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 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 %.
Недостатком является отсутствие гальванической развязки между первичной и вторичной обмотками. 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 могут оказаться под напряжением 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.
Принцип работы автотрансформатора
Рассмотрим схему, в которой источник электрической энергии (сеть переменного тока) подключен к обмотке автотрансформатора, имеющей витков, а потребитель — к некоторой части витков этой обмотки
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 индуцируется электродвижущая сила в части этой обмотки, имеющей число витков индуцируется электродвижущая сила Соотношение величин этих ЭДС выглядит так: где носит название коэффициента трансформации.
Так как падение напряжения в активном сопротивлении обмотки автотрансформатора относительно мало, то им практически можно пренебречь и считать справедливым равенство:
и
где — напряжение источника электрической энергии, поданное на всю обмотку автотрансформатора, имеющую число витков — напряжение, подаваемое к потребителю электрической энергии, снимаемое с той части обмотки автотрансформатора, которая обладает количеством витков
Следовательно,
Напряжение приложенное со стороны источника электрической энергии ко всем виткам обмотки автотрансформатора, во столько раз больше напряжения снимаемого с части обмотки, обладающей числом витков во сколько раз число витков больше числа витков
Если к автотрансформатору подключен потребитель электрической энергии, то под влиянием напряжения в нём возникает электрический ток, действующее значение которого обозначим как
Соответственно в первичной цепи автотрансформатора будет ток, действующее значение которого обозначим как
Однако ток в верхней части обмотки автотрансформатора, имеющей число витков будет отличаться от тока в нижней её части, имеющей количество витков Это объясняется тем, что в верхней части обмотки протекает только ток а в нижней части — некоторый результирующий ток, представляющий собой разность токов и Дело в том, что согласно правилу Ленца индуцированное электрическое поле в обмотке автотрансформатора направлено навстречу электрическому полю, созданному в ней источником электрической энергии. Поэтому токи и в нижней части обмотки автотрансформатора направлены навстречу друг другу, то есть находятся в противофазе.
Сами токи и как и в обычном трансформаторе, связаны соотношением:
или
Так как в понижающем трансформаторе то и результирующий ток в нижней обмотке автотрансформатора равен
Следовательно, в той части обмотки автотрансформатора, с которой подаётся напряжение на потребитель, ток значительно меньше тока в потребителе, то есть
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 а на потребитель подводится напряжение со всех его витков
Применение автотрансформаторов
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 напряжениеКак правило, подаётся несколько выше 25 киловольт, обычно 27—27,5; с учётом потерь., обратным проводом служит рельс. Однако, на малонаселённых территориях неоправданно дорого часто располагать тяговые подстанции с персоналом для обслуживания и жилищно-бытовыми условиями для него.
Для малонаселённых территорий разработана система электрификации (два по двадцать пять киловольт).
На опорах контактной сети (сбоку от железнодорожного полотна и контактного провода) натянут специальный питающий провод, в который подаётся напряжение от тяговой подстанции. На железнодорожных станциях (или на перегонах) установлены малообслуживаемые понижающие автотрансформаторы, вывод обмотки подключён к питающему проводу, а вывод обмотки — к контактному проводу. Общим (обратным) проводом является рельс. На контактный провод подаётся половинное напряжение от то есть Как правило, подаётся несколько выше 50 киловольт, обычно 55; с учётом потерь, чтобы на контактном проводе было 27,5 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
ТУ 16-517216-69 Лабораторный автотрансформатор ЛАТР-2М.
Ссылки В чём разница систем электрификации железных дорог на переменном токе: 25 кВ, 50 Гц и 2×25 кВ, 50 Гц? Автотрансформатор: устройство, принцип действия, схема, типы
Категория:Трансформаторы