Автотрансформаторы

Автотрансформатор — однообмоточный трансформатор. От двухобмоточного отличается тем, что вторичная обмотка является частью первичной и, естественно, обмотки имеют не только магнитную, но и гальваническую связь. Автотрансформаторы бывают однофазные и трехфазные. На рис. 8.21 изображена схема однофазного автотрансформатора. В автотрансформаторе электрическая энергия из первичной цепи во вторичную передается и через гальваническую связь, и посредством переменного магнитного потока. Автотрансформатор целесообразно применять при малых коэффициентах трансформации (n ≤ 2). При малых коэффициентах трансформации на изготовление обмотки требуется значительно меньше (по массе) провода, чем на изготовление двухобмоточного трансформатора (при n = 2 примерно в 2 раза). При этом несколько снижается масса магнитопровода. По этой причине автотрансформатор значительно дешевле, меньше весит и имеет больший КПД, чем двухобмоточный. Однако автотрансформатор нельзя применять там, где по условиям техники безопасности или другим причинам недопустима гальваническая связь между первичной и вторичной обмотками.

Рис. 8.21. Схема автотрансформатора

Автотрансформатор часто используется в лабораторной практике, при проведении всякого рода экспериментальных исследований, в качестве регулятора напряжения. Такой автотрансформатор имеет подвижный скользящий контакт а (рис. 8.21), который касается обмотки, для чего последняя лишена изоляции по ходу подвижного скользящего контакта.

Напряжение U ₂ определяется, как и для обычного двухобмоточного трансформатора, из соотношения

откуда

U ₂ = U ₁ w ₂/ w ₁.

Ток нагрузки

I ₃ = U ₂/ z _н.

Ток I ₁ определяется из уравнения МДС. Если пренебречь током холостого хода, а это не вносит существенных погрешностей, то

I ₁(w ₁ - w ₂) + I ₂ w ₂ = 0. (8.17)

Подставив значение тока I ₂, равного

I ₂ = I ₁ + I ₃,

получим

I ₁ = - I ₃ w ₂/ w ₁, или I ₁ = I ₃ w ₂/ w ₁.

Значение тока I ₁ можно определить также из закона сохранения энергии. Если пренебречь потерями мощности в трансформаторе, то

I ₁ = I ₃ w ₂/ w ₁.

Рис. 8.22. Схема включения потребителя с реостатом ( а ) и с автотрансформатором ( б ) к примеру 8.3

Ток I ₂ определяется из уравнения (8.17):

Определим значения токов I ₁, I ₂ и I ₃ для автотрансформатора при n = 2:

w ₂ = w ₁/2; U ₂ = U ₁ w ₂/ w ₁; I ₃ = U ₂/ z _н = U ₁/2 z _н;

Расчеты показали, что численно I ₂ = I ₁. Следовательно, автотрансформатор при n = 2 имеет обмотку с w ₁ витками, провод которой должен быть рассчитан на ток I ₁. Если использовать вместо автотрансформатора двухобмоточный трансформатор, то его первичная обмотка с тем же числом витков w ₁, что и обмотка автотрансформатора, должна быть рассчитана на ток I ₁, а вторичная с числом витков w ₂ = w ₁/2 должна быть рассчитана на ток I ₂ = I ₁ w ₁/ w ₂ = 2 I ₁.

Из этого следует, что для изготовления автотрансформатора потребуется примерно в 2 раза (по массе) меньше провода, чем для изготовления двухобмоточного трансформатора.

Пример 8.3. Для регулирования напряжения приемника переменного тока можно использовать реостат или автотрансформатор (рис. 8.22, а, б). Определить потери мощности в реостате и автотрансформаторе при условии, что U ₁ = 220 В, U _п = U ₂ = 100 В, ток потребителя I = 5 А, если принять, что КПД автотрансформатора η = 0, 9.

Решение 1. Потери мощности в реостате

Δ P _р = U ₁ I - U ₂ I = 220 • 5-100 5 = 600 Вт

2. Потери мощности в автотрансформаторе