Autotransformatory – wady, zalety, sposób działania i zastosowanie

Jednym z podstawowych urządzeń stosowanych w elektroenergetyce są autotransformatory. Są niezbędne w sytuacjach, gdy konieczna jest transformacja napięcia z niewielką przekładnią. Znajdują zastosowanie zarówno w sieciach przesyłowych, jak i w systemach zasilania przemysłowego, gdzie umożliwiają efektywne zarządzanie poziomami napięć. Czym są, jakie wyróżniamy rodzaje i jakie jest ich zastosowanie w elektroenergetyce?

Aby zminimalizować straty energetyczne podczas przesyłania energii na odległość, powszechnie stosuje się regulację napięcia. Do tego celu wykorzystywane są urządzenia takie jak transformatory czy autotransformatory. Jak wygląda ich budowa?

Autotransformatory – schemat i budowa

W odróżnieniu od tradycyjnych transformatorów, autotransformatory mają tylko jedno uzwojenie, które jest jednocześnie pierwotnym i wtórnym. W przypadku transformatorów są to 2 osobne, niepołączone ze sobą, oddzielone izolacją uzwojenia: pierwotne i wtórne. Uzwojenie stanowi podstawę działania zarówno transformatorów, jak i autotransformatorów, jednak zasady działania i inna budowa w obu rodzajach urządzeń ma wpływ na charakterystykę ich pracy. Chociaż zarówno jedne i drugie mają za zadanie transformację i regulację napięcia w sieci, to znajdują nieco inne zastosowania.

Dzięki swojej budowie, która polega na tym, że w praktyce uzwojenie pierwotne i wtórne jest jednym elementem, autotransformator ma połączenie zarówno magnetyczne, jak i elektryczne. To znaczy, że energia pomiędzy obwodami wejścia i wyjścia może być przekazywana zarówno poprzez pole magnetyczne, jak i połączenie elektryczne. Ich stosunkowo prosta i intuicyjna konstrukcja pozwala znaleźć dla nich szerokie zastosowanie w elektroenergetyce.

Autotransformatory – charakterystyka pracy

Autotransformatory wykazują się wysoką sprawnością w sytuacjach, gdy zachodzi potrzeba transformacji napięcia z niewielką przekładnią, np. z 230 na 115 V czy z 220 na 110 V, czy autotransformator wysokich napięć z 400 kV na 220 kV. Autotransformatory mogą pracować ze stałą przekładnią, bądź ze zmienną. Jej zmiana dokonywana jest:

• skokowo – przy wykorzystaniu odczepów, stanowiących dodatkowe podłączenie elektryczne uzwojenia, pozwalające na uzyskanie różnych wartości napięcia
• płynnie – autotransformator regulowany jest w sposób płynny, np. przy pomocy pokrętła. Zmiana wartości przekładni w takim przypadku pozwala najczęściej na regulację napięcia w zakresie 0%-130% napięcia zasilania lub rzadziej 90%-110%

Rodzaje autotransformatorów

Wyróżniamy kilka rodzajów autotransformatorów. Pierwszym rodzajem, o prostszej konstrukcji, są autotransformatory bez możliwości zmiany stosunku napięcia wejściowego do wyjściowego, czyli ze stałą przekładnią. Występują także autotransformatory z regulowanym napięciem. Opisane wyżej autotransformatory regulacyjne wykorzystujące pokrętło są stosowane np. w laboratoriach elektrotechnicznych, gdzie testuje się i analizuje działanie urządzeń elektrycznych przy różnych napięciach.

Wśród urządzeń, które pozwalają na regulację napięcia jest także autotransformator 1-fazowy, który posiada jedną kolumnę z uzwojeniem czy autotransformator 3-fazowy, posiadający 3 kolumny z nawiniętym jednym uzwojeniem na każdą z nich i odczepami, które pozwalają na regulację napięcia w sposób skokowy.

Zalety autotransformatorów

Jak każde rozwiązanie, autotransformatory mają swoje zalety oraz wady. Wśród najczęściej wymienianych zalet można znaleźć np. stosunkowo prostą i intuicyjną konstrukcję, co przekłada się m.in. na większą ich dostępność i niższą cenę. Ponadto, takie urządzenia są bardziej mobilne, łatwiejsze do transportu i instalacji.

Zaletą autotransformatorów jest także wysoka wydajność tych urządzeń, która osiąga maksymalne wartości nawet 99%. Ze względu na niską ilość strat jest bardzo efektywnym i oszczędnym rozwiązaniem. Ponadto, jak na swoje kompaktowe rozmiary, charakteryzują się wysoką mocą, zwłaszcza gdy bierze się pod uwagę stosunek mocy do masy i rozmiaru. Bywają wykorzystywane do różnorodnych zastosowań, np. w OZE, gdzie autotransformator do fotowoltaiki może wpływać na obniżenie napięcia. Ważne jednak, by było to odpowiednio dobrane urządzenie i zostało zainstalowane w profesjonalny sposób.

Wady autotransformatorów

Na jakie wady wskazuje się w odniesieniu do autotransformatorów? Przede wszystkim zwraca się uwagę na niską impedancję zwarcia. Ze względu na brak separacji galwanicznej, zakłócenia powstałe po stronie pierwotnej, tj. wszelkiego rodzaju zwarcia, są przenoszone na stronę wtórną, co może stanowić niebezpieczeństwo dla podłączonych do sieci urządzeń i może być niebezpieczne dla użytkowników. Ponadto, pomimo stosunkowo szerokich możliwości zastosowania, autotransformatory, właśnie z powodu braku izolacji galwanicznej, nie mogą być stosowane w niektórych warunkach, co jest uregulowane przepisami, np. z zakresu bezpieczeństwa.

Podsumowanie

Gdzie, w obliczu podanych wyżej informacji, najlepiej sprawdzą się autotransformatory? Przede wszystkim w instalacjach, w których kluczowe znaczenie ma efektywność energetyczna (ze względu na swoją oszczędność) i gdzie występują niewielkie różnice napięć między wejściem a wyjściem. Często stosowane są w instalacjach domowych, w niedużych, mobilnych instalacjach, gdzie znaczenie mają ich kompaktowe rozmiary. Mogą też znajdować bardziej specyficzne wykorzystanie, jak np. autotransformatory regulowane stosowane w laboratoriach.