Русская Википедия:Автотрансформатор
А́втотрансформа́тор — вариант 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 — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие гальванической развязки между первичной и вторичной 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 6 кВ могут оказаться под напряжением 10 кВ 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 — 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 <math>w</math> витков, а потребитель — к некоторой части витков этой обмотки <math>w_2</math>.
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 <math>w</math>, индуцируется электродвижущая сила <math>E</math>, в части этой обмотки, имеющей число витков <math>w_2</math>, индуцируется электродвижущая сила <math>E_2</math>. Соотношение величин этих ЭДС выглядит так: <math>{{E} \over {E_2}} = {{w} \over {w_2}} = k</math>, где <math>k</math> носит название коэффициента трансформации.
Так как падение напряжения в активном сопротивлении обмотки автотрансформатора относительно мало, то им практически можно пренебречь и считать справедливым равенство:
- <math>U_s = E</math> и <math>U_l = E_2,</math>
- где <math>U_s</math> — напряжение источника электрической энергии, поданное на всю обмотку автотрансформатора, имеющую число витков <math>w</math>;
- <math>U_l</math> — напряжение, подаваемое к потребителю электрической энергии, снимаемое с той части обмотки автотрансформатора, которая обладает количеством витков <math>w_2</math>.
Следовательно, <math>{{U_s} \over {U_l}} = {{w} \over {w_2}} = k</math>.
Напряжение <math>U_s</math>, приложенное со стороны источника электрической энергии ко всем виткам <math>w</math> обмотки автотрансформатора, во столько раз больше напряжения <math>U_l</math>, снимаемого с части обмотки, обладающей числом витков <math>w_2</math>, во сколько раз число витков <math>w</math> больше числа витков <math>w_2</math>.
Если к автотрансформатору подключен потребитель электрической энергии, то под влиянием напряжения <math>U_l</math> в нём возникает электрический ток, действующее значение которого обозначим как <math>I_l</math>.
Соответственно в первичной цепи автотрансформатора будет ток, действующее значение которого обозначим как <math>I_s</math>.
Однако ток в верхней части обмотки автотрансформатора, имеющей число витков <math>w_1 = {w} - {w_2}</math> будет отличаться от тока в нижней её части, имеющей количество витков <math>w_2</math>. Это объясняется тем, что в верхней части обмотки протекает только ток <math>I_s</math>, а в нижней части — некоторый результирующий ток, представляющий собой разность токов <math>I_s</math> и <math>I_l</math>. Дело в том, что согласно правилу Ленца индуцированное электрическое поле в обмотке автотрансформатора <math>w_2</math> направлено навстречу электрическому полю, созданному в ней источником электрической энергии. Поэтому токи <math>I_s</math> и <math>I_l</math> в нижней части обмотки автотрансформатора направлены навстречу друг другу, то есть находятся в противофазе.
Сами токи <math>I_s</math> и <math>I_l</math>, как и в обычном трансформаторе, связаны соотношением:
- <math>{{I_s} \over {I_l}} = {{w_2} \over {w}} = {1 \over k},</math> или
- <math>I_l = {{w} \over {w_2}} \cdot I_s.</math>
Так как в понижающем трансформаторе <math>{w} > {w_2}</math>, то <math>{I_l} > {I_s}</math> и результирующий ток <math>I_{s1}</math>в нижней обмотке автотрансформатора равен <math>{I_l} - {I_s}</math>.
Следовательно, в той части обмотки автотрансформатора, с которой подаётся напряжение на потребитель, ток значительно меньше тока в потребителе, то есть <math>{I_l} - {I_s} \ll {I_l}</math>.
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 <math>w</math>, а на потребитель подводится напряжение со всех его витков <math>w_2</math>.
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[2], 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 <math>\omega_1</math> подключён к питающему проводу, а вывод обмотки <math>\omega_2</math> — к контактному проводу. Общим (обратным) проводом является рельс. На контактный провод подаётся половинное напряжение от 50 кВ, то есть 25 кВ[3].
Данная система позволяет реже строить тяговые подстанции, а также уменьшаются тепловые потери. Электровозы и электропоезда переменного тока в переделке не нуждаются.
См. также
Примечания
Литература
Ссылки
- В чём разница систем электрификации железных дорог на переменном токе: 25 кВ, 50 Гц и 2×25 кВ, 50 Гц?Шаблон:Недоступная ссылка
- Автотрансформатор: устройство, принцип действия, схема, типы
- ↑ Шаблон:Книга
- ↑ 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.
Шаблон:Выбор языка Шаблон:Виды трансформаторов
