Автотрансформатор

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 обмотки автотрансформатора, а потребитель — к некоторой части этой обмотки .

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 , индуцируется электродвижущая сила , то в части этой обмотки, имеющей число витков , индуцируется электродвижущая сила . Соотношение величин этих ЭДС выглядит так:

,

где — коэффициент трансформации.

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

и ,

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

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

.

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

Если к автотрансформатору подключен потребитель электрической энергии, то под влиянием напряжения в нём возникает электрический ток, действующее значение которого обозначим как .
Соответственно в первичной цепи автотрансформатора будет ток, действующее значение которого обозначим как .

Однако ток в верхней части обмотки автотрансформатора, имеющей число витков

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

Сами токи и , как и в обычном трансформаторе, связаны соотношением

или

.

Так как в понижающем трансформаторе , то и результирующий ток в нижней обмотке автотрансформатора равен .

Следовательно, в той части обмотки автотрансформатора, с которой подаётся напряжение на потребитель, ток значительно меньше тока в потребителе, то есть .

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 , а на потребитель подводится напряжение со всех его витков .

Примечания

1. Васильев А.А. Электрическая часть станций и подстанций.