หม้อแปลงอัตโนมัติ

หม้อแปลงอัตโนมัติ (Autotransformer) ในวิศวกรรมไฟฟ้าคือหม้อแปลงไฟฟ้าที่มีเพียง ขดลวด เดียว คำว่า "auto" (มาจากภาษากรีก แปลว่า "ตัวเอง") หมายถึงการที่ขดลวดเดียวทำงานเอง โดยในหม้อแปลงอัตโนมัติ ส่วนหนึ่งของขดลวดเดียวกันจะทำหน้าที่เป็นทั้ง ขดลวดปฐมภูมิ และ ขดลวดทุติยภูมิ แตกต่างจากหม้อแปลงไฟฟ้าทั่วไปที่มีขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิแยกจากกัน โดยไม่มีเส้นทางการนำไฟฟ้าที่เชื่อมต่อระหว่างกัน
ขดลวดของหม้อแปลงอัตโนมัติจะมีจุดเชื่อมต่อทางไฟฟ้าอย่างน้อยสามจุด เนื่องจากส่วนหนึ่งของขดลวดทำหน้าที่สองอย่างพร้อมกัน หม้อแปลงอัตโนมัติจึงมีข้อได้เปรียบในเรื่องขนาดที่เล็กกว่า น้ำหนักเบากว่า และราคาถูกกว่าหม้อแปลงที่ใช้ขดลวดสองชุดทั่วไป อย่างไรก็ตาม หม้อแปลงอัตโนมัติไม่มีข้อได้เปรียบในการให้ การแยกไฟฟ้า ระหว่างวงจรปฐมภูมิและทุติยภูมิ ข้อได้เปรียบอื่นๆ ได้แก่ ความเหนี่ยวนำรั่วไหลที่ต่ำกว่า การสูญเสียที่น้อยกว่า กระแสกระตุ้นที่ต่ำกว่า และความสามารถ VA ที่เพิ่มขึ้นสำหรับขนาดและน้ำหนักที่กำหนด
ตัวอย่างการใช้งานหม้อแปลงอัตโนมัติ ได้แก่ ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าสำหรับนักเดินทาง ซึ่งช่วยให้สามารถใช้อุปกรณ์ 230 โวลต์กับวงจรจ่ายไฟ 120 โวลต์ หรือในทางกลับกัน หม้อแปลงอัตโนมัติที่มีจุดแตะหลายตำแหน่งยังสามารถใช้ปรับแรงดันไฟฟ้าที่ปลายวงจรจำหน่ายยาวๆ เพื่อแก้ไขแรงดันที่ลดลงเกินไป และเมื่อควบคุมอัตโนมัติ ตัวอย่างนี้จะเป็นหนึ่งในรูปแบบของ ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า
การทำงาน.
หม้อแปลงอัตโนมัติ (Autotransformer) มีขดลวดเดียวที่มีปลายขั้วสองจุด และจุดเชื่อมต่อเพิ่มเติมที่ตำแหน่งแตะกลางบางจุด โดยหม้อแปลงนี้มีขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิที่มีจำนวนรอบบางส่วนร่วมกัน ส่วนของขดลวดที่ใช้ร่วมกันทั้งปฐมภูมิและทุติยภูมิเรียกว่า "ส่วนร่วม" (common section) ในขณะที่ส่วนของขดลวดที่ไม่ได้ใช้ร่วมกันเรียกว่า "ส่วนอนุกรม" (series section) แรงดันไฟฟ้าปฐมภูมิจะถูกจ่ายผ่านสองขั้ว ขณะที่แรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิจะถูกนำออกผ่านสองขั้ว โดยหนึ่งในนั้นมักเป็นขั้วร่วมกับแรงดันปฐมภูมิ
เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าต่อรอบ (volts-per-turn) ในขดลวดทั้งสองเหมือนกัน แรงดันไฟฟ้าจึงถูกพัฒนาในสัดส่วนกับจำนวนรอบของขดลวด ในหม้อแปลงอัตโนมัติ กระแสบางส่วนจากอินพุตจะไหลตรงไปยังเอาต์พุต (ผ่านส่วนอนุกรม) และบางส่วนจะถูกถ่ายโอนแบบเหนี่ยวนำ (ผ่านส่วนร่วม) ซึ่งช่วยลดขนาดและน้ำหนักของแกน และต้องการเพียงขดลวดเดียว
อัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าและกระแสของหม้อแปลงอัตโนมัติสามารถคำนวณได้เหมือนกับหม้อแปลงสองขดลวดทั่วไป:
<math>\frac{V_1}{V_2} = \frac{N_1}{N_2} = a </math>    <math>(0 < V_2 < V_1)</math>
แรงดันแอมแปร์ในส่วนอนุกรม:
<math>F_S = (N_1 - N_2)I_1 = \left(1-\frac{1}{a}\right)N_1I_1</math>
แรงดันแอมแปร์ในส่วนร่วม:
<math>F_C = N_2(I_2 - I_1) = \frac{N_1}{a}(I_2-I_1)</math>
เมื่อ <math>F_S = F_C</math> เพื่อสมดุลแอมแปร์-รอบ:
<math>\frac{I_1}{I_2} = \frac{1}{a} = \frac{N_2}{N_1}</math>
ปลายขดลวดด้านหนึ่งมักจะเชื่อมต่อร่วมกันกับทั้ง แหล่งจ่ายไฟ และ โหลดไฟฟ้า ส่วนปลายอีกด้านของแหล่งจ่ายและโหลดจะเชื่อมต่อกับจุดแตะบนขดลวด โดยแต่ละจุดแตะให้แรงดันที่ต่างกันตามระยะจากขั้วร่วม
ในหม้อแปลงลดแรงดัน แหล่งจ่ายจะเชื่อมต่อผ่านขดลวดทั้งหมด ในขณะที่โหลดเชื่อมต่อกับจุดแตะบางส่วนของขดลวด ในขณะที่หม้อแปลงเพิ่มแรงดัน โหลดจะเชื่อมต่อผ่านขดลวดทั้งหมด และแหล่งจ่ายจะเชื่อมต่อกับจุดแตะบางส่วน
หากจุดแตะกลางถูกใช้เป็นกราวด์ หม้อแปลงอัตโนมัติสามารถใช้เป็น บาลัน (balun) เพื่อแปลงสายแบบ สมดุล เป็นสายแบบ ไม่สมดุล ได้
หม้อแปลงอัตโนมัติไม่มีการแยกทางไฟฟ้าระหว่างขดลวดเหมือนหม้อแปลงทั่วไป ดังนั้นหาก สายศูนย์ ด้านอินพุตไม่เชื่อมต่อกับกราวด์ สายศูนย์ด้านเอาต์พุตจะไม่เชื่อมต่อกับกราวด์เช่นกัน ความล้มเหลวของการแยกขดลวดอาจส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าทั้งหมดของอินพุตถูกนำไปยังเอาต์พุต ซึ่งเป็นปัจจัยด้านความปลอดภัยที่สำคัญในการเลือกใช้หม้อแปลงอัตโนมัติในแอปพลิเคชันต่างๆ
การใช้งาน.
การส่งและจ่ายพลังงานไฟฟ้า.
หม้อแปลงอัตโนมัติถูกใช้บ่อยในงานด้านการส่งพลังงานเพื่อเชื่อมต่อระบบที่ทำงานในแรงดันไฟฟ้าต่างระดับกัน เช่น จาก 132 kV เป็น 66 kV ในระบบส่งพลังงาน ตัวอย่างการใช้งานในอุตสาหกรรมคือการปรับเครื่องจักรที่ออกแบบมาสำหรับแหล่งจ่ายไฟ 480 V ให้สามารถทำงานบนแหล่งจ่ายไฟ 600 V ได้ นอกจากนี้ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในงานเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าสำหรับระบบไฟฟ้าบ้านที่ใช้งานแรงดันไฟฟ้าสองกลุ่มหลักของโลก (100 V–130 V และ 200 V–250 V)
สำหรับเครือข่ายไฟฟ้าแรงสูงในสหราชอาณาจักร เช่น เครือข่าย "Super Grid" ที่เชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้า 400 kV และ 275 kV จะใช้หม้อแปลงอัตโนมัติสามเฟสที่มีขั้วแตะที่ปลายศูนย์กลางร่วม
บนสายส่งไฟฟ้าในพื้นที่ชนบทที่มีระยะยาว หม้อแปลงอัตโนมัติที่ติดตั้งอุปกรณ์เปลี่ยนแตะแบบอัตโนมัติจะถูกใช้เป็นตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า (voltage regulator) เพื่อให้แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยที่ผู้ใช้งานปลายสายได้รับเท่ากับผู้ใช้งานที่ใกล้กับแหล่งจ่ายไฟ อัตราส่วนที่เปลี่ยนแปลงได้ของหม้อแปลงอัตโนมัติช่วยชดเชยการตกคร่อมแรงดันไฟฟ้าตามสายส่ง
รูปแบบพิเศษของหม้อแปลงอัตโนมัติที่เรียกว่า "หม้อแปลงซิกแซก" (zig-zag transformer) ถูกใช้เพื่อสร้างระบบ กราวด์ บนระบบไฟฟ้าสามเฟสที่ไม่มีการเชื่อมต่อกับกราวด์ หม้อแปลงนี้จะให้เส้นทางสำหรับกระแสไฟฟ้าที่เป็นศูนย์เฟส (zero sequence current)
ระบบเสียง.
ในงานระบบเสียง หม้อแปลงอัตโนมัติแบบแตะจะถูกใช้เพื่อปรับลำโพงให้เข้ากับระบบจ่ายเสียงแบบแรงดันคงที่ และสำหรับ การปรับอิมพีแดนซ์ (impedance matching) เช่น การเชื่อมต่อไมโครโฟนอิมพีแดนซ์ต่ำเข้ากับอินพุตของเครื่องขยายเสียงที่มีอิมพีแดนซ์สูง
การใช้งานในระบบรถไฟ.
ในงานรถไฟ หม้อแปลงอัตโนมัติมักถูกใช้ในระบบจ่ายไฟที่ใช้ไฟฟ้า 25 kV AC เพื่อลดระยะห่างระหว่างจุดจ่ายไฟฟ้าในกริด โดยจะถูกจัดให้อยู่ในระบบแบบสองเฟส (split-phase) 25-0-25 kV โดยสายตัวนำเฟสที่สามจะอยู่ไกลเกินกว่าที่เพนโทกราฟ (pantograph) ของรถไฟจะเข้าถึง จุดศูนย์ของระบบถูกเชื่อมต่อกับราง และจุด 25 kV จุดหนึ่งจะเชื่อมต่อกับสายไฟเหนือศีรษะ
หม้อแปลงอัตโนมัติถูกติดตั้งทุก ๆ 10 กิโลเมตรเพื่อลิงก์สายไฟเหนือศีรษะเข้ากับรางและตัวนำเฟสตรงข้าม ระบบนี้ช่วยเพิ่มระยะการส่งกำลังไฟฟ้าที่ใช้ได้ ลดการรบกวนที่เกิดขึ้นกับอุปกรณ์ภายนอก และลดต้นทุน ในบางครั้ง อาจมีการปรับเปลี่ยนให้ตัวนำจ่ายไฟอยู่ที่แรงดันไฟฟ้าที่ต่างจากสายไฟเหนือศีรษะ และปรับอัตราส่วนหม้อแปลงอัตโนมัติเพื่อให้เหมาะสม
ตัวช่วยสตาร์ทหม้อแปลงอัตโนมัติ.
หม้อแปลงอัตโนมัติสามารถใช้เป็นวิธี ซอฟต์สตาร์ท (soft start) สำหรับ มอเตอร์เหนี่ยวนำ (induction motor) ตัวอย่างการออกแบบที่เป็นที่รู้จักคือ Korndörfer starter ถือเป็นสตาร์ทเตอร์ที่มีชื่อเสียง
ประวัติ.
ตัวช่วยสตาร์ทหม้อแปลงอัตโนมัติ ถูกคิดค้นขึ้นในปี ค.ศ. 1908 โดย แม็กซ์ คอร์นดอร์เฟอร์ (Max Korndorfer) จากกรุง เบอร์ลิน เขายื่นคำขอต่อสำนักงานสิทธิบัตรของสหรัฐฯ ในเดือน พฤษภาคม ค.ศ. 1908 และได้รับการอนุมัติสิทธิบัตร หมายเลข US 1,096,922 ในเดือน พฤษภาคม ค.ศ. 1914 ทั้งนี้ แม็กซ์ คอร์นดอร์เฟอร์ ได้มอบสิทธิบัตรของเขาให้กับบริษัท General Electric Company
มอเตอร์เหนี่ยวนำ (induction motor) จะดึงกระแสไฟฟ้าสูงมากในช่วงเริ่มต้นการทำงานจนถึงความเร็วเต็มที่ โดยทั่วไปประมาณ 6 ถึง 10 เท่าของกระแสโหลดเต็ม ความต้องการลดกระแสเริ่มต้นมีความสำคัญในกรณีที่กริดไฟฟ้ามีกำลังการรองรับไม่เพียงพอ หรือโหลดที่ถูกขับเคลื่อนอาจไม่สามารถทนต่อแรงบิดเริ่มต้นที่สูงได้
วิธีพื้นฐานในการลดกระแสเริ่มต้นคือการใช้หม้อแปลงอัตโนมัติแบบลดแรงดันที่มีขั้วแตะที่ 50%, 65% และ 80% ของแรงดันสาย เมื่อมอเตอร์เริ่มทำงานแล้ว หม้อแปลงอัตโนมัติจะถูกตัดออกจากวงจร
หม้อแปลงอัตโนมัติชนิดปรับค่าได้.
โดยการเปิดเผยบางส่วนของขดลวดและทำการเชื่อมต่อขดลวดรองผ่านแปรงเลื่อน (brush) สามารถสร้างอัตราส่วนรอบแบบปรับค่าได้อย่างต่อเนื่อง ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าขาออกได้อย่างราบรื่น แรงดันไฟฟ้าขาออกไม่ได้จำกัดเพียงแค่แรงดันไฟฟ้าของรอบขดลวดเฉพาะ แต่สามารถปรับค่าได้อย่างราบรื่นระหว่างรอบ เนื่องจากแปรงมีความต้านทานสูงเมื่อเทียบกับการเชื่อมต่อโลหะ และแรงดันไฟฟ้าขาออกจริงขึ้นอยู่กับพื้นที่สัมผัสของแปรงกับขดลวดที่อยู่ติดกัน ความต้านทานที่สูงของแปรงยังช่วยป้องกันไม่ให้มันทำหน้าที่เป็นรอบขดลวดลัดวงจรเมื่อสัมผัสกับขดลวดสองรอบที่อยู่ติดกัน โดยปกติการเชื่อมต่อขดลวดหลักจะเชื่อมต่อเฉพาะส่วนหนึ่งของขดลวด ซึ่งช่วยให้สามารถปรับแรงดันไฟฟ้าขาออกได้อย่างราบรื่นตั้งแต่ศูนย์จนถึงเกินแรงดันไฟฟ้าขาเข้า และสามารถใช้สำหรับทดสอบอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ขีดจำกัดของช่วงแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด
การปรับแรงดันไฟฟ้าขาออกสามารถทำได้ทั้งแบบด้วยมือหรือแบบอัตโนมัติ ประเภทปรับด้วยมือเหมาะสำหรับแรงดันไฟฟ้าต่ำ และมักเรียกว่า หม้อแปลงไฟฟ้ากระแสสลับชนิดปรับค่าได้ (มักเป็นที่รู้จักภายใต้ชื่อทางการค้า Variac) มักใช้ในร้านซ่อมเพื่อทดสอบอุปกรณ์ในแรงดันไฟฟ้าต่าง ๆ หรือเพื่อจำลองแรงดันไฟฟ้าสายผิดปกติ
หม้อแปลงแบบปรับแรงดันไฟฟ้าอัตโนมัติสามารถใช้เป็น ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า อัตโนมัติ เพื่อรักษาแรงดันไฟฟ้าคงที่ในช่วงกว้างของสภาพสายและโหลด นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในระบบลดแสงไฟ (dimmer) ที่ไม่ก่อให้เกิด การรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) เช่นที่พบใน thyristor dimmers
เครื่องหมายการค้า Variac.
ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1934 ถึง 2002 Variac เป็นเครื่องหมายการค้าของ General Radio ในสหรัฐอเมริกาสำหรับหม้อแปลงอัตโนมัติชนิดปรับค่าได้ ที่ออกแบบมาเพื่อปรับแรงดันไฟฟ้าขาออกได้สะดวกจากแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับขาเข้าคงที่ ในปี ค.ศ. 2004 Instrument Service Equipment ได้ยื่นขอและได้รับเครื่องหมายการค้า "Variac" สำหรับผลิตภัณฑ์ชนิดเดียวกัน อย่างไรก็ตาม คำว่า "variac" ได้กลายเป็นชื่อสามัญ (genericised trademark) ซึ่งใช้เรียกหม้อแปลงอัตโนมัติชนิดปรับค่าได้