Что такое автотрансформатор? Определение, типы и применение

An автотрансформатор является разновидностью электрический трансформатор в котором для передачи электрической энергии между цепями используется единая непрерывная обмотка. В отличие от обычного трансформатора с отдельными первичной и вторичной обмотками, автотрансформатор использует одну и ту же обмотку как для входа, так и для выхода. Такая конструкция делает его более компактным, лёгким и эффективным для применения в случаях, когда электрическая изоляция между цепями не требуется.

Независимо от того, встретится ли он вам на подстанции электропередачи, в панели пуска электродвигателя или в лабораторном источнике переменного напряжения с регулируемым напряжением, автотрансформатор является одним из самых практичных и широко используемых типов трансформаторов в электротехнике. В данном руководстве объясняется, как он работает, какие существуют типы, чем он отличается от обычных трансформаторов и какое место он занимает в реальных системах.

Что такое автотрансформатор?

Автотрансформатор — это трансформатор с одной обмоткой, намотанной на ламинированный магнитный сердечник. Термин “авто” происходит от греческого слова, означающего “сам” — единственная обмотка воздействует на саму себя, а не зависит от двух отдельных катушек. Обмотка имеет как минимум три вывода: два концевых вывода и одну или несколько точек отбора напряжения вдоль катушки.

Основное отличие заключается в том, что первичная и вторичная цепи частично используют один и тот же путь тока. Передача энергии осуществляется как посредством электромагнитной индукции (через сердечник), так и посредством прямой электропроводности (через общий участок обмотки). Именно этот двойной механизм обеспечивает автотрансформатору преимущества в плане эффективности и компактности.

Поскольку между входом и выходом отсутствует гальваническая развязка, автотрансформатор подходит не для всех случаев применения. Однако в тех случаях, когда развязка не требуется — и соотношение напряжений находится в приемлемом диапазоне, — он превосходит обычный трансформатор с двумя обмотками аналогичной мощности по стоимости, габаритам и КПД.

Как работает автотрансформатор?

Принцип работы автотрансформатора основан на тех же законах электромагнетизма, что и у любого трансформатора: переменный ток в обмотке создает изменяющийся магнитный поток в сердечнике, который наводит в обмотке напряжение, пропорциональное количеству витков.

Отличительной особенностью автотрансформатора является способ расположения входных и выходных выводов на одной обмотке. Путем выбора различных точек отбора напряжение на одном и том же физическом устройстве можно повышать, понижать или регулировать.

Принцип однообмоточного устройства

Представьте себе однокатушечную обмотку с 200 витками, подключенную к источнику переменного напряжения 240 В. Вся обмотка пропускает входной ток и создает магнитное поле. Если подключить нагрузку только к 100 виткам этой же обмотки, наведенное напряжение на этом участке составит 120 В — половину входного напряжения.

Часть обмотки, по которой протекают как входной, так и выходной токи, называется общая обмотка. Оставшаяся часть, по которой протекает только первичный или вторичный ток, представляет собой серийная обмотка. В понижающей схеме последовательная обмотка расположена между входной клеммой и точкой отбора. В повышающей схеме последовательная обмотка проходит от точки отбора до дальнего конца катушки.

Конфигурация с повышением напряжения против конфигурации с понижением напряжения

Автотрансформатор может работать как повышающее или понижающее устройство, что полностью зависит от того, куда подается входное напряжение и откуда берется выходное.

Отношение напряжений рассчитывается по той же формуле, что и для всех трансформаторов: V_наружу / V_в = N_наружу / N_в. Разница заключается в том, что оба V_в и V_наружу используют одну и ту же часть физического проводника.

Типы автотрансформаторов

Автотрансформаторы бывают нескольких типов, каждый из которых оптимизирован для определенного класса применения. Знание типов поможет вам подобрать устройство, подходящее именно для вашей задачи.

Автотрансформаторы с фиксированным коэффициентом трансформации

Автотрансформатор с фиксированным коэффициентом преобразования имеет постоянно заданные отводы, которые обеспечивают определенное выходное напряжение при заданном входном. Такие автотрансформаторы наиболее широко используются в оборудовании для преобразования напряжения. Например, устройство с коэффициентом преобразования 2:1 преобразует входное напряжение 240 В в выходное напряжение 120 В без необходимости настройки со стороны пользователя.

Агрегаты с фиксированным передаточным числом широко используются в промышленном оборудовании, при преобразовании напряжения в бытовой технике, а также в распределительных трансформаторах, где соотношение входного и выходного напряжений остается стабильным. Они отличаются простотой конструкции, надежностью и отсутствием движущихся частей. Для проектов, требующих компактного повышающего или понижающего преобразования в диапазоне коэффициента 3:1, автотрансформатор с фиксированным коэффициентом трансформации часто является наиболее экономически выгодным вариантом.

Регулируемые автотрансформаторы (Variac)

Автотрансформатор с переменным выходом заменяет фиксированные точки отбора напряжения на скользящую угольную щетку, которая перемещается вдоль обмотки, обеспечивая плавную регулировку выходного напряжения в диапазоне от нуля до значения, немного превышающего входное напряжение. Наиболее известным брендом данной конструкции является Вариак, хотя многие производители выпускают их под разными торговыми марками.

Автотрансформаторы с переменным коэффициентом трансформации незаменимы в испытательных лабораториях, научно-исследовательских центрах, ремонтных мастерских и учебных заведениях, где оборудование необходимо тестировать в диапазоне входных напряжений. Они также используются для регулировки яркости освещения, управления нагревательными приборами и регулировки скорости вращения двигателей в тех случаях, когда искажение формы сигнала, вызванное электронными контроллерами, недопустимо.

Трехфазные автотрансформаторы

Для промышленных энергосистем, работающих на трехфазном переменном токе, автотрансформаторы могут изготавливаться в трехфазном исполнении. Как правило, в них используются три однофазных автотрансформатора, соединенных по схеме «звезда» (Y) или «треугольник» (Δ), либо один трехветвистый сердечник с общими обмотками.

Трехфазные автотрансформаторы широко используются при пуске электродвигателей, распределении электроэнергии и соединении линий электропередачи, работающих на разных уровнях напряжения — например, при соединении системы 132 кВ с сетью 66 кВ. Их компактные размеры и высокий КПД делают их привлекательными для применения в системах большой мощности, где коэффициент трансформации напряжения невысок.

Автотрансформатор и обычный трансформатор

Выбор между автотрансформатором и обычным трансформатором с двумя обмотками зависит от требований вашей системы к изоляции, коэффициенту трансформации, отказоустойчивости и бюджету. В приведенной ниже таблице представлено сравнение этих устройств по наиболее важным критериям.

Чтобы подробнее узнать о том, чем автотрансформаторы отличаются от другого распространенного типа трансформаторов, ознакомьтесь с нашей Сравнение автотрансформатора и управляющего трансформатора.

Преимущества автотрансформаторов

Широкое применение автотрансформаторов в энергосистемах и промышленном оборудовании обусловлено рядом очевидных преимуществ:

• Компактные размеры и меньший вес. Поскольку мощность передается только по одной обмотке, для автотрансформатора требуется меньше меди и меньший магнитный сердечник. При соотношении напряжений около 2:1 размеры автотрансформатора могут быть на 50% меньше, чем у эквивалентного трансформатора с двумя обмотками.
• Более высокая эффективность. Снижение потерь в меди (меньшее количество материала обмотки) и уменьшение потерь в сердечнике (меньший размер сердечника) обеспечивают коэффициент полезного действия на уровне 98% или выше в агрегатах энергетического назначения. Меньшие потери энергии в виде тепла также означают снижение требований к охлаждению.
• Более низкая стоимость. Меньшее количество меди, меньший объем стальной сердцевины и более простой процесс производства напрямую приводят к снижению цены за единицу продукции. Для покупателей в сегменте B2B и проектов OEM это преимущество в стоимости растет пропорционально объему заказов.
• Более точное регулирование напряжения. Благодаря более низкому реактивному сопротивлению утечки в конструкции с одной обмоткой выходное напряжение при изменении нагрузки остается ближе к номинальному значению, что является важным преимуществом при использовании в системах распределения электроэнергии и при пуске двигателей.
• Более высокая мощность на единицу объёма. При одинаковых габаритных размерах автотрансформатор способен выдерживать более высокую номинальную мощность в кВА, чем обычный трансформатор.
• Плавная регулировка мощности. Регулируемые автотрансформаторы обеспечивают чистое, плавно регулируемое переменное напряжение без искажений формы сигнала, характерных для электронных диммеров или тиристорных контроллеров.

Недостатки и ограничения

Конструкция автотрансформатора также имеет ряд существенных ограничений, определяющих, в каких случаях его не следует использовать:

• Отсутствует электрическая изоляция. Вход и выход имеют общий прямой проводящий путь. Любой сбой, скачок напряжения или переходный процесс напряжения на одной стороне проявляется и на другой. Это является главной причиной, по которой автотрансформаторы не используются в системах изоляции, критичных с точки зрения безопасности, таких как медицинское оборудование или бытовые источники питания.
• Риск выхода из строя обмотки. В случае обрыва или разрыва общей ветви обмотки на выходных клеммах при малой нагрузке может появиться полное входное напряжение. Это создает серьезную угрозу безопасности и может привести к повреждению оборудования.
• Ограниченное соотношение напряжений. Преимущества в плане стоимости и габаритов уменьшаются по мере увеличения соотношения входного и выходного напряжений. При соотношении более или менее 3:1 более целесообразным выбором становится обычный трансформатор.
• Более высокие токи короткого замыкания. Более низкое внутреннее сопротивление означает, что токи короткого замыкания могут быть значительно выше, чем в трансформаторе с двумя обмотками. Размеры устройств защиты должны рассчитываться с учетом этого.
• Не для постоянного тока. Как и все трансформаторы, работающие на основе электромагнитной индукции, автотрансформаторы не могут повышать или понижать напряжение постоянного тока.
• Общие ограничения, связанные с нейтралитетом. В трехфазных автотрансформаторах с соединением «звезда» точка нейтрали является общей. Невозможно независимо заземлить или изолировать нейтрали первичной и вторичной обмоток.

Распространенные области применения автотрансформаторов

Автотрансформаторы используются во всех областях, охватывающих весь диапазон напряжений — от бытовой электроники до высоковольтных линий электропередачи.

Для промышленных покупателей и дистрибьюторов, повышающие и понижающие автотрансформаторы Серии STU и DT удовлетворяют большинству требований в области преобразования напряжения, пуска двигателей и согласования мощности оборудования и имеют сертификаты CE и IC.

Автотрансформатор представляет собой практичное, эффективное и экономичное решение для преобразования напряжения, пуска двигателей, соединения энергосистем и проведения лабораторных испытаний — в любых ситуациях, когда электрическая изоляция не является обязательным требованием. Его конструкция с одной обмоткой обеспечивает более высокий КПД при меньших габаритах по сравнению с традиционным трансформатором с двумя обмотками той же номинальной мощности. Если вам нужна помощь в выборе автотрансформатора, подходящего для вашей задачи, Ознакомьтесь с нашим руководством по выбору или свяжитесь с нашей инженерной командой чтобы обсудить ваши требования.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

В чём заключается разница между автотрансформатором и обычным трансформатором?

В автотрансформаторе используется одна обмотка, общая для входа и выхода, тогда как в обычном (традиционном) трансформаторе имеются две электрически разделённые обмотки — первичная и вторичная. Автотрансформатор меньше по размеру, дешевле и эффективнее, но не обеспечивает гальваническую развязку. Обычный трансформатор обеспечивает гальваническую развязку между цепями, что делает его более безопасным для применений, где выход должен быть электрически отделен от входа.

Обеспечивает ли автотрансформатор изоляцию?

Нет. Автотрансформатор не обеспечивает гальваническую развязку. Входная и выходная цепи электрически соединены через общую обмотку. Для применений, требующих развязки — таких как медицинские устройства, цепи безопасности или бытовые источники питания — вместо него необходимо использовать обычный трансформатор с двумя обмотками или трансформатор развязки.

Можно ли использовать автотрансформатор как для повышения, так и для понижения напряжения?

Да. Один и тот же автотрансформатор может работать в любом из этих режимов в зависимости от схемы подключения входа и выхода. Многие серийные устройства рассчитаны и маркированы для работы в обоих направлениях. Однако всегда следует проверять технические характеристики производителя, так как некоторые устройства оптимизированы для работы в конкретном направлении.

Каково максимальное соотношение напряжений для автотрансформатора?

На практике автотрансформаторы наиболее экономически эффективны при коэффициентах трансформации напряжения до примерно 3:1. За пределами этого диапазона экономия на материалах снижается, а отсутствие электрической изоляции становится все труднее оправдать. Для очень высоких коэффициентов повышения или понижения напряжения стандартным выбором является обычный трансформатор с двумя обмотками.

Почему автотрансформаторы более эффективны, чем обычные трансформаторы?

Автотрансформаторы обеспечивают более высокий КПД, поскольку в них используется меньше меди (меньший I²(потери R) и меньший магнитный сердечник (меньшие потери на гистерезис и вихревые токи), чем у трансформатора с двумя обмотками аналогичной номинальной мощности. Кроме того, часть мощности передается за счёт прямой электрической проводимости, а не только за счёт магнитной связи, что ещё больше снижает потери.

Что такое «Вариак»?

«Variac» — это торговое название автотрансформатора с плавной регулировкой, обеспечивающего плавную регулировку выходного переменного напряжения. В его конструкции используется поворотная ручка, соединенная с подвижной угольной щеткой, которая перемещается по открытой поверхности обмотки, что позволяет пользователю устанавливать любое напряжение в диапазоне от нуля до значения, немного превышающего сетевое напряжение. Устройства Variac широко используются в лабораториях, ремонтных мастерских и на производственных испытательных участках.

Может ли автотрансформатор преобразовывать постоянное напряжение?

Нет. Автотрансформаторы, как и все трансформаторы, работают по принципу электромагнитной индукции, для которой необходимо изменяющееся магнитное поле, создаваемое переменным током. Напряжение постоянного тока не создает изменяющегося магнитного потока, необходимого для индукции. Для преобразования напряжений постоянного тока требуется преобразователь постоянного тока в постоянный или комбинация инвертора и выпрямителя.