اتوترانسفورماتور (Autotransformer) – به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

اتوترانسفورماتور (Autotransformer)، یک تجهیز الکتریکی است که از یک سیم‌پیچ به دور یک هسته آهنی تشکیل شده است. یکی از سرهای سیم‌پیچ، بین ورودی و خروجی مشترک است و سر دیگر خروجی، متحرک است. به این ترتیب می‌توان تعداد دور سیم‌پیچ را تغییر دارد. از یک اتوترانس می‌توان به عنوان ترانسفورماتور افزاینده یا کاهنده استفاده کرد. شکل ۱ اتصال باک (Buck) یا کاهنده و شکل 2 اتصال افزاینده (Boost) اتوترانسفورماتور، نقشی شبیه ترانسفورماتورهای عادی برای افزایش یا کاهش ولتاژ دارد. این نوع ترانس، از یک سیم‌پیچ پیوسته به همراه یک تپ (Tap) یا لغزانه دارد که در نقطه وسط سیم‌پیچ شکل 1 نشان داده شده است.

از آن‌جایی که سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه اتوترانسفورماتور ارتباط فیزیکی دارند، ولتاژ خروجی و منبع، ایزوله نیستند.

وقتی ولتاژ $$V_1$$ را به اولیه اتوترانس اعمال کنیم، ولتاژهای القایی به صورت زیر با هم مرتبط خواهند بود:

با چشم‌پوشی از افت ولتاژ در سیم‌پیچ‌ها، داریم:

وقتی یک بار به ثانویه اتوترانس متصل باشد، جریان $$I_2$$‌ در جهتی که در شکل 1 نشان داده شده، برقرار می‌شود. با استفاده از قانون جریان کیرشهف، می‌توان نوشت:

از آن‌جایی که در یک ترانسفورماتور معمولی، آمپر-دور اولیه و ثانویه با هم برابر است (جز برای جریان‌های کوچک لازم برای مغناطیس‌کننگی هسته)، داریم:

معادله (4)‌ را به شکل زیر نیز می‌توان نوشت:

با جایگذاری معادله (5) در معادله (3)، نسبت جریان سیم‌پیچ به صورت زیر به دست می‌آید:

در یک اتوترانسفورماتور، توان کل انتقال داده شده از اولیه به ثانویه، دقیقاً از تمام سیم‌پیچ عبور نمی‌کند. این بدین معنی است که می‌توان بدون افزایش جریان سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور، توان بیشتری را انتقال داد.

به صورت مشابه، توان ظاهری خروجی برابر با رابطه زیر است:

توان ظاهری سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور نیز به صورت زیر است:

این توان، بخشی از توانی است که با عملکرد ترانسفورماتور یا القای الکترومغناطیسی انتقال داده می‌شود.

اختلاف ($$S_2-S_w$$) بین توان ظاهری خروجی و توان ظاهری سیم‌پیچ‌ها، همان مقدار توان ظاهری انتقال داده شده به خروجی از طریق هدایت الکتریکی است. این توان برابر است با

مزایای اتوترانسفورماتور

اگر نسبت دور ترانسفورماتور بزرگ باشد، توان اتوترانسفورماتور، بسیار بزرگتر از اندازه توان یک ترانسفورماتور معمولی است. در یک ترانسفورماتور معمولی، کل توان منتقل می‌شود، در حالی که یک اتوترانسفورماتور، بیشتر توان را در یک پتانسیل بالاتر انتقال می‌دهد. در نتیجه، می‌توان گفت که یک اتوترانسفورماتور بسیار کوچکتر از یک ترانسفورماتور با توان مشابه است.

فیلم آموزش ماشین های الکتریکی 2 در فرادرس

کلیک کنید

سایر مزایای اتوترانسفورماتور نسبت به ترانسفورماتور دو سیم‌پیچه عادی به شرح زیر است:

1. ارزان‌تر
2. پربازده‌تر (زیرا با وجود افزایش توان، تلفات تغییری نمی‌کند)
3. جریان تحریک کم‌تر
4. تنظیم ولتاژ بهتر

معایب اتو ترانسفورماتور

چند مورد از معایب اتوترانسفورماتورها نسبت به ترانسفورماتورها به شرح زیر است:

1. جریان اتصال کوتاه بیشتر
2. عدم وجود ایزولاسیون بین سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه
3. مناسب فقط برای تغییرات ولتاژ نسبتاً کم

کاربردهای اتوترانسفورماتور

کاربردهای عملی اتوترانس‌ها شامل موارد زیر است:

1. اتصال خطوط انتقال با اختلاف ولتاژ نسبتاً کم (مثلاً 115kV و 138kV یا 138kV و 161kV)
2. جبران افت ولتاژ در مدارهای فیدر طولانی که ولتاژ یکسان بارها اهمیت دارد (مانند سیستم‌های روشنایی فرودگاه‌ها برای تضمین یکنواخت بودن شدت تابش لامپ‌ها)
3. کنترل ولتاژ متغیر در آزمایشگاه‌ها
4. تنظیم ولتاژ خروجی ترانسفورماتورها برای ثابت نگه داشتن ولتاژ سیستم نسبت به تغییرات بار

مثال

یک ترانسفورماتور تکفاز دو سیم‌پیچه با توان 10kVA و ولتاژ 440/110V، برای تغذیه یک بار با ولتاژ 550V به صورت یک اتوترانسفورماتور در آمده است. اگر ولتاژ منبع 440V باشد، موارد زیر را به دست آورید:

1. توان اتوترانسفورماتور بر حسب kVA
2. توان ظاهری منتقل شده با هدایت الکتریکی
3. توان ظاهری منتقل شده با القای الکترومغناطیسی

حل: 

با توجه به شکل بالا، جریان‌ها مقادیر زیر را دارند:

در بار کامل یا نامی، جریان ترمینال اولیه و ثانویه به صورت زیر خواهد بود:

در نتیجه، توان نامی اتوترانسفورماتور را می‌توانیم محاسبه کنیم:

اگر دقت کنیم، می‌بینیم ترانسفورماتور دو سیم‌پیچه معمولی که توان نامی آن 10kVA‌ بود، اکنون به یک اتوترانسفورماتور تبدیل شده که توان آن 50kVA‌ است. هرچند، کل این مقدار با القای الکترومغناطیسی منتقل نمی‌شود و بخش بزرگی از این توان به صورت الکتریکی انتقال داده می‌شود.

توان ظاهری انتقال داده شده با القای الکترومغناطیسی، برابر است با:

و توان ظاهری انتقالی از طریق هدایت الکتریکی نیز برابر با مقدار زیر است:

^^