المحولات الكهربائية: أنواعها، مبدأ عملها، مكوناتها

تعد المحولات الكهربائية مكونًا مهمًا في حياتنا الحالية وتجعل أنظمة الطاقة الكبيرة ممكنة. لنقل مئات الميغاوات من الطاقة بشكل فعال عبر مسافات طويلة، يلزم وجود خط جهد عالي للغاية في حدود 161 إلى 1000 كيلو فولت.  ومع ذلك، فإن أعلى جهد تصميم عملي للمولدات الكبيرة يبلغ حوالي 25 كيلو فولت. ‏فكيف يمكن توليد الطاقة الكهربائية عند 25 كيلو فولت ونقلها بجهد أعلى بكثير؟ 

 يمكن أن توفر المحولات الكهربائية الحل لهذه المشكلة. حيث بإمكانها رفع الفولتية لقيم كبيرة أو خفضها لقيم قليلة مع فقد بسيط جدًا في الطاقة. وبوضع محول رافع للجهد بين المولد وخط النقل، يمكن للمولد ان ينتج جهد يصل لحدود 25KV ومن ثم يقوم المحول برفعه لقيم عالية جدًا.

يسمح توصيل محول رافع للجهد بين المولد وخط النقل بإنشاء جهد تصميم عملي للمولد وفي نفس الوقت جهد خط نقل فعال. من خلال محولات الخفض المتصلة بين خط النقل والأحمال الكهربائية المختلفة المتصلة به، يتم استخدام الطاقة المرسلة بجهد آمن. بدون المحولات، سيكون من المستحيل تطوير أنظمة طاقة كبيرة موجودة اليوم. 

وقد تتساءل لماذا يتم رفع الجهد إلى قيم عالية عند النقل؟ السبب في تحويل الجهد إلى مستوى أعلى بكثير هو أن الفولتية الأعلى للنقل تعني تيارات أقل لنفس القدرة وبالتالي انخفاض الخسائر النحاسية (I² * R) على طول خطوط النقل المتصلة بالشبكة.

يمكن بعد ذلك خفض الفولتية والتيارات العالية لنقل التيار المتردد إلى مستوى جهد أقل بكثير وأكثر أمانًا وقابل للاستخدام حيث يمكن استخدامه لتزويد المعدات الكهربائية في منازلنا وأماكن العمل ، وكل هذا ممكن بفضل محولات الجهد.

ما هو المحول الكهربائي (Transformer)؟

المحول عبارة عن جهاز كهربائي ثابت (static) أي لا يحتوي على أجزاء متحركة تدور، ويقوم بتحويل الطاقة الكهربائية من تردد وجهد معين الى نفس التردد وقيمة مختلفة للجهد إما أقل أو أعلى، بواسطة الحث الكهرومغناطيسي. 

ولاحظ أن تغير الجهد يصاحبه تغير في قيمة التيار، فعند رفع الجهد ينخفض التيار بنفس الوقت. ويعمل المحول مع التيار المتردد فقط، ولا يعمل مع التيار المستمر. 

مبدأ عمل المحولات الكهربائية  

المبدأ الأساسي الذي يعمل عليه المحول هو قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي أو الحث المتبادل (mutual inductance) بين الملفين الذي ينص على أن “معدل تغير الفيض المغناطيسي بالنسبة للزمن يتناسب طرديًا مع القوة الدافعة الكهربية (EMF) المتولدة في الموصل أو الملف.”

يتكون المحول من ملفين منفصلين يوضعان في قلب فولاذي مصفح بالسيليكون. يُطلق على الملف الذي يتصل بمصدر التيار المتردد اسم الملف الأولي أو لإبتدائي ويسمى الملف الذي يتصل بالحمل بالملف الثانوي كما هو موضح في الشكل أدناه.

عندما يتم توصيل مصدر التيار المتردد بالملف الأولي بجهد V1، يتولد فيض مغناطيسي متغير في الملفات الأولية وينتقل عبر قلب المحول، ويرتبط بالملف الثانوي ونتيجة لذلك، يتم توليد قوة دافعة كهربية emf فيه تسمى (Mutually Induced emf). اتجاه emf المستحثة هو عكس الجهد المطبق V1، وفقًا لقانون لينز.

فيزيائيًا ، لا يوجد اتصال كهربي بين الملفين، لكنهما متصلان مغناطيسيًا. لذلك، يتم نقل الطاقة الكهربائية من الدائرة الأولية إلى الدائرة الثانوية من خلال الحث المتبادل (mutual inductance). يعتمد emf المستحثة في اللفات الأولية والثانوية على معدل تغير الفيض المغناطيسي (N dϕ / dt).

dϕ / dt هو تغيير الفيض المغناطيسي وهو نفسه لكل من اللفات الأولية والثانوية. تتناسب E1 المستحثة في الملف الأولي مع عدد الدورات N1 للملفات الأولية (E1 ∞ N1). تتناسب E2 المستحثة بالمثل في الملف الثانوي مع عدد اللفات على الجانب الثانوي (E2 ∞ N2).

تركيب المحول الكهربائي

يتكون المحول بشكل أساسي من: ملفين كهربائيين من الأسلاك: أحدهما يسمى “الملف الابتدائي” والآخر يسمى “الملف الثانوي” عادة ما يتم اعتبار الملف الابتدائي من المحول على أنه الطرف الذي يتصل بمصدر الكهرباء، والملف “الثانوي” هو الطرف الذي يتصل بالحمل. ومن القلب مغناطيسي حيث يوفر القلب المغناطيس مسار منخفض الممانعة للفيض المغناطيسي الناتج عن الملف الأولي، حيث يمر عبر القلب إلى الملف الثانوي ويعمل على تكوين دائرة مغناطيسية مغلقة.

لا يكون هذان الملفان على اتصال كهربائي مع بعضهما البعض. ولكن بدلاً من ذلك يتم لفهما معًا حول دائرة مكونة من حديد مغناطيسي مشتركة تسمى “القلب المغناطيسي”.

هذا القلب المغناطيسي ليس مصمت (كتلة واحدة) ولكنه يتكون من شرائح معدنية رقيقة معزولة عن بعضها البعض لماذا يتكون القلب المغناطيسي من شرئح معدنية؟ وذلك للمساعدة في تقليل مفاقيد القلب المغناطيسي بسبب التيارات الدوامية.

ويتم عزل ملفي الملف كهربائيًا عن بعضهما البعض ولكن يتم ربطهما مغناطيسيًا من خلال القلب المشترك مما يسمح بنقل الطاقة الكهربائية من الملف الإبتدائي عبر القلب المغناطيسي إلى الملف الثانوي.

نسبة التحويل Turns Ratio

:نسبة التحويل للمحول هي عدد لفات الملف الأولي مقسومًا على عدد لفات الملف الثانوي. توفر نسبة التحويل للمحول معرفة عن عمل المحول المتوقع والجهد المقابل المتولد على الملف الثانوي.

إذا كان مطلوبًا جهدًا ثانويًا أصغر من الجهد الإبتدائي – محول خفض – يجب أن يكون عدد اللفات على الثانوي أقل مما هو عليه في الابتدائي، وبالنسبة للمحولات الرافعة يكون العكس، عندما يقوم المحول بتحويل نسبة الجهد إلى أقل، فإنه يزيد من التيار والعكس صحيح، بحيث ترتبط نسبة الجهد والتيار في المحول مثالي بشكل مباشر بنسبة اللفات.

نسبة التحويل في المحولات الحقيقية

لسوء الحظ، المحولات ليست مثالية، وفي المحولات الحقيقية، قد لا تكون نسبة الجهد أو التيار مساوية لنسبة التحويل لملفات المحول الفعلية، بسبب الخسائر الكهربائية المختلفة كما هو الحال في القلب الحديدي (hysteresis and eddy current losses) وخسائر النحاس (بسبب المقاومة الكهربائية للملفات الأولية والثانوية)

لذلك، يحاول المصنعون تصميم المحولات بطريقة تقلل من تلك الخسائر ، للحصول على أقصى قدر من الكفاءة عند التحميل الكامل، أعلى من 95 ٪، وبالتالي توفير نسبة جهد تختلف بحد أقصى 5 ٪ عن نسبة التحويل للملفات.

أنواع المحولات

هناك عدة أنواع من المحولات المستخدمة في نظام الطاقة الكهربائية لأغراض مختلفة، مثل توليد الطاقة وتوزيعها ونقلها. يتم تصنيف المحولات على أساس مستويات الجهد، والقلب المستخدم، وترتيبات اللفات، والاستخدام ومكان التثبيت، وغيرها، فيما يلي بعض أنواع المحولات الكهربائية المهمة:

• المحولات الرافعة للجهد
• المحولات الخافضة للجهد
• المحولات أحادية الطور
• المحولات ثلاثية الطور
• محولات القدرة
• محولات التوزيع
• المحولات الجافة
• المحولات الزيتية
• المحولات الذاتية
• محولات القياس

اقرأ أيضًا: الفرق بين المحول الخافض والرافع للجهد

طرق توصيل المحولات الكهربائية

هناك العديد من الطرق لتوصيل الملفات في المحولات الثلاثية الأوجه، لكن هناك أربع طرق أكثر انتشارًا كما يلي

1- توصيلة Y- Y، (نجمة -نجمة) وهي طريقة قليلة الاستخدام لما ينتج عنها من مشاكل عديدة في حالة عدم اتزان الأحمال حيث يصبح الجهد في كل فاز غير متزن، وينتج عنها أيضًا توافقيات (Harmonics) كبيرة جدًا.

2 – توصيلة (Δ- Δ) دلتا-دلتا وتتميز هذه الطريقة بعدم توليد أي توافقيات. ‏

3 – توصيلة Y – Δ نجمة – دلتا، وتستخدم غالبا مع محولات الخافضة للجهد Step-down، حيث يوصل جانب ال Star إلى الجهد العالي.

4 – توصيلة Δ- Y دلتا- نجمة، وتستخدم في المحولات الرافعة Step up.

يمكنك قراءة مقال طرق توصيل المحولات لمعرفة طرق التوصيل بالتفصيل.

إستخدامات المحولات الكهربائية

أهم استخدامات وتطبيقات المحولات هي:

• تعمل على رفع أو خفض مستوى الجهد أو التيار (عندما يزداد الجهد ينخفض ​​التيار والعكس صحيح عند ثبات القدرة).
• تُستخدم لعزل دائرتين كهربائياً.
• تستخدم لعمل matching للمعاوقة (impedanc).
• يمكن استخدامها لمنع تيار DC من المرور من دائرة إلى أخرى.
• تُستخدم في الأجهزة الإلكترونية والكهربائية.

قدرة المحولات الكهربائية

تقاس قدرة المحولات الكهربائية بشكل أساسي بالكيلو فولت أمبير (kVA) أو ميجا فولت أمبير (MVA) بناءً على القدرة الظاهرية (S). لأن تيار الخرج للمحول يمكن أن يكون له معامل قدرة تتراوح قيمته من 0 إلى 1 بحسب نوع الحمل المتصل به، ولهذا السبب من غير المناسب أن تحسب قدرة المحول بالكيلو وات kW لأنها ستكون قيمة متغيرة حسب الحمل، ولذلك يتم حساب قدرة المحول بالكيلو فولت أمبير kVA.

من الجدير بالذكر أن محولات القدرة من أهم مكونات شبكة الطاقة الكهربائية وأغلاها ثمنًا، ويتطلب تكلفة كبيرة عند استبداله إذا احترق أو تعرض للتلف. لذلك يجب اختيار قدرة المحولات ومواصفاتها المناسبة للمشاريع بشكل دقيق.

سعة المحول الكهربائية ومواصفاته

تصمم المحولات وتصنع حسب الحاجة، بحيث تكون قدراتها التحويلية متناسبة مع الأحمال المتصلة بها، وتسمى سعة المحول القدرة الظاهرية (S)، تقاس بوحدة فولت أمبير (VA) إذا كانت سعة المحولات صغيرة، أو وحدة كيلو فولت امبير (KVA) للمحولات المتوسطة السعة مثل المحولات المستخدمة في التوزيع، أو وحدة ميجا فولت امبير (MVA) للمحولات كبيرة الحجم المستعملة في محطات التحويل الكهربائية ومحطات التوليد، وغالبا ما تكون هذه المحولات المتوسطة والكبيرة السعة ثلاثية الطور .

ويمكن ذكر اسم المحول بدلالة سعته، فنقول محول (45MVA) أو محول (1000kVA). وتحدد سعة المحولات بقيم قياسية عالمية متعارف عليها وموثقة في القياسات العالمية مثل : (IEC) العالمية و (BS) البريطانية و(ANSI) الأمريكية،

تكتب سعة المحول على اللوحة الاسمية للمحول (Name plate). كما يتم في العادة ذكر الجهد المقرر للملفات وجهد الدارة المفتوحة (Open Circuit Voltage) وهي جهد المحول عندما تكون الأحمال على ملفه الثانوي تساوي صفرا أي جهد اللاحمل، وتكتب على اللوحة الاسمية قيمة الجهد بين الطور والحيادي (Vph) في حالة المحولات أحادية الطور، ويسمى جهد الطور (Phase Voltage) بينما يكتب الجهد بين أي طورين في حالة المحولات ثلاثية الطور، ويسمى جهد الخط VL (Line Voltage). ويتم توضيح نوع توصيلة كل من الملفين الابتدائي والثانوي في حالة المحولات ثلاثية الطور مثل ((Υ−Υ) (نجمة – نجمة) أو (Δ- Y) (نجمة – مثلث) وهكذا.