на многослойный магнитный сердечник, используется, как в автотрансформаторе, но вместо того, чтобы фиксироваться в некоторой заранее определенной точке ответвления, вторичное напряжение отводится через угольную щетку.

Эта угольная щетка вращается или может скользить вдоль открытой части первичной обмотки, соприкасаясь с ней по мере движения, обеспечивая требуемый уровень напряжения.

Затем переменный автотрансформатор содержит переменный отвод в форме угольной щетки, которая скользит вверх и вниз по первичной обмотке, которая контролирует длину вторичной обмотки, и, следовательно, вторичное выходное напряжение полностью изменяется от значения первичного напряжения питания до нуля вольт.

Переменный автотрансформатор обычно имеет значительное количество первичных обмоток для создания вторичного напряжения, которое можно регулировать в диапазоне от нескольких вольт.

Это достигается благодаря тому, что угольная щетка или ползун всегда находятся в контакте с одним или несколькими витками первичной обмотки. Поскольку витки первичной катушки равномерно распределены по ее длине.

Тогда выходное напряжение становится пропорциональным угловому вращению.

Мы видим, что вариак может плавно регулировать напряжение на нагрузке от нуля до номинального напряжения питания.

Если в некоторой точке вдоль первичной обмотки было подано напряжение питания, то потенциально вторичное выходное напряжение могло бы быть выше, чем фактическое напряжение питания.

Переменный автотрансформатор также можно использовать для регулировки яркости света, а при использовании в этом типе приложений их иногда называют «диммерами».

Вариак также очень полезен в электротехнических и электронных мастерских и лабораториях, так как они могут использоваться для обеспечения переменного питания. Но следует соблюдать осторожность с подходящей защитой предохранителей, чтобы гарантировать, что более высокое напряжение питания не присутствует на вторичных клеммах в условиях неисправности.

Автотрансформатор имеет много преимуществ по сравнению с обычными трансформаторами двойных обмоток.

Они, как правило, более эффективны при одинаковом номинальном значении ВА, имеют меньшие размеры и, поскольку в их конструкции требуется меньше меди, их стоимость ниже по сравнению с трансформаторами с двойной обмоткой с одинаковыми номинальными характеристиками.

Кроме того, их потери в сердечнике и меди, I 2 R , ниже из-за меньшего сопротивления и реактивного сопротивления рассеяния, обеспечивающих более высокое регулирование напряжения, чем у эквивалентных двухобмоточных трансформаторов.

В следующей статье о трансформаторах мы рассмотрим другой дизайн трансформатора, у которого нет обычной первичной обмотки, намотанной вокруг его сердечника. Этот тип трансформатора обычно называют трансформатором токаи используется для питания амперметров и других таких индикаторов электрической мощности.

Что такое автотрансформатор?

Автотрансформаторы устройство и принцип действия

Электрические потребители нуждаются в трансформации тока до требуемого значения напряжения. Если подобные изменения не определяются в небольшом пределе, можно применять специальный агрегат.

Обычный трансформатор имеет в своем составе две катушки. Специальный прибор может иметь всего одну совмещенную обмотку. Это и есть автотрансформатор.

Его применяют в том случае, если показатель преобразования не составляет более 1.

В этом случае разница между уровнем тока в первичной и вторичной обмотке будет небольшой. Что такое автотрансформатор, а также основные принципы его работы будет рассмотрено далее.

Принцип устройства

Автотрансформаторы характеризуются определенным устройством и принципом действия. Их первая обмотка является частью второго контура или наоборот. Такие цепи характеризуются электромагнитной и гальванической связью. Повышающий и понижающий агрегат применяются во многих сферах деятельности человека. Причем его характеристики определяются особенностями включения обмоток.

При подключении к катушке переменного тока в сердечнике определяется магнитный поток. В каждом из существующих витков в этот момент будет индуктироваться электродвижущая сила. Причем ее величина будет идентична.

Схема автотрансформатора объясняет принцип работы агрегата. При подсоединении нагрузки вторичный электрический поток будет перемещаться по обмотке. По этому же проводнику в этот момент движется и первичный ток. Оба потока геометрически складываются. Поэтому на обмотку станет подаваться совсем незначительный электрический ток.

Особенности

Схема замещения автотрансформатора позволяет сэкономить на количестве медного проводника. Для такого оборудования необходима проволока меньшего сечения.

Это обеспечивает значительную экономию материалов и относительно невысокую стоимость аппарата. Сократить расходы на изготовление представленного оборудования удается благодаря снижению количества стали для изготовления магнитопривода.

Силовые трансформаторы и автотрансформаторы значительно отличаются размером сечения сердечника.

Устройство современного автотрансформатора делает оборудование востребованным, если показатель трансформации приближается к 1 или находится в пределах от 1,5 до 2. Если же коэффициент будет больше 3, применение подобного прибора становится неоправданным.

По многим параметрам принцип работы автотрансформатора, его конструкция и детали мало отличаются от обычных двухобмоточных трансформаторов.

Различные режимы работы автотрансформаторов позволяют устранить недостатки бытовой электросети. Это необходимо, например, когда напряжение не дотягивает или, наоборот, немного превышает стандартную норму 220 В.

Особенности конструкции автотрансформатора позволяют выполнять настройку с определенным шагом.

Электронный автотрансформатор, имеющий в своем составе коммутационную и регулирующую систему выполняет этот процесс автоматически.

Разновидности

На выбор разновидности автотрансформатора влияет его назначение и условия эксплуатации. Чаще всего применяется восемь типов представленных агрегатов:

  1. ВУ-25-Б. Создан для уравнивания токов вторичной обмотки при использовании схемы дифференциальной защиты силовых трансформаторов.
  2. АТД. Мощность находится на уровне 25Вт. Имеет устаревший тип конструкции. Он долго насыщается и применяется достаточно редко.
  3. ЛАТР-1. Принцип действия этого автотрансформатора позволяет применять его при нагрузке 127В.
  4. ЛАТР-2. Изготавливается для бытовой сети (220В). В ЛАТРе позволяется регулировать напряжение при помощи скользящего по виткам катушки контакта.
  5. ДАТР-1. Применяется при незначительной нагрузке в специальном оборудовании.
  6. РНО. Используется в условиях повышенной нагрузки.
  7. РНТ. Эксплуатируется при наиболее сильных нагрузках в сетях специального назначения.
  8. АТНЦ. Применяется для телеизмерительных приборов.

Также существует разделение на агрегаты малой мощности (до 1 кВ), средней мощности (больше 1 кВ) и силовые типы.

Однофазные разновидности

Сегодня применяются однофазный и трехфазный автотрансформатор. В первом случае оборудование представлено такой разновидностью, как ЛАТР. Его применяют для низковольтных сетей.

При повышенном напряжении требуется понижающая конструкция, например, автотрансформатор типа 220/110 или 220/100. В этом случае вторичная обмотка входит в состав первичного контура.

Повышающий тип автотрансформаторов, наоборот, включает первичную обмотку в состав вторичного контура.

В обеих разновидностях устройств регулирование производится посредством скольжения подвижного контакта по обмоточным виткам. ЛАТРы состоят из магнитопривода кольцеобразной формы. Его обмотка включает в себя один слой. Она состоит из изолированного провода из меди.

Однофазные автотрансформаторы имеют несколько ответвлений, которые отходят от обмотки. Именно эти элементы конструкции определяют, будет ли агрегат работать на повышение или понижение напряжения сети.

Чтобы получить плавность настройки вторичного напряжения создается небольшая дорожка на поверхности обмотки. Она очищена от слоя изоляции. По этой дорожке перемещается роликовый или щеточный контакт.

Регулировка осуществляется в пределах от 0 до 250 В.

Трехфазные разновидности

Наряду с однофазными применяются и трехфазные аппараты. Они отличаются типом обмотки. Существует автотрансформатор трехфазного типа с двумя и тремя контурами.

Чаще всего обмотки в подобных устройствах соединяются в виде звезды. Они имеют выведенную отдельно точку нейтрали. При помощи направления подведения напряжения выполняется понижение или повышение.

Этот принцип положен в основу старта работы мощного двигателя, регулирования электрического тока по ступенчатой системе. Трехфазный тип автотрансформаторов применяется для нагревательных элементов печей.

Приборы с тремя обмотками используются в сетях высоковольтного типа. При этом со стороны высшего напряжения агрегат соединяется с нулевым проводом в звезду.

Этот тип контакта способен снизить напряжение с учетом особенностей изоляции аппаратуры. Применение подобных приборов способно повысить уровень КПД системы, а также сэкономить затраты на совершение передачи электроэнергии.

Однако в этом случае повышается количество токов короткого замыкания.

Наличие гальванической связи между совмещенными контурами не позволяют использовать представленное оборудование в силовых сетях (6-10 кВ), если напряжение понижается до 0,38 кВ.

В этом случае трехфазное напряжение 380В подается непосредственно к электрическим потребителям. На таком оборудовании могут работать люди.

Во избежание несчастных случаев применяются в подобных условиях другие разновидности агрегатов.

Недостатки

Перед тем, как вводить в эксплуатацию представленное оборудование, необходимо изучить его основные недостатки:

  • Схема низковольтного типа будет значительно зависеть от высокого уровня напряжения. Чтобы избежать возникновения сетевого сбоя, потребуется создать продуманную систему подачи низкого напряжения. Только в таком случае прибор сможет перенести повышенные нагрузки.
  • Поток, рассеивающийся между обмотками, незначителен. При возникновении определенных неисправностей может возникнуть короткое замыкание. Его вероятность в этом случае значительно увеличивается.
  • Соединения, которые создаются между вторичными и первичными обмотками, должны быть идентичными. В противном случае могут возникнуть некоторые проблемы при работе агрегата.
  • Невозможно создать систему с заземлением с одной стороны. Нейтралью должны обладать оба блока.
  • Представленная система делает трудной задачей сохранение электромагнитного баланса. Для улучшения этого показателя потребуется увеличить корпус прибора. Если диапазон трансформации будет значительным, экономия ресурсов будет незначительной.

Также следует отметить, что выполняя ремонт автотрансформатора, устраняя возникшие неполадки и аварийные ситуации, может снизиться безопасность работы обслуживающего персонала. Высшее напряжение может наблюдаться и на низшей обмотке.

В этом случае все элементы системы окажутся подведены к высоковольтной части. По правилам безопасности такое положение вещей недопустимо.

В этом случае возникает вероятность пробоя изоляции проводников, которые присоединены к электрооборудованию.

Рассмотрев основные особенности работы и устройства автотрансформаторов, можно сделать выводы о целесообразности их применения в своих целях.

Автотрансформаторы | Устройство и принцип действия

Автотрансформаторы устройство и принцип действия

Автотрансформатор – это устройство для изменения напряжения переменного тока при сохранении его частоты, основанное на эффекте электромагнитной индукции, которое имеет одну общую обмотку на магнитопроводе и не менее трёх выводов от неё.

Если простыми словами, то автотрансформаторы – это разновидность обычных трансформаторов напряжения, в которых есть всего одна обмотка, часть витков которой выполняют функцию первичной обмотки, а часть вторичной.

Для лучшего понимания, давайте рассмотрим устройство наиболее распространенного типа автотрансформаторов.

Обозначение автотрансформатора на схемах

Кстати, вы довольно легко на любой схеме определите автотрансформатор и отличите его от обычного трансформатора, чаще всего он обозначается вот так:

Как видите, схематически у автотрансформатора показаны все его основные элементы: прямая линия – это стальной сердечник, с одной стороны которого расположена единственная обмотка – в виде волнистой линии, от которой идёт несколько отводов.

Перепутать с обычным трансформатором не получится, ведь у него на схеме будет как минимум две обмотки по сторонам от сердечника.

Более подробно о принципиальных различиях автотрансформатора и обычного трансформатора напряжения, я расскажу во второй части этой статьи.

Принцип работы автотрансформатора

А сейчас, для лучшего понимания основного принципа работы автотрансформаторов, рассмотрим процессы, которые в них происходят.

В качестве примера, мы возьмем автотрансформатор, который может как повышать напряжение на выходе, так и уменьшать его, относительно начального. Общее количество витков медного провода у него, для удобства расчетов, равно 20, выглядит он следующим образом:

Как видите, у такой модели, есть уже четыре точки подключения к общей обмотке: A1, a2, a3 и X.

К контактам A1 и N – подключается источник переменного электрического тока, например, питание стандартной городской электросети, с напряжением(U1), в нашем случае это стандартные 220В. Всего между этими точками 18 витков медной проволоки, этот участок спирали обозначен как W1, он считается первичной обмоткой автотрансформатора.

Что происходит при подаче напряжения на автотрансформатор

При протекании переменного тока по обмотке, в сердечнике (магнитопроводе) автотрансформатора, образуется переменный магнитный поток, который циркулирует по замкнутому магнитному сердечнику, пронизывая ВСЕ витки обмотки.

Проще говоря, при подключении тока к первичной обмотке – в нашем примере к 18 виткам, магнитный поток протекая по сердечнику пронизывает всю обмотку, все 20 витков. Напряжение же на первичной обмотке (в точках подключения A1 и X) остаётся 220В или, если распределить на каждый виток 220/18 = 12.222… Вольта на каждый.

Теперь, чтобы узнать какое напряжение образуется на всех 20 витках, к точкам a2 и X, подключим нагрузку, какой-нибудь электроприбор – это будет вторичная обмотка автотрансформатора. На схеме условно обозначим нагрузку, некий электроприбор подключеный к этой обмотке, напряжение U2, а число витков между контактами W2 = 20.

Зависимость между обмотками у автотрансформатора, выражается следующей формулой:

U1/w1 = U2/w2, где U1 напряжение на первой обмотке, U2 напряжение на второй обмотке, w1 число витков первой обмотки, w2 число витков второй обмотки.

Из этой формулы следует что напряжение на вторичной обмотке изменяется относительно напряжения первичной обмотки, пропорционально разнице витков. В нашем примере на один виток первичной обмотки приходится 12.22.. Вольт, у вторичной же обмотки витков больше на 2, соответственно общее напряжение обмотки выше на 24.44..Вольта.

Это доказывает нехитрый расcчет:

U1/w1 = U2/w2,

220 Вольт/18 Витков=U2/20 Витков,

U2 = 220*20/18 = 244.44В

Автотрансформатор, у которого на вторичной обмотке напряжение увеличивается называется повышающий.

Зная зависимость между обмотками, мы можем вычислить коэффициент трансформации, величину, которая позволяет легко определять, изменение входящих параметров (напряжения, сопротивления, силы тока) на вторичной обмотке.

Коэффициент трансформации вычисляется по следующей формуле:U1/U2=w1/w2

В нашем случае получается 220/244,44=18/20=0,9

Теперь давайте посмотрим, как изменится напряжения на оставшихся контактах.

Подключаем нагрузку к контактам a3 и X нашего автотрансформатора, число витков w3 у этой обмотки равно 16, напряжение обозначим как U3.

Следуя той же формуле, рассчитываем напряжение:

U1/w1 = U3/w3 = 220/18=U3/16, от сюда следует, что U3 =220*16/18 = 195,55.. Вольт, а коэффициент трансформации U1/U3=w1/w3=220/195,55=18/16=1,125 , эта обмотка понижающая.

Автотрансформатор, у которого на вторичной обмотке напряжение уменьшается называется понижающий.

Теперь, зная коэффициенты трансформации на всех выводах автотрансформатора мы легко сможем определять, например, какое будет напряжение на вторичной обмотке, если изменится напряжение источника электрического тока:

Так, например, при напряжении источника переменного тока на первичной обмотке 200В, у этого трансформатора:

– на контактах a2 и X, при коэффициенте трансформации k1=0,9 напряжением будет U2=200В/0,9= 222,22 В

– на контактах a3 и X, при коэффициенте трансформации k2=1,125 напряжение равняется U3=200/1,125=177,77 В

ПРАВИЛО: Если коэффициент трансформации k>1 – то трансформатор понижающий, если же k

Автотрансформатор: устройство, принцип действия, схема, типы

Автотрансформаторы устройство и принцип действия

С развитием энергетики и связанных с ней электрических сетей для передачи переменного тока, как источника питания для различных устройств, возникла необходимость в приборах, изменяющих величину напряжения. Такими универсальными электромагнитными устройствами, позволяющими повышать или понижать исходное напряжение до требуемой величины, стали трансформаторы.

Со временем, для обеспечения стабильной работы электроприборов, преимущественно бытового назначения, возникла необходимость плавного регулирования напряжения. Это стало возможным после того, как был изобретён автотрансформатор – устройство, в котором вторичная обмотка является составной частью первичных витков.

Отличие автотрансформатора от обычного трансформатора

Как видно из описания автотрансформатора, главное его отличие от обычного трансформатора – отсутствие второй катушки с сердечником. Роль вторичных обмоток выполняют отдельные группы витков, имеющих гальваническую связь. Эти группы не требуют отдельной электрической изоляции.

У такого устройства есть определённые преимущества:

  • сокращён расход цветных металлов, используемых на изготовление такого оборудования;
  • передача энергии осуществляется путём воздействия электромагнитного поля входного тока, и благодаря электрической связи между обмотками. Следовательно, потеря энергии оказывается ниже, поэтому у автотрансформаторов наблюдаются более высокие КПД;
  • малый вес и компактные габариты.

Несмотря на конструкционные различия, принцип работы этих двух типов изделий остаётся неизменным. Выбор типа трансформатора зависит, прежде всего, от целей и задач, которые приходится решать в электротехнике.

Типы автотрансформаторов

В зависимости от того в каких сетях (однофазных или трёхфазных) требуется изменить напряжение, используют соответствующий тип автотрансформаторов. Они бывают однофазными либо трёхфазными. Для трансформации тока с трёх фаз можно установить три автотрансформатора, предназначенных для работы в однофазных сетях, соединив их выводы треугольником или звёздочкой.

Схема соединений обмоток трансформатора

Существуют типы лабораторных автотрансформаторов, позволяющих плавно изменять значения по выходному напряжению.

Такой эффект достигается путём перемещения ползунка по поверхности открытой части однослойной обмотки, наподобие принципа работы реостата.

Витки проволоки наносятся вокруг кольцеобразного ферромагнитного сердечника, по окружности которого и перемещается контактный ползунок.

Автотрансформаторы подобного типа массово применялись на просторах СССР в эпоху массового распространения ламповых телевизоров. Тогда напряжение сетей было нестабильно, что вызывало искажения изображений. Пользователям этой несовершенной техники приходилось время от времени подстраивать напряжение до уровня 220 В.

До появления стабилизаторов напряжения, единственной возможностью достичь оптимальных параметров питания для бытовой техники того времени, было применение ЛАТР.

Данный тип автотрансформаторов используется и сегодня в различных лабораториях и учебных заведениях.

С их помощью осуществляется наладка электротехнического оборудования, тестируется аппаратура с высокой чувствительностью и выполняются другие задачи.

В специальном оборудовании, где нагрузки незначительны, применяются модели автотрансформаторов ДАТР.

Автотрансформатор ЛАТР

Существуют также автотрансформаторы:

  • малой мощности, для работы в цепях до 1 кВ;
  • среднемощные агрегаты (больше 1 кВ);
  • высоковольтные автотрансформаторы.

Следует заметить, что с целью безопасности ограничено использование автотрансформаторов в качестве силовых трансформаторов, для снижения до 380 В напряжений, превышающих 6 кВ.

Это связано с наличием гальванической связи между обмотками, что не безопасно для конечного потребителя. При авариях не исключено, что высокое напряжение попадёт на запитанное оборудование, что чревато непредсказуемыми последствиями.

В этом кроется основной недостаток автотрансформаторов.

Обозначение на схемах

Отличить автотрансформатор на схеме от изображения обычного трансформатора очень легко. Признаком является наличие единственной обмотки связанной с одним сердечником, обозначенным жирной линией на схемах.

По одну или по обе стороны этой лини схематически изображены обмотки, но в автотрансформаторе все они соединены друг с другом. Если на схеме витки изображены автономно, то речь идёт об обычном трансформаторе (см.

рисунок 1).

Устройство и конструктивные особенности

Как было отмечено выше, автотрансформатор состоит из одной катушки. Её наматывают на обычный или на тороидальный сердечник.

Тороидальный трансформатор

В силу конструктивных особенностей у него отсутствуют гальванические развязки между цепями, что может привести к поражению высоковольтным током.

Поэтому понижающий автотрансформатор, ввиду его повышенной опасности, требует принятия дополнительных мер по защите от поражения электротоком.

Работа с ним допускается при условии строгого соблюдения правил безопасности.

Принцип действия автотрансформатора

Несмотря на особенности строения обмоточной части агрегата, его принцип действия очень напоминает работу обычного трансформатора.

По такому же принципу во время циркуляции переменного тока возникает магнитный поток в сердечнике. Его действие на обмотку характеризуется появлением на каждом отдельном витке равновеликой электродвижущей силы.

Суммарная ЭДС на отрезке обмотки равна сумме величин токов всех отдельно взятых витков.

Особенностью является то, что по обмотке циркулирует ещё и первичный ток, который оказывается в противофазе к индукционному потоку. Результирующие значения этих токов на участке обмотки, предназначенной для потребителя, получаются меньшими (для понижающего тр.) чем параметры поступающего электричества.

Схема понижающего автотрансформатора

Соотношение величин ЭДС выражается формулой: E1/E2 = w1/w2 = k , где E – ЭДС, w – количество витков, k – коэффициент трансформации.

Учитывая то, что падение напряжений в обмотках трансформатора невелико – его можно не учитывать. В таком случае равенства: U1 = E1; U2 = E2 можно считать справедливыми. Таким образом, приведённая выше формула приобретает вид: U1/U2 = w1/w2 = k, то есть, соотношение напряжений к числу витков такое же, как и для обычного трансформатора.

Не вдаваясь в подробности, заметим, что отношение силы тока верхней катушки к току нагрузки, как и для обычного трансформатора, выражается формулой: I1/I2 = w2/w1 = 1/k.

Отсюда следует, что поскольку в понижающем трансформаторе w2 < w1, то I2 < I1. Другими словами ток на выходе значительно меньше величины входящего тока.

Таким образом, расходуется меньше энергии на нагревание проволоки, что позволяет использовать провода меньшего сечения.

Примечательно, что мощность нагрузки образуют токи электромагнитной индукции и электрической составляющей. Электрическая мощность ( P = U2*I1 ) довольно ощутима, в сравнении с индукционной составляющей, поступающей во вторичную цепь. Поэтому, чтобы получить требуемую мощность, используются меньшие значения сечений для магнитопроводов.

Области применения

Автотрансформаторы по сей день занимают прочные позиции в различных областях, связанных с электротехникой. Без них не обходятся:

  • различные выпрямители;
  • радиотехнические устройства;
  • телефонные аппараты;
  • сварочные аппараты;
  • системы электрификации железных дорог и многие другие устройства.

Трёхфазные автотрансформаторы используют в высоковольтных электросетях. Их применение повышает КПД энергосистем, что сказывается на снижении затрат, связанных с передачей электроэнергии.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.