1.11. Автотрансформаторы

Автотрансформатором называется трансформатор, у которого обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения (рис.1.41). Следовательно в автотрансформаторе помимо магнитной связи между обмотками существует и электрическая связь. Если к обмотке автотрансформатора подвести напряжение U₁ то по обмотке, состоящей из двух частей (w₁ и w₂) будет протекать электрический ток и в обмотке возбуждается ЭДС, равная

Е=4,44f(w₁+w2)Ф_m. (1.84)

ЭДС по виткам распределяется равномерно поэтому она разделится на две ЭДС – Е₁, пропорциональной количеству витков верхней части обмотки w₁ и Е₂, пропорциональной количеству витков нижней части обмотки w₂, (рис.1.40). Если к выводам “ах” обмотки w₂ подключить нагрузку Z_наг, то за счет ЭДС Е₂ в нагрузке возникнет ток I₂. Этот ток, замыкаясь по обмотке w₂, будет направлен встречно току I₁. Следовательно по общей части обмотки (то есть по обмотке w₂) проходят одновременно два тока I₁ и I₂. Так как эти токи почти противоположны по фазе, то можно считать, что в общей части обмотки проходит ток, равный арифметической разности токов

I_ax=I₂-I₁. (1.85)

Это позволяет выполнить общую часть обмотки из провода с меньшим сечением чем у обычного трансформатора, благодаря чему обмотка трансформатора оказывается более дешевой.

Напряжения и токи в автотрансформаторе связаны теми же приближенными соотношениями, как и в трансформаторе

Рис.1.41. Схема включения автотрансформатора:

а - понижающего; б - повышающего

, (1.86)

. (1.87)

В автотрансформаторах различают проходную мощность, которая передается за счет электрической связи между обмотками и расчетную мощность, которая передается от одной части обмотки к другой электромагнитным путем.

Проходная мощность, забираемая автотрансформатором из сети, равна

S_пр1=U₁I₁, (1.88)

и отдаваемая нагрузке - S_пр2=U₂I₂. (1.89)

Расчетная мощность для участка Аа обмотки равна

S_р1=I₁(U₁-U₂), (1.90)

и для участка ах, к которому подсоединена нагрузка

S_р2=I_ахU₂. (1.91)

Пренебрегая потерями можно принять S_р1=S_р2=S_р, а S_пр1=S_пр2=S_пр.

Полная мощность трансформатора равны сумме

S=S_пр+S_р, (1.92)

причем проходная мощность больше, чем расчетная.

Размеры трансформатора определяются величиной электромагнитной мощности – мощности, передаваемой электромагнитным путем. В случае применения обычного трансформатора его электромагнитная мощность равна полной. В автотрансформаторах электромагнитная мощность равна расчетной и для схемы рис.1.41а равна

S_эм= S_р=(1-k_T)S. (1.93)

Следовательно габариты и массу определяет расчетная, а не полная мощность, поэтому по сравнению с обычными трансформаторами автотрансформаторы имеют меньшую массу и габариты. Применение автотрансформаторов тем выгоднее, чем меньше k_T отличается от единицы. Например при k_T=0,9 электромагнитная мощность уменьшается в 10 раз, а при k_T=0,1 получается почти такой же, как у обычного трансформатора.

Автотрансформаторы бывают однофазными и трехфазными, повышающими и понижающим. В конструктивном отношении автотрансформаторы практически не отличаются от обычных трансформаторов. На стержнях магнитопровода располагаются две обмотки, соединяемые последовательно. Выводы берутся с концов обмоток и со средней точки.

Автотрансформаторы широко используются в высоковольтных сетях для связи между системами с близкими уровнями напряжений: 110 и 220; 220 и 500; 330 и 750 кВ. Но они не применяются в высоковольтных сетях при понижении напряжения до 0,38 кВ, так как это напряжение подводится к оборудованию, на котором работают люди, а при авариях из-за электрической связи между обмотками высшее напряжение может попасть на оборудование.

В лабораторной практике применяют автотрансформаторы с плавным регулированием напряжения путем скользящего контакта, перемещаемого по виткам обмотки, очищенных с одной стороны от изоляции. Эти трансформаторы называют ЛАТР, их мощность не превышает 1 кВА.