Автотрансформаторы

§ 86. АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ

В конструктивном отношении автотрансформатор подобен трансформатору: на стальном магнитопроводе помещаются две обмотки, выполненные из проводников различного поперечного се­чения. Конец одной обмотки электрически соединяется с началом другой так, что две последовательно соединенные обмотки обра­зуют общую обмотку высшего напряжения. Обмоткой низшего напряжения, являющейся частью обмотки высшего напряжения, служит одна из двух обмоток автотрансформатора.

Таким образом, между обмотками высшего и низшего напряжения автотрансформато­ра имеется не только магнитная, но и электрическая связь.

Принципиальная схема понижающего автотрансформатора показана на рис. 105. Первичное напряжение подведено к зажи­мам А—X первичной обмотки с числом витков ω₁. Вторичной обмоткой является часть первичной а—х с числом витков ω₂.

При холостом ходе I_­2=0, пренебрегая падением напряжения в сопротивлениях первичной обмотки, можно записать уравнения равновесия э. д, с. для первичной и вторичной обмоток в следующем виде:

Отношение напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе называется коэффициентом трансформации авто­трансформатора, т. е.

Если вторичную обмотку автотрансформатора замкнуть на ка­кой-либо приемник энергии, то во вторичной цепи будет протекать ток I₂. Пренебрегая потерями энергии, мощность, потребляемую автотрансформатором из сети, можно принять равной мощности, отдаваемой во вторичную сеть, т. е.

откуда

Таким образом, основные соотношения   трансформатора  остаются без изменения в автотрансформаторах.

В общей части обмотки а — х, принадлежащей сети высшего и низшего   напряжения,   протекают   токи  I₁ и   I₂,   направленные встречно.

Если пренебречь током холостого хода, величина которого очень мала, то можно считать, что токи I₁ и I₂ сдвинуты по фазе на 180°, и сила тока I₁₂ в части обмотки а — х равна арифметической раз­ности сил токов вторичной и первичной сети, т. е.

В понижающем автотрансформаторе ток I₁₂ совпадает по на­правлению с током _I2, в повышающем — направлен противополож­но току I_2­.

Преимуществом автотрансформатора перед трансформатором той же полезной мощности является меньший расход активных материалов — обмоточного провода и стали, меньшие потери энер­гии, более высокий к. п. д., меньшее изменение напряжения при изменении нагрузки.

Вес провода обмоток автотрансформатора примерно в раз  меньше веса провода обмоток трансформатора при одинаковых плотностях тока. Это объясняется тем, что у трансформатора на сердечнике имеются две обмотки — первичная с числом витков ω₁ поперечное сечение провода которой рассчитано на силу тока I₁ и и вторичная с числом витков ω₂, поперечное сечение провода кото­рой рассчитано на силу тока I2. У автотрансформатора также две обмотки, но одна из них (часть А—а) имеет число витков (ω₁— ω₂)  из провода, поперечное сечение которого рассчитано на силу тока jh а другая (часть а — х) с числом витков w2 из провода, поперечное сечение которого рассчитано на разность сил токов I₂—I₁=I₁₂

Поперечное сечение и вес стали магнитопровода автотрансфор­матора также меньше сечения и веса стали магнитопровода транс­форматора. Это объясняется тем, что в трансформаторе энергия из первичной сети во вторичную передается магнитным путем в ре­зультате электромагнитной связи между обмотками. В автотранс­форматоре энергия из первичной сети во вторичную частично пере­дается путем электрического соединения первичной и вторичной сети, т. е. электрическим путем. Так как в процессе передачи этой энергии магнитный поток не участвует, у автотрансформатора электромагнитная мощность меньше, чем у трансформатора.

Полезная мощность автотрансформатора при активной нагруз­ке равна: P₂=U₂I₂.

Имея в виду, что I₂=I₁+I₁₂, получим:

где Рм — электромагнитная мощность автотрансформатора, опреде­ляющая необходимый магнитный поток, поперечное сечение и вес стали магнитопровода. Эта мощность является расчетной или га­баритной мощностью автотрансформатора.

Наряду с преимуществами автотрансформаторов перед транс­форматорами они имеют существенные недостатки: малое сопро­тивление короткого замыкания, что обусловливает большую крат­ность тока короткого замыкания; возможность попадания высшего напряжения в сеть низшего напряжения из-за электрической связи между этими сетями. Наличие электрической связи между сетью источника и приемника энергии делает невозможным применение автотрансформатора в том случае, когда приемник энергии имеет заземленный полюс (в выпрямительных устрой­ствах).

Достоинства автотрансформаторов будут выражены тем силь­нее, чем коэффициент трансформации ближе к единице. Поэтому автотрансформаторы применяют при   небольших   коэффициентах

трансформации (К=1—2).

В трехфазных сетях используют трехфазные автотрансформа­торы, обмотки которых обычно соединяются звездой.