Автотрансформаторы бывают повышающие и понижающие, однофазные и трехфазные. Применяются они для питания бытовых приборов, пуска асинхронных электрических двигателей, в промышленных электрических сетях. В быту автотрансформаторы используют для регулировки напряжения сети, если оно завышено или занижено. В промышленности с их помощью уменьшают пусковые токи электрических двигателей, повышают напряжение в линиях электропередач для уменьшения потерь.

Чем отличается автотрансформатор от трансформатора

У обычного трансформатора первичные и вторичные обмотки электрически не связаны, энергия между ними передается посредством магнитного поля. Автотрансформатор фактически имеет одну обмотку, от которой отходят выводы. Помимо электромагнитной связи, обмотки автотрансформатора связаны электрически.

Устройство автотрансформатора

В простейшем случае, на замкнутом магнитопроводе располагаются две обмотки соединенные последовательно. В зависимости от варианта подключения источника энергии и нагрузки, автотрансформатор может работать как повышающий или как понижающий.

Существует конструкция, в которой реализован механизм ручного регулирования выходного напряжения (Вариак, ЛАТР). Так же применяются блоки автоматической регулировки с обратной связью, по сути, автотрансформатор с таким устройством можно назвать стабилизатором напряжения.

В автотрансформаторе энергия передается не только магнитным потоком, но и электрически, так как обмотки имеют гальваническую связь. Чем ближе коэффициент трансформации к 1, тем меньше энергии передается электромагнитным способом.

Ниже вы видите схему понижающего автотрансформатора, к первичной обмотке которого подключен источник переменного напряжения, а к выводам вторичной обмотки подключена нагрузка, в виде лампы накаливания.

В режиме холостого хода автотрансформатор работает так, как и обычный трансформатор. Когда подключена нагрузка, переменный магнитный поток возникающий в сердечнике индуктирует в витках вторичной обмотки ЭДС, направленную навстречу ЭДС источника энергии. Поэтому ток протекающий по вторичной обмотке равен разнице между током нагрузки и током первичной цепи. Это позволяет вторичную обмотку изготавливать из провода малого диаметра. Экономия на меди, тем меньше, чем больше коэффициент трансформации отличается от единицы.

Автотрансформатор эффективнее трансформатора и дешевле в изготовлении, при условии, что коэффициент трансформации не сильно отличается от единицы. Существенным недостатком с точки зрения безопасности, является отсутствие гальванической развязки между обмотками.

Для корректировки и изменения показателей напряжения в пределах маленьких значений используются автотрансформаторы. Устройство и принцип действия этих приборов основана на магнитной и гальванической связи между цепями, так как обмотка напряжения низшего входит в обмотку напряжения высшего. В зависимости от того, какая из них включается, происходит незначительное понижение или повышение напряжения.

Устройство и технические характеристики

Сфера применения автотрансформаторов - питание бытовой техники, промышленные электросети, пуск асинхронных электродвигателей. На крупных производственных объектах они необходимы для повышения напряжения и одновременного уменьшения возможных потерь в линиях электропередач. Благодаря особенностям конструкции, оборудование составило серьезную конкуренцию обычным трансформаторам. В зависимости от назначения, устройствам присваивается буквенное наименование:

В преобразователях электромагнитного типа передача энергии между обмотками происходит благодаря возникновению магнитного поля, сосредоточенного внутри магнитопровода. Отличие автотрансформатора от трансформатора заключается в наличии еще и электрической связи. В момент установки уменьшенного тока в той части обмотки, которая является общей между двумя цепями, возникает увеличение или понижение напряжения. По мнению специалистов, такое устройство позволяет сэкономить сталь, сократив ее количество для создания магнитопровода с меньшим сечением.

Большинство других деталей в конструкции практически ничем не отличается от комплектующих трансформатора. Принцип функционирования агрегата заключается в следующем: в момент создания нагрузки по обмотке перемещается электрический поток, а по проводнику - ток первичный. Происходит геометрическое сложение двух потоков, в результате чего на обмотку выдаются совсем малые показатели.

В зависимости от схемы автотрансформатора и других особенностей конструкции выделяют несколько разновидностей оборудования. Наиболее популярными являются 8 из них, остальные встречаются реже. Каждый из них выбирается в соответствии с будущими условиями эксплуатации:

• АТД - оборудование с устаревшей конструкцией мощностью в районе 25 Вт.
• ВУ- 25-Б - позволяет уравнивать токи на вторичной обмотке, если используется схема дифференциальной защиты для силового трансформатора.
• ЛАТР-1 - лабораторный автотрансформатор, который может использоваться при 127 В.
• ЛАТР-2 - предназначен для бытовых сетей с напряжением 220 В, регулирует показатели напряжения контактом, который скользит по виткам обмотки.
• ДАТР-1 - разработан для функционирования в условиях невысокой нагрузки.
• РНО - предназначен для сетей с повышенной нагрузкой.
• АТНЦ - незаменимое оборудование в сфере телеизмерений.
• РНТ - оборудование, рассчитанное на максимально сильные нагрузки в сетях особого назначения.

Кроме того, классификация предполагает деление агрегатов на группы с малой мощностью (не более 1 кВ), средней мощностью свыше 1 кВ и силовые приборы. Использование автотрансформаторов позволяет повысить КПД в работе энергетических систем, а также уменьшить стоимость транспортировки энергии.

Однофазные и трехфазные приборы

В разных отраслях сегодня используются трехфазные и однофазные агрегаты. Последние представлены таким типом оборудования, как ЛАТР (лабораторные автотрансформаторы, рассчитанные на низковольтные сети). В линиях с повышенным напряжением используются понижающие автотрансформаторы, например, 220/100 и 220/110, в которых вторичная обмотка является частью первичной. В конструкциях повышающего типа первичная обмотка - это часть вторичного контура.

Аппараты, представленные с тремя обмотками, являются рабочими элементами высоковольтных сетей. Тип контакта предполагает соединения нулевого провода со звездой, что позволяет понизить напряжение, повысить КПД линии и уменьшить расходы на передачу энергии. Одним из недостатков является увеличение количества токов короткого замыкания.

Недостатки эксплуатации

Несмотря на то что автотрансформатор гораздо эффективнее и дешевле в эксплуатации, чем обычный трансформатор, в его использовании тоже могут возникать проблемы . Одним из серьезных недостатков является невозможность гальванической развязки обмоток.

Незначительный рассеивающийся электрический поток между обмотками может спровоцировать короткое замыкание при внезапных неисправностях и неполадках. Чтобы не спровоцировать нарушение функционирования агрегатов, вторичная и первичная обмотка должны иметь идентичные соединения.

В представленной системе затрудняется сохранение электромагнитного баланса , нормализовать который можно увеличением корпуса оборудования. При большой трансформации диапазона не получится существенная экономия энергоресурсов.

Принцип работы автотрансформатора и его конструктивные особенности не позволяют сделать систему с односторонним заземлением. При ремонте и устранении аварийных ситуаций персонал, обслуживающий оборудование, может подвергаться опасности из-за вероятности возникновения высшего напряжение и на низших обмотках. В таком случае установится соединение всех элементов с высоковольтной частью, а изоляция проводников может оказаться пробитой, что не допускается правилами безопасности.

Для плавной регулировки напряжения переменного тока в различных работах, связанных с электротехникой, служат автотрансформаторы (ЛАТР). Их чаще всего используют для изменения напряжения в бытовых приборах, строительстве.

Автотрансформатор – это один из видов трансформаторов. Две обмотки в этом приборе имеют между собой прямое соединение. Вследствие этого между ними появляются два вида связи, одна из которых электромагнитная, а другая электрическая. Катушка имеет несколько выводов с разными значениями выхода напряжения. Отличие от обычного трансформатора состоит в повышенной эффективности, вследствие частичного изменения мощности.

Конструктивные особенности

Трансформаторами называют электроаппаратуру с наличием более 2-х и более обмоток, которые имеют индуктивную связь, служащую для изменения электроэнергии по напряжению.

Обмотка может быть одна только у автотрансформатора, либо несколько обмоток, охваченных магнитным потоком, намотанных на сердечник с ферромагнитными свойствами, у других трансформаторов.

Сегодня приобрели популярность 1-фазные трансформаторы (ЛАТР). Это лабораторный вариант трансформатора, в котором обе обмотки между собой не изолированы, а имеют прямое соединение, поэтому кроме электромагнитной связи у них имеется электрическая связь. Такая общая катушка оснащена несколькими выводами. На их выходе можно получить разное по величине напряжение.

Принцип работы

Благодаря особенности конструкции автотрансформаторы могут выдавать как пониженное напряжение, так и повышенное. На рисунке показаны схемы автотрансформаторов с понижением и повышением напряжения.

Если подключить источник переменного тока к Х и «а», то создается магнитный поток. В этот момент в витках катушки индуцируется разность потенциалов одинакового значения. В итоге, между Х и «а» появляется ЭДС, равная значению ЭДС 1-го витка, умноженного на число витков обмотки, находящихся в промежутке между этими точками.

При подключении нагрузки потребителя к катушке к клеммам Х и «а», ток вторичной катушки пойдет по участку обмотки между этими точками. Имея ввиду то, что первичный и вторичный токи между собой накладываются друг на друга, между Х и «а» будет проходить незначительный ток.

Из-за такой особенности работы автотрансформатора основную часть обмотки выполняют из провода малого поперечного сечения, что уменьшает его стоимость. Если необходимо изменить напряжение в небольших пределах, то целесообразно применять такие автотрансформаторы (ЛАТР).

Типы автотрансформаторов

Нашли применение несколько типов автотрансформаторов:

• ВУ–25 — Б , служит для сглаживания вторичных токов в защитных схемах трансформаторов.
• АТД — мощность 25 ватт, долгонасыщаемый, имеет старую конструкцию и мало используется.
• ЛАТР — 1 , служит для применения с напряжением 127 вольт.
• ЛАТР — 2 , применяется с напряжением 220 вольт.
• ДАТР — 1 , служит для слабых потребителей.
• РНО – для мощной нагруженности.
• АТЦН применяется в измерительных телеустройствах.

Автотрансформаторы также подразделяют по мощности:

• Малой мощности, до 1000 вольт;
• Средней мощности, свыше 1000 вольт;
• Силовые.

Лабораторные автотрансформаторы

Такой вариант исполнения используют в сетях низкого напряжения для регулировки напряжения в условиях лабораторий. Такие однофазные ЛАТР выполнены из ферромагнитного сердечника в виде кольца, на которое намотан один слой медного провода в изоляции.

В нескольких местах обмотки сделаны выводы в виде ответвлений. Это дает возможность применять такие устройства в качестве автотрансформаторов с возможностью повышения, либо понижения напряжения с неизменным коэффициентом трансформации. Сверху на обмотке выполнена узкая дорожка, на которой очищена изоляция. По ней двигается роликовый или щеточный контакт, позволяющий плавно изменять вторичное напряжение.

Витковых коротких замыканий в таких лабораторных автотрансформаторах не случается, так как ток нагрузки и сети в обмотке направлены навстречу друг другу и близки по значению. Мощности ЛАТР выполняют от 0,5 до 7,5 кВА.

Трехфазные трансформаторы

Кроме других вариантов исполнений существуют еще и трехфазные варианты автотрансформаторов. У них бывает, как три, так и две обмотки.

В них чаще всего соединяют в виде звезды с отдельной точкой нейтрали. Соединение звездой дает возможность понизить напряжение, рассчитанное для изоляции прибора. Для уменьшения напряжения питание подводят к клеммам А, В, С, а выход получают на клеммах а, b, с. Для повышения напряжения все делается наоборот. Такие трансформаторы используют для уменьшения уровня напряжения при запуске мощных электромоторов, а также для регулировки напряжения по ступеням в электрических печах.

Высоковольтные автотрансформаторы применяют в высоковольтных системах сетей. Использование автотрансформаторов оптимизирует эффективность энергетических систем, дает возможность уменьшить стоимость транспортировки энергии, однако при этом способствует повышению токов коротких замыканий.

Режимы работы

• Автотрансформаторный.
• Комбинированный.
• Трансформаторный.

При соблюдении требований эксплуатации автотрансформаторов, в том числе соблюдения контроля температуры масла, он может функционировать длительное время без перегрева и поломок.

Достоинства и недостатки

Можно выделить такие преимущества:

• Преимуществом можно назвать высокий КПД, потому что преобразуется лишь малая часть мощности трансформатора, а это имеет значение, когда напряжения выхода и входа отличаются на малую величину.
• Уменьшенный расход меди в катушках, а также стали сердечника.
• Уменьшенные размеры и вес автотрансформатора позволяют создать хорошие условия перевозки к месту монтажа. Если необходима большая мощность трансформатора, то его можно изготовить в пределах допустимых ограничений габаритов и массы для перевозки на транспорте.
• Низкая стоимость.
• Плавность съема напряжения с подвижного токосъемного контакта, подключенного к обмотке.

Недостатки автотрансформаторов:

• Чаще всего катушки подключают звездой с нейтралью, которая заземлена. Соединения по другим схемам также возможны, но при их выполнении возникают неудобства, вследствие чего используются редко. Производить заземление нейтрали необходимо через сопротивление, либо глухим методом. Но нельзя забывать, что сопротивление заземления не должно допускать превышения разности потенциалов на фазах в тот момент, когда какая-либо одна фаза замкнула накоротко на землю.
• Повышенный потенциал перенапряжений во время грозы на входе автотрансформатора делает необходимым монтаж разрядников, которые не отключаются при выключении линии.
• Электрические цепи не изолированы друг от друга (первичная и вторичная).
• Зависимость низкого напряжения от высокого, вследствие чего сбои и скачки высокого напряжения оказывают влияние на стабильность низкого напряжения.
• Низкий поток рассеивания между первичной и вторичной обмоткой.
• Изоляцию обеих обмоток приходится выполнять для высокого напряжения, так как присутствует электрическая связь обмоток.
• Нельзя применять автотрансформаторы на 6-10 киловольт в качестве силовых с уменьшением напряжения до 380 вольт, потому что к такому оборудованию имеют доступ люди, а вследствие аварии напряжение с первичной обмотки может попасть на вторичную.

Применение

Автотрансформаторы имеют широкую область использования в разных сферах деятельности человека:

• В устройствах малой мощности для настройки, питания и проверки промышленного и бытового электрооборудования, приборов автоматического управления, в лабораторных условиях на стендах (ЛАТРы), в устройствах и приборах связи и т.д.
• Силовые варианты исполнений 3-фазных автотрансформаторов применяют для снижения тока запуска электродвигателей.
• В энергетике мощные образцы автотрансформаторов применяют для осуществления связи сетей высокого напряжения с близкими по напряжению сетями. Коэффициент трансформации в таких устройствах обычно не превосходит 2 – 2,5. Чтобы изменять напряжение в еще больших размерах, требуются другие устройства, а применение автотрансформаторов становится нецелесообразным.
• Металлургия.
• Коммунальное хозяйство.
• Производство техники.
• Нефтяное и химическое производство.
• Учебные заведения применяют ЛАТРы для показа опытов на уроках физики и химии.
• Стабилизаторы напряжения.
• Вспомогательное оборудование к станкам и самописцам.

Как выбрать автотрансформатор

Для начала определите, где будет использоваться автотрансформатор. Если для испытаний силового оборудования на предприятии, то необходима одна модель, а для питания автомагнитолы во время ремонта, то совсем иная. При выборе лучше следовать некоторым советам:

• Мощность . Необходимо рассчитать нагрузку всех потребителей. Их общая мощность не должна быть больше мощности автотрансформатора.
• Интервал регулировки . Этот параметр зависит от действия прибора, то есть, на повышение или на понижение. Чаще всего приборы относятся к виду с понижением напряжения.
• Напряжение питания . Если вы хотите подключить автотрансформатор к домашней сети, то лучше приобрести прибор на 220 вольт, а если для 3-фазной сети, то на 380 вольт.

С таким прибором вы можете изменить значения напряжения сети и выставить те значения, которые нужны для конкретного вида нагрузки.

Для питания различного электрооборудования применяют повышающие и понижающие трансформаторы. Одни приборы требуют напряжение 220 вольт, другие 380 вольт, 110, 127 и т. д. Для понижения напряжения высоковольтных ЛЭП также применяют мощные трансформаторы.

В общем виде, трансформатор представляет собой прибор статического типа, содержащий две или более обмоток, намотанные на шихтованный магнитопровод - сердечник. В процессе работы трансформатора, обмотки пересекаются общим переменным магнитным потоком, и по закону электромагнитной индукции Фарадея, в них наводится ЭДС. Обмотка, включаемая в цепь источника называется первичной, а обмотка, включаемая в цепь потребителя — вторичной. Вторичная обмотка может быть одна или их может быть несколько, в зависимости от назначения конкретного трансформатора.

Наряду с описанной конструкцией, встречаются и так называемые автотрансформаторы, у которых часть первичной обмотки используется в качестве вторичной (понижающий автотрансформатор), или часть вторичной в качестве первичной (повышающий автотрансформатор), то есть гальваническая развязка между первичной и вторичной обмотками отсутствует. Автотрансформаторы относятся к трансформаторам специального назначения, и применяются там, где применение обычных трансформаторов нерентабельно или неудобно.

Обмотка автотрансформатора имеет несколько (три или более) выводов, это дает возможность выбрать способ подключения, и получить требуемый коэффициент трансформации. По этой причине автотрансформаторы применяют там, где нужно менять напряжение в небольших пределах. Наиболее широко автотрансформаторы применяются в системах электроснабжения, требующих плавной регулировки напряжения сети.

При использовании автотрансформаторов в высоковольтных сетях (150кВ и более) особенно отмечается их экономичность по сравнению с обычными трансформаторами: меньшие активные потери, меньшие габариты, более высокий КПД, в силу преобразования лишь части мощности. Значительная экономия материалов, меди и трансформаторной стали, сказывается на снижении веса трансформатора и его стоимости.

Применяют автотрансформаторы и для щадящего пуска мощных электродвигателей, когда в момент старта подают напряжение ниже номинального, а затем, когда двигатель набрал приемлемые обороты — на обмотки подают полное напряжение. Это продлевает жизнь двигателю и немало .

Особенность процесса преобразования в автотрансформаторе также заслуживает внимания. Первичный и вторичный токи, как известно, имеют противоположное направление, и проходя по общей части обмотки они суммируются, создавая меньший результирующий ток. Таким образом, общий участок обмотки может быть выполнен проводом меньшего сечения, это и приводит к экономии меди, особенно при малом коэффициенте трансформации (близком к единице). В остальном, расчеты относительно коэффициента трансформации аналогичны обычному трансформатору, где за основу берется соотношение числа витков.

Единственный недостаток автотрансформатора - отсутствие изоляции между обмотками, поэтому его в обычном виде не применяют в быту. Для промышленных же сетей, это вовсе не недостаток, поскольку там нулевой провод всегда заземляется.

Особенной разновидностью автотрансформатора представляется лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), обладающий возможностью плавной и точной регулировки выходного напряжения. Это становится возможным, благодаря применению в качестве сердечника тороидального магнитопровода, на который навита обмотка с неизолированной дорожкой, по которой при настройке скользит угольная щетка, таким образом регулируется количество витков, составляющих вторичную обмотку.

В однофазных ЛАТРах напряжение изменяется от 0 до 250 вольт, в трехфазных — от 0 до 450 вольт. ЛАТРы применяются в лабораториях при осуществлении наладочных работ.

Трансформатор являет собой электрическое устройство, которое передает электрическую энергию между двумя или более цепями посредством электромагнитной индукции. Его принцип действия заключается в том, что переменный ток в одной катушке трансформатора создает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует переменную электродвижущую силу (ЭДС) или «напряжение» во второй катушке.

На сегодняшний день существует немало различных типов трансформаторов. Наиболее часто встречающимися типами в промышленности являются силовые трансформаторы и распределительные трансформаторы. Иногда их путают, поэтому в данном материале постараемся ответить на вопрос, чем силовые трансформаторы отличаются от распределительных.

Если говорить коротко, то те трансформаторы, которые установлены в конечной или принимающей точке длинной высоковольтной линий электропередач, являются силовыми трансформаторами. А распределительные трансформаторы – это те устройства, которые установлены рядом с терминалами нагрузки (например, город или село), чтобы обеспечить использование напряжения на потребительских терминалах. Ниже приведены некоторые дополнительные различия между силовыми и распределительными трансформаторами.

• Силовые трансформаторы используются в сети передачи с более высоким напряжением для повышения и понижения напряжения (400 кВ, 200 кВ, 110 кВ, 66 кВ, 33 кВ) и, как правило, имеют номинальное значение свыше 200 МВА (мега вольт ампер)
• Распределительные трансформаторы используются для распределительных сетей с низким напряжением в качестве средства для подключения конечных пользователей. (11 кВ, 6,6 кВ, 3,3 кВ, 440 В, 230 В) и обычно имеют номинальное значение менее 200 МВА
• Силовой трансформатор обычно имеет одну первичную обмотку и одну вторичную обмотку, а также один вход и выход. Распределительный трансформатор может иметь одну первичную обмотку и одну разделенную вторичную обмотку или две или более вторичных обмоток.
• Силовые трансформаторы, как правило, работают при почти полной нагрузке. Однако распределительный трансформатор работает при легких нагрузках в течение большей части дня.
• Производительность силовых трансформаторов обычно анализируется коммерческой или максимальной эффективностью, поскольку они рассчитаны на максимальный КПД при полной нагрузке. Принимая во внимание, что производительность распределительного трансформатора оценивается по эффективности суточного времени работы трансформатора, поскольку они рассчитаны на максимальный КПД при нагрузке 60-70%, поскольку они обычно не работают при полной нагрузке в течение всего дня.
• В силовых трансформаторах плотность потока выше, чем в распределительных трансформаторах.
• В силовых трансформаторах первичная обмотка всегда подключена в звезду и вторичная обмотка имеет соединение в виде треугольника, в то время как в распределительных трансформаторах, первичная обмотка соединена в треугольник, а вторичная в звезду.
• В подстанции на конце линии передачи подключение силового трансформатора представлено в виде «звезда-треугольник» (чтобы понизить уровень напряжения).
• В начале линии передачи подключение силового трансформатора принимает вид «треугольник-звезда» (для повышения напряжения).