Автотрансформатор — 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.
Применение автотрансформаторов
Автотрансформатор для питания телевизоров, СССР, 1960-е — 1970-е гг. Напряжение плавно регулировалось перемещением «ползунка» на верхней панели, контроль по показаниям вольтметра.
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. Достаточно широкое применение автотрансформаторы получили в СССР: для ручной стабилизации питающего напряжения ламповый телевизор подключался к сети через ЛАТР и перед включением самого телевизора производилась ручная регулировка напряжения до номинального значения. Причиной этому было то, что в электросетях зачастую регулярно наблюдалось пониженное напряжение, которое могло повредить дорогостоящий телевизионный приёмник. В дальнейшем для этой задачи более эффективно применялись автоматические феррорезонансные стабилизаторы.
Принцип работы 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, индуцирующий в этой обмотке электродвижущую силу, величина которой прямо пропорциональна числу витков обмотки.
Следовательно, если во всей обмотке автотрансформатора, имеющей число витков $$\omega _{1}$$, индуцируется электродвижущая сила $$E_1$$, то в части этой обмотки, имеющей число витков $$\omega _{2}$$, индуцируется электродвижущая сила $$E_2$$. Соотношение величин этих ЭДС выглядит так:
$${{E_{1}} \over {E_{2}}}={{\omega _{1}} \over {\omega _{2}}}=k} {{E_{1}} \over {E_{2}}}={{\omega _{1}} \over {\omega _{2}}}=k$$,
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 индуцированное 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 $$\omega _{1}$$.
Примечания
- Васильев А.А. Электрическая часть станций и подстанций.
