А́втотрансформа́тор — вариант исполнения трансформатора , первичная и вторичная обмотки которого объединены в одну общую обмотку и имеют не только магнитную связь, но и электрическую .

Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД , поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию через индуктивную связь — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно.

Недостатком является отсутствие гальванической развязки между первичной и вторичной цепью. В автотрансформаторе вторичная обмотка является частью первичной обмотки и имеет непосредственный электрический контакт с сетью. Потенциально это несёт в себе риски: при нарушении режимов работы или аварии на одной стороне произойдет нарушение работы и/или авария на другой стороне. Например, при замыкании на землю одной из линий высокого напряжения на землю линия низкого напряжения получает потенциал высокого относительно земли. То есть в описанном случае, потребители на стороне 6 кВ могут оказаться под напряжением 10 кВ по отношению к земле. У автотрансформаторов большие токи короткого замыкания и механические усилия в обмотках в режимах короткого замыкания, что негативно влияет на надежность. Также, при проектировании защит требуется учитывать значения токов короткого замыкания. В схеме соединения — звезда, что характерно для автотрансформатора, высшие гармоники могут увеличивать потери и ускорять старение изоляции.

Распространены аббревиатуры :

ЛАТР — Л абораторный А вто Т рансформатор Р егулируемый.

РНО — Р егулятор Н апряжения О днофазный.

РНТ — Р егулятор Н апряжения Т рёхфазный.

Принцип работы автотрансформатора

Рассмотрим схему, в которой источник электрической энергии ( сеть переменного тока ) подключен к обмотке автотрансформатора, имеющей ${\displaystyle w}$ витков, а потребитель — к некоторой части витков этой обмотки ${\displaystyle w_{2}.}$

При прохождении переменного тока по обмотке автотрансформатора возникает переменный магнитный поток , индуцирующий в этой обмотке электродвижущую силу , величина которой прямо пропорциональна числу витков обмотки.

Во всей обмотке автотрансформатора, имеющей число витков ${\displaystyle w,}$ индуцируется электродвижущая сила ${\displaystyle E,}$ в части этой обмотки, имеющей число витков ${\displaystyle w_{2},}$ индуцируется электродвижущая сила ${\displaystyle E_{2}.}$ Соотношение величин этих ЭДС выглядит так: ${\displaystyle {{E} \over {E_{2}}}={{w} \over {w_{2}}}=k,}$ где ${\displaystyle k}$ носит название коэффициента трансформации .

Так как падение напряжения в активном сопротивлении обмотки автотрансформатора относительно мало, то им практически можно пренебречь и считать справедливым равенство:

${\displaystyle U_{s}=E}$ и ${\displaystyle U_{l}=E_{2},}$

где ${\displaystyle U_{s}}$ — напряжение источника электрической энергии, поданное на всю обмотку автотрансформатора, имеющую число витков ${\displaystyle w;}$

${\displaystyle U_{l}}$ — напряжение, подаваемое к потребителю электрической энергии, снимаемое с той части обмотки автотрансформатора, которая обладает количеством витков ${\displaystyle w_{2}.}$

Следовательно, ${\displaystyle {{U_{s}} \over {U_{l}}}={{w} \over {w_{2}}}=k.}$

Напряжение ${\displaystyle U_{s},}$ приложенное со стороны источника электрической энергии ко всем виткам ${\displaystyle w}$ обмотки автотрансформатора, во столько раз больше напряжения ${\displaystyle U_{l},}$ снимаемого с части обмотки, обладающей числом витков ${\displaystyle w_{2},}$ во сколько раз число витков ${\displaystyle w}$ больше числа витков ${\displaystyle w_{2}.}$

Если к автотрансформатору подключен потребитель электрической энергии, то под влиянием напряжения ${\displaystyle U_{l}}$ в нём возникает электрический ток , действующее значение которого обозначим как ${\displaystyle I_{l}.}$

Соответственно в первичной цепи автотрансформатора будет ток, действующее значение которого обозначим как ${\displaystyle I_{s}.}$

Однако ток в верхней части обмотки автотрансформатора, имеющей число витков ${\displaystyle w_{1}={w}-{w_{2}}}$ будет отличаться от тока в нижней её части, имеющей количество витков ${\displaystyle w_{2}.}$ Это объясняется тем, что в верхней части обмотки протекает только ток ${\displaystyle I_{s},}$ а в нижней части — некоторый результирующий ток, представляющий собой разность токов ${\displaystyle I_{s}}$ и ${\displaystyle I_{l}.}$ Дело в том, что согласно правилу Ленца индуцированное электрическое поле в обмотке автотрансформатора ${\displaystyle w_{2}}$ направлено навстречу электрическому полю, созданному в ней источником электрической энергии. Поэтому токи ${\displaystyle I_{s}}$ и ${\displaystyle I_{l}}$ в нижней части обмотки автотрансформатора направлены навстречу друг другу, то есть находятся в противофазе.

Сами токи ${\displaystyle I_{s}}$ и ${\displaystyle I_{l},}$ как и в обычном трансформаторе, связаны соотношением:

${\displaystyle {{I_{s}} \over {I_{l}}}={{w_{2}} \over {w}}={1 \over k},}$ или

${\displaystyle I_{l}={{w} \over {w_{2}}}\cdot I_{s}.}$

Так как в понижающем трансформаторе ${\displaystyle {w}>{w_{2}},}$ то ${\displaystyle {I_{l}}>{I_{s}}}$ и результирующий ток ${\displaystyle I_{s1}}$ в нижней обмотке автотрансформатора равен ${\displaystyle {I_{l}}-{I_{s}}.}$

Следовательно, в той части обмотки автотрансформатора, с которой подаётся напряжение на потребитель, ток значительно меньше тока в потребителе, то есть ${\displaystyle {I_{l}}-{I_{s}}\ll {I_{l}}.}$

Это позволяет значительно снизить расход энергии в обмотке автотрансформатора на нагрев её проволоки (См. Закон Джоуля — Ленца ) и применить провод меньшего сечения, то есть снизить расход цветного металла и уменьшить вес и габариты автотрансформатора.

Если автотрансформатор повышающий, то напряжение со стороны источника электрической энергии подводится к части витков обмотки трансформатора ${\displaystyle w,}$ а на потребитель подводится напряжение со всех его витков ${\displaystyle w_{2}.}$

Применение автотрансформаторов

Бытовой автотрансформатор, СССР, 1960-е — 1970-е годы. Напряжение плавно регулировалось перемещением «ползунка» на верхней панели, контроль по показаниям вольтметра .

Регулировочный автотрансформатор. Защитный кожух снят. Сзади видна снятая верхняя панель со шкалой, деления на которой показывают выходное напряжение.

Автотрансформаторы применяются в телефонных аппаратах, радиотехнических устройствах, для питания выпрямителей и т. д. Достаточно широкое применение регулируемые (регулировочные, лабораторные) автотрансформаторы получили в СССР для ручной регулировки питающего напряжения ламповых телевизоров. Причиной этому было то, что в электросетях нередко наблюдалось повышенное или пониженное напряжение, что приводило к нарушению нормальной работы телевизора и даже могло вызвать его повреждение.

В дальнейшем для этой задачи более эффективно применялись автоматические феррорезонансные стабилизаторы . В последующих моделях телевизоров ( УСЦТ и др.), вместо силового трансформатора стал применяться импульсный блок питания, что сделало использование внешних стабилизаторов напряжения излишним.

Электрификация железных дорог по системе 2×25 кВ

В СССР (и на постсоветском пространстве) часть железных дорог электрифицирована на переменном токе 25 киловольт , частотой 50 Герц . С тяговой подстанции в контактный провод подаётся высокое напряжение , обратным проводом служит рельс . Однако, на малонаселённых территориях нет возможности часто располагать тяговые подстанции (к тому же трудно найти квалифицированный персонал для их обслуживания, а также создать для людей должные жилищно-бытовые условия) .

Для малонаселённых территорий разработана система электрификации 2×25 кВ (два по двадцать пять киловольт) .

На опорах контактной сети (сбоку от железнодорожного полотна и контактного провода) натянут специальный питающий провод , в который подаётся напряжение 50 кВ от тяговой подстанции. На железнодорожных станциях (или на перегонах) установлены малообслуживаемые понижающие автотрансформаторы, вывод обмотки ${\displaystyle \omega _{1}}$ подключён к питающему проводу, а вывод обмотки ${\displaystyle \omega _{2}}$ — к контактному проводу. Общим (обратным) проводом является рельс. На контактный провод подаётся половинное напряжение от 50 кВ, то есть 25 кВ .

Данная система позволяет реже строить тяговые подстанции, а также уменьшаются тепловые потери . Электровозы и электропоезда переменного тока в переделке не нуждаются.

См. также

• Делитель напряжения

Примечания

Литература

• Большая советская энциклопедия : [в 51 т.] / гл. ред. С. И. Вавилов . — 2-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1949—1958.
• ТУ 16-517216-69 Лабораторный автотрансформатор ЛАТР-2М.

Ссылки

• (недоступная ссылка)