Что такое автотрансформатор
Автотрансформатор — это трансформатор, у которого одна общая обмотка служит и первичной, и вторичной: выходное напряжение снимают с промежуточного отвода части витков. Приставка «авто» (от греч. autos — «сам») означает, что обмотка питает саму себя. В отличие от двухобмоточного трансформатора, где первичная и вторичная обмотки разделены и связаны только магнитным потоком в сердечнике, здесь вход и выход соединены гальванически. Благодаря этому часть мощности идёт в нагрузку напрямую по проводу, минуя магнитопровод, а на магнитный поток приходится лишь оставшаяся доля. Автотрансформатор может как понижать, так и повышать напряжение — направление задаётся тем, откуда снят отвод. Мощность здесь всюду выражена в вольт-амперах (полная, кажущаяся), а не в ваттах, поскольку речь о нагрузке обмотки и сердечника, а не об активной отдаваемой энергии. Калькулятор по входному Vвх, выходному Vвых напряжению и току нагрузки Iнагр находит проходную и типовую (габаритную) мощность, экономию сердечника и меди, а также ток общей части обмотки.
k = Vмин/Vмакс Sпрох = Vвых·Iнагр Sтип = Sпрох·(1 − k) экономия = k
Проходная и типовая мощность
Коэффициент трансформации k в этом расчёте берётся как отношение меньшего напряжения к большему, поэтому он всегда лежит между 0 и 1. Проходная мощность Sпрох = Vвых·Iнагр — это полная (кажущаяся) мощность в вольт-амперах, которую получает нагрузка; её считают так же, как при обычном расчёте трансформатора. Типовая, или габаритная, мощность Sтип = Sпрох·(1 − k) — это лишь та часть, которую реально «прокачивает» магнитный поток; именно по ней подбирают площадь сечения сердечника и число витков. Оставшаяся разность Sпрох − Sтип = Sпрох·k передаётся в нагрузку прямой электрической связью и сердечник не нагружает — в этом и состоит выигрыш.
Ток делится похожим образом. Отвод разбивает обмотку на две части: последовательную (между входом и отводом) и общую (между отводом и нулём). Линейный входной ток Iвх = Sпрох/Vвх течёт по последовательной части, а общая часть несёт лишь разность Iобщ = |Iнагр − Iвх|. Поэтому провод общей обмотки можно взять тоньше — его сечение выбирают по этому меньшему току, см. диаметр провода обмотки. Перевод мощности в ток и обратно удобно проверить через ватты ↔ амперы.
Экономия сердечника и меди
Выигрыш автотрансформатора прямо пропорционален коэффициенту k: экономия = k. Чем ближе входное и выходное напряжения, тем больше k и тем меньше габаритная мощность, а вместе с ней — вес, размер и стоимость магнитопровода и обмотки. При k → 1, когда напряжения почти равны, сердечник получается совсем небольшим: на этом построены сетевые бустеры и стабилизаторы 220↔230 В, где габаритная мощность составляет единицы процентов от проходной. И наоборот, при большой разнице напряжений (k мал) выигрыш тает, и автотрансформатор теряет смысл — проще поставить обычный трансформатор с развязкой. Практический ориентир: если выход отличается от входа менее чем на треть, автотрансформатор почти всегда легче и дешевле двухобмоточного. Площадь сечения магнитопровода и число витков считают уже по Sтип: удобно свериться с плотностью потока насыщения и витками по насыщению.
Справочные данные
Типовые пары напряжений и связанный с ними выигрыш. Габаритная мощность Sтип дана как доля от проходной; экономия сердечника и меди численно равна коэффициенту k.
| Применение | Vвх → Vвых | k | Sтип от Sпрох | Экономия |
| Сетевой бустер | 220 → 230 В | 0,96 | ~4 % | ~96 % |
| Подъём просадки | 200 → 220 В | 0,91 | ~9 % | ~91 % |
| ЛАТР, средняя точка | 220 → 180 В | 0,82 | ~18 % | ~82 % |
| Питание 127 В | 220 → 127 В | 0,58 | ~42 % | ~58 % |
| Питание 110 В | 220 → 110 В | 0,50 | 50 % | 50 % |
| Межфазное ↔ фазное | 380 → 220 В | 0,58 | ~42 % | ~58 % |
Как применять на практике
Автотрансформаторы выгодны там, где напряжения различаются не в разы: лабораторные ЛАТРы (часто на тороидальном сердечнике), сетевые стабилизаторы, согласование 220/127/110 В для импортной техники, пусковые устройства асинхронных двигателей. Порядок расчёта прост: задают Vвх, Vвых и Iнагр, получают Sтип и по ней проектируют магнитопровод так же, как для обычного сетевого трансформатора, только меньшего типоразмера. Сечение последовательной обмотки берут по входному току Iвх, а общей — по Iобщ; для проверки нагрева и потерь пригодятся сопротивление провода и падение напряжения. Если за автотрансформатором стоит блок питания, дальше по цепи идут выпрямитель Vac→Vdc и сглаживающий фильтр. А когда нужна именно развязка от сети или измерение тока, ставят отдельный трансформатор тока либо согласующий трансформатор — эти задачи автотрансформатор не решает. Для трёхфазной сети автотрансформатор собирают из трёх однофазных или на общем магнитопроводе, а расчёт ведут на одну фазу.
Частые ошибки
Первая и главная — считать сердечник по проходной мощности. Магнитопровод, намагничивающий ток и число витков определяет типовая Sтип, а не Sпрох; расчёт по проходной даёт лишний вес, медь и деньги. Вторая — забывать про отсутствие гальванической развязки: вход и выход автотрансформатора электрически связаны, поэтому в цепях безопасности, медицинской, измерительной и слаботочной технике его применять нельзя — там нужна раздельная обмотка. Третья — переоценивать ток общей обмотки: он равен разности линейного и нагрузочного токов, а не полному току нагрузки, и провод под него берут тоньше. Четвёртая — путать направление коэффициента: k считают строго как отношение меньшего напряжения к большему, иначе и экономия, и габаритная мощность выйдут неверными.
Пример
Возьмём значения по умолчанию: Vвх = 220 В, Vвых = 127 В, Iнагр = 5 А. Коэффициент k = 127/220 = 0,577. Проходная мощность Sпрох = 127·5 = 635 ВА. Типовая (габаритная) мощность Sтип = 635·(1 − 0,577) ≈ 269 ВА — именно на неё рассчитывают сердечник. Экономия равна k, то есть около 58 %: магнитопровод получается примерно вдвое меньше, чем у двухобмоточного трансформатора на те же 635 ВА. Входной ток Iвх = 635/220 ≈ 2,89 А, а значит ток общей части обмотки Iобщ = |5 − 2,89| ≈ 2,11 А — по нему и выбирают провод общей обмотки. Для сравнения, двухобмоточному трансформатору на те же 635 ВА пришлось бы рассчитывать сердечник на полную проходную мощность, то есть он вышел бы почти вдвое тяжелее и дороже.
См. также: расчёт трансформатора · сетевой трансформатор · диаметр провода обмотки · все калькуляторы
|
