Автотрансформатор представляет собой трансформатор, у которого обмотка низкого напряжения является частью обмотки высокого напряжения (рис. 7.6).
У однофазного автотрансформатора всего одна обмотка. В режиме холостого хода автотрансформатор ничем не отличается от обычного трансформатора. В режиме нагрузки по общей части витков протекает ток, который равен разности токов ( i 1 - i 2 ), так как вторичный ток ослабляет магнитный поток в сердечнике (т. е. соответствующий магнитный поток имеет знак, противоположный знаку потока, создаваемого током первичной обмотки).
Чаще всего автотрансформаторы изготавливают со скользящим контактом, что позволяет плавно регулировать выходное напряжение в широких пределах. Примером может служить лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) (рис. 7.7, а).
Обмотка этого трансформатора выполнена проводом круглого сечения на тороидальном стальном сердечнике. На одной торцевой стороне изоляцию снимают вместе с частью самого провода, но при этом витки остаются изолированными друг от друга (рис. 7.7, б). По оголенной поверхности витков скользит небольшая щетка, подключая нагрузку к различному числу витков и изменяя тем самым выходное напряжение. Так как перемещающаяся щетка замыкает накоротко сразу 1- 2 витка, то при хорошем контакте между ними эти витки могут сгореть. Чтобы этого не случилось, щетку делают из графита, сопротивление которого достаточно велико для ослабления токов в короткозамкнутых витках.
Медный срез
.Изоляция (эмаль)
Если часть обмотки автотрансформатора сделать первичной, а всю обмотку вторичной, то автотрансформатор будет повышающим.
В технике больших токов и высоких напряжений измерения электрических величин производят только через измерительные трансформаторы -трансформаторы тока и трансформаторы напряжения, так как непосредственные измерения с помощью шунтов и добавочных резисторов весьма затруднительны. Так, наибольший ток, который еще можно измерить путем непосредственного включения прибора, составляет 600 А, а напряжение - 2000 В. К тому же шунты и добавочные сопротивления получаются громоздкими и дорогими, а прикосновение к таким приборам в сетях высокого напряжения опасно для жизни.
Трансформатор
тока
состоит
из сердечника и двух обмоток -
первичной и вторичной (рис. 7.8).
Первичную обмотку, которая содержит небольшое количество витков, включают последовательно с нагрузкой, в цепи которой необходимо измерить ток, а к вторичной обмотке, с большим числом витков, подключают амперметр. Так как сопротивление амперметра мало, то можно считать, что трансформатор тока работает в режиме короткого замыкания, при котором суммарный магнитный поток равен разности потоков, созданных первичной и вторичной обмотками.
Измеряемый ток, протекая по первичной обмотке с низким сопротивлением, создает на ней весьма небольшое падение напряжения, которое трансформируется во вторичную обмотку. Поскольку число витков вторичной обмотки значительно больше, чем у первичной, то на ней получается значительно большее напряжение при меньшем токе.
Трансформатор тока применяют не только для определения силы тока, но и для включения токовых обмоток ваттметров и некоторых других приборов. Выводы обмоток трансформатора тока маркируют следующим образом: первичная обмотка - Л1 и Л 2 (линия), вторичная - И1 и И 2 (измеритель). На рис. 7.8 также изображено схематическое обозначение трансформатора тока.
Один и тот же трансформатор тока можно использовать для одновременного включения нескольких измерительных приборов (рис. 7.9), однако желательно, чтобы их было не больше двух. Это объясняется тем, что по мере увеличения числа приборов их общее сопротивление возрастает, и режим работы трансформатора тока все более отходит от режима короткого замыкания (уменьшается ток вторичной обмотки).
Трансформатор тока не только расширяет пределы измерения приборов, но и гальванически отделяет вторичную цепь от первичной, изолируя тем самым прибор от высоких напряжений сети. Поэтому измерительные приборы монтируют обычным способом на распределительных щитах. При этом для безопасности один вывод вторичной обмотки заземляют для того, чтобы при пробое изоляции между обмотками провод с высоким потенциалом оказался замкнутым на землю. Трансформаторы тока изготавливают таким образом, чтобы номинальный ток вторичной обмотки составлял 5 А.
Вторичную обмотку работающего трансформатора тока нельзя размыкать и оставлять разомкнутой. Она всегда должна быть замкнута на прибор или закорочена. Это следует делать потому, что при разомкнутой вторичной обмотке магнитный поток в сердечнике обусловлен лишь большим первичным током, а не разностью потоков первичного и вторичного токов. Этот большой магнитный поток создаст на вторичной обмотке высокое напряжение, опасное для жизни. Кроме того, большой магнитный поток может вызвать перегрев сердечника.
Конструктивно трансформаторы тока выполняют по-разному. Все они, как правило, имеют несколько коэффициентов трансформации. Наиболее удобный переносной трансформатор тока - измерительные клещи (рис. 7.10).
Это трансформатор с разъемным сердечником, смонтированный в одном корпусе с амперметром. При нажатии на рукоятку сердечник размыкается и им обхватывается провод с измеряемым током. После отпускания рукоятки специальная пружина плотно замыкает сердечник, и амперметр показывает силу тока в проводе. В данном случае провод с измеряемым током выступает в роли первичной обмотки. Измерительные клещи очень удобны, так как позволяют измерять ток в любом месте линии без разрыва провода, хотя точность таких измерений невысока.
Трансформатор
напряжения состоит из сердечника и двух
обмоток - первичной и вторичной
(рис. 7.11).
Первичная обмотка содержит значительно больше витков, чем вторичная. На первичную обмотку подается измеряемое напряжение U1, а к вторичной обмотке подсоединяется вольтметр. Поскольку сопротивление вольтметра велико, то по вторичной обмотке течет небольшой ток, и можно считать, что трансформатор напряжения работает в режиме холостого хода, т. е. изменения вторичного напряжения пропорциональны изменениям первичного при постоянном коэффициенте трансформации. Фаза вторичного напряжения противоположна фазе первичного. Выводы трансформатора напряжения обозначают следующим образом: выводы первичной обмотки - А, X, выводы вторичной - а, x . Все трансформаторы напряжения
изготавливают таким образом, чтобы номинальное напряжение вторичной обмотки было равно 100 В.
В целях безопасности обслуживающего персонала один зажим вторичной обмотки и стальной кожух трансформатора напряжения обязательно заземляют для того, чтобы при пробое изоляции между обмотками провод с высоким потенциалом оказался замкнутым на землю. Конструктивно трансформаторы напряжения очень похожи на маломощные силовые трансформаторы.
По сравнению с обычными трансформаторами, автотрансформаторы
имеют ряд преимуществ. Среди преимуществ можно выделить то, что КПД автотрансформаторов
намного выше, чем у обычных трансформаторов, количество витков, размеры и вес магнитопровода меньше, что значительно экономит материал и соответственно цену автотрансформаторов
. Недостатком является то, что устройство, использующее автотрансформатор
соединено с электрической сетью, то есть ни одну из точек схемы такого устройства нельзя заземлить. Это может привести к короткому замыканию или к выходу из строя устройства.
В автотрансформаторах
существует электрическая связь помимо магнитной. Таким образом, расчетная мощность представляет собой часть проходной. В обычных же трансформаторах вся проходная мощность является расчетной (зависит от габаритов и веса трансформатора) из-за существования исключительно магнитной связи. Целесообразнее всего использовать автотрансформаторы
с коэффициентом трансформации, имеющим значение меньше 2. В случае, если коэффициент имеет значение большее, у автотрансформаторов
появляются некоторые недостатки.
В наше время, в бытовой технике и автоматических устройствах широко применяются автотрансформаторы со значением мощности до 1кВА. Автотрансформаторы
с большей мощностью применяют обычно в устройствах с мощными двигателями переменного тока - так называемые силовые автотрансформаторы
. Их мощность достигает значения нескольких сотен МВА.
49 )как передается в автотрансф-ре мощность из первичной сети во вторичную?
При этом передача мощности из первичной сети во вторичную сеть происходит, помимо магнитной связи, еще и за счет электричества.
51 )Почему косинус в режиме х.х значительно меньше чем в номинальном режиме? Объясните зависимость cosf=f(U1)
52 )В чем заключается опасность аварийного к.з автотрансформатора(по сравнению с трансф-ром)?
Ток КЗ вкл…. В U`/U 2 =1/1-n раз превышает ток кз обычного тр-ра
53) Как при увеличении тока во вторичной обмотке изменится поток взаимоиндукции, поток рассеяния, индуктированные эдс?
I 2 и Ф – Ф – неизменный … создает магнитный поток рассевания, неизменно Ф 2 , он сцепляется с винтами собственной обмотки, индуктирует в них ЭДС рассеивания
54) Что такое группа соединения транс-ра? Как ее можно определить по векторной диаграмме?
Для включения трансф-ра на параллельную работу с другими трансф-ми имеет значение сдвиг фаз между эдс первичной и вторичной обмоток. Для характеристики этого сдвига вводится понятие о группе соединений обмоток.Группа соединения обмоток трансформатора определяется углом сдвига между векторами одноименных линейных ЭДС (например, EAB и Eab или EBA и Eba) обмоток высшего и низшего напряжений.
55) Какие схемы и группы соединений трансф-ров являются стандартными?
Звезда, треугольник и зигзаг- схемы соединения
Группы- 0,11
Согласно ГОСТу для однофазных трансформаторов установлена одна стандартная группа соединений - 0.
У трехфазных трансформаторов возможны все двенадцать различных групп соединений, но желательно иметь минимальное число различных групп, поэтому для трехфазных трансформаторов установлены только две стандартные группы: 11 и 0.
Группе 11 соответствуют два способа соединения: звезда/треугольник (Y/D) и звезда с выведенной нейтральной точкой/треугольник (Y/D).
Группе 0 соответствует один способ соединения: звезда/звезда с выведенной нейтральной точкой (Y/Y). Специальный знак (Y) во втором и в третьем случаях показывает, что при данном соединении обмоток нейтральная точка имеет вывод. В числителе обозначения всегда указывается способ соединения обмотки высшего напряжения.
Группа 0- Y/Y применяется для трансформаторов с высшим напряжением до 35 кВ включительно при низшем напряжении 230 В и мощности до 560 кВ А или при том же пределе высшего напряжения с низшим напряжением 400 В и мощностью до 1800 кВ А. Оба способа соединения по группе 11 предназначены для более мощных трансформаторов и более высоких напряжений.
В качестве примера на рис. 108 показано, как при соединении Y/D вектор низшего (вторичного) линейного напряжения U аб образует с вектором высшего (первичного) линейного напряжения U AB угол 330°, который равен углу между стрелками в 11 ч; следовательно, этот способ соединения должен быть отнесен к группе 11.
56 )Изобразите схему замещения трансформатора при нагрузке, поясните параметры и объясните количественные соотношения параметров?
Z н =(w 1 /w 2) 2 (r н +-jx н)- сопротивление нагрузки
Существуют ситуации, при которых необходимо изменять напряжение в относительно небольших пределах. Легче всего осуществить это при помощи однообмоточных трансформаторов, которые также еще называют автотрансформаторами. В том случае, если коэффициент трансформации не сильно отличается от единицы, то разница между токами в первичной и вторичной обмотках будет небольшой. Если объединить обе эти обмотки получится схема самого обычного автотрансформатора. Эти трансформаторы относят к группе устройств специального назначения.
Главное отличие автотрансформаторов от обычных трансформаторов представляет собой тот факт, что у них обмотка самого низкого напряжения является неотъемлемой частью обмотки самого высокого напряжения. Иными словами, цепи у этих обмоток имеют, помимо магнитной, еще и гальваническую связь. Для того чтобы получить повышение или понижения напряжения необходимо соответствующим образом включить обмотки автотрансформатора. Целесообразней всего использовать их в тех случаях, когда требуется незначительное изменение напряжения. Тогда часть обмотки, соединяющая обе цепи, может быть выполнена из тонкого провода, что позволяет сэкономить металл и, разумеется, средства.
Также при помощи автотрансформатора можно значительно сэкономить на стали, которая используется для изготовления магнит провода. Если учесть тот факт, что этот участок является довольно протяженным, то экономия получается существенной. В других электромагнитных преобразователях передача энергии происходит через магнитное поле между двумя обмотками. В автотрансформаторах она осуществляется как через магнитное поле, так и через непосредственную электрическую связь.
Подобное устройства уже успели показать себя исключительно с хорошей стороны. Автотрансформаторы отлично конкурируют с традиционными двухобмоточными трансформаторами. Но только тогда, когда их коэффициент трансформации не сильно отличается от единицы. По большому счету, автотрансформаторы в плане конструкции мало чем отличаются от трансформаторов. В них так же имеются стержни магнитопровода, на которых устанавливаются две обмотки, от которых берутся выводы. Большинство деталей, используемых в автотрансформаторах, применяются и в двухобмоточных трансформаторах.
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.
Автотрансформаторы успешно конкурируют с двухобмоточными трансформаторами, когда их коэффициент трансформации - мало отличается от единицы и но более 1,5 - 2. При коэффициенте трансформации свыше 3 автотрансформаторы себя не оправдывают.
В конструктивном отношении автотрансформаторы практически не отличаются от трансформаторов. На стержнях магнитопровода располагаются две обмотки. Выводы берутся от двух обмоток и общей точки. Большинство деталей автотрансформатора в конструктивном отношении не отличаются от деталей трансформатора.
Электрические потребители нуждаются в трансформации тока до требуемого значения напряжения. Если подобные изменения не определяются в небольшом пределе, можно применять специальный агрегат. Обычный трансформатор имеет в своем составе две катушки. Специальный прибор может иметь всего одну совмещенную обмотку. Это и есть автотрансформатор. Его применяют в том случае, если показатель преобразования не составляет более 1.
В этом случае разница между уровнем тока в первичной и вторичной обмотке будет небольшой. Что такое автотрансформатор, а также основные принципы его работы будет рассмотрено далее.
Автотрансформаторы характеризуются определенным устройством и принципом действия. Их первая обмотка является частью второго контура или наоборот. Такие цепи характеризуются электромагнитной и гальванической связью. Повышающий и понижающий агрегат применяются во многих сферах деятельности человека. Причем его характеристики определяются особенностями включения обмоток.
При подключении к катушке переменного тока в сердечнике определяется магнитный поток. В каждом из существующих витков в этот момент будет индуктироваться электродвижущая сила. Причем ее величина будет идентична.
Схема автотрансформатора объясняет принцип работы агрегата. При подсоединении нагрузки вторичный электрический поток будет перемещаться по обмотке. По этому же проводнику в этот момент движется и первичный ток. Оба потока геометрически складываются. Поэтому на обмотку станет подаваться совсем незначительный электрический ток.
Схема замещения автотрансформатора позволяет сэкономить на количестве медного проводника. Для такого оборудования необходима проволока меньшего сечения. Это обеспечивает значительную экономию материалов и относительно невысокую стоимость аппарата. Сократить расходы на изготовление представленного оборудования удается благодаря снижению количества стали для изготовления магнитопривода. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы значительно отличаются размером сечения сердечника.
Устройство современного автотрансформатора делает оборудование востребованным, если показатель трансформации приближается к 1 или находится в пределах от 1,5 до 2. Если же коэффициент будет больше 3, применение подобного прибора становится неоправданным.
По многим параметрам принцип работы автотрансформатора, его конструкция и детали мало отличаются от обычных двухобмоточных трансформаторов.
Различные режимы работы автотрансформаторов позволяют устранить недостатки бытовой электросети. Это необходимо, например, когда напряжение не дотягивает или, наоборот, немного превышает стандартную норму 220 В. Особенности конструкции автотрансформатора позволяют выполнять настройку с определенным шагом. Электронный автотрансформатор, имеющий в своем составе коммутационную и регулирующую систему выполняет этот процесс автоматически.
На выбор разновидности автотрансформатора влияет его назначение и условия эксплуатации. Чаще всего применяется восемь типов представленных агрегатов:
Также существует разделение на агрегаты малой мощности (до 1 кВ), средней мощности (больше 1 кВ) и силовые типы.
Сегодня применяются однофазный и трехфазный автотрансформатор. В первом случае оборудование представлено такой разновидностью, как ЛАТР. Его применяют для низковольтных сетей. При повышенном напряжении требуется понижающая конструкция, например, автотрансформатор типа 220/110 или 220/100. В этом случае вторичная обмотка входит в состав первичного контура. Повышающий тип автотрансформаторов, наоборот, включает первичную обмотку в состав вторичного контура.
В обеих разновидностях устройств регулирование производится посредством скольжения подвижного контакта по обмоточным виткам. ЛАТРы состоят из магнитопривода кольцеобразной формы. Его обмотка включает в себя один слой. Она состоит из изолированного провода из меди.
Однофазные автотрансформаторы имеют несколько ответвлений, которые отходят от обмотки. Именно эти элементы конструкции определяют, будет ли агрегат работать на повышение или понижение напряжения сети. Чтобы получить плавность настройки вторичного напряжения создается небольшая дорожка на поверхности обмотки. Она очищена от слоя изоляции. По этой дорожке перемещается роликовый или щеточный контакт. Регулировка осуществляется в пределах от 0 до 250 В.
Наряду с однофазными применяются и трехфазные аппараты. Они отличаются типом обмотки. Существует автотрансформатор трехфазного типа с двумя и тремя контурами.
Чаще всего обмотки в подобных устройствах соединяются в виде звезды. Они имеют выведенную отдельно точку нейтрали. При помощи направления подведения напряжения выполняется понижение или повышение. Этот принцип положен в основу старта работы мощного двигателя, регулирования электрического тока по ступенчатой системе. Трехфазный тип автотрансформаторов применяется для нагревательных элементов печей.
Приборы с тремя обмотками используются в сетях высоковольтного типа. При этом со стороны высшего напряжения агрегат соединяется с нулевым проводом в звезду. Этот тип контакта способен снизить напряжение с учетом особенностей изоляции аппаратуры. Применение подобных приборов способно повысить уровень КПД системы, а также сэкономить затраты на совершение передачи электроэнергии. Однако в этом случае повышается количество токов короткого замыкания.
Наличие гальванической связи между совмещенными контурами не позволяют использовать представленное оборудование в силовых сетях (6-10 кВ), если напряжение понижается до 0,38 кВ. В этом случае трехфазное напряжение 380В подается непосредственно к электрическим потребителям. На таком оборудовании могут работать люди. Во избежание несчастных случаев применяются в подобных условиях другие разновидности агрегатов.
Перед тем, как вводить в эксплуатацию представленное оборудование, необходимо изучить его основные недостатки:
Также следует отметить, что выполняя ремонт автотрансформатора, устраняя возникшие неполадки и аварийные ситуации, может снизиться безопасность работы обслуживающего персонала. Высшее напряжение может наблюдаться и на низшей обмотке. В этом случае все элементы системы окажутся подведены к высоковольтной части. По правилам безопасности такое положение вещей недопустимо. В этом случае возникает вероятность пробоя изоляции проводников, которые присоединены к электрооборудованию.
Рассмотрев основные особенности работы и устройства автотрансформаторов, можно сделать выводы о целесообразности их применения в своих целях.
