Автотрансформатор

Однофазный автотрансформатор с отводами с диапазоном выходного напряжения 40–115 % входного.

В электротехнике автотрансформатором называют электрический трансформатор только с одной обмоткой . Приставка « авто » (по-гречески «сам») относится к одиночной катушке, действующей самостоятельно. В автотрансформаторе части одной и той же обмотки действуют как как первичная , так и вторичная обмотки трансформатора. Напротив, обычный трансформатор имеет отдельные первичную и вторичную обмотки, которые не соединены электропроводящим путем. между ними.

Обмотка автотрансформатора имеет как минимум три электрических соединения с обмоткой. Поскольку часть обмотки выполняет «двойную функцию», автотрансформаторы имеют преимущества: они часто меньше, легче и дешевле, чем типичные трансформаторы с двойной обмоткой, но имеют недостаток: они не обеспечивают электрической изоляции между первичной и вторичной цепями. Другие преимущества автотрансформаторов включают более низкое реактивное сопротивление утечки , меньшие потери, меньший ток возбуждения и повышенную номинальную мощность ВА для данного размера и массы.

Примером применения автотрансформатора является один из типов дорожных преобразователей напряжения , который позволяет использовать устройства на 230 В в цепях питания на 120 В или наоборот. Автотрансформатор с несколькими отводами может применяться для регулировки напряжения на конце длинной распределительной цепи, чтобы компенсировать избыточное падение напряжения; при автоматическом управлении это один из примеров регулятора напряжения .

Операция

Автотрансформатор имеет одну обмотку с двумя концевыми выводами и одним или несколькими выводами в промежуточных точках ответвлений. Это трансформатор, в котором первичная и вторичная обмотки имеют часть витков совместно. Часть обмотки, общая как для первичной, так и для вторичной обмотки, является общей секцией. Часть обмотки, не являющаяся общей как для первичной, так и для вторичной обмотки, является последовательной секцией. Первичное напряжение подается на две клеммы. Вторичное напряжение снимается с двух клемм, одна из которых обычно является общей с клеммой первичного напряжения.

Поскольку напряжение на виток одинаково в обеих обмотках, каждая из них развивает напряжение пропорционально количеству витков. В автотрансформаторе часть выходного тока протекает непосредственно от входа к выходу (через последовательную секцию), и только часть передается индуктивно (через общую секцию), что позволяет также использовать сердечник меньшего размера, более легкий и дешевый. поскольку требуется только одна обмотка. Однако соотношение напряжения и тока автотрансформаторов можно сформулировать так же, как и у других двухобмоточных трансформаторов:

${\frac {V_{1}}{V_{2}}}={\frac {N_{1}}{N_{2}}}=a$    $(0<V_{2}<V_{1})$

Ампер-витки, обеспечиваемые последовательным участком обмотки:

$F_{S}=(N_{1}-N_{2})I_{1}=\left(1-{\frac {1}{a}}\right)N_{1}I_{1}$

Ампер-витки, обеспечиваемые общим участком обмотки:

$F_{C}=N_{2}(I_{2}-I_{1})={\frac {N_{1}}{a}}(I_{2}-I_{1})$

Для баланса ампер-витков F _S = F _C :

$\left(1-{\frac {1}{a}}\right)N_{1}I_{1}={\frac {N_{1}}{a}}(I_{2}-I_{1})$

Поэтому:

${\frac {I_{1}}{I_{2}}}={\frac {1}{a}}={\frac {N_{2}}{N_{1}}}$

Один конец обмотки обычно соединяется вместе с источником напряжения и электрической нагрузкой . Другой конец источника и нагрузка подключаются к отводам вдоль обмотки. Разные отводы обмотки соответствуют разным напряжениям, измеряемым с общего конца. В понижающем трансформаторе источник обычно подключается ко всей обмотке, тогда как нагрузка подключается отводом только к части обмотки. В повышающем трансформаторе, наоборот, нагрузка подключается ко всей обмотке, а источник подключается к отводу через часть обмотки. Для повышающего трансформатора индексы в приведенных выше уравнениях меняются местами, где в этой ситуации $N_{2}$ и $V_{2}$ больше, чем $N_{1}$ и $V_{1}$, соответственно.

Как и в двухобмоточном трансформаторе, соотношение вторичного и первичного напряжений равно отношению числа витков обмотки, к которой они подключены. Например, подключение нагрузки между серединой обмотки и общим концом обмотки автотрансформатора приведет к тому, что выходное напряжение нагрузки составит 50% от первичного напряжения. В зависимости от применения та часть обмотки, которая используется исключительно в части с более высоким напряжением (меньшим током), может быть намотана проводом меньшего сечения, хотя вся обмотка подключена напрямую.

Если один из центральных отводов используется для заземления, то автотрансформатор можно использовать в качестве симметрирующего устройства для преобразования симметричной линии (подключенной к двум концевым отводам) в несимметричную линию (сторона с землей).

Автотрансформатор не обеспечивает электрическую изоляцию между своими обмотками, как это делает обычный трансформатор; если нейтральная сторона входа не находится под напряжением земли, нейтральная сторона выхода тоже не будет. Нарушение изоляции обмоток автотрансформатора может привести к тому, что полное входное напряжение на выход поступит . Кроме того, обрыв той части обмотки, которая используется и как первичная, и как вторичная, приведет к тому, что трансформатор будет действовать как индуктор, включенный последовательно с нагрузкой (что в условиях малой нагрузки может привести к тому, что к выходу будет приложено почти полное входное напряжение). ). Это важные соображения безопасности при принятии решения об использовании автотрансформатора в конкретном приложении.

Поскольку автотрансформатор для силовых приложений требует как меньшего количества обмоток, так и меньшего сердечника, он обычно легче и дешевле, чем двухобмоточный трансформатор, вплоть до коэффициента напряжения примерно 3:1; за пределами этого диапазона двухобмоточный трансформатор обычно более экономичен.

В приложениях трехфазной передачи электроэнергии автотрансформаторы имеют ограничения, заключающиеся в том, что они не подавляют гармонические токи и действуют как еще один источник токов замыкания на землю . Большой трехфазный автотрансформатор может иметь «спрятанную» обмотку треугольником, не подключенную к внешней стороне резервуара, для поглощения некоторых гармонических токов.

На практике потери означают, что как стандартные трансформаторы, так и автотрансформаторы не являются полностью обратимыми; тот, который предназначен для понижения напряжения, будет выдавать немного меньшее напряжение, чем требуется, если он используется для повышения. Разница обычно достаточно мала, чтобы обеспечить реверс там, где фактический уровень напряжения не является критическим.

Как и многообмоточные трансформаторы, автотрансформаторы используют изменяющиеся во времени магнитные поля для передачи мощности. им требуется переменный ток Для правильной работы , и они не будут работать от постоянного тока . Поскольку первичная и вторичная обмотки электрически соединены, автотрансформатор пропускает ток между обмотками и, следовательно, не обеспечивает изоляцию переменного или постоянного тока.

Приложения

Передача и распределение электроэнергии

Автотрансформаторы часто используются в силовых установках для соединения систем, работающих в разных классах напряжения, например от 132 до 66 кВ для передачи. Еще одним применением в промышленности является адаптация оборудования, созданного (например) для питания 480 В, для работы от источника питания 600 В. Они также часто используются для преобразования между двумя распространенными в мире диапазонами напряжения бытовой электросети (100–130 В и 200–250 В). Связи между сетями Super Grid напряжением 400 и 275 кВ в Великобритании обычно представляют собой трехфазные автотрансформаторы с отводами на общем нейтральном конце. вставляются специальные автотрансформаторы с автоматическим переключением ответвлений На длинных сельских линиях электропередачи в качестве регуляторов напряжения , так что потребители на дальнем конце линии получают то же среднее напряжение, что и те, кто находится ближе к источнику. Переменное передаточное отношение автотрансформатора компенсирует падение напряжения в линии.

Особая форма автотрансформатора, называемая зигзагообразным, используется для заземления трехфазных систем, которые в противном случае не имеют заземления. Зигзагообразный трансформатор обеспечивает путь тока, общий для всех трех фаз (так называемый ток нулевой последовательности ).

Аудиосистема

В аудиоприложениях автотрансформаторы с отводами 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.

железные дороги

Основная статья: Электрификация железных дорог переменного тока 25 кВ

На железнодорожном транспорте поезда обычно питаются напряжением 25 кВ переменного тока. Чтобы увеличить расстояние между точками подачи электроэнергии в сеть, их можно организовать для подачи расщепленной фазы напряжением 25-0-25 кВ, причем третий провод (противоположная фаза) находится вне досягаемости пантографа верхнего коллектора поезда. Точка питания 0 В подключается к шине, а одна точка 25 кВ подключается к воздушному контактному проводу. Через частые (около 10 км) интервалы автотрансформатор соединяет контактный провод с рельсом и со вторым (противофазным) питающим проводником. Эта система увеличивает полезную дальность передачи, уменьшает наведенные помехи во внешнее оборудование и снижает стоимость. Иногда встречается вариант, когда питающий провод имеет напряжение, отличное от напряжения контактного провода, с соответствующим изменением коэффициента трансформации автотрансформатора.

Автотрансформаторный стартер

Автотрансформаторы могут использоваться как метод плавного пуска асинхронных двигателей . Одной из известных конструкций таких стартеров является стартер Korndörfer .

История

Автотрансформаторный Максом стартер был изобретен в 1908 году Корндорфером из Берлина . Он подал заявку в Патентное бюро США в мае 1908 года и получил патент США № 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 превышающий ток полной нагрузки. Пониженный пусковой ток желателен, когда электрическая сеть не имеет достаточной мощности или когда приводимая нагрузка не может выдерживать высокий пусковой момент. Одним из основных методов снижения пускового тока является использование автотрансформатора пониженного напряжения с отводами на 50%, 65% и 80% приложенного линейного напряжения; после запуска двигателя автотрансформатор отключается от цепи.

Переменные автотрансформаторы

Переменный автотрансформатор со скользящей щеткой на вторичной обмотке и тороидальным сердечником. Крышка снята, чтобы увидеть медные обмотки и щетки.

Переменный трансформатор — часть Tektronix 576 Curve Tracer

Обнажая часть обмоток и выполняя вторичное соединение через скользящую щетку , можно получить плавное регулирование коэффициента трансформации, что позволяет очень плавно регулировать выходное напряжение. Выходное напряжение не ограничивается дискретными напряжениями, представленными фактическим количеством 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. Относительно высокое сопротивление щетки также не позволяет ей действовать как короткозамкнутый виток при контакте с двумя соседними витками. Обычно первичное соединение подключается только к части обмотки, что позволяет плавно изменять выходное напряжение от нуля до значения выше входного напряжения и, таким образом, позволяет использовать устройство для тестирования электрического оборудования в пределах указанного диапазона напряжения.

Регулировка выходного напряжения может быть ручной или автоматической. Ручной тип применим только для относительно низкого напряжения и известен как регулируемый трансформатор переменного тока (часто называемый торговой маркой Variac). Их часто используют в ремонтных мастерских для тестирования устройств под различным напряжением или для имитации аномального напряжения в сети.

Тип с автоматической регулировкой напряжения может использоваться в качестве автоматического регулятора напряжения для поддержания стабильного напряжения в широком диапазоне условий сети и нагрузки. освещения Другое применение — диммер , который не создает электромагнитных помех, типичных для большинства тиристорных диммеров.

Торговая марка Вариак

С 1934 по 2002 год Variac был торговой маркой General Radio в США для регулируемого автотрансформатора, предназначенного для удобного изменения выходного напряжения для получения стабильного входного переменного напряжения. В 2004 году компания Instrument Service Equipment подала заявку и получила торговую марку Variac для того же типа продукции. Термин «вариак» стал обобщенным товарным знаком и используется для обозначения регулируемого автотрансформатора.

См. также

• Делитель напряжения
• Балун
• Электромагнетизм
• Закон индукции Фарадея
• Катушка зажигания
• Индуктор
• Магнитное поле

Дальнейшее чтение

• Крофт, Террелл; Саммерс, Уилфорд, ред. (1987). Справочник американских электриков (одиннадцатое изд.). Нью-Йорк: МакГроу Хилл. ISBN  0-07-013932-6 .