Автотрансформатор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Схема автотрансформатора с регулированием напряжения.
Схема «безопасного» автотрансформатора. Слева — обычное включение. Справа — через разделительный трансформатор.

А́втотрансформа́тор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только магнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения.

Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. В промышленных сетях, где наличие заземления нулевого провода обязательно, этот фактор роли не играет, зато существенным является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге — меньшая стоимость.

Распространены аббревиатуры:

ЛАТР — Лабораторный Автотрансформатор Регулируемый.
РНО — Регулятор Напряжения Однофазный.
РНТ — Регулятор Напряжения Трёхфазный.

Принцип работы автотрансформатора[править | править исходный текст]

Схема автотрансформатора.

Предположим, что источник электрической энергии (сеть переменного тока) подключен к виткам \omega_1 обмотки автотрансформатора, а потребитель — к некоторой части этой обмотки \omega_2.

При прохождении переменного тока по обмотке автотрансформатора возникает переменный магнитный поток, индуктирующий в этой обмотке электродвижущую силу, величина которой прямо пропорциональна числу витков обмотки.

Следовательно, если во всей обмотке автотрансформатора, имеющей число витков \omega_1, индуктируется электродвижущая сила E_1, то в части этой обмотки, имеющей число витков \omega_2, индуктируется электродвижущая сила E_2. Соотношение величин этих ЭДС выглядит так: {{E_1} \over {E_2}} = {{\omega_1} \over {\omega_2}} = k, где k — коэффициент трансформации.

Так как падение напряжения в активном сопротивлении обмотки автотрансформатора относительно мало, то им практически можно пренебречь и считать справедливыми равенства U_1 = E_1 и U_2 = E_2,

где U_1 — напряжение источника электрической энергии, поданное на всю обмотку автотрансформатора, имеющую число витков \omega_1;

U_2 — напряжение, подаваемое к потребителю электрической энергии, снимаемое с той части обмотки автотрансформатора, которая обладает количеством витков \omega_2.

Следовательно, {{U_1} \over {U_2}} = {{\omega_1} \over {\omega_2}} = k.

Напряжение U_1, приложенное со стороны источника электрической энергии ко всем виткам \omega_1 обмотки автотрансформатора, во столько раз больше напряжения U_2, снимаемого с части обмотки, обладающей числом витков \omega_2, во сколько раз число витков \omega_1 больше числа витков \omega_2.

Если к автотрансформатору подключен потребитель электрической энергии, то под влиянием напряжения U_2 в нём возникает электрический ток, действующее значение которого обозначим как I_2.

Соответственно в первичной цепи автотрансформатора будет ток, действующее значение которого обозначим как I_1.

Однако ток в верхней части обмотки автотрансформатора, имеющей число витков ( {\omega_1} - {\omega_2} ) будет отличаться от тока в нижней её части, имеющей количество витков \omega_2. Это объясняется тем, что в верхней части обмотки протекает только ток I_1, а в нижней части — некоторый результирующий ток, представляющий собой разность токов I_1 и I_2. Дело в том, что согласно правилу Ленца индуктированное электрическое поле в обмотке автотрансформатора \omega_2 направлено навстречу электрическому полю, созданному в ней источником электрической энергии. Поэтому токи I_1 и I_2 в нижней части обмотки автотрансформатора направлены навстречу друг другу, то есть находятся в противофазе.

Сами токи I_1 и I_2, как и в обычном трансформаторе, связаны соотношением {{I_1} \over {I_2}} = {{\omega_2} \over {\omega_1}} = {1 \over k}

или I_2 = {{\omega_1} \over {\omega_2}} \times I_1.

Так как в понижающем трансформаторе {\omega_1} > {\omega_2}, то {I_2} > {I_1} и результирующий ток в нижней обмотке автотрансформатора равен {I_2} - {I_1}.

Следовательно, в той части обмотки автотрансформатора, с которой подаётся напряжение на потребитель, ток значительно меньше тока в потребителе, то есть {I_2} - {I_1} \ll {I_2}.

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, уменьшить вес и габариты автотрансформатора.

Если автотрансформатор повышающий, то напряжение со стороны источника электрической энергии подводится к части витков обмотки трансформатора \omega_2, а на потребитель подводится напряжение со всех его витков \omega_1.

Применение автотрансформаторов[править | править исходный текст]

Автотрансформатор с регулированием напряжения. Защитный кожух снят. Сзади видна снятая верхняя панель со шкалой, деления показывают, какое напряжение будет подаваться потребителю.

Автотрансформаторы применяются в телефонных аппаратах, радиотехнических устройствах, для питания выпрямителей и т. д.

Электрификация железных дорог по системе 2×25 кВ[править | править исходный текст]

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 высоковольтное напряжение,[1] 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 2×25 кВ (два по двадцать пять киловольт).

На опорах контактной сети (сбоку от железнодорожного полотна и контактного провода) натянут специальный питающий провод, в который подаётся напряжение 50 тыс. вольт от тяговой подстанции. На железнодорожных станциях (или на перегонах) установлены малообслуживаемые понижающие автотрансформаторы, вывод обмотки \omega_1 подключён к питающему проводу, а вывод обмотки \omega_2 — к контактному проводу. Общим (обратным) проводом является рельс. На контактный провод подаётся половинное напряжение от 50 кВ, то есть 25 кВ.[2]

Данная система позволяет реже строить тяговые подстанции, а также уменьшаются тепловые потери. Электровозы и электропоезда переменного тока в переделке не нуждаются.

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Как правило, подаётся несколько выше 25 киловольт, обычно 27—27,5; с учётом потерь.
  2. Как правило, подаётся несколько выше 50 киловольт, обычно 55; с учётом потерь, чтобы на контактном проводе было 27,5 кВ.

Ссылки[править | править исходный текст]

См. также[править | править исходный текст]