Билет №9

1. Автотрансформаторы: параметры автотрансформатора, обоснование рациональных схем соединения его обмоток. Схемы РПН трансформаторов на реакторах и сопротивлениях. Принцип их работы

А́втотрансформа́тор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только магнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения.

Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь частьмощности подвергается преобразованию — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. В промышленных сетях, где наличие заземления нулевого провода обязательно, этот фактор роли не играет, зато существенным является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге — меньшая стоимость.

Распространены аббревиатуры:

ЛАТР — Лабораторный АвтоТрансформатор Регулируемый.

РНО — Регулятор Напряжения Однофазный.

РНТ — Регулятор Напряжения Трёхфазный.

Принцип работы автотрансформатора

Схема автотрансформатора.

Предположим, что источник электрической энергии (сеть переменного тока) подключен к виткам {\displaystyle \omega _{1}} обмотки автотрансформатора, а потребитель — к некоторой части этой обмотки {\displaystyle \omega _{2}}.

При прохождении переменного тока по обмотке автотрансформатора возникает переменныймагнитный поток, индуцирующий в этой обмотке электродвижущую силу, величина которой прямо пропорциональна числу витков обмотки.

Следовательно, если во всей обмотке автотрансформатора, имеющей число витков {\displaystyle \omega _{1}}, индуцируется электродвижущая сила {\displaystyle E_{1}}, то в части этой обмотки, имеющей число витков {\displaystyle \omega _{2}}, индуцируется электродвижущая сила {\displaystyle E_{2}}. Соотношение величин этих ЭДС выглядит так: {\displaystyle {{E_{1}} \over {E_{2}}}={{\omega _{1}} \over {\omega _{2}}}=k}, где {\displaystyle k} — коэффициент трансформации.

Так как падение напряжения в активном сопротивлении обмотки автотрансформатора относительно мало, то им практически можно пренебречь и считать справедливыми равенства {\displaystyle U_{1}=E_{1}} и {\displaystyle U_{2}=E_{2}},

где {\displaystyle U_{1}} — напряжение источника электрической энергии, поданное на всю обмотку автотрансформатора, имеющую число витков {\displaystyle \omega _{1}};

{\displaystyle U_{2}} — напряжение, подаваемое к потребителю электрической энергии, снимаемое с той части обмотки автотрансформатора, которая обладает количеством витков {\displaystyle \omega _{2}}.

Следовательно, {\displaystyle {{U_{1}} \over {U_{2}}}={{\omega _{1}} \over {\omega _{2}}}=k}.

Напряжение {\displaystyle U_{1}}, приложенное со стороны источника электрической энергии ко всем виткам {\displaystyle \omega _{1}} обмотки автотрансформатора, во столько раз больше напряжения {\displaystyle U_{2}}, снимаемого с части обмотки, обладающей числом витков {\displaystyle \omega _{2}}, во сколько раз число витков {\displaystyle \omega _{1}}больше числа витков {\displaystyle \omega _{2}}.

Если к автотрансформатору подключен потребитель электрической энергии, то под влиянием напряжения {\displaystyle U_{2}} в нём возникаетэлектрический ток, действующее значение которого обозначим как {\displaystyle I_{2}}.

Соответственно в первичной цепи автотрансформатора будет ток, действующее значение которого обозначим как {\displaystyle I_{1}}.

Однако ток в верхней части обмотки автотрансформатора, имеющей число витков {\displaystyle ({\omega _{1}}-{\omega _{2}})} будет отличаться от тока в нижней её части, имеющей количество витков {\displaystyle \omega _{2}}. Это объясняется тем, что в верхней части обмотки протекает только ток {\displaystyle I_{1}}, а в нижней части — некоторый результирующий ток, представляющий собой разность токов {\displaystyle I_{1}} и {\displaystyle I_{2}}. Дело в том, что согласно правилу Ленцаиндуцированное электрическое поле в обмотке автотрансформатора {\displaystyle \omega _{2}} направлено навстречу электрическому полю, созданному в ней источником электрической энергии. Поэтому токи {\displaystyle I_{1}} и {\displaystyle I_{2}} в нижней части обмотки автотрансформатора направлены навстречу друг другу, то есть находятся в противофазе.

Сами токи {\displaystyle I_{1}} и {\displaystyle I_{2}}, как и в обычном трансформаторе, связаны соотношением {\displaystyle {{I_{1}} \over {I_{2}}}={{\omega _{2}} \over {\omega _{1}}}={1 \over k}}

или {\displaystyle I_{2}={{\omega _{1}} \over {\omega _{2}}}\times I_{1}}.

Так как в понижающем трансформаторе {\displaystyle {\omega _{1}}>{\omega _{2}}}, то {\displaystyle {I_{2}}>{I_{1}}} и результирующий ток в нижней обмотке автотрансформатора равен {\displaystyle {I_{2}}-{I_{1}}}.

Следовательно, в той части обмотки автотрансформатора, с которой подаётся напряжение на потребитель, ток значительно меньше тока в потребителе, то есть {\displaystyle {I_{2}}-{I_{1}}\ll {I_{2}}}.

Это позволяет значительно снизить расход энергии в обмотке автотрансформатора на нагрев её проволоки (См. Закон Джоуля — Ленца) и применить провод меньшего сечения, то есть снизить расход цветного металла, уменьшить вес и габариты автотрансформатора.

Если автотрансформатор повышающий, то напряжение со стороны источника электрической энергии подводится к части витков обмотки трансформатора {\displaystyle \omega _{2}}, а на потребитель подводится напряжение со всех его витков {\displaystyle \omega _{1}}.