5.12. Специальные трансформаторы

5.12.1. Автотрансформаторы

Конструкцию трансформатора классического вида с двумя изолированными обмотками можно упростить. Поскольку магнитный поток магнитопровода наводит в первичной обмотке ЭДС, равное напряжению, подведенному к этой обмотке, а обмотка имеет определенное количество витков, то всегда можно определить напряжение, наведенное в одном витке обмотки. С другой стороны, между двумя точками обмотки заключено такое количество витков, в которых будет наводиться ЭДС, пропорциональная этому количеству витков и равная необходимому для использования напряжению. Следовательно, если допустить наличие гальванической связи между первичными и вторичными электрическими цепями трансформатора, то необходимость в исполь­зова­нии вторичной обмотки отпадает. Полученное таким образом устройство получило название «автотрансформатор». Схематическое изображение автотрансформатора представлено на рис. 5.33.

Рис. 5.33

Поскольку первичное напряжение постоянно, магнитный поток трансформатора тоже не изменяет амплитуду. Этот магнитный поток наводит в каждом витке обмотки ЭДС, величина которой практически не зависит от тока этой обмотки. Следовательно, распределение напряжения по обмотке можно рассматривать пропорциональным количеству витков и не зависящим от тока обмотки.

Напряжения, токи и количество витков автотрансформаторов имеют примерно такую же связь между собой, как и у трансформаторов .

В части обмотки (см. рис. 5.33) проходят два тока и . Пренебрегая током намагничивания и учитывая фазовый сдвиг между токами и , можно предположить, что ток общей части обмотки равен разности токов , если автотрансформатор является понижающим.

Если коэффициент трансформации близок к единице, то первичный и вторичный токи имеют один и тот же порядок и их разность имеет малую величину относительно каждого из них. В этом случае следует заметить, намагничивающий ток имеет тот же порядок, что и разность . Учитывая это, общую часть обмотки можно изготовить с таким же количеством витков, но проводом меньшего диаметра с расчетом на прохождение разностного тока . Сердечник автотрансформатора может быть выбран с меньшей массой.

С увеличением коэффициента трансформации эти выгоды теряются, а общую часть обмотки приходится изготавливать проводом большего сечения из расчета прохождения второго тока. Большего сечения должен быть и провод первичной обмотки.

Основным недостатком автотрансформатора является наличие гальванической связи обмоток. Последнее не позволяет использовать автотрансформаторы в распределительной сети, так как остается возможным поражение потребителей высоким первичным напряжением. Поэтому в сетях электропитания используются обычные трансформаторы, позволяющие надежно изолировать первичную и вторичную обмотки.

Трехфазные автотрансформаторы обычно изготавливаются исходя из системы соединения «звезда – звезда» (рис. 5.34). В этом случае имеется возможность глубокого регулирования выходного напряжения. Выходное и входное напряжения в этом случае совпадают по фазе.

Рис. 5.34

Весьма интересно соединение обмотки автотрансформатора «треугольником» (рис. 5.35). При изменении положения подвижных контактов автотрансформатора точки a, b, c (см. векторную диаграмму рис. 5.35) «скользят» по векторам линейных входных напряжений.

Рис. 5.35

Точка a, например, пройдет из точки A в точку B. Точка b из точки B перейдет в точку C. Как следует из векторной диаграммы, выходные напряжения могут быть изменены от входного напряжения до напряжения, вдвое меньшего входного. Однако такой автотрансформатор позволяет в широких пределах (до 180 градусов) изменять начальную фазу выходных напряжений. Это весьма важное свойство используется при фазовом управлении.