اتوترانسفورماتور چیست؟

اتوترانسفورماتور یا اتوترانس یک تجهیز الکتریکی است که به منظور تولید ولتاژهای مختلف و همچنین تبدیل ولتاژ متناوب از آن استفاده می‌شود. برخلاف ترانسفورماتورهای معمولی که دارای سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه جداگانه هستند، اتوترانس از یک سیم‌پیچ به دور هسته آهنی تشکیل شده است. در این مقاله به معرفی اتوترانسفورماتور و نحوه عملکرد آن، همچنین مزایا، کاربردها و معایب آن پرداخته شده است.

نحوه عملکرد اتوترانسفورماتور

یک اتوترانس مشابه ترانسفورماتورهای معمولی بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی، اما با تفاوت مشخصی در ساخت، عمل می‌کند. اتوترانس دارای یک سیم‌پیچ با تپ‌های مختلف می‌باشد تا بتواند سطوح ولتاژ مختلف را تولید کند. هنگامی که یک جریان متناوب (AC) از این سیم‌پیچ عبور می‌کند، شار مغناطیسی در سیم‌پیچ القا می‌شود که منجر به تولید ولتاژ در سرهای مختلف سیم‌پیچ می‌شود. در تصویر زیر مدار داخلی یک اتوترانس تک فاز ساده را مشاهده می‌فرمایید:

ولتاژهای اولیه و ثانویه در اتوترانس از یکدیگر ایزوله نیستند و سیم پیچی یکسانی دارند. این سیم پیچی مشترک، امکان طراحی و ساخت اتوترانس در ابعاد فشرده‌تر را فراهم می‌کند. در اتوترانس، نسبت تبدیل ولتاژ با نسبت تعداد دورهای سیم پیچی که در آن ولتاژ ورودی اعمال می‌شود، به تعداد دورهایی که ولتاژ خروجی گرفته می‌شود، تعیین می‌گردد. به عنوان مثال، اگر ولتاژی به سیم‌پیچ ورودی اعمال شود و در خروجی از نصف تپ سیم‌پیچ ولتاژگیری کنیم، ولتاژ خروجی برابر با نصف ولتاژ ورودی خواهد بود. در تصویر زیر مدار داخلی اتوترانسفورماتور با تپ‌های متعدد و سرهای خروجی مختلف را ملاحظه می‌فرمایید:

مزایای اتوترانسفورماتور

اتوترانس‌ها دارای مزایای متعددی هستند که در ادامه به آن‌ها اشاره شده است:

1) فشرده و مقرون به صرفه بودن

به دلیل طراحی تک سیم‌پیچه، اتوترانس‌ها کوچک‌تر و سبک‌تر از ترانس‌های معمولی دو سیم‌پیچه هستند. این کاهش در ابعاد، نه تنها هزینه ساخت را کمتر می‌کند بلکه فرآیند نصب و استفاده را نیز ساده می‌کند.

2) بازدهی بالاتر

اتوترانس معمولاً بازدهی بالاتری نسبت به ترانسفورماتورهای معمولی دارد چون انرژی را هم به صورت رسانایی و هم به صورت القایی انتقال می‌دهد. این مکانیزم دوگانه، تلفات را کاهش می‌دهد و موجب بهبود در عملکرد می‌شود.

3) تنظیم ولتاژ بهبود یافته

اتصال الکتریکی مستقیم بین دو طرف اولیه و ثانویه اتوترانس، امکان تنظیم ولتاژ بهتر را فراهم می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود که اتوترانس‌ها برای کاربردهایی که نیاز به کنترل دقیق ولتاژ دارند، بسیار مناسب باشند.

4) انعطاف پذیری

توانایی تنظیم ولتاژ خروجی با تغییر موقعیت ولوم، باعث می‌شود که اتوترانس بتواند ولتاژهای مورد نیاز را تولید کند و برای تامین تغذیه بارهای مختلف مناسب باشد.

کاربرد اتوترانسفورماتور

اتوترانس‌ها با توجه به کارایی و تطبیق پذیری که دارند، در طیف گسترده‌ای از بخش‌های صنعت برق کاربرد دارند. برخی از کاربردهای قابل توجه آن‌ها عبارتند از:

1) توزیع برق

از اتوترانس در سیستم‌های توزیع برق برای پایین آوردن ولتاژهای بالا به سطوح پایین‌تر مناسب برای توزیع به مصرف کنندگان استفاده می‌شود. در واقع، راندمان بالا و توانایی اتوترانس در مدیریت سطوح ولتاژ و سطوح توان مختلف، منجر به استفاده از آن در سیستم‌های توزیع برق شده است.

2) تنظیم ولتاژ

از اتوترانس به عنوان تنظیم کننده ولتاژ در کاربردهای مختلف صنعتی و تجاری استفاده می‌شود. این تجهیز می‌تواند ولتاژ بخش موردنظر را در شرایطی که نوسانات منبع تغذیه وجود دارد، تثبیت کند و استفاده از آن، موجب اطمینان از عملکرد ثابت تجهیزات حساس می‌شود.

3) راه اندازی موتور

در کاربردهای راه اندازی موتور، استفاده از اتوترانس منجر به کاهش جریان هجومی اولیه می‌شود که به محافظت از موتور در برابر جریان‌های راه اندازی بالا و همچنین به افزایش طول عمر آن کمک می‌کند. این کاربرد به ویژه برای موتورهای بزرگ مورد استفاده در صنعت بسیار مفید است.

4) تجهیزات صوتی

در سیستم‌های صوتی، از اتوترانس در تطبیق امپدانس و تنظیم ولتاژ استفاده می‌شود که راه حلی بسیار مقرون به صرفه برای تنظیم سطوح سیگنال‌های صوتی می‌باشد.

5) تجهیزات آزمایشگاهی

در مؤسسات آموزشی و تحقیقاتی، از اتوترانس اغلب در آزمایشگاه‌‌ها برای تولید ولتاژهای مختلف استفاده می‌شود.

معایب و محدودیت‌های اتوترانسفورماتور

علیرغم مزایای مختلف اتوترانس، این تجهیز دارای معایب و محدودیت‌های خاصی هستند که بایستی در نظر گرفته شوند:

1) عدم وجود ایزولاسیون

برخلاف ترانسفورماتورهای معمولی، اتوترانس‌ها فاقد ایزولاسیون الکتریکی بین اولیه و ثانویه خود می‌باشند. عدم وجود ایزولاسیون، از نظر ایمنی نگرانی‌هایی را به وجود خواهد آورد.

2) محدوده تغییر ولتاژ محدود

اتوترانس برای کاربردهایی که نیاز به تغییر قابل توجهی در سطوح ولتاژ دارند، کارایی کمتری دارند و این تجهیز برای کاربردهایی که اختلاف ولتاژ بین ورودی و خروجی نسبتاً کم است، مناسب می‌باشد.

3) پیچیدگی در طراحی چندین تپ

با وجود این که توانایی تولید ولتاژهای خروجی چندگانه یک مزیت است، هم‌زمان می‌تواند منجر به پیچیدگی در طراحی و افزایش مقدار ولتاژ خطا در اتو‌ترانسفورماتورهای دارای چندین تپ خروجی شود.