Автотрансформатор

Схема «безопасного» автотрансформатора. Слева — обычное включение. Справа — через разделительный трансформатор.

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 первой и второй 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 Шаблон:Nobr могут оказаться под напряжением Шаблон:Nobr 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 $w$ витков, а потребитель — к некоторой части витков этой обмотки $w_{2} .$

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 $w,$ индуцируется электродвижущая сила $E,$ в части этой обмотки, имеющей число витков $w_{2},$ индуцируется электродвижущая сила $E_{2} .$ Соотношение величин этих ЭДС выглядит так: $\frac{E}{E_{2}} = \frac{w}{w_{2}} = k,$ где $k$ носит название коэффициента трансформации.

Так как падение напряжения в активном сопротивлении обмотки автотрансформатора относительно мало, то им практически можно пренебречь и считать справедливым равенство:

U_{s} = E

и

U_{l} = E_{2},

где

U_{s}

— напряжение источника электрической энергии, поданное на всю обмотку автотрансформатора, имеющую число витков

w;

U_{l}

— напряжение, подаваемое к потребителю электрической энергии, снимаемое с той части обмотки автотрансформатора, которая обладает количеством витков

w_{2} .

Следовательно, $\frac{U_{s}}{U_{l}} = \frac{w}{w_{2}} = k .$

Напряжение $U_{s},$ приложенное со стороны источника электрической энергии ко всем виткам $w$ обмотки автотрансформатора, во столько раз больше напряжения $U_{l},$ снимаемого с части обмотки, обладающей числом витков $w_{2},$ во сколько раз число витков $w$ больше числа витков $w_{2} .$

Если к автотрансформатору подключен потребитель электрической энергии, то под влиянием напряжения $U_{l}$ в нём возникает электрический ток, действующее значение которого обозначим как $I_{l} .$

Соответственно в первичной цепи автотрансформатора будет ток, действующее значение которого обозначим как $I_{s} .$

Однако ток в верхней части обмотки автотрансформатора, имеющей число витков $w_{1} = w - w_{2}$ будет отличаться от тока в нижней её части, имеющей количество витков $w_{2} .$ Это объясняется тем, что в верхней части обмотки протекает только ток $I_{s},$ а в нижней части — некоторый результирующий ток, представляющий собой разность токов $I_{s}$ и $I_{l} .$ Дело в том, что согласно правилу Ленца индуцированное электрическое поле в обмотке автотрансформатора $w_{2}$ направлено навстречу электрическому полю, созданному в ней источником электрической энергии. Поэтому токи $I_{s}$ и $I_{l}$ в нижней части обмотки автотрансформатора направлены навстречу друг другу, то есть находятся в противофазе.

Сами токи $I_{s}$ и $I_{l},$ как и в обычном трансформаторе, связаны соотношением:

\frac{I_{s}}{I_{l}} = \frac{w_{2}}{w} = \frac{1}{k},

или

I_{l} = \frac{w}{w_{2}} \cdot I_{s} .

Так как в понижающем трансформаторе $w > w_{2},$ то $I_{l} > I_{s}$ и результирующий ток $I_{s 1}$ в нижней обмотке автотрансформатора равен $I_{l} - I_{s} .$

Следовательно, в той части обмотки автотрансформатора, с которой подаётся напряжение на потребитель, ток значительно меньше тока в потребителе, то есть $I_{l} - I_{s} ≪ I_{l} .$

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 $w,$ а на потребитель подводится напряжение со всех его витков $w_{2} .$

Применение автотрансформаторов

Шаблон:Кратное изображение 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

Шаблон:Main 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 Шаблон:Nobr (два по двадцать пять киловольт).

На опорах контактной сети (сбоку от железнодорожного полотна и контактного провода) натянут специальный питающий провод, в который подаётся напряжение Шаблон:Nobr от тяговой подстанции. На железнодорожных станциях (или на перегонах) установлены малообслуживаемые понижающие автотрансформаторы, вывод обмотки $ω_{1}$ подключён к питающему проводу, а вывод обмотки $ω_{2}$ — к контактному проводу. Общим (обратным) проводом является рельс. На контактный провод подаётся половинное напряжение от Шаблон:Nobr то есть Шаблон:Nobr^[4].

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

Шаблон:Примечания

Литература

Шаблон:БСЭ2
ТУ 16-517216-69 Лабораторный автотрансформатор ЛАТР-2М.

Ссылки

Шаблон:Внешние ссылки Шаблон:Виды трансформаторов

↑ Шаблон:Книга
↑ Шаблон:Cite web
↑ Как правило, подаётся несколько выше 25 киловольт, обычно 27—27,5; с учётом потерь.
↑ Как правило, подаётся несколько выше 50 киловольт, обычно 55; с учётом потерь, чтобы на контактном проводе было 27,5 кВ.

[1] Шаблон:Книга

[2] Шаблон:Cite web

[3] Как правило, подаётся несколько выше 25 киловольт, обычно 27—27,5; с учётом потерь.

[4] Как правило, подаётся несколько выше 50 киловольт, обычно 55; с учётом потерь, чтобы на контактном проводе было 27,5 кВ.

[1]

[2]

[3]

[4]

Автотрансформатор

Содержание

Принцип работы автотрансформатора

Применение автотрансформаторов

Электрификация железных дорог по системе 2×25 кВ

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

Навигация

Автотрансформатор

Принцип работы автотрансформатора

Применение автотрансформаторов

Электрификация железных дорог по системе 2×25 кВ

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

Навигация

Поиск