7. Автотрансформатори

У конструктивному відношенні автотрансформатор подібний до трансформатора: на сталевому магнітопроводі розміщені дві обмот­ки з провідників різного поперечного перерізу. Кінець однієї обмот­ки електрично з'єднаний з початком другої так, що дві послідовно з'єднані обмотки утворюють загальну обмотку вищої напруги. Об­моткою нижчої напруги, яка є частиною обмотки вищої напруги, служить одна з двох обмоток автотрансформатора. Отже, між обмот­ками вищої й нижчої напруги автотрансформатора існує не тільки магнітний, але й електричний зв'язок.

П ринципову схему знижувального автотрансформатора наведено на рис. 80. Первинну напругу підведено до затискачів А — X пер­винної обмотки з кількістю витків ω₁. Вторинною обмоткою є частина первин­ної а — X з кількістю витків ω₂.

За холостого ходу І₂ = 0. Нехтуючи спадом напруги в опорах первинної обмотки, можна записати рівняння рів­новаги ЕРС для первинної та вторинної обмоток у такому вигляді: U₁ = Е₁ =

=4,44 ω₁ƒФ_т; U₂ = E₂ = 4,44 ω₂ƒФ_т.

Відношення напруги первинної і вторинної обмоток за холостого ходу називається коефіцієнтом

трансформації автотранс­форматора, тобто U₁/U₂ = ω₁/ω₂= = п.

Якщо вторинну обмотку автотрансформатора замкнути на при­ймач енергії, то у вторинному колі протікатиме струм силою І₂. Нех­туючи втратами енергії, потужність, споживану автотрансформатором із мережі, можна вважати такою, що дорівнює потужності, яку він віддає у вторинну мережу: Р = U₁ І₁= U₂ І₂, звідки І₁/І₂ = ω₂/ ω₁ = 1/п.

Отже, основні співвідношення трансформатора залишаються без зміни в автотрансформаторах.

У спільній для мереж вищої і нижчої напруг частині обмотки а —X протікають струми силою І₁ та І₂, спрямовані назустріч один одному. Якщо знехтувати струмом холостого ходу, значення сили якого надто мале, то можна вважати, що сили струмів І₁ та І₂ зсуну­ті за фазою на 180° і сила струму І₁₂ в частині обмотки а — X до­рівнює арифметичній різниці між силами струмів вторинної і первин­ної мереж, тобто І₁₂ = І₂—1₁ = І₂(1 — 1/п).

У знижувальному автотрансформаторі сила струму І₁₂ збігається за напрямком із силою струму І₂, а в підвищувальному І₁₂ спрямова­на протилежно до сили струму І₂.

Перевагами автотрансформатора перед трансформатором тієї ж ко­рисної потужності є менша витрата активних матеріалів — обмоткового проводу і сталі, нижчі втрати енергії, вищий ККД, менша зміна напруги в разі зміни навантаження.

Маса обмоткового проводу автотрансформатора менша від маси обмоткового проводу трансформатора за однакової густини струму. Це пояснюється тим, що у трансформатора на магнітопроводі є дві обмотки — первинна з кількістю витків ω_1, поперечний переріз проводу якої розрахований на силу струму І₁ і вторинна з кількістю витків ω₂, поперечний переріз проводу якої розрахований на силу струму І₂. Автотрансформатор також має дві обмотки, але витки од­нієї з них (частина А— а) кількістю (ω₁ - ω₂) із проводу, поперечний переріз якого розрахований на силу струму І_1, а витки другої (части­на а — X) кількістю ω₂ — із проводу, поперечний переріз якого роз­рахований на різницю між силами струмів І₁₂ = І₂ — І₁.

Поперечний переріз і маса сталі магнітопроводу в автотрансфор­маторі також менші, ніж у трансформаторі. Це пояснюється тим, що у трансформаторі енергія з первинної мережі у вторинну передається магнітним шляхом внаслідок електромагнітного зв'язку між обмотка­ми. В автотрансформаторі енергія з первинної мережі у вторинну частково передається електричним шляхом, тобто електричним з'єд­нанням первинної та вторинної мереж. Оскільки в процесі передачі цієї енергії магнітний потік участі не бере, електромагнітна потуж­ність автотрансформатора менша, ніж трансформатора.

Корисна потужність автотрансформатора за активного наванта­ження становить Р₂ — U₂ І₂. Маючи на увазі, що І₂ = І₁ + І₁₂, ді­станемо Р₂ = U₂І₁ + U₂І₁₂ = Р_е + Р_м, де Р_м — електромагнітна по­тужність автотрансформатора, яка обумовлює потрібний магнітний потік, площу поперечного перерізу та масу сталі магнітопроводу. Ця потужність є розрахунковою, або габаритною потужністю авто­трансформатора.

Поряд з перевагами, автотрансформатори мають і суттєві недолі­ки: малий опір короткого замикання, що обумовлює велику кратність сили струму короткого замикання; можливість потрапляння вищої напруги в мережу нижчої напруги внаслідок електричного зв'язку між цими мережами. Наявність електричного зв'язку між мережами джерела і приймача енергії унеможливлює застосування автотрансфор­матора у тому випадку, коли у приймача енергії є заземлений полюс (у випрямних пристроях).

Переваги автотрансформаторів будуть виражені тим дужче, чим більше наближатиметься до одиниці коефіцієнт трансформації. Тому автотрансформатори застосовують при невеликих коефіцієнтах транс­формації (п — 1...2).

У трифазних мережах використовують автотрансформатори, об­мотки яких з'єднуються зіркою.