Принцип работы автотрансформатора. Автотрансформаторы (латр). типы и работа. применение. Отличие автотрансформатора от обычного трансформатора

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".

Трансформаторы являются довольно разнообразной группой оборудования, имеющей существенные внутренние различия по назначению и конструктивным особенностям. Кроме того, работа различного оборудования требует различного напряжения. Существуют средние значения. Которые учитываются при составлении технического допуска на подключение. Например, домашние бытовые приборы рассчитаны на 220, а то и на 110 В. А вот оборудование промышленного типа использует 380 В. Для них предусмотрены свои варианты, более легкие и недорогие. Но прежде чем решиться на использование, следует знать в чем разница между трансформатором и автотрансформатором.

Для чего снижают напряжение?

Передача электроэнергии на дальние расстояния требует высоких показателей напряжения, в противном случае потери при транспортировке энергии сделают процесс нерентабельным. Но, чтобы использовать электроэнергию в промышленных и, тем более, бытовых целях, требуется ее снижение. Делается это постепенно, благодаря системе трансформаторов, а также их более мобильных аналогов — автотрансформаторов.

Несмотря на то, что все приборы такого типа призваны преобразовать исходное напряжение до желаемого, трансформаторы можно разделить на два типа. Первые — повышающие — увеличивают напряжение, поддерживая его на достаточном уровне для продолжения транспортировки или для использования в промышленных целях. Вторые — понижающие — напротив, снижают напряжение, позволяя использовать энергию в бытовых целях.

Что представляют собой оба устройства?

Любой трансформатор — это прибор статического типа, который преобразует переменный ток, частоту, а также число фаз. Это устройство включает в себя две или больше обмоток, которые наматываются на один для всех сердечник из стали. Одна из обмоток обязательно должна быть подключена к источнику переменного тока. Остальные могут быть соединены с конечными потребителями. В результате между ними наблюдается как электромагнитная, так и электрическая связи. Дополнительно обмотка автотрансформатора оснащена тремя и более выводами, то есть имеется возможность подключаться к разным выводам и, соответственно, получать разные значения напряжения.

В основе принципа работы лежит небезызвестная электромагнитная индукция. Проще говоря, меняющийся при прохождении через обмотку магнитный поток образует в ней электродвижущую силу.

Такой тип трансформаторов прекрасно подходит для смены напряжения в сравнительно малом диапазоне.

В чем отличия трансформатора от автоварианта?

Разница между трансформатором и автотрансформатором — это число обмоток. Больше - у трансформаторов, автотрансформаторы имеют всего один экземпляр.

Очевидные плюсы автовариантов обнаруживаются при применении в сетях с уровнем напряжения от 150 кВ и более. Эти приборы дешевле, да и потери в обмотках у них на порядок меньше. Размером автотрансформаторы тоже уступают своим статичным аналогам.

Помимо этого, у автотрансформаторов гораздо выше коэффициент полезного действия. Такое возможно благодаря частичному преобразованию мощности. Стоимостные преимущества же обосновываются меньшим расходом материалов, а соответственно, меньшей массой и большей компактностью.

Для плавной регулировки напряжения переменного тока в различных работах, связанных с электротехникой, служат автотрансформаторы (ЛАТР). Их чаще всего используют для изменения напряжения в бытовых приборах, строительстве.

Автотрансформатор – это один из видов трансформаторов. Две обмотки в этом приборе имеют между собой прямое соединение. Вследствие этого между ними появляются два вида связи, одна из которых электромагнитная, а другая электрическая. Катушка имеет несколько выводов с разными значениями выхода напряжения. Отличие от обычного трансформатора состоит в повышенной эффективности, вследствие частичного изменения мощности.

Конструктивные особенности

Трансформаторами называют электроаппаратуру с наличием более 2-х и более обмоток, которые имеют индуктивную связь, служащую для изменения электроэнергии по напряжению.

Обмотка может быть одна только у автотрансформатора, либо несколько обмоток, охваченных магнитным потоком, намотанных на сердечник с ферромагнитными свойствами, у других трансформаторов.

Сегодня приобрели популярность 1-фазные трансформаторы (ЛАТР). Это лабораторный вариант трансформатора, в котором обе обмотки между собой не изолированы, а имеют прямое соединение, поэтому кроме электромагнитной связи у них имеется электрическая связь. Такая общая катушка оснащена несколькими выводами. На их выходе можно получить разное по величине напряжение.

Принцип работы

Благодаря особенности конструкции автотрансформаторы могут выдавать как пониженное напряжение, так и повышенное. На рисунке показаны схемы автотрансформаторов с понижением и повышением напряжения.

Если подключить источник переменного тока к Х и «а», то создается магнитный поток. В этот момент в витках катушки индуцируется разность потенциалов одинакового значения. В итоге, между Х и «а» появляется ЭДС, равная значению ЭДС 1-го витка, умноженного на число витков обмотки, находящихся в промежутке между этими точками.

При подключении нагрузки потребителя к катушке к клеммам Х и «а», ток вторичной катушки пойдет по участку обмотки между этими точками. Имея ввиду то, что первичный и вторичный токи между собой накладываются друг на друга, между Х и «а» будет проходить незначительный ток.

Из-за такой особенности работы автотрансформатора основную часть обмотки выполняют из провода малого поперечного сечения, что уменьшает его стоимость. Если необходимо изменить напряжение в небольших пределах, то целесообразно применять такие автотрансформаторы (ЛАТР).

Типы автотрансформаторов

Нашли применение несколько типов автотрансформаторов:

• ВУ–25 — Б , служит для сглаживания вторичных токов в защитных схемах трансформаторов.
• АТД — мощность 25 ватт, долгонасыщаемый, имеет старую конструкцию и мало используется.
• ЛАТР — 1 , служит для применения с напряжением 127 вольт.
• ЛАТР — 2 , применяется с напряжением 220 вольт.
• ДАТР — 1 , служит для слабых потребителей.
• РНО – для мощной нагруженности.
• АТЦН применяется в измерительных телеустройствах.

Автотрансформаторы также подразделяют по мощности:

• Малой мощности, до 1000 вольт;
• Средней мощности, свыше 1000 вольт;
• Силовые.

Лабораторные автотрансформаторы

Такой вариант исполнения используют в сетях низкого напряжения для регулировки напряжения в условиях лабораторий. Такие однофазные ЛАТР выполнены из ферромагнитного сердечника в виде кольца, на которое намотан один слой медного провода в изоляции.

В нескольких местах обмотки сделаны выводы в виде ответвлений. Это дает возможность применять такие устройства в качестве автотрансформаторов с возможностью повышения, либо понижения напряжения с неизменным коэффициентом трансформации. Сверху на обмотке выполнена узкая дорожка, на которой очищена изоляция. По ней двигается роликовый или щеточный контакт, позволяющий плавно изменять вторичное напряжение.

Витковых коротких замыканий в таких лабораторных автотрансформаторах не случается, так как ток нагрузки и сети в обмотке направлены навстречу друг другу и близки по значению. Мощности ЛАТР выполняют от 0,5 до 7,5 кВА.

Трехфазные трансформаторы

Кроме других вариантов исполнений существуют еще и трехфазные варианты автотрансформаторов. У них бывает, как три, так и две обмотки.

В них чаще всего соединяют в виде звезды с отдельной точкой нейтрали. Соединение звездой дает возможность понизить напряжение, рассчитанное для изоляции прибора. Для уменьшения напряжения питание подводят к клеммам А, В, С, а выход получают на клеммах а, b, с. Для повышения напряжения все делается наоборот. Такие трансформаторы используют для уменьшения уровня напряжения при запуске мощных электромоторов, а также для регулировки напряжения по ступеням в электрических печах.

Высоковольтные автотрансформаторы применяют в высоковольтных системах сетей. Использование автотрансформаторов оптимизирует эффективность энергетических систем, дает возможность уменьшить стоимость транспортировки энергии, однако при этом способствует повышению токов коротких замыканий.

Режимы работы

• Автотрансформаторный.
• Комбинированный.
• Трансформаторный.

При соблюдении требований эксплуатации автотрансформаторов, в том числе соблюдения контроля температуры масла, он может функционировать длительное время без перегрева и поломок.

Достоинства и недостатки

Можно выделить такие преимущества:

• Преимуществом можно назвать высокий КПД, потому что преобразуется лишь малая часть мощности трансформатора, а это имеет значение, когда напряжения выхода и входа отличаются на малую величину.
• Уменьшенный расход меди в катушках, а также стали сердечника.
• Уменьшенные размеры и вес автотрансформатора позволяют создать хорошие условия перевозки к месту монтажа. Если необходима большая мощность трансформатора, то его можно изготовить в пределах допустимых ограничений габаритов и массы для перевозки на транспорте.
• Низкая стоимость.
• Плавность съема напряжения с подвижного токосъемного контакта, подключенного к обмотке.

Недостатки автотрансформаторов:

• Чаще всего катушки подключают звездой с нейтралью, которая заземлена. Соединения по другим схемам также возможны, но при их выполнении возникают неудобства, вследствие чего используются редко. Производить заземление нейтрали необходимо через сопротивление, либо глухим методом. Но нельзя забывать, что сопротивление заземления не должно допускать превышения разности потенциалов на фазах в тот момент, когда какая-либо одна фаза замкнула накоротко на землю.
• Повышенный потенциал перенапряжений во время грозы на входе автотрансформатора делает необходимым монтаж разрядников, которые не отключаются при выключении линии.
• Электрические цепи не изолированы друг от друга (первичная и вторичная).
• Зависимость низкого напряжения от высокого, вследствие чего сбои и скачки высокого напряжения оказывают влияние на стабильность низкого напряжения.
• Низкий поток рассеивания между первичной и вторичной обмоткой.
• Изоляцию обеих обмоток приходится выполнять для высокого напряжения, так как присутствует электрическая связь обмоток.
• Нельзя применять автотрансформаторы на 6-10 киловольт в качестве силовых с уменьшением напряжения до 380 вольт, потому что к такому оборудованию имеют доступ люди, а вследствие аварии напряжение с первичной обмотки может попасть на вторичную.

Применение

Автотрансформаторы имеют широкую область использования в разных сферах деятельности человека:

• В устройствах малой мощности для настройки, питания и проверки промышленного и бытового электрооборудования, приборов автоматического управления, в лабораторных условиях на стендах (ЛАТРы), в устройствах и приборах связи и т.д.
• Силовые варианты исполнений 3-фазных автотрансформаторов применяют для снижения тока запуска электродвигателей.
• В энергетике мощные образцы автотрансформаторов применяют для осуществления связи сетей высокого напряжения с близкими по напряжению сетями. Коэффициент трансформации в таких устройствах обычно не превосходит 2 – 2,5. Чтобы изменять напряжение в еще больших размерах, требуются другие устройства, а применение автотрансформаторов становится нецелесообразным.
• Металлургия.
• Коммунальное хозяйство.
• Производство техники.
• Нефтяное и химическое производство.
• Учебные заведения применяют ЛАТРы для показа опытов на уроках физики и химии.
• Стабилизаторы напряжения.
• Вспомогательное оборудование к станкам и самописцам.

Как выбрать автотрансформатор

Для начала определите, где будет использоваться автотрансформатор. Если для испытаний силового оборудования на предприятии, то необходима одна модель, а для питания автомагнитолы во время ремонта, то совсем иная. При выборе лучше следовать некоторым советам:

• Мощность . Необходимо рассчитать нагрузку всех потребителей. Их общая мощность не должна быть больше мощности автотрансформатора.
• Интервал регулировки . Этот параметр зависит от действия прибора, то есть, на повышение или на понижение. Чаще всего приборы относятся к виду с понижением напряжения.
• Напряжение питания . Если вы хотите подключить автотрансформатор к домашней сети, то лучше приобрести прибор на 220 вольт, а если для 3-фазной сети, то на 380 вольт.

С таким прибором вы можете изменить значения напряжения сети и выставить те значения, которые нужны для конкретного вида нагрузки.

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.

Автотрансформатор является одним из вариантов трансформатора, имеющего первичную и вторичную обмотки, подсоединенные напрямую.

Благодаря такой особенности устройство обладает не только магнитной, но и электрической связью.

Устройство и принцип действия автотрансформаторов рассмотрим в статье.

Что такое автотрансформатор?

С общей точки зрения трансформаторы - приборы, предназначенные для преобразования показателей тока входного типа с одного напряжения на выходные токи другого напряжения. Если необходимо произвести замену уровня напряжения в незначительных пределах, то самым оптимальным вариантом станет применение однообмоточного прибора, также известного под названием автотрансформатор.

При коэффициенте трансформации на уровне единицы осуществляется полное поступление энергии непосредственно к заключительному потребителю.

Регулирование обеспечивается секционированной обмоткой внутри автотрансформатора, а сам прибор характеризуется удобством и ремонтопригодностью.

Автотрансформаторы обладают достаточно простой и интуитивно понятной конструкцией, что совершенно не умаляет достоинств такого прибора, но несколько ограничивает сферу применения.

Отличие автотрансформатора от трансформатора

Классические трансформаторы обладают не связанными друг с другом первичными и вторичными обмотками, поэтому процесс передачи энергии в таких устройствах обусловлен наличием магнитного поля.

На объединенной обмотке автотрансформатора располагается три вывода или более, при подключении к которым есть возможность получить различные показатели уровня напряжения.

В условиях малых коэффициентов трансформации, в пределах одной-двух единиц, любые автотрансформаторы показывают более высокую эффективность по сравнению с трансформаторными устройствами. Кроме всего прочего, такие приборы более легкие по весу и доступнее по стоимости, чем традиционные трансформаторы многообмоточного типа.

Устройство автотрансформатора

Однако, сравнивая основные характеристики автотрансформатора и классического трансформатора, можно смело утверждать, что второй вариант является максимально универсальным, а также отличается более широким диапазоном работы в процессе эксплуатации.

Автотрансформаторы характеризуются фактическим наличием одной обмотки с отходящими выводами, что обеспечивает высокоэффективную электромагнитную и электрическую связь.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества автотрансформаторов закономерно снижаются в условиях повышения трансформирующего коэффициента, и именно по этой причине агрегаты такого типа недопустимо использовать при питании распределительной электрической сети 220 В от напряжения шесть тысяч Вольт.

Таким образом, достоинства автотрансформатора максимально проявляются при наименьшем коэффициенте трансформации, и в этом случае бывают представлены:

• незначительным расходом стали для изготовления сердечника;
• пониженным расходом меди для производства обмоток;
• простотой и незначительными габаритами конструкции;
• почти максимальным коэффициентом полезного действия, достигающим показателей 99 %;
• меньшими потерями на обмотках и стальных магнитных проводах;
• частичной передачей энергии с использованием электрических связей;
• достаточной полезной мощностью;
• наименьшими изменениями напряжения в условиях смены нагрузки;
• доступной для рядового потребителя стоимостью.

При наличии высшего и низшего напряжения в условиях одного порядка отсутствуют препятствия для электрического соединения цепей.

Основные недостатки автотрансформатора заключаются в малом сопротивлении короткого замыкания, объясняющим высокую токовую кратность и возможность передачи высшего напряжения в сеть с низкими показателями, что обусловлено наличием электрической связи. Низковольтная схема внутри устройства напрямую зависит от наличия в сети достаточно высокого уровня напряжения, поэтому для предотвращения сбоев разрабатываются специальные схемы.

Лабораторный автотрансформатор

Кроме всего прочего, небольшое рассеивание, возникающее между обмотками, может спровоцировать короткое замыкание. Важно помнить, что соединение между обмотками в обязательном порядке должно быть максимально равномерным, а нейтраль обладает исключительно двумя блоками.

Следует отметить, что из-за конструктивных особенностей автотрансформатора достаточно проблематично сохранять целостность электромагнитного баланса, а балансировка потребует увеличения габаритов, что негативно сказывается на весе и стоимости прибора.

Устройство автотрансформатора

Для электромагнитного устройства статического типа характерно наличие одной обмотки, часть которой одновременно отвечает как за первичную, так и за вторичную сеть. Таким образом, в автотрансформаторе существует не только магнитная, но и электрическая связь, которая возникает между обмотками первичного и вторичного вида. В настоящее время прибор выпускается в виде одно- и трехфазного, а также двух- или трехобмоточного устройства.

Двухобмоточный трансформатор и автотрансформатор

Автотрансформаторы имеют определенный тип конструкции и некоторые особенности, представленные первой обмоткой, которая используется в качестве части второго контура агрегата или наоборот.

Поломку трансформатора можно определить при помощи мультиметра. – особенности прямого и косвенного методов проверки.

Схему подключения трансформатора с трех мест вы найдете .

С принципом действия трансформатора 220 на 12 вольт вы можете ознакомиться .

Принцип действия

Наиболее важные характеристики принципа действия стандартного автотрансформатора определены особенностью подключения обмоточной части.

В процессе подключения к катушке тока переменного типа внутри сердечника отмечается наличие магнитного потока.

Каждый виток на этом этапе эксплуатации прибора характеризуется индукцией электродвижущей силы с идентичной величиной.

Таким образом, принцип работы прибора объясняется стандартной схемой автотрансформатора, а в результате подсоединения нагрузки наблюдается перемещение вторичного электрического потока по обмотке. В это же время по проводнику осуществляется движение первичного тока. В результате величины двух потоков суммируются, поэтому на участок обмотки осуществляется подача незначительных по величине показателей электрического тока.

Как показывает практика эксплуатации автотрансформаторов, по некоторым основным параметрам принцип работы такого прибора имеет не слишком существенные отличия от традиционных трансформаторов двухобмоточного типа.

В настоящее время наряду с однофазными приборами находят достаточно широкое применение и устройства трехфазного типа, отличающиеся обмоткой. Существуют современные трёхфазные автотрансформаторы, имеющие два и три контура.

Основные защитные характеристики автотрансформатора представлены несколькими вариантами:

• дифференциальная разновидность, предупреждающая выход из строя при любых нарушениях в обмотке;
• принцип токовой отсечки, корректирующий неполадки, возникшие на ошинковках или вводах;
• высокоэффективная токовая защита, которая четко срабатывает в условиях повреждения агрегата;
• газовый вид, оповещающий даже о выделениях или понижении количества маслянистой жидкости.

Конструкцией предусмотрена защита при появлении замыкания или перегрузки, но прибор не подлежит эксплуатации, если замечено повреждение изолирующего слоя, отмечается сбой на соединительных участках, присутствуют сторонние звуки или слишком сильная вибрация, а также прибор имеет на корпусе выраженные трещины или многочисленные сколы.

Видео на тему