Автотрансформатор – это трансформатор, в котором первичная и вторичная обмотки объединены в общую электрическую цепь. Следовательно, число обмоток автотрансформатора вдвое меньше , чем число обмоток трансформатора; в однофазном автотрансформаторе – одна , а в трехфазном – три (на каждую фазу по одной). Таким образом добиваются уменьшения массы, размеров и стоимости автотрансформатора.

На рисунке №1 приведены схемы однофазного (а) и трехфазного (б) автотрансформаторов. Подобную схему имеет например, вольтодобавочный автотрансформатор ЛТМ (400 кВА, 10 кВ и 630 кВА, 35 кВ) с шестью ступенями переключения напряжения, причем каждая ступень изменяет напряжение на 2,5 %.

Если автотрансформатор по схеме а понижающий, то первичную обмотку образуют все витки, к которым подведено напряжение U₁ сети. При этом каждый виток окажется под напряжением

(1),

где w₁ – число витков, включенных в сеть.

Вторичное напряжение U₂ пропорционально числу витков w₂ , с которых снимает напряжение:

Таким образом, при холостом ходе, когда потери напряжения на обмотках ничтожны, справедливо соотношение

(2),

Значит напряжение, снимаемое с автотрансформатора, есть доля первичного сетевого напряжения.

В режиме нагрузки ток вторичной обмотки по правилу Ленца ослабляет своим магнитным потоком магнитный поток первичной обмотки. Поэтому ток I₂ направлен противоположно току I₁ и в общей обмоток он равен разности токов I₁-I₂ . Такое же противоположное направление имеют токи в обычном трансформаторе. Соотношение между токами, как отмечалось в разделе “Трансформатор”,

(3),

Поэтому общую часть обмотки автотрансформатора можно изготовить из провода меньшего сечения (когда коэффициент трансформации k2).

Основное преимущество автотрансформаторов перед трансформаторами – меньший расход меди и стали. Уменьшаются также тепловые потери в железе и меди. Однако автотрансформаторам свойственны и существенные недостатки. Изоляция их рассчитывается на наибольшее напряжение, так как обмотки соединены между собой, и поэтому стоимость ее высока. Выполнение условий безопасности усложняется, ибо если первичное напряжение высокое, то витки вторичной обмотки будут находиться под высоким потенциалом. Поэтому автотрансформаторы применяют, например, в тех случаях, когда необходимо преобразовать напряжение в небольших пределах. При высоких напряжениях автотрансформаторы выгоднее использовать там, где требуется изменять напряжение в 1,5 …2 раза, а при низких – не более чем в 3 раза. Лабораторные автотрансформаторы (ЛАТР) применяют в лабораторной практике для плавного регулирования напряжения U₂ от 0 до 250 В.

Трехфазные автотрансформаторы часто вводят в схемы пуска мощных двигателей переменного тока при пониженных токах. Сеть присоединяют к зажимам А,В,С а двигатель в момент пуска – к зажимам а,b,с. После того как двигатель разовьет достаточную скорость вращения, его быстро переключают на сеть, а автотрансформатор отключают.

В отличии от трансформатора в автотрансформаторе для преобразования напряжения используется не только магнитная связь, но и их прямое или встречное последовательное соединение. Принципиальные схемы однофазного автотрансформатора и соединения его первичных обмоток показаны на рис.№2.

В случаях рис.№2 а и б в процессе преобразования напряжение повышается, в случаях в и г - понижается. В силовых автотрансформаторах обычно применяются схемы с прямым включением обмоток (рис.№2 а и г). Схемы с обратным включением обмоток (рис.№2 б и в) используются только при регулировании напряжения путём реверсирования регулировочной обмотки.

Как было сказано выше, на преобразование напряжения при помощи автотрансформаторов затрачивается меньше активных материалов, чем на преобразование обычным трансформатором. Это снижает также потери мощности, связанные с процессом преобразования. По расходу активных материалов и снижению потерь применение автотрансформаторов тем выгоднее, чем меньше напряжение U отличается от напряжения U. При расчёте двухобмоточного автотрансформатора следует исходить из его расчётной мощности

S_P = U₁I₁ = U₂I₂, отнесённой к одной фазе. Например, в случае если требуется повысить ( или понизить ) напряжение в 2 раза, расчётная мощность автотрансформатора должна быть равна половине его номинальной мощности.

При расчёте трёхобмоточного автотрансформатора следует исходить из условий его работы (повышение или понижение напряжения) и мощностей отдельных обмоток

S₁ = U₁I₁, S₂ = U₂I₂, S₃ = U₃I₃.

В этом случае расчётная типовая мощность одной фазы автотрансформатора будет:

Основное преимущество автотрансформаторов перед трансформаторами – его меньшая стоимость – сказывается тем сильнее, чем ближе отношение U/U к единице.

Основным недостатком автотрансформатора, вытекающим из наличия электрической связи его обмоток, является возможность появление высокого напряжения на стороне НН.

Силовые автотрансформаторы получили широкое применение для связи сетей близких напряжений, например 110 и 220, 220 и 500 кВ и т.п. В этих случаях они выполняются на значительные мощности нагрузки , доходящие до 500 МВА и выше. Мощные автотрансформаторы изготавливаются как в однофазном исполнении, так и в трёхфазном исполнении. В автотрансформаторах, предназначенных для трёхфазных сетей, помимо двух основных обмоток, имеющих автотрансформаторную связь и соединение по схеме звезда с заземлённой нейтралью, предусматриваются дополнительные обмотки, обычно низшего напряжения, соединённые треугольником. Наличие таких обмоток приводит к выравниванию фазных напряжений при несимметричной нагрузке, а также устраняет появление в фазных напряжениях основных обмоток ЭДС тройной частоты. Номинальная мощность обмотки НН составляет 0т 20 до 50 % номинальной (проходной) мощности автотрансформатора. Наиболее широкое применение в сетях высокого напряжения получили трёхобмоточные автотрансформаторы, у которых обмотки ВН и СН соединены последовательно (в звезду) и образуют автотрансформатор, а обмотка НН, соединённая в треугольник, не имеет электрической связи с двумя другим обмотками.

В автотрансформаторах различают:

- электромагнитную мощность – мощность, передаваемую автотрансформатором из одной сети в другую с помощью электромагнитной индукции, равную мощности общей или последовательной обмотки автотрансформатора;

- электрическую мощность – мощность, непосредственно передаваемую автотрансформатором из одной сети в другую электрическим путём благодаря гальванической связи между соответствующими обмотками, равную произведению напряжения общей обмотки на ток последовательной обмотки автотрансформатора и коэффициент, учитывающий число фаз;

- проходную мощность – мощность, передаваемую автотрансформатором из одной сети в другую, равную сумме его электромагнитной и электрической мощностей.

Номинальная мощность автотрансформатора – номинальная проходная мощность обмоток, имеющих общую часть (под обмотками понимаются обмотки ВН и НН в двухобмоточных автотрансформаторах и обмотки СН и ВН в трёхобмоточном автотрансформаторе).

Автотрансформаторы имеют меньшее индуктивное сопротивление, чем двухобмоточный трансформатор, и поэтому в меньшей степени ограничивает токи КЗ.

U_K,HOM = u_K (%)

v= 1 – 1/n

n = W_AX/W_ax – коэффициент автотрансформации.