Автотрансформатор

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  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 — 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 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  (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 .

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

Трансформаторы