Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

З розвитком енергетики і пов'язаних з нею електричних мереж для передачі змінного струму, як джерела живлення для різних пристроїв, виникла необхідність в приладах, що змінюють величину напруги. Такими універсальними електромагнітними пристроями, що дозволяють підвищувати або знижувати вихідна напруга до необхідної величини, стали трансформатори.

Згодом, для забезпечення стабільної роботи електроприладів, переважно побутового призначення, виникла необхідність плавного регулювання напруги. Це стало можливим після того, як був винайдений автотрансформатор - пристрій, в якому вторинна обмотка є складовою частиною первинних витоків.

Що таке автотрансформатор?

Зі шкільного курсу фізики відомо, що найпростіший трансформатор складається з двох котушок, намотаних на залізні сердечники. Магнітним полем змінного струму, живиться через висновки первинних обмоток, порушуються електромагнітні коливання в другій котушці, з аналогічною частотою.

При підключенні навантаження, до висновків робочої обмотки, вона утворює вторинну ланцюг, в якій виникає електричний струм. При цьому напруга в утвореній електричного кола пов'язано прямо пропорційною залежністю з кількістю витків обмоток. Тобто: U 1 / U 2 = w 1 / w 2, де U 1, U 2 - напруга, а w 1, w 2 - кількість повних витків у відповідних котушках.

Малюнок 1. Схема звичайного трансформатора і автотрансформатора

Трохи по-іншому влаштований автотрансформатор. Він, по суті, складається з однієї обмотки, від якої зроблено один або кілька відводів, що утворюють вторинні витки. При цьому всі обмотки утворюють між собою не тільки електричну, а й магнітну зв'язок. Тому, при подачі електричної енергії на вхід автотрансформатора, виникає магнітний потік, під дією якого відбувається індукція ЕРС в обмотці навантаження. Величина електрорушійної сили пов'язана прямий пропорційністю з числом витків, що утворюють навантажувальну обмотку, з якої знімається напруга.

Таким чином, формула, наведена вище, справедлива і для автотрансформатора.

З основної обмотки можна відводити велику кількість висновків, що дозволяє створювати комбінації для зняття різних за величиною напружень. Це дуже зручно на практиці, так як зниження напруги часто потрібно для харчування декількох блоків електроприладів, що використовують різні напруги.

Відмінність автотрансформатора від звичайного трансформатора

Як видно з опису автотрансформатора, головна його відмінність від звичайного трансформатора - відсутність другої котушки з сердечником. Роль вторинних обмоток виконують окремі групи витків, що мають гальванічний зв'язок. Ці групи не вимагають окремої електричної ізоляції.

У такого пристрою є певні переваги:

  • скорочений витрата кольорових металів, використовуваних на виготовлення такого обладнання;
  • передача енергії здійснюється шляхом впливу електромагнітного поля вхідного струму, і завдяки електричного зв'язку між обмотками. Отже, втрата енергії виявляється нижче, тому у автотрансформаторів спостерігаються більш високі ККД;
  • малу вагу і компактні габарити.

Незважаючи на конструкційні відмінності, принцип роботи цих двох типів виробів залишається незмінним. Вибір типу трансформатора залежить, перш за все, від цілей і завдань, які доводиться вирішувати в електротехніці.

типи автотрансформаторів

Залежно від того в яких мережах (однофазних або трифазних) потрібно змінити напругу, використовують відповідний тип автотрансформаторів. Вони бувають однофазними або трифазними. Для трансформації струму з трьох фаз можна встановити три автотрансформатора, призначених для роботи в однофазних мережах, з'єднавши їх висновки трикутником або зірочкою.

Схема з'єднань обмоток трансформатора

Існують типи лабораторних автотрансформаторів, що дозволяють плавно змінювати значення по вихідній напрузі. Такий ефект досягається шляхом переміщення повзунка по поверхні відкритої частини одношарової обмотки, на зразок принципу роботи реостата. Витки дроту наносяться навколо кільцеподібного феромагнітного сердечника, по колу якого і переміщається контактний повзунок.

Автотрансформатори подібного типу масово застосовувалися на просторах СРСР в епоху масового поширення лампових телевізорів. Тоді напруга мереж було нестабільно, що викликало спотворення зображень. Користувачам цієї недосконалої техніки доводилося час від часу підлаштовувати напруга до рівня 220 В.

До появи стабілізаторів напруги, єдиною можливістю досягти оптимальних параметрів харчування для побутової техніки того часу, було застосування ЛАТР. Даний тип автотрансформаторів використовується і сьогодні в різних лабораторіях і навчальних закладах. З їх допомогою здійснюється налагодження електротехнічного устаткування, тестується апаратура з високою чутливістю і виконуються інші завдання.

У спеціальному обладнанні, де навантаження незначні, застосовуються моделі автотрансформаторів ДАТР.

автотрансформатор ЛАТР

Існують також автотрансформатори:

  • малої потужності, для роботи в ланцюгах до 1 кВ;
  • середньоглибокі агрегати (більше 1 кВ);
  • високовольтні автотрансформатори.

Слід зауважити, що з метою безпеки обмежено використання автотрансформаторів в якості силових трансформаторів, для зниження до 380 В напружень, що перевищують 6 кВ. Це пов'язано з наявністю гальванічного зв'язку між обмотками, що небезпечно для кінцевого споживача. При аваріях не виключено, що висока напруга потрапить на живити обладнання, що загрожує непередбачуваними наслідками. В цьому криється основний недолік автотрансформаторів.

Позначення на схемах

Відрізнити автотрансформатор на схемі від зображення звичайного трансформатора дуже легко. Ознакою є наявність єдиної обмотки пов'язаної з одним сердечником, позначених жирною лінією на схемах. За одну або по обидва боки цієї лінії схематично зображено обмотки, але в автотрансформаторі всі вони пов'язані один з одним. Якщо на схемі витки зображені автономно, то мова йде про звичайний трансформаторі (див. Малюнок 1).

Будову та конструктивні особливості

Як було зазначено вище, автотрансформатор складається з однієї котушки. Її намотують на звичайний або на тороидальний сердечник.

тороїдальний трансформатор

В силу конструктивних особливостей у нього відсутні гальванічні розв'язки між ланцюгами, що може призвести до ураження високовольтним струмом. Тому понижуючий автотрансформатор, з огляду на його підвищеної небезпеки, вимагає вжиття додаткових заходів щодо захисту від ураження електрострумом. Робота з ним допускається за умови суворого дотримання правил безпеки.

Принцип дії автотрансформатора

Незважаючи на особливості будови обмотувальної частини агрегату, його принцип дії дуже нагадує роботу звичайного трансформатора. За таким же принципом під час циркуляції змінного струму виникає магнітний потік в сердечнику. Його дія на обмотку характеризується появою на кожному окремому витку рівновеликої електрорушійної сили. Сумарна ЕРС на відрізку обмотки дорівнює сумі величин струмів всіх окремо взятих витків.

Особливістю є те, що по обмотці циркулює ще й первинний струм, який виявляється в протифазі до індукційному потоку. Результуючі значення цих струмів на ділянці обмотки, призначеної для споживача, виходять меншими (для понижуючого тр.) Ніж параметри надходить електрики.

Схема понижуючого автотрансформатора

Співвідношення величин ЕРС виражається формулою: E 1 / E 2 = w 1 / w 2 = k, де E - ЕРС, w - кількість витків, k - коефіцієнт трансформації.

З огляду на те, що падіння напруги в обмотках трансформатора невелика - його можна не враховувати. В такому випадку рівності: U 1 = E 1; U 2 = E 2 можна вважати справедливими. Таким чином, наведена вище формула набуває вигляду: U 1 / U 2 = w 1 / w 2 = k, тобто, співвідношення напруг до числа витків таке ж, як і для звичайного трансформатора.

Не вдаючись в подробиці, зауважимо, що ставлення сили струму верхньої котушки до току навантаження, як і для звичайного трансформатора, виражається формулою: I 1 / I 2 = w 2 / w 1 = 1 / k. Звідси випливає, що оскільки в знижувальному трансформаторі w 2 <w 1, то I 2 <I 1. Іншими словами ток на виході значно менше величини вхідного струму. Таким чином, витрачається менше енергії на нагрівання дроту, що дозволяє використовувати дроти меншого перетину.

Примітно, що потужність навантаження утворюють струми електромагнітної індукції і електричної складової. Електрична потужність (P = U 2 * I 1) досить відчутна, в порівнянні з індукційною складової, що надходить у вторинну ланцюг. Тому, щоб отримати необхідну потужність, використовуються менші значення перетинів для магнітопроводів.

Області застосування

Автотрансформатори донині займають міцні позиції в різних областях, пов'язаних з електротехнікою. Без них не обходяться:

  • різні випрямлячі;
  • радіотехнічні пристрої;
  • телефонні апарати;
  • зварювальні апарати;
  • системи електрифікації залізниць і багато інших пристроїв.

Трифазні автотрансформатори використовують в високовольтних електромережах. Їх застосування підвищує ККД енергосистем, що позначається на зниженні витрат, пов'язаних з передачею електроенергії.

Переваги і недоліки

До описаного вище переваг можна додати низьку вартість виробів, за рахунок зниження витрат на застосовувані кольорові метали, витрат на трансформаторну сталь. Для автотрансформаторів характерні незначні втрати енергії струмів, що циркулюють по обмоткам і сердечникам, що дозволяє досягати рівня коефіцієнта корисної дії до 99%.

До недоліків слід додати необхідність обладнання глухого заземлення нейтралі. У зв'язку з існуючою ймовірністю по короткого замикання і можливістю передачі високої напруги по мережі, для автотрансформаторів існують певні обмеження до застосування.

Через гальванічного зв'язку обмоток, виникає небезпека переходу між ними атмосферних перенапруг. Однак, незважаючи на недоліки, автотрансформатори як і раніше знаходять широке застосування в самих різних областях.

Відео по темі статті

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія: