Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Автотрансформатор — это разновидность трансформатора, у которого первичная и вторичная обмотки совмещены в одной общей обмотке с одним или несколькими отводами. В отличие от обычного двухобмоточного трансформатора, между входом и выходом существует не только магнитная, но и прямая электрическая (гальваническая) связь. ЛАТР (лабораторный автотрансформатор регулировочный) — частный случай такого аппарата с подвижным контактом, обеспечивающим плавное изменение коэффициента трансформации.
Ниже разобрано, как работает автотрансформатор: какие токи и ЭДС возникают в общей обмотке, почему получается экономия меди и стали, как устроен ЛАТР с угольной щёткой по тороидальному магнитопроводу, чем приходится платить за компактность и в каких сетях такой аппарат применять нельзя.
Терминологически автотрансформатор отличается от обычного двухобмоточного трансформатора одним признаком: его первичная и вторичная цепи имеют общий участок обмотки. В межгосударственном терминологическом стандарте на силовые трансформаторы автотрансформатор выделен как отдельный тип. У трансформатора первичная и вторичная обмотки разделены электрически и связаны только магнитным полем сердечника; у автотрансформатора между ними есть и магнитная, и непосредственная электрическая (гальваническая) связь.
Главное конструктивное отличие автотрансформатора от двухобмоточного трансформатора — отсутствие гальванической развязки между входом и выходом.
В практике встречаются разновидности:
Базовая схема понижающего автотрансформатора — это одна обмотка с числом витков w1, намотанная на замкнутый ферромагнитный сердечник. К полным выводам обмотки подключают сеть, а на промежуточный отвод (с числом витков w2 от одного из концов) — нагрузку. Часть обмотки между общим концом и отводом является общей для первичной и вторичной цепей.
При подаче переменного напряжения на полную обмотку в сердечнике возникает переменный магнитный поток, который наводит в каждом витке одинаковую ЭДС. Соответственно, между любыми двумя точками обмотки наводится ЭДС, пропорциональная числу витков между ними. В пренебрежении падениями напряжения на активных сопротивлениях обмотки получаем классическое соотношение:
U1 / U2 = w1 / w2 = K,
U1 / U2 = w1 / w2 = K
где U1 — напряжение, приложенное ко всей обмотке (сетевое); U2 — напряжение, снимаемое с части обмотки на нагрузку; w1, w2 — числа витков соответствующих участков; K — коэффициент трансформации.
Соотношение токов для идеального автотрансформатора зеркально:
I1 / I2 = w2 / w1 = 1/K
Ток в первичной (сетевой) части обмотки меньше тока нагрузки во столько же раз, во сколько раз первичное напряжение больше вторичного.
Особый интерес представляет общая обмотка — участок между отводом и общим выводом. В ней одновременно протекают два тока навстречу друг другу: первичный (направлен от сети к нейтрали) и вторичный (от нагрузки к нейтрали). Ток в общей обмотке равен их разности:
Iобщ = I2 − I1
Если коэффициент трансформации близок к единице (входное и выходное напряжения мало различаются), разность I2 − I1 также мала. Это и позволяет выполнить общий участок обмотки проводом меньшего сечения.
В зависимости от того, к какой части обмотки приложено напряжение сети и с какой снимается напряжение нагрузки, автотрансформатор работает как понижающий или как повышающий:
В обоих случаях коэффициент трансформации определяется отношением чисел витков соответствующих участков; меняется только направление преобразования.
Полная мощность, передаваемая в нагрузку (проходная мощность), у автотрансформатора передаётся двумя путями: часть — электромагнитным способом через сердечник (трансформируемая мощность), часть — непосредственным электрическим путём по общей обмотке (передаваемая прямо, без преобразования). Это разделение позволяет уменьшить размеры магнитопровода и обмоток по сравнению с двухобмоточным трансформатором той же мощности.
Для понижающего автотрансформатора расчётная (типовая, преобразуемая магнитным путём) мощность связана с проходной соотношением:
Sрасч = Sпрох · (1 − U2 / U1) = Sпрох · (1 − 1/K),
Sрасч = Sпрох · (1 − U2 / U1) = Sпрох · (1 − 1/K)
где Sпрох — полная (проходная) мощность нагрузки; Sрасч — расчётная мощность, по которой выбираются сечения проводов общей обмотки и параметры магнитопровода.
При коэффициенте трансформации K = U1/U2 = 220/200 = 1,1 расчётная мощность составит Sрасч = Sпрох · (1 − 1/1,1) ≈ 0,091 · Sпрох. Магнитопровод и медь обмотки рассчитываются всего на ~9 % проходной мощности нагрузки — в этом и состоит главный эффект автотрансформаторной схемы. Чем ближе K к единице, тем выше эта экономия.
K = U1/U2 = 220/200 = 1,1
Sрасч = Sпрох · (1 − 1/1,1) ≈ 0,091 · Sпрох
Если же K сильно отличается от единицы (например, K = 10), то Sрасч ≈ 0,9 · Sпрох, и преимущество перед обычным трансформатором практически исчезает: экономии материалов почти нет, а недостатки автотрансформаторной схемы остаются.
Снижение расхода материалов в автотрансформаторе следует напрямую из принципа работы:
Эти преимущества максимально выражены, когда входное и выходное напряжения близки. При больших коэффициентах трансформации применение автотрансформатора теряет экономический смысл, поэтому такие аппараты ставят там, где смежные классы напряжения сопоставимы по уровню.
Лабораторный автотрансформатор регулировочный (ЛАТР) — это автотрансформатор с подвижным контактом, обеспечивающим плавное (бесступенчатое) изменение коэффициента трансформации. Его конструктивная особенность — то, что вторичный отвод выполнен не в виде фиксированной точки, а в виде скользящего токосъёма, перемещающегося прямо по виткам обмотки.
Полная обмотка постоянно подключена к сети. При перемещении угольной щётки вдоль контактной дорожки меняется число витков w2 между общим выводом и точкой токосъёма. Так как ЭДС на витке постоянна, выходное напряжение меняется пропорционально w2:
U2 = U1 · w2 / w1
Перемещение щётки от одного конца обмотки к другому изменяет w2 от нуля до полного числа витков w1, поэтому выходное напряжение плавно меняется от нулевого значения до напряжения сети. У ряда однофазных исполнений конечный отвод выведен за пределы первичного диапазона, что позволяет получать на выходе напряжение, незначительно превышающее входное.
У ЛАТР, как и у любого автотрансформатора, между сетью и нагрузкой нет гальванической развязки: общий вывод вторичной цепи электрически связан с сетевой нейтралью. Касание любой токоведущей части под выходным напряжением одновременно означает прямой контакт с сетью. Защитные меры по электробезопасности — обязательны, изолировать корпус нагрузки приходится отдельно.
Трёхфазный регулировочный автотрансформатор обычно собирают из трёх однофазных ЛАТР на общем основании, соединённых по схеме «звезда» с выведенной нейтралью. Управление щётками сведено на общую ось — все три щётки перемещаются синхронно, поддерживая симметрию выходных напряжений по фазам.
Преимущества автотрансформаторной схемы достаются не бесплатно. Ниже — ключевые ограничения, которые нужно учитывать при проектировании и эксплуатации:
Силовые трансформаторы общего назначения, включая автотрансформаторы, рассматриваются в действующем межгосударственном стандарте, идентичном международному стандарту общих положений на силовые трансформаторы; этим документом введены актуальные классификации, термины и общие требования. Терминология поясняется межгосударственным терминологическим стандартом на силовые трансформаторы. Действующий межгосударственный стандарт общих технических условий на силовые трансформаторы прямо включает автотрансформаторы в свою область применения, но при этом не распространяется на специальные и регулировочные трансформаторы — для ЛАТР и аналогичных аппаратов нормирование выполняется по техническим условиям производителя.
В эксплуатационной документации конкретного ЛАТР приводятся:
Назначение характеристик и испытания ЛАТР как изделия выполняются производителем по техническим условиям; в сферах, где результаты измерений и испытаний подпадают под государственное регулирование обеспечения единства измерений, дополнительно требуется утверждённый тип средства измерений и периодическая поверка тех приборов, которые применяются совместно с ЛАТР.
Сетевые силовые автотрансформаторы и регулировочные исполнения решают разные задачи, но опираются на один и тот же принцип:
Для бытовой стабилизации напряжения ЛАТР не предназначен: он не реагирует автоматически на изменения сети и требует ручной подстройки оператором.
Это трансформатор с одной общей обмоткой, у которой есть отвод. Сеть подаётся на полную обмотку, а нагрузка снимается с её части. Напряжение на нагрузке меньше сетевого во столько раз, во сколько раз меньше число витков на этой части. Часть мощности передаётся в нагрузку прямо по проводу через общий участок обмотки, часть — через магнитное поле сердечника. За счёт этого аппарат компактнее обычного двухобмоточного трансформатора, но имеет прямую электрическую связь между входом и выходом.
У обычного трансформатора первичная и вторичная обмотки полностью разделены — между ними только магнитная связь. У автотрансформатора первичная и вторичная цепи имеют общий участок обмотки, поэтому связаны и магнитно, и гальванически. Следствие: автотрансформатор экономичнее по меди и стали (особенно при коэффициенте трансформации, близком к единице), но не обеспечивает гальванической развязки.
ЛАТР устроен по той же схеме «общая обмотка с отводом», но вместо неподвижного отвода у него подвижный угольный контакт (щётка), скользящий по зачищенной от изоляции дорожке витков обмотки на тороидальном магнитопроводе. Поворот ручки перемещает щётку и плавно меняет число витков между общим выводом и точкой токосъёма, а значит — и выходное напряжение. У обычного автотрансформатора есть только фиксированные отводы и шаг регулирования.
В общей части обмотки протекает не ток нагрузки, а разность токов сети и нагрузки. При близком к единице коэффициенте трансформации эта разность невелика, поэтому общий участок можно выполнить проводом меньшего сечения. Кроме того, магнитный сердечник рассчитывается не на полную проходную мощность, а только на её часть (расчётную мощность), которая преобразуется индуктивным путём. Чем ближе входное и выходное напряжения, тем заметнее экономия.
Нет. У автотрансформатора нет электрической изоляции между входом и выходом. Если по соображениям безопасности или схемотехники между сетью и нагрузкой требуется развязка (медицинская техника, испытательные стенды с заземлённой нагрузкой, цепи измерительных схем и т. п.), нужен обычный двухобмоточный (или специально разделительный) трансформатор.
Нет. ЛАТР — это регулировочный аппарат, а не стабилизатор. У него нет цепи обратной связи и автоматического исполнительного механизма: при изменении напряжения сети выходное напряжение меняется пропорционально. Для автоматической стабилизации нужны другие устройства (электромеханические стабилизаторы со следящей системой, импульсные источники с регулированием, инверторы и т. п.).
Из тороидального магнитопровода из электротехнической стали, единой медной обмотки, уложенной по всему кольцу с зачищенной от изоляции контактной дорожкой по верхней образующей, подвижной угольной щётки с пружинным прижимом, поворотного привода со шкалой, корпуса и зажимов для подключения. Лабораторные модели часто выпускаются в открытом исполнении, промышленные — в закрытом корпусе с нормированной степенью защиты IP.
Опасно превышать номинальный ток нагрузки, указанный производителем для соответствующего положения щётки. На малых выходных напряжениях задействована малая часть витков обмотки, и плотность тока в проводе вблизи общего вывода может оказаться выше, чем кажется по средней нагрузке. Перегрев приводит к подгоранию изоляции соседних витков и пробою между ними; искрение угольной щётки при перегрузке оплавляет контактную дорожку.
По двум причинам. Во-первых, при сильном отличии напряжений расчётная мощность приближается к проходной — экономия материалов исчезает. Во-вторых, в этом случае на стороне низшего напряжения постоянно присутствует прямая электрическая связь с высоким напряжением: при пробое изоляции или неправильном подключении потребитель окажется под опасным потенциалом. Поэтому автотрансформаторы выгодны и допустимы лишь при близких уровнях напряжения сторон.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.