Автотрансформатор: устройство и применение¶

Автотрансформатор — это разновидность трансформатора, в котором обмотки низшего и высшего напряжений имеют не только магнитную, но и гальваническую (электрическую) связь, то есть часть витков одной обмотки является общей для обеих цепей. В отличие от классического двухобмоточного трансформатора, автотрансформатор имеет одну обмотку с одним или несколькими отводами (выводами). Такая конструкция позволяет уменьшить расход меди и стали, снизить габариты и массу устройства при тех же значениях передаваемой мощности, однако накладывает ограничения на область применения, связанные с электрической безопасностью и режимом работы.

¶Устройство и принцип работы

¶Конструкция

Автотрансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника), на котором расположена одна обмотка. Обмотка выполняется из изолированного медного или алюминиевого провода и имеет несколько выводов: один общий (нулевой) и один или несколько отводов для получения различных коэффициентов трансформации. В простейшем случае автотрансформатор имеет три вывода: два крайних (A и X) — для подключения сети, и один средний (a) — для снятия пониженного или повышенного напряжения. В регулируемых автотрансформаторах (ЛАТР — лабораторный автотрансформатор) используется скользящий контакт (щётка), перемещающийся по зачищенной поверхности обмотки, что позволяет плавно изменять выходное напряжение.

¶Принцип действия

Принцип работы автотрансформатора основан на явлении электромагнитной индукции, как и у обычного трансформатора. Переменный ток, проходя по первичной части обмотки (между выводами A и X), создаёт переменный магнитный поток в сердечнике. Этот поток индуцирует ЭДС во всех витках обмотки. Напряжение на выходе (между выводами X и a) пропорционально числу витков между этими выводами. Таким образом, коэффициент трансформации k = U1/U2 = w1/w2, где w1 — общее число витков, w2 — число витков между общим и отводным выводами.

Особенность автотрансформатора заключается в том, что часть мощности передаётся из первичной цепи во вторичную не только через магнитный поток (трансформаторная составляющая), но и непосредственно по электрической цепи через общую часть обмотки (проводная составляющая). Это позволяет использовать обмотку меньшего сечения для общей части, так как ток в ней равен разности токов первичной и вторичной цепей (при понижении напряжения). Благодаря этому автотрансформатор имеет меньшие габариты и массу по сравнению с двухобмоточным трансформатором той же мощности.

¶Классификация и виды

Автотрансформаторы классифицируются по нескольким признакам.

¶По назначению

Силовые автотрансформаторы — используются в электрических сетях высокого напряжения (110, 220, 330, 500 кВ и выше) для связи энергосистем с разными напряжениями. Применяются на подстанциях, где требуется передача большой мощности при небольшом коэффициенте трансформации (обычно не более 2–3).
Регулируемые автотрансформаторы (ЛАТР) — лабораторные и промышленные устройства для плавного регулирования напряжения в небольших пределах (от 0 до 250 В, мощность до нескольких киловольт-ампер). Используются в научных исследованиях, настройке электронной аппаратуры, в учебных целях.
Измерительные автотрансформаторы — применяются для расширения пределов измерения вольтметров (например, автотрансформатор напряжения 220/380 В).
Пусковые автотрансформаторы — используются для снижения пускового тока асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (например, в схемах пуска мощных насосов, компрессоров).

¶По числу фаз

Однофазные — для цепей переменного тока с одним напряжением (например, ЛАТР, бытовые стабилизаторы напряжения).
Трёхфазные — для трёхфазных сетей. Обычно выполняются в виде трёх однофазных автотрансформаторов, соединённых в звезду или треугольник, либо в виде единого трёхфазного магнитопровода с общей обмоткой.

¶По способу регулирования

Нерегулируемые — с фиксированным коэффициентом трансформации (например, силовые автотрансформаторы на подстанциях).
Регулируемые — с плавным (ЛАТР) или ступенчатым (с помощью переключателя отводов) изменением напряжения.

¶Применение

Автотрансформаторы находят применение в различных областях электротехники и энергетики.

¶Электроэнергетика

Силовые автотрансформаторы широко используются в электрических сетях для связи систем с разными номинальными напряжениями. Например, на подстанциях 330/110 кВ или 220/110 кВ. Они позволяют передавать большую мощность (до сотен мегавольт-ампер) при меньших потерях и габаритах по сравнению с двухобмоточными трансформаторами. Однако их применение ограничено необходимостью глухого заземления нейтрали (общей точки обмотки) для обеспечения безопасности, так как при повреждении изоляции между обмотками высокое напряжение может попасть в цепь низкого напряжения.

¶Промышленность и быт

Лабораторные автотрансформаторы (ЛАТР) — используются для настройки и ремонта радиоэлектронной аппаратуры, в лабораториях физики и химии, для питания нагревательных приборов с регулировкой температуры.
Стабилизаторы напряжения — многие бытовые и промышленные стабилизаторы напряжения построены на основе автотрансформатора с автоматическим переключением отводов (релейные или сервоприводные стабилизаторы).
Пусковые устройства — автотрансформаторы применяются для снижения пускового тока мощных электродвигателей (например, в компрессорах, насосах, конвейерах), что уменьшает нагрузку на питающую сеть и механические удары на оборудование.
Сварочные аппараты — некоторые типы сварочных трансформаторов (например, для ручной дуговой сварки) выполняются по схеме автотрансформатора с регулируемым воздушным зазором для изменения тока.

¶Железнодорожный транспорт

В системах электрификации железных дорог переменного тока (25 кВ, 50 Гц) автотрансформаторы используются для питания контактной сети и для организации системы автотрансформаторного электроснабжения (АТЭ), позволяющей снизить потери напряжения и увеличить пропускную способность линии.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

Меньшие габариты и масса — по сравнению с двухобмоточным трансформатором той же мощности, особенно при коэффициенте трансформации, близком к 1 (например, 1,5–2). Экономия меди может достигать 30–50%, стали — 20–30%.
Более высокий КПД — за счёт меньших потерь в обмотке (ток в общей части меньше) и в магнитопроводе.
Меньшая стоимость — благодаря экономии материалов и упрощению конструкции.
Плавное регулирование — в ЛАТР возможна плавная регулировка напряжения без разрыва цепи.

¶Недостатки

Электрическая связь между цепями — при повреждении изоляции или пробое между обмотками высокое напряжение может попасть в цепь низкого напряжения, что опасно для людей и оборудования. Поэтому автотрансформаторы требуют обязательного заземления нейтрали и применения защитных устройств.
Ограниченный коэффициент трансформации — экономически и технически целесообразно применять автотрансформаторы при коэффициенте трансформации не более 3–4. При больших значениях выгода от уменьшения габаритов снижается, а опасность электрического пробоя возрастает.
Невозможность использования в цепях с изолированной нейтралью — для обеспечения безопасности автотрансформаторы обычно работают в сетях с глухозаземлённой нейтралью.
Ограничение по току короткого замыкания — из-за малого индуктивного сопротивления общей части обмотки токи короткого замыкания могут быть очень большими, что требует установки быстродействующих защит.

¶Интересные факты

Первый автотрансформатор был создан в 1882 году французским инженером Люсьеном Голаром (Lucien Gaulard) и английским инженером Джоном Диксоном Гиббсом (John Dixon Gibbs). Он использовался для передачи электроэнергии на расстояние в системе электрического освещения.
В СССР и России широкое распространение получили лабораторные автотрансформаторы типа ЛАТР-1 (мощность 0,5 кВА) и ЛАТР-2 (1 кВА), выпускавшиеся с 1950-х годов. Они до сих пор используются в учебных и лабораторных целях.
В современных высоковольтных автотрансформаторах (например, 500/220 кВ) мощность может достигать 1000 МВА и более. Они имеют сложную систему охлаждения (масляное, с принудительной циркуляцией) и автоматического регулирования напряжения под нагрузкой (РПН).
Автотрансформаторы используются не только в электротехнике, но и в радиотехнике — например, в согласующих устройствах антенн, где требуется небольшое изменение сопротивления или напряжения.

¶Источники

Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. — М.: Высшая школа, 1996.
Касаткин А. С., Немцов М. В. Электротехника. — М.: Энергоатомиздат, 2000.
Герасимов В. Г., Кузнецов Э. И., Козлов В. В. Электротехника и электроника. — М.: Энергоатомиздат, 1997.
Правила устройства электроустановок (ПУЭ). — М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003.
Справочник по электротехническим материалам и изделиям / Под ред. В. А. Привалова. — М.: Энергия, 1978.
Артамонов В. А. Автотрансформаторы. Конструкция, расчёт, эксплуатация. — М.: Энергия, 1965.