محول ذاتي

في الهندسة الكهربائية، يُعرف المحول الذاتي بأنه محول كهربائي ذو ملف واحد فقط . تشير كلمة " ذاتي " (من اليونانية وتعني "الذاتية") إلى أن الملف الواحد يعمل بمفرده. في المحول الذاتي، تعمل أجزاء من نفس الملف كملف ابتدائي وملف ثانوي للمحول. على النقيض من ذلك، يحتوي المحول العادي على ملفين ابتدائي وثانوي منفصلين غير متصلين بمسار موصل كهربائي بينهما. ^{[ 1 ]}

يحتوي ملف المحول الذاتي على ثلاثة توصيلات كهربائية على الأقل. ولأن جزءًا من الملف يؤدي وظيفة مزدوجة، فإن المحولات الذاتية تتميز بصغر حجمها وخفة وزنها وانخفاض تكلفتها مقارنةً بالمحولات التقليدية ذات الملفين، ولكن يعيبها عدم توفير عزل كهربائي بين الدائرتين الابتدائية والثانوية. تشمل المزايا الأخرى للمحولات الذاتية انخفاض مفاعلة التسرب ، وانخفاض الفاقد، وانخفاض تيار الإثارة، وزيادة تصنيف الفولت أمبير (VA) لحجم وكتلة محددين. ^{[ 2 ]}

من الأمثلة على استخدامات المحول الذاتي نوع من محولات جهد المسافر ، الذي يسمح بتشغيل أجهزة 230 فولت على دوائر إمداد 120 فولت، أو العكس. ويمكن استخدام محول ذاتي متعدد المنافذ لضبط الجهد في نهاية دائرة توزيع طويلة لتصحيح انخفاض الجهد الزائد؛ وعند التحكم فيه تلقائيًا، يُعد هذا مثالًا على منظم الجهد .

يحتوي المحول الذاتي على ملف واحد ذي طرفين طرفيين وطرف واحد أو أكثر عند نقاط التوصيل الوسيطة. وهو محول تشترك فيه الملفات الابتدائية والثانوية في جزء من لفاتها. يُسمى هذا الجزء المشترك بالقسم المشترك، بينما يُسمى الجزء غير المشترك بالقسم المتسلسل. يُطبق الجهد الابتدائي على طرفين من أطراف الملف. أما الجهد الثانوي، فيُؤخذ من طرفين، أحدهما عادةً ما يكون مشتركًا مع أحد أطراف الجهد الابتدائي. ^{[ 3 ]}

بما أن الجهد لكل لفة متساوٍ في كلا الملفين، فإن كل ملف يُولّد جهدًا يتناسب مع عدد لفاته. في المحول الذاتي، يتدفق جزء من تيار الخرج مباشرةً من المدخل إلى المخرج (عبر قسم التوالي)، بينما ينتقل جزء آخر بالحث (عبر القسم المشترك)، مما يسمح باستخدام قلب أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأقل تكلفة، بالإضافة إلى الاكتفاء بملف واحد فقط. ^{[ 4 ]} مع ذلك، يمكن صياغة نسبة الجهد إلى التيار في المحولات الذاتية بنفس طريقة صياغة نسبها في المحولات الأخرى ذات الملفين: ^{[ 2 ]}

$${\displaystyle {\frac {V_{1}}{V_{2}}}={\frac {N_{1}}{N_{2}}}=a}$$

أين${\displaystyle 0<V_{2}<V_{1}}$.

عدد لفات الأمبير التي يوفرها قسم التوصيل التسلسلي للملف:

$${\displaystyle F_{S}=(N_{1}-N_{2})I_{1}=\left(1-{\frac {1}{a}}\right)N_{1}I_{1}}$$

عدد لفات الأمبير التي يوفرها الجزء المشترك من الملف:

$${\displaystyle F_{C}=N_{2}(I_{2}-I_{1})={\frac {N_{1}}{a}}(I_{2}-I_{1})}$$

لتحقيق توازن الأمبير-لفة،${\displaystyle F_{S}=F_{C}}$:

$${\displaystyle \left(1-{\frac {1}{a}}\right)N_{1}I_{1}={\frac {N_{1}}{a}}(I_{2}-I_{1})}$$

لذلك:

$${\displaystyle {\frac {I_{1}}{I_{2}}}={\frac {1}{a}}={\frac {N_{2}}{N_{1}}}}$$

عادةً ما يُوصل أحد طرفي الملف بمصدر الجهد والحمل الكهربائي معًا . أما الطرف الآخر، فيُوصل بنقاط توصيل على طول الملف. وتُقابل كل نقطة توصيل جهدًا مختلفًا، يُقاس من الطرف المشترك. في المحول الخافض للجهد، يُوصل المصدر عادةً عبر الملف بأكمله، بينما يُوصل الحمل بنقطة توصيل عبر جزء منه فقط. أما في المحول الرافع للجهد، فيُوصل الحمل عبر الملف بأكمله، بينما يُوصل المصدر بنقطة توصيل عبر جزء منه. في حالة المحول الرافع للجهد، تُعكس الرموز السفلية في المعادلات السابقة، حيث...${\displaystyle N_{2}}$و${\displaystyle V_{2}}$أكبر من${\displaystyle N_{1}}$و${\displaystyle V_{1}}$، على التوالى.

كما هو الحال في المحول ذي الملفين، فإن نسبة جهد الملف الثانوي إلى جهد الملف الابتدائي تساوي نسبة عدد لفات الملف المتصل به. على سبيل المثال، عند توصيل الحمل بين منتصف الملف والطرف المشترك لملف المحول الذاتي، يكون جهد الحمل الخارج 50% من جهد الملف الابتدائي. وبحسب التطبيق، قد يُلف الجزء من الملف المستخدم فقط في نطاق الجهد الأعلى (التيار الأقل) بسلك ذي مقطع عرضي أصغر، مع العلم أن الملف بأكمله موصول مباشرة.

إذا تم استخدام أحد نقاط التوصيل المركزية للتأريض، فيمكن استخدام المحول الذاتي كـ balun لتحويل خط متوازن (متصل بنقطتي التوصيل الطرفيتين) إلى خط غير متوازن (الجانب الذي يحتوي على التأريض).

لا يوفر المحول الذاتي عزلًا كهربائيًا بين ملفاته كما يفعل المحول العادي؛ فإذا لم يكن الطرف المحايد للمدخل عند جهد الأرض، فلن يكون الطرف المحايد للمخرج كذلك. وقد يؤدي تعطل عزل ملفات المحول الذاتي إلى تطبيق جهد الدخل الكامل على المخرج. كذلك، فإن انقطاع جزء الملف المستخدم كملف ابتدائي وثانوي سيؤدي إلى عمل المحول كمحث موصول على التوالي مع الحمل (مما قد يؤدي، في ظروف الحمل الخفيف، إلى تطبيق جهد دخل شبه كامل على المخرج). تُعد هذه اعتبارات أمان مهمة عند اتخاذ قرار استخدام محول ذاتي في تطبيق معين. ^{[ 5 ]}

نظرًا لأنها تتطلب عددًا أقل من اللفات وقلبًا أصغر، فإن المحول الذاتي لتطبيقات الطاقة يكون عادةً أخف وزنًا وأقل تكلفة من المحول ذي اللفتين، حتى نسبة جهد تبلغ حوالي 3:1؛ بعد هذا النطاق، يكون المحول ذو اللفتين عادةً أكثر اقتصادية. ^{[ 5 ]}

في تطبيقات نقل الطاقة ثلاثية الأطوار ، تعاني المحولات الذاتية من قصور في كبح التيارات التوافقية ، فضلاً عن كونها مصدراً إضافياً لتيارات الأعطال الأرضية . وقد يحتوي محول ذاتي كبير ثلاثي الأطوار على ملف دلتا "مدفون"، غير متصل بالسطح الخارجي للخزان، لامتصاص بعض التيارات التوافقية. ^{[ 5 ]}

عمليًا، تعني الخسائر أن المحولات القياسية والمحولات الذاتية ليست قابلة للعكس تمامًا؛ فالمحول المصمم لخفض الجهد سيُنتج جهدًا أقل بقليل من المطلوب إذا استُخدم لرفعه. عادةً ما يكون الفرق طفيفًا بما يكفي للسماح بالعكس عندما لا يكون مستوى الجهد الفعلي حرجًا.

تستخدم المحولات الذاتية، مثل المحولات متعددة الملفات، مجالات مغناطيسية متغيرة مع الزمن لنقل الطاقة. وهي تتطلب تيارات متناوبة للعمل بشكل صحيح، ولا تعمل بالتيار المستمر . ولأن الملفات الأولية والثانوية متصلة كهربائيًا، فإن المحول الذاتي يسمح بمرور التيار بين الملفات، وبالتالي لا يوفر عزلًا بين التيار المتردد والتيار المستمر.

اخترع ماكس كورندورفر من برلين جهاز بدء التشغيل بالمحول الذاتي عام 1908. وقدّم طلبًا إلى مكتب براءات الاختراع الأمريكي في مايو 1908، وحصل على براءة الاختراع رقم US 1,096,922 في مايو 1914. ثم تنازل ماكس كورندورفر عن براءة اختراعه لشركة جنرال إلكتريك.

يسحب المحرك الحثي تيار بدء عاليًا جدًا أثناء تسارعه إلى سرعته المقدرة الكاملة، ويتراوح عادةً بين 6 و10 أضعاف تيار الحمل الكامل. يُفضّل تقليل تيار البدء عندما لا تكون سعة الشبكة الكهربائية كافية، أو عندما لا يتحمل الحمل المُدار عزم بدء عاليًا. إحدى الطرق الأساسية لتقليل تيار البدء هي استخدام محول ذاتي ذي جهد منخفض مزود بوصلات عند 50% و65% و80% من جهد الخط المطبق؛ وبمجرد بدء تشغيل المحرك، يتم فصل المحول الذاتي عن الدائرة.

من خلال كشف جزء من ملفات اللف وتوصيل الدائرة الثانوية عبر فرشاة منزلقة ، يمكن الحصول على نسبة لفات متغيرة باستمرار، مما يسمح بتحكم سلس للغاية في جهد الخرج. لا يقتصر جهد الخرج على الجهود المنفصلة التي يمثلها عدد اللفات الفعلي. يمكن تغيير الجهد بسلاسة بين اللفات نظرًا لمقاومة الفرشاة العالية نسبيًا (مقارنةً بالوصلة المعدنية)، ويعتمد جهد الخرج الفعلي على المساحة النسبية للفرشاة الملامسة للملفات المجاورة. ^{[ 7 ]} كما تمنع المقاومة العالية للفرشاة من العمل كلفة قصيرة الدائرة عند ملامستها لفتين متجاورتين. عادةً ما تتصل الوصلة الأولية بجزء فقط من الملف، مما يسمح بتغيير جهد الخرج بسلاسة من الصفر إلى ما فوق جهد الدخل، وبالتالي يسمح باستخدام الجهاز لاختبار المعدات الكهربائية ضمن حدود نطاق الجهد المحدد له.

يمكن ضبط جهد الخرج يدويًا أو تلقائيًا. يُستخدم النوع اليدوي فقط مع الجهود المنخفضة نسبيًا، ويُعرف باسم محول التيار المتردد المتغير (يُشار إليه غالبًا بالاسم التجاري Variac). تُستخدم هذه المحولات عادةً في ورش الصيانة لاختبار الأجهزة تحت جهود مختلفة أو لمحاكاة جهود الشبكة غير الطبيعية.

يمكن استخدام النوع المزود بخاصية الضبط التلقائي للجهد كمنظم جهد تلقائي ، للحفاظ على جهد ثابت في خدمة العملاء خلال نطاق واسع من ظروف الخط والحمل. كما يُستخدم أيضًا كمخفت إضاءة لا يُصدر التداخل الكهرومغناطيسي المعتاد في معظم مخفتات الإضاءة الثايرستورية .

• مقسم الجهد
• بالون
• الكهرومغناطيسية
• قانون فاراداي للاستقراء
• ملف الإشعال
• مغو
• المجال المغنطيسي

• كروفت، تيريل؛ سامرز، ويلفورد، محرران. (1987). دليل الكهربائيين الأمريكيين (  الطبعة الحادية عشرة). نيويورك: ماكجرو هيل. ISBN 0-07-013932-6.