Автотрансформатор

А́втотрансформа́тор — вариант исполнения трансформатора, первичная и вторичная обмотки которого объединены в одну общую обмотку и имеют не только магнитную связь, но и электрическую^[1].

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

Другое преимущество - существенная экономия металла для провода и сердечника. При применении автотрансформаторов 220/110/10 кВ удельная экономия меди (кг/кВА) по сравнению с трансформаторами составляет примерно 15—25%, экономия активной стали — в пределах 50-60%, а полный вес автотрансформатора примерно в 1,5 раза меньше. Суммарные потери энергии уменьшаются на 30-35%^[2].

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 типа звезда, что характерно для автотрансформатора, высшие гармоники могут увеличивать потери и ускорять старение изоляции.

Распространены аббревиатуры:

ЛАТР — лабораторный автотрансформатор регулируемый.

РНО — регулятор напряжения однофазный.

РНТ — регулятор напряжения трёхфазный.

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 ${\displaystyle w_{2}.}$

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.

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^[3], 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^[4].

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

• Делитель напряжения

• 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.

• В чём разница систем электрификации железных дорог на переменном токе: 25 кВ, 50 Гц и 2×25 кВ, 50 Гц? (недоступная ссылка)
• Автотрансформатор: устройство, принцип действия, схема, типы