- Co to jest autotransformator?
- Funkcje urządzenia i konstrukcji
- Zasada autotransformatora
- Obszary zastosowań
- Zalety i wady
- Film na temat artykułu
Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Wraz z rozwojem energii i powiązanych sieci elektrycznych do przesyłania prądu przemiennego jako źródła energii dla różnych urządzeń, pojawiła się potrzeba urządzeń, które zmieniają wartość napięcia. Takie uniwersalne urządzenia elektromagnetyczne, które pozwalają podnieść lub obniżyć napięcie początkowe do wymaganej wartości, to transformatory.
Z biegiem czasu, aby zapewnić stabilne działanie urządzeń elektrycznych, głównie do użytku domowego, istniała potrzeba płynnej regulacji napięcia. Stało się to możliwe po wynalezieniu autotransformatora - urządzenia, w którym uzwojenie wtórne stanowi integralną część zwojów pierwotnych.
Co to jest autotransformator?
Ze szkolnego kursu fizyki wiadomo, że najprostszy transformator składa się z dwóch cewek nawiniętych na żelazne rdzenie. Pole magnetyczne prądu przemiennego, podawane przez końcówki uzwojeń pierwotnych, wzbudza drgania elektromagnetyczne w drugiej cewce, z podobną częstotliwością.
Podczas podłączania obciążenia do zacisków uzwojenia roboczego tworzy on obwód wtórny, w którym występuje prąd elektryczny. W tym przypadku napięcie w utworzonym obwodzie elektrycznym jest wprost proporcjonalne do liczby zwojów uzwojeń. To jest: U 1 / U 2 = w 1 / w 2, gdzie U 1, U 2 - napięcie, a w 1, w 2 - liczba pełnych obrotów w odpowiednich cewkach.
Autotransformator jest nieco inny. W rzeczywistości składa się z pojedynczego uzwojenia, z którego wykonuje się jeden lub więcej zaczepów, tworząc wtórne zwoje. W tym przypadku wszystkie uzwojenia tworzą między sobą nie tylko sprzężenie elektryczne, ale także magnetyczne. Dlatego, gdy przykłada się energię elektryczną do wejścia autotransformatora, pojawia się strumień magnetyczny, pod wpływem którego indukowana jest EMF w uzwojeniu obciążenia. Wielkość siły elektromotorycznej jest wprost proporcjonalna do liczby zwojów, które tworzą uzwojenie obciążenia, z którego uwalniane jest napięcie.
Tak więc powyższy wzór obowiązuje dla autotransformatora.
Z głównego uzwojenia można odwrócić dużą liczbę wniosków, co pozwala tworzyć kombinacje do usuwania różnych napięć. Jest to bardzo wygodne w praktyce, ponieważ obniżenie napięcia jest często wymagane do zasilania kilku zestawów urządzeń elektrycznych przy użyciu różnych napięć.
Różnica autotransformatora od zwykłego transformatora
Jak widać z opisu autotransformatora, jego główną różnicą w stosunku do zwykłego transformatora jest brak drugiej cewki z rdzeniem. Rola uzwojeń wtórnych jest wykonywana przez oddzielne grupy zwojów posiadające sprzężenie galwaniczne. Te grupy nie wymagają oddzielnej izolacji elektrycznej.
To urządzenie ma pewne zalety:
- zmniejszone zużycie metali nieżelaznych używanych do produkcji takiego sprzętu;
- energia jest przekazywana przez pole elektromagnetyczne prądu wejściowego i dzięki połączeniu elektrycznemu między uzwojeniami. W konsekwencji straty energii są niższe, dlatego autotransformatory mają wyższą wydajność;
- mała waga i kompaktowe wymiary.
Pomimo różnic strukturalnych zasada działania tych dwóch rodzajów produktów pozostaje niezmieniona. Wybór typu transformatora zależy przede wszystkim od celów i zadań, które muszą zostać rozwiązane w elektrotechnice.
Typy autotransformatorów
W zależności od tego, które sieci (jednofazowe lub trójfazowe) chcesz zmienić napięcie, użyj odpowiedniego typu autotransformatora. Są one jednofazowe lub trójfazowe. Aby przekształcić prąd z trzech faz, można zainstalować trzy autotransformatory przeznaczone do pracy w sieciach jednofazowych, łącząc ich zaciski trójkątem lub gwiazdką.
Istnieją typy autotransformatorów laboratoryjnych, które umożliwiają płynną zmianę wartości napięcia wyjściowego. Taki efekt uzyskuje się przesuwając suwak po powierzchni otwartej części uzwojenia jednowarstwowego, podobnie jak w przypadku reostatu. Cewki drutu są stosowane wokół rdzenia ferromagnetycznego w kształcie pierścienia, wokół obwodu którego przesuwa się suwak kontaktowy.
Autotransformatory tego typu były masowo wykorzystywane w otwartych przestrzeniach ZSRR w dobie masowej dystrybucji telewizorów tubowych. Wtedy napięcie sieci było niestabilne, co spowodowało zniekształcenie obrazów. Od czasu do czasu użytkownicy tej niedoskonałej technologii musieli dostosować napięcie do 220 V.
Przed pojawieniem się stabilizatorów napięcia jedynym sposobem osiągnięcia optymalnych ustawień mocy dla urządzeń gospodarstwa domowego w tamtych czasach było zastosowanie LATR. Ten typ autotransformatora jest dziś stosowany w różnych laboratoriach i instytucjach edukacyjnych. Z ich pomocą przeprowadzana jest regulacja urządzeń elektrycznych, testowane są urządzenia o wysokiej czułości i wykonywane są inne zadania.
W wyposażeniu specjalnym, gdzie obciążenie jest nieznaczne, wykorzystywane są modele autotransformatora DATR.
Istnieją również autotransformatory:
- mała moc, do pracy w obwodach do 1 kV;
- średnie jednostki mocy (powyżej 1 kV);
- autotransformatory wysokiego napięcia.
Należy zauważyć, że w celu zapewnienia bezpieczeństwa użycie autotransformatorów jako transformatorów mocy jest ograniczone, aby zmniejszyć napięcia do 380 V przekraczające 6 kV. Wynika to z obecności połączenia galwanicznego między uzwojeniami, co nie jest bezpieczne dla użytkownika końcowego. W przypadku wypadków możliwe jest, że wysokie napięcie spadnie na zasilany sprzęt, co pociąga za sobą nieprzewidywalne konsekwencje. Jest to główna wada autotransformatorów.
Oznaczenie na diagramach
Bardzo łatwo jest odróżnić autotransformator na schemacie od obrazu konwencjonalnego transformatora. Znakiem jest obecność pojedynczego uzwojenia związanego z jednym rdzeniem, oznaczonego grubą linią na diagramach. Po jednej lub obu stronach tej linii uzwojenia są pokazane schematycznie, ale w autotransformatorze wszystkie są ze sobą połączone. Jeśli obwody są pokazywane autonomicznie, mówimy o konwencjonalnym transformatorze (patrz rysunek 1).
Funkcje urządzenia i konstrukcji
Jak wspomniano powyżej, autotransformator składa się z pojedynczej cewki. Jest nawinięty na rdzeń konwencjonalny lub toroidalny.
Dzięki swoim cechom konstrukcyjnym nie ma izolacji galwanicznych między obwodami, co może prowadzić do uszkodzeń wysokiego napięcia. Dlatego autotransformator skierowany w dół, ze względu na zwiększone niebezpieczeństwo, wymaga przyjęcia dodatkowych środków w celu ochrony przed porażeniem elektrycznym. Praca z nim jest dozwolona pod warunkiem ścisłego przestrzegania zasad bezpieczeństwa.
Zasada autotransformatora
Pomimo cech strukturalnych uzwojenia części, jego zasada działania jest bardzo podobna do pracy konwencjonalnego transformatora. Zgodnie z tą samą zasadą podczas obiegu prądu przemiennego w rdzeniu występuje strumień magnetyczny. Jego wpływ na uzwojenie charakteryzuje się pojawieniem się równej wielkości siły elektromotorycznej na każdej pojedynczej cewce. Całkowita emf w segmencie uzwojenia jest równa sumie prądów wszystkich poszczególnych zwojów.
Osobliwością jest to, że prąd pierwotny krąży również w uzwojeniu, co okazuje się być w fazie przeciwfazowej do prądu indukcyjnego. Uzyskane wartości tych prądów w miejscu uzwojenia, przeznaczone dla konsumenta, są uzyskiwane w mniejszym stopniu (w celu obniżenia tr).
Stosunek wartości EMF wyraża się wzorem: E 1 / E 2 = w 1 / w 2 = k, gdzie E jest EMF, w jest liczbą zwojów, k jest współczynnikiem przekształcenia.
Biorąc pod uwagę, że spadek napięcia w uzwojeniach transformatora jest niewielki - można go zignorować. W tym przypadku równość: U 1 = E 1 ; U 2 = E 2 można uznać za sprawiedliwe. Zatem powyższy wzór przyjmuje postać: U 1 / U 2 = w 1 / w 2 = k, to znaczy stosunek napięć do liczby zwojów jest taki sam jak w przypadku konwencjonalnego transformatora.
Nie wchodząc w szczegóły, zauważamy, że stosunek natężenia prądu górnej cewki do prądu obciążenia, jak w przypadku konwencjonalnego transformatora, wyraża się wzorem: I 1 / I 2 = w 2 / w 1 = 1 / k. Wynika stąd, że ponieważ w transformatorze obniżającym w 2 <w 1, to I 2 <I 1 . Innymi słowy, prąd wyjściowy jest znacznie mniejszy niż prąd wejściowy. W ten sposób zużywa się mniej energii na ogrzewanie drutu, co pozwala na użycie drutów o mniejszym przekroju.
Warto zauważyć, że obciążenie mocy tworzy prądy indukcji elektromagnetycznej i komponent elektryczny. Moc elektryczna (P = U 2 * I 1 ) jest dość zauważalna w porównaniu z elementem indukcyjnym wchodzącym do obwodu wtórnego. Dlatego w celu uzyskania wymaganej mocy stosuje się mniejsze wartości przekrojów dla rdzeni magnetycznych.
Obszary zastosowań
Autotransformatory do dziś zajmują silną pozycję w różnych dziedzinach związanych z elektrotechniką. Bez nich nie zarządzaj:
- różne prostowniki;
- urządzenia radiowe;
- zestawy telefoniczne;
- spawarki;
- kolejowe systemy elektryfikacyjne i wiele innych urządzeń.
Trójfazowe autotransformatory są stosowane w sieciach wysokiego napięcia. Ich zastosowanie zwiększa efektywność systemów elektroenergetycznych, co wpływa na zmniejszenie kosztów związanych z przesyłem energii elektrycznej.
Zalety i wady
Do zalet opisanych powyżej można dodać niski koszt produktów, zmniejszając koszt używanych metali nieżelaznych, koszt stali transformatorowej. Autotransformatory charakteryzują się nieznacznymi stratami energii prądów krążących przez uzwojenia i rdzenie, co umożliwia osiągnięcie poziomu sprawności do 99%.
Do wad należy dodać potrzebę wyposażenia neutralnego uziemienia. Ze względu na istniejące prawdopodobieństwo zwarcia i możliwość transmisji wysokiego napięcia przez sieć, istnieją pewne ograniczenia autotransformatorów.
Ze względu na galwaniczne połączenie uzwojeń istnieje ryzyko przepięć atmosferycznych przechodzących między nimi. Jednak pomimo niedociągnięć autotransformatory są nadal szeroko stosowane w różnych dziedzinach.