Автотрансформатори. Традиційний аналіз.

У тому разі, коли необов’язково гальванічно відділяти первинну й вторинну обмотки, а необхідність трансформації напруги у незначних межах залишається, використовують трансформатори з однією обмоткою, так звані автотрансформатори. Автотрансформатори використовують як для пониження напруги так і для її підвищення. Схема понижуючого автотрансформатора показана на рис.5.23. Автотрансформатор являє собою замкнене феромагнітне осердя, на яке навита одна обмотка, в якій частково поєднанні первинна та вторинна обмотки (вивід вторинної обмотки робиться від деякої точки А). Розглянемо, на початку, принцип дії такого автотрансформатора в режимі холостого ходу. До первинної обмотки з кількістю витків прикладається змінна напруга з частотою , яка у ній породжує струм

.

Відповідно до закону повного струму цей струм створює у осерді напруженість магнітного поля

де - середня довжина магнітної силової лінії в осерді. Магнітна індукція та магнітний потік в осерді будуть

де - магнітна проникливість феромагнітного матеріалу осердя, а - площа його поперечного перерізу. Отже електрорушійна сила , яка буде наводитися на кінцях первинної обмотки має бути

.

Саме ця ерс дорівнює прикладеній до первинної обмотки напрузі . Електрорушійна сила (або напруга), що виникає на вторинній обмотці буде відповідно

.

Таким чином напруги на вторинній і первинній обмотках співвідносяться як відповідна кількість витків в обмотках

.

Струм у первинній обмотці буде

.

Це так званий струм холостого ходу або струм намагнічування. Він буває порівняно невеликим, бо магнітна проникливість феромагнітного матеріалу (якщо він далекий від насичення) звичайно, дуже велика.

Коли при навантаженні автотрансформатора деяким опором у вторинній обмотці виникає струм , то за законом Ленца він має протидіятивсвоїй причині і зменшувати магнітний потік у осерді. Але це неможливо, бо тоді б зменшилась ерс на первинній обмотці і перестала б зрівноважувати зовнішню напругу . Тому струм у первинній обмотці зростає настільки, щоб різниця між намагнічуючою дією струмів та зберігалася б рівною струму намагнічування

.

Якщо при номінальній роботі трансформатора під навантаженням струми та будуть значно більшими ві , то останнім можна знехтувати і одержати, що

.

Оскільки , а , то опір , що відчуває джерело з боку первинної обмотки автотрансформатора буде рівним

.

Така властивість автотрансформатора (до речі, аналогічна властивості трансформатора) дає можливість використовувати його для узгодження навантаження з внутрішнім опором джерела.

Усі викладені вище формули та міркування зберігаються справедливими стосовно й для підвищуючого автотрансформатора та трансформатора.

5.9. Пояс Роговського.

Виявляється, що отримане співвідношення для коефіцієнта передачі за напругою справедливе і при довільному навантаженні. Що стосується коефіцієнта передачі за струмом то він визначається не лише коефіцієнтом трансформації а і додатковим комплексним множником (див. задачу 7), що вказує на зсув за фазою між струмами у первинній та вторинній обмотках. І лише у випадку коефіцієнт передачі за струмом є величиною оберненою коефіцієнту трансформації, тобто . Саме такий режим роботи трансформатора використовують для вимірювання значних струмів ( трансформатори струму).

Більше того, при спеціальній конструкції трансформатора таке просте співвідношення між струмами зберігається і при довільній залежності струму від часу. Такий трансформатор називається поясом Роговського (рис.) і конструктивно складається із замкнутого соленоїда довільної форми із рівномірною намоткою. Принцип дії поясу базується на законах класичної електродинаміки у квазістатичному наближенні: рівняннях Максвела - , ; та матеріальному рівнянні - . Нехай поперечні розміри пояса незначні, тоді ЕРС індукції що виникає на затискачах пояса:

,

тут -площа поперечного перерізу соленоїда, - щільність намотки, обидві величини вважаються сталими вздовж поясу; - магнітна проникність осердя поясу, - довжина магнітного осердя поясу. Оскільки напруга на затискачах тороїда у режимі холостого ходу ( ) пропорційна швидкості зміни струму (похідна від струму), то за звичай вторинну обмотку до вимірювального приладу підключають через інтегратор (частіше всього інтегратор на операційному підсилювачі) тим самим забезпечуючи пропорційність вихідної напруги струму .

Еквівалентна схема пояса Роговського для безпосереднього визначення струму у вторинній обмотці показана на рис. , де - опір дроту з якого намотаний соленоїд, - індуктивність соленоїда, - вхідний опір вимірювального приладу. Для вказаного кола рівняння для струму у вторинній обмотці буде наступним

.

Загальний розв’язок диференціального рівняння () при нульових початкових умовах відомий:

,

тут - змінна інтегрування, а - постійна часу кола, схема якого показана на рис. .

Якщо постійна часу кола значно більша від характерного часу зміни струму , то на протязі короткого проміжку часу експоненти у рівнянні () будуть близькі до одиниці і саме рівняння безпосередньо інтегрується:

,

тут - загальна кількість витків у поясі. Отримали те ж саме співвідношення, що і для трансформатора струму, проте при довільній залежності струму від часу. Саме такий режим роботи пояса з інтегруванням на власній індуктивності поясу та резисторах найчастіше використовується на практиці.

Контрольні запитання.

1. У яких коливальних контурах має місце резонанс струмів та резонанс напруг? Якими явищами характеризуються ці резонанси?

2. Що вкладається у поняття смуги пропускання контуру? За якими характеристиками контуру можна визначити смугу пропускання і як це зробити? Запишіть формулу для визначення смуги пропускання паралельного та послідовного коливального контуру.

3. Від чого залежить смуга пропускання двох трансформаторно-зв’язаних контурів?

4. Чому при настройці системи двох трансформаторно-зв’язаних контурів у індивідуальний резонанс слід ослабити зв’язок між контурами?

5. Що спільного і у чому відмінність у частотних характеристиках послідовного, паралельного та системи трансформаторно-зв’язаних контурів?

6. Чи в однаковій мірі опір навантаження та внутрішній опір генератора впливають на вибірні властивості паралельного та послідовного коливальних контурів?

7. З якою метою використовують контури з частковим увімкненням конденсатора та індуктивної котушки?

8. Які резонанси мають місце у контурах з частковим увімкненням реактивних елементів?

9. Поясніть фізично про можливість існування трьох резонансних частот у системі двох трансформаторно- зв’язаних контурів.

10. У чому полягає принципова відмінність між системою двох трансформаторно зв’язаних контурів та трансформатором?

11. Чи завжди доцільно виготовляти каркас для поясу Роговського з матеріалу магнітна проникність якого ?