Почему габариты автотрансформатора меньше чем трансформатора
Почему габариты автотрансформатора меньше чем трансформатора
Автотрансформаторы
Основные соотношения для автотрансформаторов
Автотрансформатором называется трансформатор, у которого имеется электрическая связь между обмотками (рис. 1); при этом обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения. Вследствие такой связи мощность из первичной сети во вторичную передается не только за счет магнитной связи обмоток, но и электрическим путем.
Рабочий магнитный поток в автотрансформаторе создается совместным действием первичного и вторичного токов:
I1 ω1 + I2 ω2 = I12 ω1.
Так как U1≈E1 то при U1 = const ЭДС E1, магнитный поток и ток I12 в автотрансформаторе, как и в трансформаторе, при изменении его нагрузки от холостого хода до номинальной практически остаются неизменными. Если пренебречь током I12 (вследствие малости), то из (1) получим
(2)
откуда следует, что токи I1 и I2 находятся в противофазе. Поэтому ток ΔI в общей части обмотки (участок аХ) равен арифметической разности этих токов. Так как для понижающего автотрансформатора I2 > I1, то
(3)
Что такое автотрансформатор?
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.
Что такое автотрансформатор?
Из школьного курса физики известно, что простейший трансформатор состоит из двух катушек, намотанных на железные сердечники. Магнитным полем переменного тока, запитанного через выводы первичных обмоток, возбуждаются электромагнитные колебания во второй катушке, с аналогичной частотой.
Рисунок 1. Схема обычного трансформатора и автотрансформатора
Немного по-другому устроен автотрансформатор. Он, по сути, состоит из одной обмотки, от которой сделано один или несколько отводов, образующих вторичные витки. При этом все обмотки образуют между собой не только электрическую, но и магнитную связь. Поэтому, при подаче электрической энергии на вход автотрансформатора, возникает магнитный поток, под действием которого происходит индукция ЭДС в обмотке нагрузки. Величина электродвижущей силы связана прямой пропорциональностью с числом витков, образующих нагрузочную обмотку, с которой снимается напряжение.
Таким образом, формула, приведённая выше, справедлива и для автотрансформатора.
Из основной обмотки можно отводить большое количество выводов, что позволяет создавать комбинации для снятия различных по величине напряжений. Это очень удобно на практике, так как понижение напряжения часто требуется для питания нескольких блоков электроприборов, использующих различные напряжения.
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:
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:
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.
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
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
Различное электрооборудование и современные электрические сети в целом используют для своей работы прежде всего переменный ток. Переменный ток питает двигатели, индукционные печи, станки, компьютеры, обогреватели, ТЭНы, осветительные приборы, бытовую технику.
Переоценить значимость переменного тока для современного мира невозможно. Однако для передачи электрической энергии на большие расстояния используется высокое напряжение. А техника требует для своего питания напряжения пониженного — 110, 220 или 380 вольт.
Поэтому после передачи на расстояние электрическое напряжение необходимо понизить. Понижение осуществляют ступенями при помощи трансформаторов и автотрансформаторов.
Вообще трансформаторы бывают повышающими и понижающими. Повышающие трансформаторы установлены на генерирующих электростанциях, где они повышают получаемое от генератора переменное напряжение до сотен тысяч и даже миллиона вольт, приемлемых для передачи на большие расстояния с минимальными потерями энергии. А потом это высокое напряжение понижается опять же при помощи трансформаторов.
Витки всех обмоток трансформатора обвивают общий магнитопровод — сердечник. На первичную обмотку подается напряжение величину которого необходимо изменить, ко вторичной (вторичным) обмотке (обмоткам) присоединяется потребитель или сеть с розетками, от которых будут питаться многочисленные потребители.
Действие трансформатора основано на законе электромагнитной индукции Фарадея. Когда по виткам первичной обмотки течет переменный ток, в пространстве внутри (в основном) обмотки действует переменное электромагнитное поле данного тока.
Это переменное магнитное поле способно навести ЭДС индукции во вторичной обмотке, которая охватывает пространство действия магнитного потока первичной обмотки. В обычном трансформаторе первичные обмотки гальванически изолированы от первичных.
В автотрансформаторе часть витков первичной обмотки используется в качестве вторичной. Автотрансформаторы целесообразно использовать тогда, когда напряжение нужно понизить лишь немного, не в разы, как это делают обычные трансформаторы, а например в 0,7 раз.
Автотрансформатором называется трансформатор с одной только обмоткой. В случае понижения напряжения первичное напряжение подводится ко всей обмотке, а вторичное берется только от некоторой части ее. В случае повышения напряжения первичное напряжение подводится к части обмотки, а вторичное берется от всей обмотки. Для трехфазного тока применяются трехфазные автотрансформаторы.
Таким образом главное отличие трансформатора от автотрансформатора заключается в том, что у обычного трансформатора обмотки электрически изолированы друг от друга, а обмотки автотрансформатора имеют общие витки и поэтому всегда связаны гальванически. У трансформатора каждая обмотка имеет минимум два собственных вывода, у автотрансформатора один вывод всегда окажется общим для первичной и вторичной обмоток.
Автотрансформаторы широко применяются в сетях с напряжением более 100 кВ, поскольку при ступенчатом понижении напряжения, когда ясно, что обмотки конечного трансформатора будут гальванически изолированы, отсутствие гальванической развязки на ступени автотрансформатора не критично.
Зато с экономической точки зрения автотрансформаторы куда выгоднее обычных. У них меньше потери в обмотках за счет меньшего количества меди в проводах чем у обычных трансформаторов аналогичной мощности.
К недостаткам автотрансформатора, в отличие от обычного, можно отнести отсутствие гальванической развязки между первичной и вторичной цепью. Если изоляция по какой-нибудь причине окажется нарушена, обмотка низшего напряжения окажется под высоким напряжением. Поэтому автотрансформаторы обычно не используют в быту дабы не подвергать обывателя опасности поражения током.
Чем отличается трансформатор от автотрансформатора
Людям, не обладающим широкими познаниями в области электротехники, сложно разобраться в нюансах технического устройства электрических машин. Рассмотрим основные отличия трансформатора от автотрансформатора, исходя из существующих разновидностей данного оборудования, выполняемых функций и внешнего вида.
Что такое трансформатор
Трансформаторами называют электромагнитные аппараты, передающие электрическую энергию посредством магнитного поля по принципу индукции, и преобразующие её характеристики в процессе передачи. Подобный агрегат состоит из сердечника, первичной и вторичной обмоток. Разница в характеристиках на входе и выходе достигается различным количеством витков на первичной и вторичной катушках.
Данные агрегаты различаются по следующим особенностям:
Указанные устройства используются в различных электрических установках и приборах, в качестве силового оборудования на подстанциях.
Что такое автотрансформатор
Автотрансформатором называют разновидность трансформатора, у которого катушки на входе и выходе обладают прямой электрической связью, помимо магнитной. Их обмотка снабжается несколькими выходами, позволяющими подключаться к контактам с разными характеристиками напряжений.
Производятся следующие разновидности таких установок:
Также в трёхфазных цепях можно устанавливать по три однофазных автотрансформатора, соединив их в виде звезды или треугольника.
Основные отличия
Указанные приборы отличаются принципом работы и внешним видом. Далее – детальнее о различиях указанного оборудования.
По принципу работы
Исходя из конструктивных особенностей, различия данных агрегатов состоят в том, что у трансформаторов отсутствует прямая электрическая связь, а у автотрансформаторов она имеется.
Эти машины различаются по количеству обмоток – с одной у автотрансформатора и двумя или более у трансформатора.
Автотрансформатор отличается большим показателем КПД, но меньшим диапазоном преобразования электрических характеристик в процессе передачи.
Визуальные
Внешне подобное оборудование отличается тем, что трансформаторы намного массивнее автоматических устройств за счёт того, что в данном случае применяется только одна обмотка. В остальном визуальные отличия неспециалисту выявить сложно.
Каждый вид электрического оборудования разрабатывался, исходя из поставленных задач и предусмотренного функционального назначения. Поэтому и трансформаторы, и автотрансформаторы получили широкую область применения в бытовой сфере и промышленном производстве. Но в силу конструктивных особенностей, вторые из них больше используются на промышленных предприятиях, поскольку их применение в бытовой сфере ограничивает большая опасность при эксплуатации, что можно преодолеть на производстве оборудованием надёжного заземления.
Габариты автотрансформатора меньше, что позволяет строить его с большей проходной мощностью и облегчает транспорт
Потери мощности п трансформатора)слагаются из потерь холостою хода потерь короткого замыкания. Для уменьшения потерь мощности в магнитопроводах применяют холоднокатаную сталь с малым содержанием углерода и присадками, улучшающими свойства стали. Магнитопровод собирают из листов толщиной 0,35 мм и меньше. Потери короткого замыкания состоят из джоулевых потерь в обмотках и добавочных потерь в обмотках и элементах конструкции трансформатора, определяемых напряженностью магнитного поля рассеяния. Снижения потерь короткого замыкания достигают в основном уменьшением добавочных потерь различными методами конструктивного порядка, в частности применением многопроволочных проводов с изолированными жилами.
Напряжение короткого замыкания.
При передаче мощности через трансформатор имеет место падение напряжения, определяемое сопротивлением трансформатора — напряжением короткого замыкания ик. Последнее зависит в основном от размеров обмоток (диаметра и ширины канала между обмотками, высоты обмотки), следовательно, от номинального напряжения и мощности трансформатора. При относительно небольшом значении ик падение напряжения в трансформаторе невелико. Однако при КЗ за трансформатором ток получается большим. Это влечет за собой необходимость изготовления трансформаторов с большой динамической и термической стойкостью и приводит, следовательно, к увеличению их стоимости Увеличиваются также требования к динамической и термической стойкости коммутационных аппаратов на стороне вторичного напряжения. С учетом режима работы трансформатора приходится ориентироваться на оптимальное значение напряжения короткого замыкания. Чем выше номинальное напряжение и больше мощность трансформатора, тем выше напряжение короткого замыкания: трансформаторы мощностью до 6300 кВ • А с напряжениями 10—35 кВ имеют напряжение короткого замыкания в пределах 5,5 —7.5%, а более мощные трансформаторы с напряжением 110—500 кВ — в пределах 10—15%.
Изоляция обмоток трансформатора
определяется испытательными напряжениями (промышленной частоты и импульсных). установленными в соответствии с номинальным напряжением трансформатора, системой рабочего заземления электрической сети и характеристиками разрядников *. Обмотки трансформаторов. предназначенные для присоединения к эффективно-заземленным сетям с напряжением 110 кВ и выше, выполняют с изоляцией на полное испытательное напряжение только у линейного вывода Изоляцию обмоток у второго вывода, подлежащего заземлению, рассчитывают на меньшее испытательное напряжение
Такие обмотки выполняют в виде двух концентров (рис. 22.1). При этом наружный концентр состоит из двух частей расположенных друг над другом по высоте стержня и намотанных в противоположных направлениях. Части обмотоки соединяют параллельно, а линейный вывод устраивают посередине. Таким образом удается существенно уменьшить изоляцию торцов обмотки.
Преимущества автотрансформатров перед трансформаторами той же проходной мощности заключаются в следующем:
для изготовления автотрансформатора требуется меньше меди, стали на изоляционных материалов, поэтому стоимость автотрансформатора меньше потери мощности в автотрансформаторе меньше, а его КПД выше;
габариты автотрансформатора меньше, что позволяет строить его с большей проходной мощностью и облегчает транспорт.