В электротехнике автотрансформатор — это электрический трансформатор с одной обмоткой . Префикс «авто» (греч. «сам») относится к одной катушке, действующей в одиночку. В автотрансформаторе части одной и той же обмотки действуют как первичная и вторичная обмотки трансформатора. Напротив, обычный трансформатор имеет отдельные первичную и вторичную обмотки, которые не соединены между собой электропроводящим путем. [1]
Обмотка автотрансформатора имеет по крайней мере три электрических соединения с обмоткой. Поскольку часть обмотки выполняет «двойную функцию», автотрансформаторы имеют преимущества, зачастую меньшие, более легкие и дешевые, чем типичные двухобмоточные трансформаторы, но недостаток в том, что они не обеспечивают электрическую изоляцию между первичной и вторичной цепями. Другие преимущества автотрансформаторов включают в себя более низкое реактивное сопротивление утечки , более низкие потери, более низкий ток возбуждения и повышенную номинальную мощность ВА для заданного размера и массы. [2]
Примером применения автотрансформатора является один из видов преобразователя напряжения путешественника , который позволяет использовать 230-вольтовые устройства в 120-вольтовых цепях питания или наоборот. Автотрансформатор с несколькими отводами может применяться для регулировки напряжения в конце длинной распределительной цепи, чтобы исправить избыточное падение напряжения; при автоматическом управлении это один из примеров регулятора напряжения .
Автотрансформатор имеет одну обмотку с двумя конечными выводами и один или несколько выводов в промежуточных точках ответвления. Это трансформатор, в котором первичная и вторичная катушки имеют часть своих витков общими. Часть обмотки, общая для первичной и вторичной обмоток, является общей секцией. Часть обмотки, не общая для первичной и вторичной обмоток, является последовательной секцией. Первичное напряжение подается на два вывода. Вторичное напряжение снимается с двух выводов, один из которых обычно является общим с выводом первичного напряжения. [3]
Поскольку вольт-на-виток одинаков в обеих обмотках, каждая из них вырабатывает напряжение, пропорциональное числу витков. В автотрансформаторе часть выходного тока течет напрямую от входа к выходу (через последовательную секцию), и только часть передается индуктивно (через общую секцию), что позволяет использовать меньший, более легкий и дешевый сердечник, а также требует только одной обмотки. [4] Однако соотношение напряжения и тока автотрансформаторов можно сформулировать так же, как и для других двухобмоточных трансформаторов: [2]
Ампер-витки, обеспечиваемые последовательной частью обмотки:
Ампер-витки, обеспечиваемые общей секцией обмотки:
Для баланса ампер-витков F S = F C :
Поэтому:
Один конец обмотки обычно подключается совместно как к источнику напряжения , так и к электрической нагрузке . Другой конец источника и нагрузки подключаются к отводам вдоль обмотки. Различные отводы на обмотке соответствуют различным напряжениям, измеренным от общего конца. В понижающем трансформаторе источник обычно подключается по всей обмотке, в то время как нагрузка подключается отводом только по части обмотки. В повышающем трансформаторе, наоборот, нагрузка подключается по всей обмотке, в то время как источник подключается к отводу по части обмотки. Для повышающего трансформатора нижние индексы в приведенных выше уравнениях меняются местами, где в этой ситуации и больше, чем и , соответственно.
Как и в двухобмоточном трансформаторе, отношение вторичного напряжения к первичному равно отношению числа витков обмотки, к которой они подключены. Например, подключение нагрузки между серединой обмотки и общим выводом обмотки автотрансформатора приведет к тому, что выходное напряжение нагрузки составит 50% от первичного напряжения. В зависимости от применения, та часть обмотки, которая используется только в части с более высоким напряжением (более низким током), может быть намотана проводом меньшего калибра, хотя вся обмотка подключена напрямую.
Если один из центральных отводов используется для заземления, то автотрансформатор можно использовать в качестве симметрирующего трансформатора для преобразования симметричной линии (подключенной к двум конечным отводам) в несимметричную линию (сторона с заземлением).
Автотрансформатор не обеспечивает электрическую изоляцию между обмотками, как это делает обычный трансформатор; если нейтральная сторона входа не находится под напряжением земли, нейтральная сторона выхода также не будет. Нарушение изоляции обмоток автотрансформатора может привести к подаче полного входного напряжения на выход. Кроме того, разрыв в части обмотки, которая используется как первичная и вторичная, приведет к тому, что трансформатор будет действовать как индуктор последовательно с нагрузкой (что в условиях малой нагрузки может привести к подаче почти полного входного напряжения на выход). Это важные соображения безопасности при принятии решения об использовании автотрансформатора в данном приложении. [5]
Поскольку для автотрансформатора требуется меньше обмоток и меньший сердечник, он обычно легче и дешевле двухобмоточного трансформатора, вплоть до соотношения напряжений около 3:1; за пределами этого диапазона двухобмоточный трансформатор обычно более экономичен. [5]
В трехфазных приложениях передачи электроэнергии автотрансформаторы имеют ограничения, не подавляя гармонические токи и выступая в качестве еще одного источника токов замыкания на землю . Большой трехфазный автотрансформатор может иметь «заглубленную» дельта-обмотку, не подключенную к внешней стороне бака, для поглощения некоторых гармонических токов. [5]
На практике потери означают, что как стандартные трансформаторы, так и автотрансформаторы не являются идеально обратимыми; тот, который предназначен для понижения напряжения, будет выдавать немного меньшее напряжение, чем требуется, если он используется для повышения. Разница обычно достаточно мала, чтобы позволить реверс, когда фактический уровень напряжения не является критическим.
Как и многообмоточные трансформаторы, автотрансформаторы используют изменяющиеся во времени магнитные поля для передачи мощности. Для правильной работы им требуются переменные токи , и они не будут работать на постоянном токе . Поскольку первичная и вторичная обмотки электрически соединены, автотрансформатор позволяет току течь между обмотками и, следовательно, не обеспечивает изоляцию переменного или постоянного тока.
Автотрансформаторы часто используются в электроэнергетических приложениях для соединения систем, работающих на разных классах напряжения, например, от 132 кВ до 66 кВ для передачи. Другое применение в промышленности - это адаптация машин, построенных (например) для поставок 480 В, для работы на питании 600 В. Они также часто используются для обеспечения преобразований между двумя распространенными в мире диапазонами напряжения внутренних сетей (100 В–130 В и 200 В–250 В). Связи между сетями Великобритании 400 кВ и 275 кВ " Super Grid " обычно представляют собой трехфазные автотрансформаторы с ответвлениями на общем нейтральном конце. На длинных сельских распределительных линиях электропередач специальные автотрансформаторы с автоматическим оборудованием для переключения ответвлений вставляются в качестве регуляторов напряжения , так что потребители на дальнем конце линии получают то же среднее напряжение, что и те, кто ближе к источнику. Переменное отношение автотрансформатора компенсирует падение напряжения вдоль линии.
Специальная форма автотрансформатора, называемая зигзагом, используется для обеспечения заземления в трехфазных системах, которые в противном случае не имеют соединения с землей. Зигзагообразный трансформатор обеспечивает путь для тока, который является общим для всех трех фаз (так называемый ток нулевой последовательности ).
В аудиоприложениях отводные автотрансформаторы используются для адаптации динамиков к системам распределения звука с постоянным напряжением, а также для согласования импеданса , например, между микрофоном с низким импедансом и входом усилителя с высоким импедансом.
В железнодорожных приложениях обычно поезда питаются от 25 кВ переменного тока. Чтобы увеличить расстояние между точками подачи электроэнергии в сеть, они могут быть организованы для подачи разделенной фазы 25-0-25 кВ с третьим проводом (противофазным) вне досягаемости токосъемника воздушного коллектора поезда. Точка 0 В источника питания подключена к рельсу, а одна точка 25 кВ подключена к контактному проводу воздушного коллектора. С частыми (около 10 км) интервалами автотрансформатор соединяет контактный провод с рельсом и со вторым (противофазным) проводником питания. Эта система увеличивает полезное расстояние передачи, снижает наведенные помехи во внешнее оборудование и снижает стоимость. Иногда встречается вариант, когда проводник питания находится под другим напряжением, чем контактный провод, с коэффициентом автотрансформатора, измененным в соответствии с требованиями. [6]
Автотрансформаторы могут быть использованы в качестве способа плавного пуска асинхронных двигателей . Одной из известных конструкций таких пускателей является стартер Корндорфера .
Автотрансформаторный стартер был изобретен в 1908 году Максом Корндорфером из Берлина . Он подал заявку в Патентное ведомство США в мае 1908 года и получил патент US 1,096,922 в мае 1914 года . Макс Корндорфер передал свой патент компании General Electric .
Асинхронный двигатель потребляет очень высокий пусковой ток во время разгона до полной номинальной скорости, обычно в 6–10 раз больше тока полной нагрузки. Уменьшенный пусковой ток желателен, когда электрическая сеть не имеет достаточной мощности или когда приводимая нагрузка не может выдерживать высокий пусковой крутящий момент. Одним из основных методов уменьшения пускового тока является использование автотрансформатора пониженного напряжения с отводами на 50%, 65% и 80% от приложенного линейного напряжения; после запуска двигателя автотрансформатор отключается от цепи.
Выставляя часть катушек обмотки и выполняя вторичное соединение через скользящую щетку , можно получить плавно изменяемое отношение витков, что позволяет очень плавно управлять выходным напряжением. Выходное напряжение не ограничивается дискретными напряжениями, представленными фактическим числом витков. Напряжение можно плавно изменять между витками, поскольку щетка имеет относительно высокое сопротивление (по сравнению с металлическим контактом), а фактическое выходное напряжение является функцией относительной площади щетки, контактирующей с соседними обмотками. [7] Относительно высокое сопротивление щетки также не позволяет ей действовать как короткозамкнутый виток, когда она контактирует с двумя соседними витками. Обычно первичное соединение подключается только к части обмотки, что позволяет плавно изменять выходное напряжение от нуля до значения, превышающего входное напряжение, и, таким образом, позволяет использовать устройство для тестирования электрооборудования в пределах его указанного диапазона напряжений.
Регулировка выходного напряжения может быть ручной или автоматической. Ручной тип применим только для относительно низкого напряжения и известен как переменный трансформатор переменного тока (часто упоминается под торговой маркой Variac). Они часто используются в ремонтных мастерских для тестирования устройств под разными напряжениями или для имитации ненормальных напряжений в линии.
Тип с автоматической регулировкой напряжения может использоваться как автоматический регулятор напряжения , для поддержания постоянного напряжения на обслуживании клиентов в широком диапазоне условий линии и нагрузки. Другое применение — это диммер освещения , который не производит электромагнитных помех, типичных для большинства тиристорных диммеров.
С 1934 по 2002 год Variac был торговой маркой США компании General Radio для переменного автотрансформатора, предназначенного для удобного изменения выходного напряжения для получения постоянного входного переменного напряжения. В 2004 году компания Instrument Service Equipment подала заявку и получила торговую марку Variac для того же типа продукта. [8] Термин variac стал обобщенной торговой маркой , используемой для обозначения переменного автотрансформатора. [ необходима цитата ]
