Автотрансформатор представляет собой особый тип электромагнитного устройства, предназначенного для преобразования значений тока и напряжения, сохраняя при этом неизменными мощность и частоту электрической энергии. В отличие от классического трансформатора, имеющего раздельные первичную и вторичную обмотки, автотрансформатор обладает единой обмоткой. Часть этой обмотки является общей для обеих электрических цепей, что и определяет его ключевые особенности и преимущества.
Принцип работы и конструктивные особенности
Напряжение питания (V1) подается на всю обмотку. Благодаря наличию отвода (ответвления) обмотка делится на две секции. Напряжение на нагрузке (V2) снимается с части витков. Соотношение напряжений V1 и V2 прямо пропорционально количеству витков в соответствующих частях обмотки (W1 и W2). Экономическая эффективность от использования автотрансформатора по сравнению с обычным трансформатором становится максимальной, когда коэффициент трансформации (отношение напряжений) близок к единице. При значительной разнице в количестве витков (например, при больших коэффициентах трансформации) экономия материалов (меди и электротехнической стали) становится несущественной.
Области применения и преимущества
Автотрансформаторы нашли широкое применение в электроэнергетике и промышленности. Они экономически выгодны для соединения электрических сетей с близкими уровнями напряжения, например, линий 110 кВ и 220 кВ. В таких случаях автотрансформатор, по сравнению с двухобмоточным трансформатором аналогичной мощности, обладает более высоким коэффициентом полезного действия (КПД), меньшими габаритами и массой, что снижает затраты на производство и эксплуатацию.
К другим типичным сферам использования относятся:
- Плавный пуск мощных электродвигателей переменного тока (например, с помощью лабораторного автотрансформатора — ЛАТРа).
- Системы релейной защиты и автоматики в электроустановках.
- Регулирование напряжения в различных электротехнических устройствах.
Ограничения и недостатки
Главный конструктивный недостаток автотрансформатора — гальваническая связь (непосредственное электрическое соединение) первичной и вторичной цепей. Это создает потенциальную опасность в эксплуатации. Например, при пробое изоляции в части общей обмотки высокое напряжение из первичной сети может напрямую попасть во вторичную цепь, что представляет угрозу для оборудования и жизни людей.
Именно поэтому автотрансформаторы категорически запрещено применять для значительного понижения напряжения, например, для питания бытовой сети 220 В от высоковольтной линии 6000 В. В таком случае вся низковольтная сеть оказалась бы под опасным для жизни потенциалом, а стоимость ее изоляции стала бы непомерно высокой.
Трехфазные автотрансформаторы
В трехфазных системах обмотки автотрансформаторов, как правило, соединяются по схеме «звезда». Нейтральная точка (ноль) при этом может быть выведена на клеммы или оставаться внутри устройства, в зависимости от конкретных требований схемы и условий эксплуатации.