المحولات الكهربائية ـ أنواعها ، مبدأ عملها ، استخداماتها ... Transformer

المحولات الكهربائية ، استخدامها ، أنواعها ، مبدأ عملها

المحولات الكهربائية ـ أنواعها ، مبدأ عملها ، استخداماتها ... Transformer

تعريف مفهوم المحوّل الكهربائي (Transformer) : 

هو عبارة عن جهاز مؤلف من ملفين من الأسلاك المنفصلة الملفوفة حول قضبان حديدية فقط بمسافة بسيطة، يسمى الطرف المرتبط بالمولد الكهربي بالملف الإبتدائي بينما يطلق على الطرف المرتبط بالحمل الملف الثانوي .

استخدامات المحول :

١- نقل القدرة الكھربیة لمسافات بعیدة من أماكن تولیدھا إلى أماكن إستهلاكها .
٢- تستخدم مع أجھزة القیاس والوقایة عندما تكون التیارات والجھود الكھربیة عالیة وذلك بخفض قیم التیارات أو الجھود إلى قیم صغیرة یمكن قیاسھا والتعامل معھا .
٣- تستخدم في العزل الكھربائي بغرض منع الشوشرة الكھرومغناطیسیة في الدوائر الإلكترونیة.
٤- تستخدم في اغلب الأجھزة الكھربیة والالكترونیة للحصول على جھود تشغیل ھذه الأجھزة والتيتعتبر صغیرة جدا بالمقارنة بجھد المصدر.

مبدأ عمل المحول الكهربائي :

يعتمد مبدأ عمل المحول الكهربي على قانون فارداي للحث الكهرومغناطيسي الذي ينص على أن ( قيمة القوة الدافعة الكهربائية (الجهد الكهربائي) تتناسب تناسباً طرديا مع معدل تغير التدفق المغناطيسي .

س : لماذا لا یعمل المحول الكھربي فى أنظمة التیار المستمر؟

جـ : لأن  التيار المستمر يولد مجالا مغناطيسيا ثابتا، مقدار تغيره يساوي الصفر فلا يمكن خلق جهد كهربي حينها بطريقة الحث و هذا من ضمن الأسباب الرئيسية لتفضيل التيار المتردد على المستمر .

أھم فوائد المحولات :

1) أنه یمكن نقل الطاقة الكھربائیة من جزء من الدارة إلى جزء آخر دون توصیل مصدر التیار توصیلا مباشرا بذلك الجزء.
2) یمكن من خلال ھذه العملیة أیضا تغییر الجھد بحیث یمكن زیادته أو إنقاصه وكذالك الحال بالنسبة للتیار.فمثلا إذا كان مصدر التیار جھده 220 فولت وأنت في حاجة إلى 6 فولت أو غیر ذلك فیمكنك استخدام المحول المناسب .

ولا یمكن استخدام المحولات إلا في حال التیارات المترددة ( المتناوبة) إذ لن یتكون في الملف الثانوي جھد تأثیري إذ لم یتغیر المجال المغناطیسي في الملف الابتدائي بتغیر جھد التیارالمتصل به.

وفي حال توصیل الملف الابتدائي لمحول بمصدر للتیار المستمر فإنه لن یتولد جھد تأثیري في الملف الثانوي إلا في اللحظة التي تغلق فیھا الدارة أو تفتح إذ خلال ھذه اللحظة فقط یتغیر المجال المغناطیسي الذي یتكون من مرور التیار في الملف الابتدائي.

تركيب المحول الكهربائي Construction of Transformer

يتركب المحول من ثلاثة أجزاء رئيسية هى:
- الملف الأبتدائى Primary Winding
- الملف الثانوى Secondary Winding
- القلب الحديدى Core
العناصر الثلاثة المذكورة اعلاه هى اجزاء المحول الأساسية اما فىمحولات القدرة ( Power Transformer ) فيتم إضافة الأجزاء التالية
- خزان الزيت الرئيسى Main Tank
- خزان التمدد Conservator
- ريديتر ( مجموعة مواسيرللتبريد الزيت ) Radiator
- طلمبة ضخ الزيت Oil pump
- مجموعة مراوح التبريد Cooling Fan
- منظم الجهد Tap Changer
- عازل أختراق الجهد العالى HV Pushing.
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
عند فتح دائرة الملف الثانوي فان تيار الملف الابتدائي يكاد ينعدم حيث أن الحث الذاتي للملف الابتدائي يعمل على توليد تيار تأثيري عكسي يكاد يكون مساويا ومعاكسا للتيار الأصلي فينعدم التيار في الابتدائي ولا يحدث استهلاك للطاقة ـ العمل العقيم للمحول ـ idling ـ
نستنتج من هذا أنه أثناء العمل العقيم للمحول يكون الجهد على الملفين متناسب طرديا مع عدد لفات الملفين

عند غلق دائرة الملف الثانوي ( توصيل حمل ـ جهز التليفزيون مثلا ـ بالمحول ) فان تيار الملف الثانوي يولد مجالا مغناطيسيا في القلب الحديدي متجها في مقابلة فيض الملف الأبتدائي ويقوم اضعاف الفيض في القلب بتصغير القوة الدافعة الكهربية التأثيرية في الملف الابتدائي ولذلك ينمو التيار فيه الى القيمة ت 1 ويقوم فيها فيضه المغناطيسي بالتعويض عن الفيض المقابل للملف الثانوي فيبقى الفيض الناتج من ذلك في القلب كما كان الغرض منه

* تصنف المحولات من حيث التردد:

1ـ محولات تردد شديد الأنخفاض Very low frequency Transformer
2ـ محولات تردد صوتى Audio frequency Transformer
3ـ محولات تردد عالى High frequency Transformer
4ـ محولات تردد متوسط IF frequency transformer

النوع الأول يستخدم فى نظم القوى الكهربية .
اما الأنواع الثلاثة الآخيرة فلها عدة استخدامات فى اجهزة الأتصالات و دوائر مصادر التغذية الكهربية ( DC / DC converter ) المستخدمة مع اجهزة الوقاية فى محطات التحويل.

تصنيف المحولات من حيث نسبة التحويل:

1ـ محولات رفع Step-up
2ـ محولات خفض Step-down

ملاحظة مهمة : 
المحول يمكن ان يعمل كمحول خافض أو محول رافع أعتمادا على أتجاه التغذية و لا يوجد بين المحول الرافع او المحول الخافض أى اختلاف فى التركيب او التصميم.
خللي بالك ــ المحول الرافع للجهد خافض للتيار والعكس صحيح

 تصنيف المحولات من حيث الوظيفة الكهربية:

1ـ محولات قدرة ( Power Transformer ) وهي المحولات المستخدمة فى شبكات النقل الكهربية ومحطات التوليد الكهربية.
2ـ  محولات توزيع ( Distribution Transformer ) و هى المحولات المستخدمة فى شبكات التوزيع الكهربائية
3ـ محولات قياس وتنقسم إلى نوعين
      أ- محولات جهد Voltage Transformer .
     ب- محولات التيار Current Transformer.

طرق الوقاية والحماية المستخدمة فى المحول الكهربى:

1- وقايات كهربية : وهي مجموعة من الوقايات اهمها الوقاية التفاضلية
2- الوقايات الميكانيكية : ومن ضمنها البوخلز ريليه

وهو جهار يكون متصل بجسم المحول بين التانك الرئيسي و تنك الزيت conservator عن طريق انبوبه معدنية متصلة بجسم المحول
· وظيفة هذا الريليه هي حماية المحول من القصر الداخلي بين ملفات المحول internal) short circuit between the coils (windings وليس لمستوي الزيت لان مستوي الزيت له قياس زجاجي اعلي المحول يبين مستوي الزيت
·
يعتمد البوخلز في عملة علي فكرة ان التيار الكهربي العالي يسخن الزيت الموجود داخل المحول مما ينشئ عنه تحلل للزيت وتحوله من الحالة السائلة الي الحالة الغازيه وكما تعرف ان الغازات اقل كثافة من السوائل لذلك يتصاعد الي اعلي مندفعا تجاه اعلي جسم المحول وهو تنك الزيت conservator وبذلك سيمر بالبوخلز و الذي يحتوي علي عوامتين موضوعتين بطريقة معينة احداهما متصلة بدائرة انذار والأخري بدائرة الفصل tripping
المتصلة بدائرة الإنذار تعمل في حالة ان يكون تيار القصر صغير مما نتج عنه كميه صغيرة من الغازات والتي بكونها لا تستطيع ان تحرك عوامة الفصل لانها تتطلب قوي اكبرمن الغازات حتي تتحرك لتلامس الlimit switch ليقفل دائرة الفصل

اذن في النهاية فان البوخلز هو جهاز يعمل علي وقاية المحول من تيارات القصرالداخلية معتمدا في عمله علي البخرة و الغازات الناتجة عن احتراق الزيت الموجود داخل المحول نتيجة التيارات العالية سواء قصر او حمل عالي علي المحول overloading
·
 والسؤال الان :هل أى متمم يناسب اى محول؟
 والجواب لا لأن كل محول له متمم يتناسب مع ال rating الخاص به لان المحولات ليست متساوية الحجم فكل power ولها حجمها وكذلك حسب الشركة المصنعة للمحول فهناك ABB,siemens ,Alstom,schnider وغيرها كثير ولكن نفس فكرة العمل ثابتة للكل

الطاقة المفقودة في المحول وكيفية الحد منها

 جزء من الطاقة الكهربية يتحول الى طاقة حرارية بسبب مقاومة الأسلاك
 للحد من الفقد بسبب المقاومة تصنع الملفات من النحاس الذي له مقاومة نوعية منخفضة.
 جزء يفقد بسبب التيارات الدوامية المتولدة في القلب الحديدي.
 يصنع القلب الحديدي من شرائح رقيقة من الحديد المطاوع السليكوني معزولة عن بعضها للحد من التيارات الدوامية.
 تسرب جزء من خطوط الفيض خارج القلب الحديدي فلا تقطع الملف الثانوي
 يوضع الملف الابتدائي داخل الملف الثانوي ويعزل عنه.
 جزء يفقد في صورة طاقة ميكانيكية تستنفذ في تحريك الجزيئات المغناطيسية للقلب الحديدي.
 للحد من الفقد يصنع القلب من الحديد المطاوع لسهولة حركة جزيئاته المغناطيسية

تبرید المحولات:

مرور التیار الكھربي في القلب الحدیدي والأسلاك النحاسیة للمحولات تسبب ارتفاع في درجة حرارةالملفات ،وبالتالي كلما زاد الحمل الكھربي كلما زادت الخسائر في الأسلاك النحاسیة.
لذلك يجب الأخذ في الاعتبار طبیعة عمل المحول الكھربي المستخدم وأعلى درجه حرارة یمكنه العمل خلالھا.

طرق تبرید المحولات:

1- بالھواء الطبیعي:
تستخدم ھذه الطریقة مع المحولات صغیرة القدرة التى لا تزید قدرتھا عن ١ أو ٢ كیلو وات حیث تشع الحرارة الى الجو المحیط .
2- بالھواء المسلط:
تستخدم ھذه الطریقة مع المحولات متوسطة القدرة التي لا تزید قدرتھا عن ٣ أو ٤ كیلو وات والتيتوضع في أماكن ضیقة،ویتم تسلیط التیار الھوائي بواسطة مراوح یتم توجیھھا على جسمالمحول.

كفاءة المحولات الكهربائية :

هي النسبة بين الطاقة الكهربائية في الملف الثانوي الى الطاقة الكهربائية في الملف الابتدائي أو هي النسبة بين قدرة الملف الثانوي وقدرة الملف الابتدائي
استخدام المحول في نقل القدرة الكهربية

لا يمكن تحقيق الاستعمال الفعال للطاقة الكهربائية الا بواسطة نقلها لمسافات بعيدة بأقل خسارة ممكنة ويجب لهذا نقل الطاقة تحت جهد عالي جدا حيث توجد محولات رافعة عند أماكن توليد الطاقة وتنقل الطاقة عبر الأسلاك والأبراج الهوائية الى أماكن الاستهلاك حيث توجد محولات لخفض القوة الدافعة
كفاءة النقلـ هي النسبة بين الطاقة الكهربائية التي تصل الى أماكن الاستهلاك والطاقة الكهربية الناتجة في محطات التوليد .

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

يمكنكم من أدناه :

تحميل كتاب المرجع في محولات القوى الكهربائية PDF

تحميل مجموعة من كتب أساسيات الكهرباء والإلكترونيات pdf

تعديل المقال