Автотрансформатор

Автотрансформатор — это разновидность трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки имеют не только магнитную, но и электрическую связь, будучи соединёнными в общую обмотку. В отличие от классического двухобмоточного трансформатора, автотрансформатор имеет одну обмотку, часть витков которой принадлежит одновременно как первичной, так и вторичной цепи. Это позволяет уменьшить расход материалов и повысить КПД при передаче энергии, но накладывает ограничения по коэффициенту трансформации и области применения.

Устройство и принцип действия

Конструктивно автотрансформатор представляет собой магнитопровод (сердечник), на который намотана одна непрерывная обмотка. От этой обмотки сделаны выводы: два для подключения источника питания (первичная цепь) и один или несколько для подключения нагрузки (вторичная цепь). Общая часть витков, принадлежащая обеим цепям, называется рабочей обмоткой, а часть, используемая только для первичной или вторичной цепи — последовательной обмоткой.

Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. При подаче переменного напряжения на первичную часть обмотки в сердечнике возникает переменный магнитный поток, который наводит ЭДС во всех витках обмотки. Напряжение на вторичной цепи снимается с части витков, поэтому оно пропорционально отношению числа витков, к которым подключена нагрузка, к общему числу витков первичной цепи. Коэффициент трансформации \( k \) для автотрансформатора определяется как отношение числа витков первичной цепи \( w_1 \) к числу витков вторичной цепи \( w_2 \): \( k = w_1 / w_2 \).

Ключевое отличие от обычного трансформатора заключается в том, что ток в общей части обмотки равен разности токов первичной и вторичной цепей (при условии, что направления токов согласованы). Это позволяет использовать провод меньшего сечения для общей части, что снижает массу и стоимость устройства.

Классификация

Автотрансформаторы классифицируются по нескольким признакам.

По назначению и области применения

• Силовые автотрансформаторы — используются в электрических сетях для связи систем с разными напряжениями (например, 110/220 кВ, 220/500 кВ). Применяются на электростанциях и подстанциях для передачи энергии с минимальными потерями.
• Регулируемые автотрансформаторы (ЛАТРы) — лабораторные автотрансформаторы с плавным регулированием напряжения. Имеют скользящий контакт (щётку), перемещаемый по виткам обмотки, что позволяет изменять выходное напряжение в широких пределах. Используются в лабораториях, мастерских и для настройки электрооборудования.
• Автотрансформаторы для пуска асинхронных двигателей — понижают пусковое напряжение, снижая пусковые токи, после чего переключаются на полное напряжение сети.
• Измерительные автотрансформаторы — применяются в цепях переменного тока для расширения пределов измерения вольтметров и других приборов.
• Автотрансформаторы для бытовой техники — например, в стабилизаторах напряжения или преобразователях напряжения (110/220 В).

По числу фаз

• Однофазные — имеют одну обмотку на магнитопроводе. Используются в бытовых и лабораторных целях.
• Трёхфазные — состоят из трёх обмоток, соединённых звездой или треугольником, намотанных на общий трёхстержневой магнитопровод. Широко применяются в промышленных электросетях.

По способу регулирования

• С переключением ответвлений (РПН) — регулирование напряжения осуществляется переключением отводов от обмотки без разрыва цепи (регулирование под нагрузкой).
• С плавным регулированием (ЛАТР) — с помощью скользящего контакта по виткам обмотки.

Характеристики и параметры

Основные параметры автотрансформатора:

• Номинальная мощность — полная мощность, которую устройство может передавать в нагрузку при номинальных условиях. Часть мощности передаётся через магнитное поле (трансформаторная составляющая), часть — непосредственно по электрической цепи (проводная составляющая). Чем ближе коэффициент трансформации к 1, тем больше доля проводной составляющей и выше КПД.
• Коэффициент трансформации — отношение напряжений первичной и вторичной цепей. Обычно составляет от 1,5 до 2,5 для силовых автотрансформаторов. При больших значениях экономические преимущества снижаются.
• КПД — достигает 99% и выше при больших мощностях, что выше, чем у двухобмоточных трансформаторов аналогичной мощности, за счёт меньших потерь в обмотках.
• Напряжение короткого замыкания — выражается в процентах от номинального напряжения. У автотрансформаторов оно обычно меньше, чем у двухобмоточных, что влияет на токи короткого замыкания.
• Масса и габариты — меньше, чем у двухобмоточного трансформатора той же мощности, особенно при малом коэффициенте трансформации.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Экономия материалов — меньше меди и стали на изготовление обмотки и магнитопровода.
• Меньшие габариты и масса — особенно заметно при коэффициенте трансформации, близком к 1.
• Высокий КПД — снижены потери в обмотках за счёт меньшего тока в общей части.
• Плавное регулирование — в ЛАТРах возможно бесступенчатое изменение напряжения.
• Меньшая стоимость — по сравнению с двухобмоточным трансформатором аналогичной мощности.

Недостатки

• Опасность короткого замыкания — при обрыве общей части обмотки или нарушении изоляции между витками вторичное напряжение может стать равным первичному, что создаёт риск поражения током.
• Ограниченный коэффициент трансформации — экономически и технически нецелесообразно применять при \( k > 3 \) или \( k < 0,5 \).
• Гальваническая связь между цепями — отсутствие электрической изоляции между первичной и вторичной цепями делает автотрансформатор непригодным для использования в цепях, где требуется разделение цепей (например, в цепях заземления или в медицинской технике).
• Высокие токи короткого замыкания — из-за малого сопротивления короткого замыкания.

Применение

Автотрансформаторы нашли широкое применение в различных областях электротехники и энергетики.

В электроэнергетике

Силовые автотрансформаторы используются для связи электрических сетей разных напряжений, например, 110/220 кВ или 220/500 кВ. Они устанавливаются на узловых подстанциях и позволяют передавать большие мощности с минимальными потерями. В России и странах СНГ автотрансформаторы применяются в энергосистемах с 1950-х годов.

В промышленности

• Для пуска мощных асинхронных двигателей (снижение пускового напряжения).
• В системах электроснабжения цехов и заводов для стабилизации напряжения.
• В испытательных стендах и лабораториях (ЛАТРы).

В бытовой технике и электронике

• В стабилизаторах напряжения (например, вольтодобавочные автотрансформаторы).
• В преобразователях напряжения для подключения импортной техники к сети 220 В или 110 В.
• В зарядных устройствах и блоках питания.

В измерительной технике

Автотрансформаторы используются для расширения пределов измерения вольтметров и амперметров в цепях переменного тока.

История

Идея использования одной обмотки для трансформации напряжения была известна ещё в конце XIX века. Первые патенты на автотрансформаторы были получены в 1880-х годах. Однако широкое распространение они получили в XX веке с развитием электрических сетей и необходимостью передачи энергии на большие расстояния. В СССР первые силовые автотрансформаторы были выпущены в 1930-е годы. ЛАТРы (лабораторные автотрансформаторы) стали популярны в середине XX века благодаря возможности плавного регулирования напряжения.

Интересные факты

• Автотрансформаторы могут использоваться для преобразования трёхфазного напряжения в двухфазное (схема Скотта) для питания специальных нагрузок.
• В некоторых конструкциях автотрансформаторов применяется масляное охлаждение для отвода тепла при больших мощностях.
• В быту автотрансформаторы часто встречаются в виде компактных устройств для понижения напряжения с 220 В до 110 В для импортной техники.
• Наибольший КПД автотрансформатора достигается при коэффициенте трансформации, близком к 1, когда большая часть мощности передаётся электрически, а не магнитным путём.

Источники

• ГОСТ 16110-82 «Трансформаторы силовые. Термины и определения».
• Касаткин А. С., Немцов М. В. «Электротехника». — М.: Энергоатомиздат, 2000.
• Вольдек А. И. «Электрические машины». — Л.: Энергия, 1978.
• Справочник по проектированию электрических сетей / Под ред. Д. Л. Файбисовича. — М.: ЭНАС, 2009.
• Материалы сайта «Россети» (описание применения автотрансформаторов в энергосистемах).