Разница между трансформатором и автотрансформатором. Устройство, схема и принцип действия автотрансформаторов

Назначение, устройство и принцип действия автотрансформаторов

В некоторых случаях бывает необходимо изменять напряжение в небольших пределах. Это проще всего сделать не , 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 a Х 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.

Трансформатор и автотрансформатор

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.

Лабораторные автотрансформаторы (ЛАТРы)

Автотрансформаторы применяются также в низковольтных сетях в качестве лабораторных регуляторов напряжения небольшой мощности (ЛАТР). В таких автотрансформаторах регулирование напряжения осуществляется при перемещении скользящего контакта по виткам обмотки.

Лабораторные регулируемые однофазные автотрансформаторы состоят из кольцеобразного ферромагнитного магнитопровода, обмотанного одним слоем изолированного медного провода (рис. 2).

От этой обмотки сделано несколько постоянных ответвлений, что позволяет использовать эти устройства как понижающие или повышающие автотрансформаторы с определенным постоянным коэффициентом трансформации. Кроме того, на поверхности обмотки, очищенной от изоляции, имеется узкая дорожка, по которой перемещают щеточный или роликовый контакт для получения плавно регулируемого вторичного напряжения в пределах от нуля до 250 В.

При замыкании соседних витков в ЛАТР не происходит витковых замыканий, так как токи сети и нагрузки в совмещенной обмотке автотрансформатора близки друг к другу и направлены встречно.

Лабораторные автотрансформаторы изготовляют номинальной мощностью 0,5; 1; 2; 5; 7,5 кВА.

Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР)

Трехфазные автотрансформаторы

Наряду с однофазными двухобмоточными автотрансформаторами часто применяются трехфазные двухобмоточные и трехфазные трехобмоточные автотрансформаторы.

В трехфазных автотрансформаторах фазы обычно соединяют звездой с выведенной нейтральной точкой (рис. 3). При необходимости понижения напряжения электрическую энергию подводят к зажимам А, В, С и отводят от зажимов а, b , с, а при повышении напряжения - наоборот. Их применяют в качестве устройств для снижения напряжения при пуске мощных двигателей, а также для ступенчатого регулирования напряжения на зажимах электрических печей.

Рис. 3. Схема трехфазного автотрансформатора с соединением фаз обмотки звездой с выведенной нейтральной точкой

Трехфазные высоковольтные трехобмоточные трансформаторы используются также в высоковольтных электрических сетях.

Трехфазные автотрансформаторы, как правило, на стороне высшего напряжения соединяются в звезду с нулевым проводом. Соединение в звезду обеспечивает снижение напряжения, на которое рассчитывается изоляция автотрансформатора.

Применение автотрансформаторов улучшает КПД энергосистем, обеспечивает снижение стоимости передачи энергии, но приводит к увеличению токов короткого замыкания.

Недостатки автотрансформаторов

Недостатком автотрансформатора является необходимость выполнения изоляции обеих обмоток на большее напряжение, так как обмотки имеют электрическую связь.

Существенный недостаток автотрансформаторов - гальваническая связь между первичной и вторичной цепями, что не позволяет использовать их в качестве силовых в сетях 6 - 10 кВ при понижении напряжения до 0,38 кВ, так как напряжение 380 В подводится к оборудованию, на котором работают люди.

При авариях из-за наличия электрической связи между обмотками в автотрансформаторе высшее напряжение может оказаться приложенным к обмотке низшего. При этом все части эксплуатируемой установки окажутся соединенными с высоковольтной частью, что не допускается по условиям безопасности обслуживания и из-за возможности пробоя изоляции токопроводящих частей присоединенного электрооборудования.

Для работы электрооборудования различного назначения требуется разное напряжение. Так, например, бытовое оборудование рассчитано на 220 или 110 В. Промышленное - обычно на 380 В. А так как при передаче электрического тока на большие расстояния требуется высокое напряжение (для снижения общих потерь электроэнергии при транспортировке), то для питания местных сетей его последовательно по ступеням снижают. Все эти преобразования напряжений осуществляют с помощью трансформаторов или же их разновидности - автотрансформаторов.

Трансформаторы, в зависимости от потребностей, бывают повышающие (повышают напряжение) и понижающие (понижают напряжение). И в том, и другом случае сущность работы данного прибора одна - добиться требуемого напряжения электрического тока.

Определение

Трансформатор - статический электромагнитный агрегат, преобразующий переменный ток одного напряжения в ток другого напряжения (понижает или повышает), а также для преобразования частоты и числа фаз.

Трансформатор обычно состоит из нескольких обмоток (двух и более), намотанных на общий стальной сердечник. Одна обмотка подключается к источнику переменного тока, а другая (другие) обмотка соединяется с потребителем электрического тока. Действие прибора основано на использовании электромагнитной индукции (закон Фарадея). Иными словами, изменение проходящего через обмотку магнитного потока создает в этой обмотке электродвижущую силу. В трансформаторах, работающих на сверхвысоких частотах, иногда может отсутствовать магнитопровод, такие устройства называются воздушными. В случаях, когда требуется менять напряжение в небольших пределах, используют автотрансформатор.

Конструкция трансформатора

Автотрансформатор - это такой тип трансформатора, где первичная и вторичная обмотки объединены в одну (вторая является неотъемлемой частью первой). За счет этого они имеют между собой не только электромагнитную, но и электрическую связь. Кроме того, обмотка автотрансформатора оборудована, как минимум, тремя выводами, благодаря чему имеется возможность подключения к разным выводам, и получения на выходе различных напряжений.

Отличие

Итак, главным отличием трансформатора от автотрансформатора является количество обмоток. У трансформаторов их две и более, у автотрансформаторов одна.

Автотрансформаторы нашли широкое применение в сетях с напряжением 150 кВ и выше, за счет меньшей, чем у трансформаторов, стоимости, меньшим потерям в обмотках активной мощности (в сравнении с трансформаторами такой же мощности). Кроме того, автотрансформаторы по своим габаритам гораздо меньше трансформаторов.

Главным преимуществом автотрансформаторов перед другими видами трансформаторов, является их более высокий КПД, так как преобразованию в них подвергается только часть мощности. Кроме того, из-за меньшего расхода стали для сердечника, меди на обмотки, меньшим габаритам и весу стоимость данного вида трансформаторов существенно ниже, чем у других вариантов.

Недостатком автотрансформаторов (в сравнении с трансформаторами) является отсутствие между первичной и вторичной обмотками электрической изоляции. Это не важно для промышленных сетей, где в любом случае нулевой провод обязательно заземляется, но неприемлемо для применения в быту, т.к. при авариях в автотрансформаторах высшее напряжение с первичной обмотки вполне может оказаться приложенным к низшему (пробой изоляции токопроводящих частей). В результате, все части установки будут соединены с высоковольтной частью, что недопустимо по правилам безопасности при обслуживании подобного оборудования. Для бытовых нужд обычно используется более надежный и безопасный трансформатор.

Выводы сайт

1. Количество обмоток у трансформатора две и более, у автотрансформатора - одна.
2. Автотрансформатор менее надежен и более опасен в эксплуатации, чем трансформатор.
3. Стоимость автотрансформатора значительно ниже, чем у трансформатора.
4. У автотрансформатора более высокий, чем у трансформатора, КПД.
5. Трансформатор, в отличие от автотрансформатора, имеет значительно большие размеры.

Трансформаторы являются довольно разнообразной группой оборудования, имеющей существенные внутренние различия по назначению и конструктивным особенностям. Кроме того, работа различного оборудования требует различного напряжения. Существуют средние значения. Которые учитываются при составлении технического допуска на подключение. Например, домашние бытовые приборы рассчитаны на 220, а то и на 110 В. А вот оборудование промышленного типа использует 380 В. Для них предусмотрены свои варианты, более легкие и недорогие. Но прежде чем решиться на использование, следует знать в чем разница между трансформатором и автотрансформатором.

Для чего снижают напряжение?

Передача электроэнергии на дальние расстояния требует высоких показателей напряжения, в противном случае потери при транспортировке энергии сделают процесс нерентабельным. Но, чтобы использовать электроэнергию в промышленных и, тем более, бытовых целях, требуется ее снижение. Делается это постепенно, благодаря системе трансформаторов, а также их более мобильных аналогов — автотрансформаторов.

Несмотря на то, что все приборы такого типа призваны преобразовать исходное напряжение до желаемого, трансформаторы можно разделить на два типа. Первые — повышающие — увеличивают напряжение, поддерживая его на достаточном уровне для продолжения транспортировки или для использования в промышленных целях. Вторые — понижающие — напротив, снижают напряжение, позволяя использовать энергию в бытовых целях.

Что представляют собой оба устройства?

Любой трансформатор — это прибор статического типа, который преобразует переменный ток, частоту, а также число фаз. Это устройство включает в себя две или больше обмоток, которые наматываются на один для всех сердечник из стали. Одна из обмоток обязательно должна быть подключена к источнику переменного тока. Остальные могут быть соединены с конечными потребителями. В результате между ними наблюдается как электромагнитная, так и электрическая связи. Дополнительно обмотка автотрансформатора оснащена тремя и более выводами, то есть имеется возможность подключаться к разным выводам и, соответственно, получать разные значения напряжения.

В основе принципа работы лежит небезызвестная электромагнитная индукция. Проще говоря, меняющийся при прохождении через обмотку магнитный поток образует в ней электродвижущую силу.

Такой тип трансформаторов прекрасно подходит для смены напряжения в сравнительно малом диапазоне.

В чем отличия трансформатора от автоварианта?

Разница между трансформатором и автотрансформатором — это число обмоток. Больше - у трансформаторов, автотрансформаторы имеют всего один экземпляр.

Очевидные плюсы автовариантов обнаруживаются при применении в сетях с уровнем напряжения от 150 кВ и более. Эти приборы дешевле, да и потери в обмотках у них на порядок меньше. Размером автотрансформаторы тоже уступают своим статичным аналогам.

Помимо этого, у автотрансформаторов гораздо выше коэффициент полезного действия. Такое возможно благодаря частичному преобразованию мощности. Стоимостные преимущества же обосновываются меньшим расходом материалов, а соответственно, меньшей массой и большей компактностью.

Принцип работы трансформатора основан на законе электромагнитной индукции. В первичной обмотке под действием напряжения в сердечнике наводится магнитный поток, пропорциональный этому напряжению, который, в свою очередь, наводит ЭДС самоиндукции во вторичных обмотках. ЭДС, наводимая во вторичных обмотках, прямо пропорциональна количеству витков этих обмоток. Силовой трансформатор служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения с преобразованием мощности и при неизменной частоте.

Изобретателем трансформатора был русский ученый П. Н. Яблочков. В 1876 г. Яблочков использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания электрических свечей (ламп накаливания). Трансформатор Яблочкова имел незамкнутый сердечник. Трансформаторы с замкнутым сердечником (применяемые в настоящее время) появились примерно в 1884 г. С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току, который до этого широко не применялся. Русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский (1862—1919 г.) в 1889 г. предложил трехфазную систему переменного тока, построил первый трехфазный асинхронный двигатель и первый трехфазный трансформатор. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трехфазного тока протяженностью 175 км; трехфазный генератор имел мощность 230 кВт при напряжении 95 В. В дальнейшем, в качестве силовых, начали применять масляные трансформаторы, т. к. было установлено, что масло является не только хорошей изоляцией, но и хорошей охлаждающей средой.

Трансформаторы применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками энергии, а также в выпрямительных, усилительных и других устройствах, где требуется развязка электрических цепей.

"Золотой век" намоточных трансформаторов, применяемых в радиолюбительских конструкциях, да и в промышленной аппаратуре, кажется, уже прошел. Сегодня наиболее популярны понижающие двух- и многообмоточные трансформаторы, применяемые в источниках питания, и импульсные трансформаторы (для импульсных источников питания). Для преобразования, передачи электрической энергии в низковольтных устройствах популярны оптоэлектронные трансформаторы на основе оптопар. Они обеспечивают гальваническую развязку электрических цепей и значительно эффективнее намоточных трансформаторов с магнитной индукцией. Тем не менее некоторые области применения трансформаторов в классическом виде остаются. Это область мощных трансформаторов для силовых цепей. Намоточные трансформаторы в широком ассортименте продаются в магазинах, выпускаются промышленностью, а это значит, что разбираться в их особенностях необходимо и сегодня. Этому посвящен настоящий раздел, в котором читатель узнает как общие сведения о трансформаторах, так и том, как правильно классифицировать и читать их обозначения (принимать решения о применении того или иного прибора в конкретном устройстве или заменять его наиболее подходящим по электрическим характеристикам).

Индукционные трансформаторы

Индукционный трансформатор (далее трансформатор) — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Силовые трансформаторы

Силовой трансформатор — трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии. К силовым трансформаторам относятся трансформаторы трехфазные и многофазные мощностью до 6,3 кВт и более, однофазные мощностью 5 кВт и более. Силовые трансформаторы можно увидеть невооруженным глазом недалеко от вашего дома в ближайшей "трансформаторной" будке или электрической подстанции. Также силовые трансформаторы установлены вдоль железнодорожного полотна, по которому курсируют поезда на электротяге.

Повышающий трансформатор

Повышающий трансформатор — трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка, имеющая более низкое напряжение.

Понижающий трансформатор

Понижающий трансформатор — трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка с более высоким напряжением.

Сигнальный (согласующий) трансформатор

Сигнальный трансформатор (согласующий) — трансформатор малой мощности, предназначенный для передачи и преобразования электрических сигналов.

Автотрансформатор— трансформатор, две или более обмотки которого гальванически связаны так, что имеют общую точку.

Импульсный сигнальный трансформатор

Импульсный сигнальный трансформатор — это сигнальный трансформатор, предназначенный для передачи, формирования, преобразования и запоминания импульсных сигналов.

Коэффициент трансформации трансформатора малой мощности — отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки.

Магнитная индукция — это векторная величина, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Индуктивная связ ь— связь электрических цепей посредством магнитного поля.

Трансформаторы классифицируют по признаку функционального назначения:

• трансформаторы питания;
• трансформаторы согласования.

Трансформаторы питания в свою очередь классифицируют:

по напряжению:

• низковольтные;
• высоковольтные;
• высокопотенциальные;

в зависимости от числа фаз преобразуемого напряжения:

• однофазные;
• трехфазные;

в зависимости от числа обмоток:

• двухобмоточные;
• многообмоточные;

в зависимости от конфигурации магнитопровода:

• стержневые;
• броневые;
• тороидальные;

в зависимости от мощности трансформатора:

• малой мощности;
• средней мощности;
• большой мощности;

в зависимости от способа изготовления магнитопровода:

• пластинчатые;
• ленточные;

зависимости от коэффициента трансформации:

• повышающие;
• понижающие;

в зависимости от вида связи между обмотками:

• с электромагнитной связью (с изолированными обмотками);
• с электромагнитной и электрической связью (со связанными обмотками);

в зависимости от конструкции обмотки:

• катушечные;
• галетные;
• тороидальные;

в зависимости от конструкции всего трансформатора:

• открытые;
• капсулированные;
• закрытые;

в зависимости от назначения:

• выпрямительные;
• накальные;
• анодно-накальные;

в зависимости от рабочей частоты:

• пониженной частоты (менее 50 Гц);
• промышленной частоты (50 Гц);
• повышенной промышленной частоты (400, 1000, 2000 Гц). Об этом подробнее в главе 5;
• повышенной частоты (до 10 000 Гц);
• высокой частоты.

Конструктивные особенности трансформаторов

Основными частями трансформатора являются магнитопровод и катушка с обмотками.

Материалом для магнитопровода трансформаторов служит листовая электротехническая сталь различных марок и толщины, горячей прокатки и холоднокатаная. От содержания кремния, количество которого отражено в марке стали, а также от толщины листа зависят потери мощности в магнитопроводе от вихревых токов. Толщину листа применяемой стали выбирают в зависимости от частоты сети, питающей трансформатор: с увеличением частоты толщину листа надо уменьшать. Ленточные (витые) магнитопроводы изготавливают из лент рулонной стали; предварительно лента покрывается изолирующим и склеивающим составом.

Литература: Андрей Кашкаров - Электронные самоделки

Трансформатор являет собой электрическое устройство, которое передает электрическую энергию между двумя или более цепями посредством электромагнитной индукции. Его принцип действия заключается в том, что переменный ток в одной катушке трансформатора создает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует переменную электродвижущую силу (ЭДС) или «напряжение» во второй катушке.

На сегодняшний день существует немало различных типов трансформаторов. Наиболее часто встречающимися типами в промышленности являются силовые трансформаторы и распределительные трансформаторы. Иногда их путают, поэтому в данном материале постараемся ответить на вопрос, чем силовые трансформаторы отличаются от распределительных.

Если говорить коротко, то те трансформаторы, которые установлены в конечной или принимающей точке длинной высоковольтной линий электропередач, являются силовыми трансформаторами. А распределительные трансформаторы – это те устройства, которые установлены рядом с терминалами нагрузки (например, город или село), чтобы обеспечить использование напряжения на потребительских терминалах. Ниже приведены некоторые дополнительные различия между силовыми и распределительными трансформаторами.

• Силовые трансформаторы используются в сети передачи с более высоким напряжением для повышения и понижения напряжения (400 кВ, 200 кВ, 110 кВ, 66 кВ, 33 кВ) и, как правило, имеют номинальное значение свыше 200 МВА (мега вольт ампер)
• Распределительные трансформаторы используются для распределительных сетей с низким напряжением в качестве средства для подключения конечных пользователей. (11 кВ, 6,6 кВ, 3,3 кВ, 440 В, 230 В) и обычно имеют номинальное значение менее 200 МВА
• Силовой трансформатор обычно имеет одну первичную обмотку и одну вторичную обмотку, а также один вход и выход. Распределительный трансформатор может иметь одну первичную обмотку и одну разделенную вторичную обмотку или две или более вторичных обмоток.
• Силовые трансформаторы, как правило, работают при почти полной нагрузке. Однако распределительный трансформатор работает при легких нагрузках в течение большей части дня.
• Производительность силовых трансформаторов обычно анализируется коммерческой или максимальной эффективностью, поскольку они рассчитаны на максимальный КПД при полной нагрузке. Принимая во внимание, что производительность распределительного трансформатора оценивается по эффективности суточного времени работы трансформатора, поскольку они рассчитаны на максимальный КПД при нагрузке 60-70%, поскольку они обычно не работают при полной нагрузке в течение всего дня.
• В силовых трансформаторах плотность потока выше, чем в распределительных трансформаторах.
• В силовых трансформаторах первичная обмотка всегда подключена в звезду и вторичная обмотка имеет соединение в виде треугольника, в то время как в распределительных трансформаторах, первичная обмотка соединена в треугольник, а вторичная в звезду.
• В подстанции на конце линии передачи подключение силового трансформатора представлено в виде «звезда-треугольник» (чтобы понизить уровень напряжения).
• В начале линии передачи подключение силового трансформатора принимает вид «треугольник-звезда» (для повышения напряжения).