Специальные типы трансформаторов

Автотрансформаторы

В автотрансформаторе имеется только одна обмотка, намотанная на замкнутый стальной сердечник. У пони­жающего автотрансформатора часть первичной обмотки является его вторичной обмоткой.

Автотрансформаторы могут служить как для пониже­ния, так и для повышения напряжения. Выполняются они для небольших коэффициентов трансформации k= = 1,25÷2.

Если к первичной обмотке АХ с числом витков w₁ подвести напряжение U₁, а вторичную обмотку аХ оста­вить разомкнутой, то ток, проходя по первичной обмотке, создаст магнитный поток Ф₁ , который будет индукти­ровать в каждом витке обмотки э. д. с. е_в (рис. 150, а). Тогда э. д. с. в обмотке АХ будет равна Е₁ = w₁e_в, а в части обмотки аХ Е₂ = w₂e_в. Отношение э. д. с, индук­тированных в обмотках АХ и аХ, как известно, есть коэф­фициент трансформации

Если к части обмотки аХ подсоединить нагрузку z_нг (рис. 150, б), то в цепи нагрузки потечет ток I₂. Пренебре­гая потерями в автотрансформаторе, можно написать такое равенство

т. е. энергия, подведенная к автотрансформатору, равна энергии, полученной от него.

Тогда

так же как и в трансформаторе.

Ток нагрузки I₂ состоит из двух составляющих: тока сети I₁ (рис. 150, д) и тока I_р (рис. 150, г).

На участке обмотки аХ протекает разность токов

Это дает возможность выполнять обмотку аХ из про­вода небольшого сечения.

Так как I₂ = I₁ + I_Р (рис. 150, в), то, умножив обе части уравнения на U₂, получим

т. е. мощность вторичной обмотки состоит из двух состав­ляющих — электрической S_эл, поступающей из сети, и электромагнитной S_ЭМ, поступающей из вторичной об­мотки аХ, куда она передается электромагнитным путем через магнитный поток Ф. Так как электромагнитным путем во вторичную обмотку передается только часть мощности, то это позволяет уменьшить сечение магнитопровода, что дает экономию стали и снижает потери в ней. При уменьшении сечения магнитопровода сокращается средняя длина одного витка и общее количество меди, расходуемой на обмотку.

Электрические потери в обмот­ках автотрансформатора значительно меньше, чем в об­мотках соответствующего трансформатора, так как в первом только одна обмотка, а не две, и во вторичной обмот­ке протекает разность токов. Величина потерь короткого замыкания по сравнению с аналогичными потерями в соот­ветствующем по мощности трансформаторе равна

где Р_ка — потери в меди автотрансформатора (вт);

Р_ктр — потери в меди соответствующего ему по мощ­ности трансформатора (вт); k_a - коэффициент трансформации автотрансформа­тора. Автотрансформатор может быть использован в качестве повышающего, и в этом случае по части обмот­ки АХ течет разность токов (рис. 151, а)

откуда

Величину результирующего токадля понижающего автотранс­форматора можно найти по формуле

а для повышающего автотрансформатора:

Автотрансформаторы применяют при пуске крупных синхронных и асинхронных двигателей для понижения подводимого к ним пускового напряжения, а также в ла­бораториях и в быту для повышения напряжения сети.

Имеются автотрансформаторы, у которых вторичное напряжение можно плавно регулировать, перемещая скользящий контакт по обмотке, которая в месте движения щетки очищена от изоляции. По такому принципу устроен

автотрансформатор типа ЛАТР — лабораторный автотран­сформатор (рис.152). Автотрансформаторы, применяемые для повышения напряжения в быту, имеют переключатели, которыми можно изменять число витков вторичной обмотки и сту­пенчато регулировать напря­жение на выходе автотранс­форматора (рис. 153, а). При номинальном напряжении в сети переключатель П уста­навливают на зажим 4 и ав­тотрансформатор находится в режиме холостого хода.

При значительном снижении напряжения в сети эта схема дает мало эффекта, так как ток и магнитный поток снижаются и повышение напряжения получается незначи­тельным. В таких случаях лучше применить схему с ре­гулированием числа витков первичной обмотки (рис. 153, б). При снижении напряжения переключатель П устанавливают на зажимы 1, 2 или 3 в зависимости от степени снижения напряжения, а при номинальном напряжении в сети на зажим 4.

Трехфазный автотрансформатор обычно соединяют в звезду (рис. 154).

Таким образом, автотрансформаторы по сравнению с трансформаторами имеют следующие преимущества: меньший расход материала, меньший вес, меньшие размеры, меньшие по­тери, более высокий к. п. д., мень­шую стоимость.

Наряду с преимуществами у авто­трансформаторов имеются следующие недостатки:

а) напряжение сети попадает во вторичную обмотку, поэтому авто­трансформаторы не могут применять­ся в качестве понижающих с точки зрения техники безопасности, напри­мер для местного освещения станков;

б) малое значение напряжения ко­роткого замыкания и соответственно большие токи короткого замыкания;

в) незначительные коэффициенты трансформации, не выше 2, так как при коэффициентах трансформации выше 2 автотрансформаторы невыгодны.

Пример. Понижающий однофазный автотрансформа­тор, подключенный к сети напряжением U₁ = 220 в, имеет число витков первичной обмотки w₁ = 500, коэф­фициент трансформации k= 2, ток в первичной обмотке I₁ = 10 а.

Определить для него напряжение на зажимах вторич­ной обмотки U₂, число витков вторичной обмотки w₂, ток нагрузки I₂, ток в общей части обмотки I_р, мощность вторичной обмотки S₂, мощности электрическую S_эл и электромагнитную S_эм, определить, во сколько раз будут меньше потери в меди для данного автотрансформатора по сравнению с трансформатором, имеющим такие же данные. При решении задачи током холостого хода пре­небречь, cos ф₂ = 1.

Решение. Напряжение на вторичной обмотке

Число витков вторичной обмотки

Ток нагрузки

Ток в общей части обмотки

Потери в меди уменьшаются в

т. е. в 2 раза.

Мощность нагрузки

Электрическая мощность

Электромагнитная мощность