Autotransformátor: Co to je? (Definice, teorie a schéma)

Co je to autotransformátor?

Autotransformátor (neboli autotransformátor) je typ elektrického transformátoru s jedním vinutím. Předpona „auto“ se vztahuje k jediné cívce, která působí sama (řecky „sama“) – nikoli k jakémukoli automatickému mechanismu. Autotransformátor je podobný transformátoru se dvěma vinutími, ale liší se způsobem, jakým jsou primární a sekundární vinutí transformátoru vzájemně propojena.

Teorie autotransformátoru

V autotransformátoru je jedno jediné vinutí použito jako primární vinutí i jako sekundární vinutí. Ve dvouvinutém transformátoru se však pro primární i sekundární účel používají dvě různá vinutí. Schéma zapojení autotransformátoru je uvedeno níže.

Vinutí AB o celkovém počtu závitů N1 se považuje za primární vinutí. Toto vinutí je odbočeno z bodu ′C′ a část BC je považována za sekundární. Předpokládejme, že počet závitů mezi body ′B′ a ′C′ je N2.

Přiložíme-li napětí V1 na vinutí, tj. mezi body ′A′ a ′C′.

Z toho plyne, že napětí na části BC vinutí bude,

Jelikož část BC vinutí považujeme za sekundární, lze snadno pochopit, že hodnota konstanty ′k′ není nic jiného než poměr otáček nebo poměr napětí tohoto autotransformátoru. Když se mezi sekundární svorky, tj. mezi ′B′ a ′C′, připojí zátěž, začne protékat zátěžový proud I2. Proud v sekundárním vinutí nebo ve společném vinutí je rozdílem I2 a I1.

Úspora mědi v autotransformátoru

Nyní se budeme zabývat úsporou mědi v autotransformátoru ve srovnání s běžným transformátorem se dvěma vinutími.
Víme, že hmotnost mědi jakéhokoli vinutí závisí na jeho délce a ploše průřezu. Délka vodiče ve vinutí je opět úměrná jeho počtu závitů a plocha průřezu se mění se jmenovitým proudem.
Takže hmotnost mědi ve vinutí je přímo úměrná součinu počtu závitů a jmenovitého proudu vinutí.

Tedy hmotnost mědi v úseku AC úměrná,

a podobně hmotnost mědi v úseku BC úměrná,

Tedy celková hmotnost mědi ve vinutí autotransformátoru úměrná,

Podobně lze dokázat, že hmotnost mědi ve dvou vinutích transformátoru je úměrná,

N1I1 + N2I2 ⇒ 2N1I1 (Protože, v transformátoru N1I1 = N2I2)
Předpokládejme, že Wa a Wtw jsou hmotnosti mědi v autotransformátoru, resp. ve dvouvinutém transformátoru,

∴ Úspora mědi v autotransformátoru ve srovnání s dvouvinutým transformátorem,


Autotransformátor využívá pouze jedno vinutí na fázi oproti dvěma zřetelně odděleným vinutím v běžném transformátoru.

Výhody použití autotransformátoru

Mezi výhody autotransformátoru patří:

1. Při transformačním poměru = 2 by velikost autotransformátoru činila přibližně 50 % odpovídající velikosti transformátoru se dvěma vinutími. Pro transformační poměr řekněme 20 by však velikost činila 95 %. Úspora nákladů na materiál samozřejmě není ve stejném poměru. Úspora nákladů je znatelná při nízkém transformačním poměru, tj. nižším než 2. Automatický transformátor je tedy menší a levnější.
2. Automatický transformátor má vyšší účinnost než dvouvinutý transformátor. Důvodem jsou menší ohmické ztráty a ztráty v jádře v důsledku zmenšení materiálu transformátoru.
3. Autotransformátor má lepší regulaci napětí, protože úbytek napětí v odporu a reaktanci jednoho vinutí je menší.

Nevýhody použití autotransformátoru

Mezi nevýhody autotransformátoru patří:

1. Vzhledem k elektrické vodivosti primárního a sekundárního vinutí je obvod nižšího napětí vystaven působení vyššího napětí. Aby se zabránilo průrazu v obvodu nižšího napětí, je nutné obvod nízkého napětí navrhnout tak, aby vydržel vyšší napětí.
2. Svodový tok mezi primárním a sekundárním vinutím je malý, a proto je impedance nízká. To má za následek větší zkratové proudy při poruchových stavech.
3. Připojení na primární a sekundární straně musí být nutně stejné, s výjimkou použití propojených hvězdicových spojů. To přináší komplikace kvůli změně fázového úhlu primáru a sekundáru zejména v případě zapojení delta/trojúhelník.
4. Vzhledem ke společnému nulovému vodiči v autotransformátoru zapojeném do hvězdy/hvězdy není možné uzemnit nulový vodič pouze jedné strany. Obě jejich strany by měly mít svou neutralitu buď uzemněnou, nebo izolovanou.
5. Je obtížnější udržet elektromagnetickou rovnováhu vinutí, pokud jsou k dispozici odbočky pro nastavení napětí. Je třeba vědět, že poskytnutí odboček na autotransformátoru značně zvětšuje velikost rámu transformátoru. Je-li rozsah odboček velmi velký, výhody získané v počátečních nákladech se do značné míry ztrácejí.

Použití autotransformátorů

Mezi aplikace autotransformátoru patří:

1. Kompenzování poklesů napětí zvýšením napájecího napětí v distribučních soustavách.
2. Autotransformátory s řadou odboček se používají pro spouštění indukčních a synchronních motorů.
3. Autotransformátor se používá jako variak v laboratoři nebo tam, kde je požadována spojitá proměnná v širokém rozsahu.

.