Конфигурации обмоток трансформаторов
Трансформаторы - это очень универсальные устройства. Основная концепция передачи энергии посредством взаимоиндукции достаточно полезна между одной первичной и одиночной вторичной обмотками, но трансформаторы не обязательно должны изготавливаться только с двумя наборами обмоток. Давайте рассмотрим следующую схему трансформатора:
Трансформатор с несколькими вторичными обмотками выдает несколько выходных напряжений.
Здесь три катушки индуктивности имеют общий магнитный сердечник, магнитно «связывающий» их вместе. Соотношение количества витков провода и напряжений, наблюдаемое в трансформаторах с двумя обмотками, справедливо и для трансформаторов с несколькими обмотками. Вполне возможно собрать трансформатор, показанный на рисунке выше (одна первичная обмотка и две вторичные), в котором одна вторичная обмотка будет понижающей, а другая - повышающей. Такая конструкция трансформаторов была довольно распространенной в цепях питания вакуумных ламп, которые требовали низкого напряжения для нитей (как правило, 6 или 12 вольт) и высокого напряжения для пластин (несколько сотен вольт). Все эти напряжения получались при помощи трансформаторов от сети переменного тока 220 вольт. Трансформаторы не только преобразовывали напряжения и токи, но и электрически изолировали разные цепи друг от друга.
Фотография трансформатора с шестью обмотками (одной первичной и пятью вторичными).
Трансформатор, показанный на фотографии, предназначен для формирования как высоких, так и низких напряжений, необходимых в электронных системах с вакуумными лампами. Для питания нитей вакуумных ламп требуется низкое напряжение, а для создания разности потенциалов между пластинами и катодами каждой из ламп необходимо высокое напряжение. Один трансформатор с несколькими обмотками способен обеспечить все необходимые уровни напряжений от одного источника 220 В.
Если электрическая изоляция между вторичными цепями не имеет большого значения, то аналогичный эффект может быть получен путем «создания отводов» от одной вторичной обмотки, как показано на рисунке ниже.
Одна обмотка с несколькими отводами формирует несколько напряжений.
Отвод - это не что иное, как провод, присоединенный к обмотке между ее выводами. Неудивительно, что соотношение количество витков/ напряжение рассмотренного трансформатора справедливо для всех образованных отводами сегментов обмотки. Этот факт может быть использован для создания трансформатора следующего вида:
При помощи переключателя можно выбрать одно из напряжений, снятых с отводов вторичной обмотки.
Продолжая развивать мысль отводов от обмотки, мы можем получить "переменный трансформатор", в котором скользящий контакт перемещается вдоль вторичной обмотки, соединяясь с ней в любой нужной точке.
Скользящий контакт на вторичной обмотке плавно изменяет вторичное напряжение.
Подобные трансформаторы нашли применение в регуляторах скорости моделей железных дорог (особенно в моделях 50-х, 60-х годов). Они по существу были понижающими устройствами, причем наибольшее напряжение, получаемое из вторичной обмотки, было существенно меньше первичного напряжения 220 вольт. Скользящий контакт обеспечивал простой способ управления напряжением с небольшой потерей мощности. Такое решение намного более эффективно, чем управление с использованием переменного резистора!
Скользящие контакты слишком непрактичны для использования в крупных промышленных силовых трансформаторных установках, в которых для регулировки напряжения целесообразнее применять многопозиционные переключатели и отводы от обмоток. В таких энергосистемах необходимо производить периодическую регулировку напряжения (раз в несколько месяцев или лет), для учета изменений нагрузки. Как правило, эти «переключатели» не предназначены для работы с полной нагрузкой, и должны приводиться в действие только при обесточенном трансформаторе.
Рассмотрев, как можно использовать любую обмотку трансформатора для получения эквивалента нескольких обмоток (хотя и с потерей электрической изоляции между ними), имеет смысл отказаться от электрической изоляции вообще и построить трансформатор из одной обмотки. Это действительно возможно, и полученное устройство называется автотрансформатором:
Этот автотрансформатор повышает напряжение при помощи одного отвода от единственной обмотки, экономя медный провод, но жертвуя электрической изоляцией.
Автотрансформатор, изображенный выше, выполняет функцию повышения напряжения. Понижающий автотрансформатор будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже.
Этот автотрансформатор понижает напряжение при помощи одного отвода от единственной обмотки.
Автотрансформаторы находят широкое применение в устройствах, требующих небольшого повышения или понижения напряжения нагрузки. Альтернативой автотрансформаторам могут послужить обычные (изолированные) трансформаторы с необходимым соотношением витков первичной и вторичной обмоток, или понижающие трансформаторы, в которых вторичная обмотка включена "последовательно-помогающе" ("повышение") либо "последовательно-противодействующе" ("понижение") с первичной обмоткой. Для наглядности работы последних, мы обозначим на схеме первичное и вторичное напряжение, а также напряжение на нагрузке.
На следующем рисунке показана "повышающая" конфигурация. Полярность вторичной обмотки здесь ориентирована так, что ее напряжение добавляется к первичному напряжению.
Обычный трансформатор включен как автотрансформатор для повышения напряжения сети.
Далее представлена "понижающая" конфигурация. Полярность вторичной обмотки здесь ориентирована так, что ее напряжение вычитается из первичного напряжения:
Обычный трансформатор включен как автотрансформатор для снижения напряжения сети.
Главным преимуществом автотрансформатора является то, что функцию повышения или понижения напряжения в нем можно выполнить при помощи всего одной обмотки. Благодаря этому автотрансформаторы более дешевы и легки в изготовлении, чем обычные (изолирующие) трансформаторы (которые имеют две обмотки - первичную и вторичную).
Как и в обычном трансформаторе, обмотка автотрансформатора может иметь несколько отводов для формирования нескольких напряжений. Кроме того, напряжение автотрансформатора может бесступенчато изменяться при помощи скользящего контакта. Последняя конфигурация достаточно популярна, чтобы заслужить свое собственное имя: Вариак, или регулируемый автотрансформатор.
Вариак - это автотрансформатор со скользящим контактом.