В чем разница между трансформатором и автотрансформатором? Особенности автотрансформаторов и их использование Что представляют собой оба устройства

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.

При подключении нагрузки, к выводам рабочей обмотки, она образует вторичную цепь, в которой возникает электрический ток. При этом напряжение в образованной электрической цепи связано прямо пропорциональной зависимостью с количеством витков обмоток. То есть: U 1 /U 2 = w 1 /w 2 , где U 1 , U 2 – напряжения, а w 1 , w 2 – количество полных витков в соответствующих катушках.

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:

• 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.

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.

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 , 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.

Соотношение величин ЭДС выражается формулой: E 1 /E 2 = w 1 /w 2 = 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: U 1 = E 1 ; U 2 = E 2 можно считать справедливыми. Таким образом, приведённая выше формула приобретает вид: U 1 /U 2 = w 1 /w 2 = 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: I 1 /I 2 = w 2 /w 1 = 1/k. Отсюда следует, что поскольку в w 2 < w 1 , то I 2 < I 1 . 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 = U 2 *I 1) 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.

Преимущества и недостатки

К описанным выше преимуществам можно добавить низкую стоимость изделий, за счёт снижения затрат на применяемые цветные металлы, расходов на трансформаторную сталь. Для автотрансформаторов характерны незначительные потери энергии токов, циркулирующих по обмоткам и сердечникам, что позволяет достигать уровня коэффициента полезного действия до 99%.

К недостаткам следует добавить необходимость оборудования глухого заземления нейтрали. В связи с существующей вероятностью по короткому замыканию и возможностью передачи высокого напряжения по сети, для автотрансформаторов существуют определённые ограничения к применению.

Из-за гальванической связи обмоток, возникает опасность перехода между ними атмосферных перенапряжений. Однако, несмотря на недостатки, автотрансформаторы по-прежнему находят широкое применение в самых различных областях.

Видео по теме статьи

Автотрансформаторы - один из видов трансформаторов напряжения, отличительная конструктивная особенность которых состоит в том, что они имеют всего одну обмотку.

Минимальное количество выводов автотрансформаторов - три, при большем их количестве возможно получение на выходе разных значений напряжений.

Из приведенных схем видно, что обмотки электрически связаны: обмотка низшего напряжения представляет собой часть обмотки высшего.

Принцип работы автотрансформатора

При прохождении напряжения от источника переменного тока, подключенного к обмотке с полным количество витков W1 возникает ЭДС, индуктируемая магнитным потоком. Ее величина в прямой пропорции зависит от количества задействованных витков W2 обмотки, к которым подключена нагрузка R (см. схему 1).

Обозначив условно индуктируемую в обмотке с количеством витков W1 величину ЭДС E1, а в обмотке с W2 - E2, математически можно выразить коэффициент трансформации k следующим соотношением: E1/E2=W1/W2.

Ввиду незначительности падения напряжения в обмотке из-за относительно низкого сопротивления примем U1=E1 иU2=E2. Таким образом, соотношение E1/E2=W1/W2 может быть приведено к виду U1/U2=W1/W2, из которого понятно, что вторичное напряжение будет меньше первичного (k) во столько-же раз, во сколько количество задействованных витков W2 обмотки меньше W1.

В рассматриваемом примере используется понижающий трансформатор (W1>W2), при количестве витков W1 меньшем чем W2 (см. схему 2) вторичное напряжение будет больше первичного исходя из того же соотношения U1/U2=W1/W2.

Область применения автотрансформаторов

Область применения автотрансформаторов довольна широка: устройства небольшой мощности используются для питания, наладки и тестирования бытового и промышленного электрооборудования, устройств автоматического управления, в лабораторных стендах - ЛАТРы, устройствах связи и пр. Силовые трехфазные автотрансформаторы могут быть использованы для уменьшения пусковых напряжений мощных электродвигателей.

В энергетике автотрансформаторы большой мощности успешно используют для связи высоковольтных сетей с близкими по значению напряжениями (110-220 кВ, 220-500 кВ, 330-750 кВ). Коэффициент трансформации этих устройств, как правило не превышает 2-2,5. Для изменений напряжения более этих значений экономическая целесообразность использования автотрансформаторов существенно снижается.

Для этих целей используют трехфазные автотрансформаторы, с соединениями обмоток "звездой" (наиболее часто используемая схема) или "треугольником".

Автотрансформатор отличается от трансформатора тем, что у него обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения, причем она выполняется из проводников, в общем случае отличающихся по сечению от проводников другой части, и обычно располагается относительно другой части, как показано на рисунке 6.4. Следовательно, части Аа и аХ можно рассматривать как обмотки двухобмоточного трансформатора, имеющие между собой не только магнитную связь, но и электрическую.

Автотрансформаторы могут служить как для понижения, так и для повышения напряжения. Они выполняются для небольших коэффициентов трансформации, не сильно отличающихся от единицы, и экономичнее в работе и требуют на изготовление меньше материалов, чем обычные двухобмоточные трансформаторы на ту же номинальную мощность.

Автотрансформаторы тем экономичнее по сравнению с двухобмоточными трансформаторами, чем ближе ω2 к ω1, т. е. чем ближе коэффициент трансформации к единице. Так как веса обмотки и стали сердечника автотрансформатора меньше весов тех же материалов двухобмоточного трансформатора, то и потери в нем меньше, а к. п. д. выше при той же мощности

Недостатком автотрансформатора является то, что здесь вторичная цепь оказывается электрически соединенной с первичной цепью. Она должна иметь такую же изоляцию по отношению к земле, как и первичная цепь. Это обстоятельство заставляет выбирать значение коэффициента трансформации автотрансформатора при высоких напряжениях не выше 2-2,5.

Автотрансформаторы бывают однофазные и трехфазные. Однофазный автотрансформатор (рисунок 10) представляет собой однообмоточный трансформатор с числом витков , вторичной обмоткой которого является часть первичной обмотки, т. е. . Обмотка трансформатора размещается на замкнутом сердечнике из электротехнической стали.

Рисунок 10-Схема однофазного автотрансформатора

Принцип действия авто­трансформатора состоит в следующем: при подключении обмотки в сеть переменного тока напряжением U1, в ней создается переменное магнитное поле, которое возбуждает во всей обмотке ЭДС Е1, а в части обмотки с числом витков w2 - ЭДС Е2. Величина Е2 зависит от числа витков и выражается формулой:

где е - ЭДС индукции в одном витке.

Е1, и Е2 по правилу Ленца имеют знаки, противоположные напряжению U1, а следовательно, и ток 12, созданный Е2, будет иметь направление, противоположное I1. Таким образом, в части обмотки ВС ( 2) будет проходить ток I2-I1, а в части AC () - ток I2. Это приводит к уменьшению тепловых потерь в обмотках автотрансформатора по сравнению с двухобмоточным трансформатором и к увеличению КПД. Витки обмотки можно сделать из провода меньшего сечения, что дает экономию меди и других материалов, уменьшает габариты автотрансформатора.

Для плавного изменения снимаемого напряжения применяют автотрансформаторы со скользящим контактом (контакт С на рисунке 10). Подобные трансформаторы нашли широкое применение в лабораторной практике и называются лабораторными автотрансформаторами (ЛАТР).

Автотрансформаторы находят себе применение в качестве пусковых для пуска больших синхронных двигателей и короткозамкнутых асинхронных двигателей, для осветительных установок (для дуговых ламп переменного тока), для связи сетей с напряжениями, мало отличающимися одно от другого.

Автотрансформаторы выполняются также с устройством, позволяющим плавно регулировать их вторичное напряжение. Регулирование напряжения осуществляется путем изменения числа витков обмотки при помощи специальных переключателей или контакта, перемещаемого непосредственно по обмотке, очищенной с одной стороны от изоляции.

Трансформатор, в общем смысле, предназначается для преобразования входного тока одного напряжения в выходной ток другого напряжения. В случаях, когда возникает необходимость изменить напряжение в небольших пределах, проще и целесообразнее использовать для этих целей однообмоточный трансформатор - так называемый автотрансформатор, вместо двухобмоточного.

Итак, автотрансформатор - это один из вариантов электрического трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, благодаря чему, имеют и электромагнитную и гальваническую связь.

Объединенная обмотка автотрансформатора имеет минимум 3 вывода. Подключаясь к этим выводам, можно получать разные напряжения. При малых коэффициентах трансформации от 1 до 2, автотрансформаторы эффективнее, легче и дешевле, чем многообмоточные трансформаторы.

Главное преимущество автотрансформатора - это высокий коэффициент полезного действия (КПД), который достигает 99%. Это связано с тем, что преобразованию подвергается лишь часть мощности. В условиях, когда входное и выходное напряжение отличаются незначительно - это является существенным плюсом, поскольку потери на преобразовании минимальны.

Главный недостаток автотрансформаторов заключается в том, что здесь нет гальванического обособления первичной и вторичной электрических цепей при помощи изоляции, как в обычном трансформаторе. Т.е. здесь невозможно создание так называемой «гальванической развязки», поэтому при высоких коэффициентах преобразования велика вероятность возникновения короткого замыкания, или возникновения пробоя автотрансформатора.

Применение автотрансформаторов экономически оправдано при соединении эффективно заземленных сетей с напряжением более 110 кВ, а также коэффициентом трансформации менее 3-4, поскольку потери электроэнергии меньше чем у обычного электрического трансформатора. Ещё одним экономическим обоснованием для применения автотрансформатора является тот факт, что для его производства используется меньшее количество меди для обмоток и электротехнической стали для сердечника, поэтому вес и габариты автотрансформатора меньше, а его стоимость ниже.

Автотрансформаторы применяются в качестве преобразователей электрического напряжения в пусковых устройствах различных электродвигателей переменного тока, включая самые мощные, для плавной регулировки напряжения в схемах релейной защиты и др. Регулирующие автотрансформаторы, благодаря возможности механического перемещения точки отвода вторичного напряжения, позволяют сохранить вторичное напряжение постоянным при изменении первичного напряжения. При этом, один и тот же автотрансформатор может быть как повышающим, так и понижающим - все зависит от включения обмоток.

Лабораторные автотрансформаторы регулируемые (ЛАТРы)

В низковольтных сетях также используются автотрансформаторы, как лабораторные регуляторы напряжения небольшой мощности. В таких автотрансформаторах напряжение регулируется путем перемещения скользящего контакта по виткам обмотки.

ЛАТРы изготавливаются путем однослойной обмотки изолированным медным проводом кольцеобразного ферромагнитного магнитопровода. Такая обмотка имеет несколько постоянных ответвлений, что позволяет использовать ЛАТРы как понижающие или повышающие трансформаторы с определенным постоянным коэффициентом трансформации. Дополнительно, на поверхности медной обмотки, очищенной от изоляции, насечена узкая дорожка, по которой может перемещаться роликовый или щеточный контакт. Это сделано для того, чтобы получить плавность регулирования вторичного напряжения в пределах от 0 до 250В. Стоит отметить, что витковых замыканий, при замыкании соседних витков в лабораторном трансформаторе, не происходит, поскольку токи сети и нагрузки в совмещенной обмотке автотрансформатора близки относительно друг друга и направлены встречно. ЛАТРы изготавливаются номинальной мощностью от 0,5 до 7,5 кВА.

Применение автотрансформаторов помогает улучшить КПД различных энергосистем и обеспечить снижение стоимости передачи энергии, однако, приводит к повышению опасности возникновения короткого замыкания.

Преимущества автотрансформаторов по сравнению с обычными трансформаторами:

• пониженный расход активных материалов, таких как медь и электротехническая сталь,
• повышенный КПД энергосистемы (до 99,7%)
• сниженные размер и вес
• невысокая стоимость

Недостатки применения автотрансформаторов относительно обычных электрических трансформаторов:

• Снижение эффективности при больших (больше 3-4) коэффициентах трансформации;
• Из-за того, что первичная и вторичная обмотка соединены в одну обмотку автотрансформатора, и имеют электрическую связь, он не может быть использован как понижающий силовой трансформатор для сетей, напряжением, скажем, от 6 до 10 кВ. Это связано с тем, что, в случае возникновения аварии, все части автотрансформатора, и подключенных электроприборов окажутся связаны с высоковольтным оборудованием питающей сети. Это не допускается техникой безопасности обслуживания и из-за возможности пробоя изоляции токопроводящих частей присоединенного электрооборудования, с которым работают люди.

Автотрансформаторы успешно конкурируют за потребителя, наряду с двух- и даже трехобмоточными электрическими трансформаторами. Автотрансформаторы относительно не дороги, удобны, могут выполнять функции как повышения, так и понижения, и являются идеальным выбором для сетей с невысоким напряжением и коэффициентом трансформации.

Автотрансформатор - вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, они наматываются на одном стержне, мощность передается между обмотками комбинированным способом - путем электромагнитной индукции и электрического соединения.. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения.

В некоторых случаях бывает необходимо изменять напряжение в небольших пределах. Это проще всего сделать не двухобмоточными трансформаторами, а однообмоточными, называемыми автотрансформаторами. Если коэфициент трансформации мало отличается от единицы, то разница между величиной токов в первичной и во вторичной обмотках будет невелика. Что же произойдет, если объединить обе обмотки? Получится схема автотрансформатора (рис. 1).

Автотрансформаторы относят к трансформаторам специального назначения. Автотрансформаторы отличаются от трансформаторов тем, что у них обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения, т. е. цепи этих обмоток имеют не только магнитную, но и гальваническую связь.

В зависимости от включения обмоток автотрансформатора можно получить повышение или понижение напряжения.

Рис. 1 Схемы однофазных автотрансформаторов: а - понижающего, б - повышающего.

Если присоединить источник переменного напряжения к точкам А и Х, то в сердечнике возникнет переменный магнитный поток. В каждом из витков обмотки будет индуктироваться ЭДС одной и той же величины. Очевидно, между точками а и Х возникнет ЭДС, равная ЭДС одного витка, умноженной на число витков, заключенных между точками а и Х.

Если присоединить к обмотке в точках a и Х какую-нибудь нагрузку, то вторичный ток I2 будет проходить по части обмотки и именно между точками a и Х. Но так как по этим же виткам проходит и первичный ток I1, то оба тока геометрически сложатся, и по участку aХ будет протекать очень небольшой по величине ток, определяемый разностью этих токов. Это позволяет часть обмотки сделать из провода малого сечения, чтобы сэкономить медь. Если принять во внимание, что этот участок составляет большую часть всех витков, то и экономия меди получается весьма ощутимой.

Таким образом, автотрансформаторы целесообразно использовать для незначительного понижения или повышения напряжения, когда в части обмотки, являющейся общей для обеих цепей автотрансформатора, устанавливается уменьшенный ток что позволяет выполнить ее более тонким проводом и сэкономить цветной металл. Одновременно с этим уменьшается расход стали на изготовление магнитопровода, сечение которого получается меньше, чем у трансформатора.

В электромагнитных преобразователях энергии - трансформаторах - передача энергии из одной обмотки в другую осуществляется магнитным полем, энергия которого сосредоточена в магнитопроводе. В автотрансформаторах передача энергии осуществляется как магнитным полем, так и за счет электрической связи между первичной и вторичной обмотками.