تعد المحولات الكهربائية من أكثر المعدات الكهربية استخدامًا. وهناك العديد من أنواع المحولات وأحد هذه الأنواع المهمة هي محولات رفع الجهد الكهربائي، بفضلها يمكن رفع الجهد المتولد بقيم منخفضة إلى قيم عالية تصل لأكثر من آلاف الكيلو فولت ونقله عبر مسافات طويلة جدًا من محطات التوليد إلى أماكن الاستهلاك المنزلي والصناعي بتكلفة وخسائر قليلة.
ما هو المحول الرافع للجهد
المحول الرافع للجهد (Step-up Transformer) هو عبارة عن محول كهربائي يقوم بتحويل الجهد من قيمة منخفضة في الجانب الأولي إلى قيمة عالية في الجانب الثانوي، ويعمل بنفس الوقت على تحويل التيار من قيمة عالية في الجانب الاولي إلى قيمة منخفضة في الجانب الثانوي. مع الحفاظ على نفس القدرة والتردد.
تركيب المحولات الرافعة
يحتوي أي محول بشكل أساسي على قلب حديدي وملفين. ينقسم الملفين إلى الملفات الأولية والثانوية.
القلب الحديدي
يتم تصميم القلب الحديدي للمحول باستخدام مواد عالية النفاذية. تسمح هذه المادة للفيض المغناطيسي بالمرور بأقل خسارة. تملك مادة القلب نفاذية عالية مقارنة بالهواء المحيط. لذا فإن مادة القلب ستحد من خطوط المجال المغناطيسي ليكون تدفقه داخل مادة القلب ولا يتسرب. وبالتالي، تعمل على تحسين كفاءة المحولات عن طريق تقليل خسائر المحولات.
يسمح القلب الحديدي للفيض المغناطيسي بالتدفق عبره، كما أنها تؤدي إلى حدوث خسائر في القلب مثل خسائر التيارات الدوامية (eddy current losses) و التخلفية المغناطيسية (hysteresis). لذلك، يتم اختيار مواد لها نفاذية عالية وتقلل من الخسائر.
للحفاظ على خسائر التيارات الدوامية عند أدنى حد ممكن، يتم تقسيم قلب المحول لشرائح صغيرة، بحيث تمنع ارتفاع حرارة القلب. لإن ارتفاع الحرارة يتسبب بفقد في الطاقة الكهربائية وتؤدي لخفض كفاءة المحولات.
اللفات
المواد المستخدمة في اللفات هي الألومنيوم والنحاس. ميزة الألمنيوم أن تكلفته أقل مقارنة بالنحاس ولكن باستخدام النحاس، يمكن زيادة عمر المحولات. ويتم لفها على القلب الحديدي.
ويكون المقطع العرضي للملفات في الجانب الابتدائي كبير لأنه يحمل تيار عالي، ولكن يحتوي على عدد أقل من اللفات، بينما في الجانب الثانوي تكون مساحة المقطع للملفات صغيرة لأن التيار فيها منخفض، ولكن تحتوي على عدد أكبر من اللفات.
مبدأ عمل المحول الرافع
يعمل المحول الرافع بنفس المبدأ التي تعمل به كل أنواع المحولات كما يلي:
يتم توصيل مصدر الجهد إالى الطرف الاولي ومرور التيار في لفات الجانب الأولي يعمل على توليد فيض مغناطيسي، ينتقل هذا الفيض خلال القلب الحديدي ليقطع ملفات الجانب الثانوي، ونتيجة لهذا يتولد جهد كهربائي على أطراف الملف الثانوي بفعل تأثير الحث المتبادل (mutual induction)
ويمكن الحصول على العلاقة الرئيسية بين الجهد وعدد اللفات في كل جانب كالتالي:
Vp/Vs = Np/NS
حيث VP و Vs هي جهد الطرف الإبتدائي والثانوي على الترتيب، Np و NS هي عدد لفات الملف في الطرفين الأولي والثانوي على التوالي.
وتكون لفات الطرف الأولي لمحول الرفع (جانب الجهد المنخفض LV) عددها أقل من مقارنة بعدد ملفات الثانوي. هذا يعني أن الطاقة تنتقل من الجانب LV إلى الـ HV.
يمكن أن تساعدك المعادلة في معرفة نسبة التحويل وما إذا كان المحول عبارة عن محول رفع أو خفض. حيث تكون قيمة نسبة التحويل أكبر من الواحد إذا كان المحول رافع للجهد، والعكس إذا كان المحول خافض للجهد. لمعرفة المزيد اقرأ: الفرق بين المحول الرافع والخافض للجهد.
ميزات محولات رفع الجهد
تتميز محولات رفع الجهد الكهربائي بما يلي:
- بفضل زيادة الجهد وخفض التيار يمكن نقل الكهرباء بتكلفة منخفضة وبخسائر قليلة على طول خطوط النقل الكهربائية.
- يمكنه العمل بشكل متواصل دون توقف.
- يتطلب أعمال صيانة قليلة.
- كفاءته عالية وتصل لأعلى من 95%.
- يستخدم في الأماكن التجارية والسكنية.
عيوب محولات رفع الجهد الكهربائي
- يتطلب نظام تبريد لخفض حرارة اللفات وباقي الأجزاء.
- يعمل فقط مع التيار المتردد.
- حجم هذه المحولات ضخمة وتحتاج لمساحة كبيرة للتثبيت..
استخدامات المحول الرافع
- يستخدم في محطات التوليد لرفع جهد الخارج من المولدات الكهربائية لنقله عبر خطوط النقل الكهربية.
- تستخدم محولات الرفع الصغيرة في الأجهزة الإلكترونية والكهربائية عند الحاجة لزيادة الجهد.
- هناك بعض الأجهزة مثل المحركات الكهربائية وأجهزة الميكروويف وآلات الأشعة السينية تتطلب جهدًا عاليًا لبدء التشغيل. يتم استخدام محول رافع للحصول على الجهد المطلوب. غالبًا ما يكون هذا المحول موجودًا كجزء من الجهاز نفسه. ولكن بعض الأجهزة تتطلب أحيانًا محولًا خارجيًا.
