المحولات الكهربائية: مكوناتها, مبدأ عملها, أنواعها

المحول الكهربائي Electrical Transformer من أهم عناصر الشبكة الكهربائية لنقل وتوزيع الطاقة الكهربائية, حيث يتم من خلاله رفع أو خفض الجهد الكهربائي.

فمثلاُ لنقل الطاقة الكهربائية للمستهلكين عبر مسافات طويلة يتم رفع الجهد الكهربائي الذي يتم توليده من خلال محطات توليد الطاقة الكهربائية كما في الأردن على سبيل المثال (11.6kV to 132kV), والفوائد التي يتم جلبها من هذا التحويل لم تنحصر في نقل الطاقة الكهربائية فقط بل يتم تقليل الطاقة المفقودة في أسلاك نقل الطاقة الكهربائية نتيجة لخفض قيمة التيار الكهربائي الحاصل من رفع الجهد الكهربائي, أما في نهاية الشبكات الكهربائية يتم خفض الجهد الكهربائي قبل توزيعه للمستهلكين بواسطة المحولات الكهربائية حتى تتناسب مع الأحمال مثال في الأردن (33kV to 0.4kV).

بعد قراءة هذا المقال ستكون قادر على الإجابة عن الأسئلة التالية:

1. ما مكونات المحول الكهربائي البسيط؟
2. ما مبدأ عمل المحولات الكهربائية؟
3. ما هي نسبة التحويل Turn ratio
4. ما هي أنواع المحولات الكهربائية؟
5. طرق توصيل المحولات الكهربائية؟
6. لماذا تقاس فدرة المحول الكهربائي بـ الفولت.أمبير وليس الواط؟

أولاً: المحول الكهربائي ومكوناته:

هو جهاز ثابت يقوم بتحويل الطاقة الكهربائية المترددة ac electric power من مستوى جهد إلى مستوى جهد آخر دون تغيير التردد frequency , وتتم عملية التحويل من خلال استخدام المجال المغناطيسي Magnetic field.

يتكون المحول الكهربائي من قلب حديدي Iron core ويتم تصنيعه من عدة شرائح فولاذية laminated core لزيادة كفاءة المحول, وملفين من الأسلاك ملفوفه على جانبي القلب الحديدي إحداهما متصل بمصدر الطاقة الكهربائية ويسمى الملف الابتدائي Primary winding ويتكون من عدد معين من اللفات (N_P Turns), والآخر متصل مع الحمل المراد توصيل الطاقة إليه ويسمى الملف الثانوي Secondary winding ويتكون أيضاً من عدد معين من اللفات (N_S Turns).

لاحظ الصورة التالية:

ثانياً: مبدأ عمل المحول الكهربائي:

تعتمد الآلات الكهربائية بما فيها المحولات الكهربائية اعتماد اً كلياَ على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي.

في عام 1831 اكتشف العالم مايكل فاراداي ظاهرة الحث وأنسب اليه قانون فاراداي الذي ينص على أن:

“التغير في التدفق المغناطيسي ينتج في كل لحظة قوة محركة كهربائية حثية هي المسؤولة عن توليد التيار الحثي عبر الملف”

ولفهم مبدأ عمل المحول الكهربائي لا بد أن نتطرق إلى مبادئ الكهرومغناطيسية:

المجال المغناطيسي الناشئ عن مرور تيار كهربائي:

عند مرور تيار كهربائي مستمر dc current في موصل ما فإنه ينشأ حوله مجالاً مغناطيسياً ثابتا,ٌ أما في حالة مرور تيار كهربائي متردد ac current فإنه ينشأ حوله مجالا مغناطيسياً متغير, ففي المحولات الموصل هو عبارة عن ملفات لولبية, لذا لتحديد إتجاه المجال المغناطيسي الناشئ عن مرور تيار كهربائي في ملف لولبي نطبق قاعدة قبضة اليد اليمنى كما في الصورة التالية:

الجهد الناشئ بالحث المغناطيسي:

إذا وضع موصل ما تحت تأثير مجالاً مغناطيسياً بحيث يقطع الموصل خطوط المجال المغناطيسي بشكل مستمر فسيتولد جهد حثي بين اطراف الموصل مسؤول عن توليد تيار حثي إذا كان الموصل ضمن دائرة مغلقة.

لفهم مبدأ عمل المحول الكهربائي, انظر الصورة التالية:

يتصل الملف الابتدائي مع مصدر الطاقة الكهربائية المتردد Primary voltage, يتم توليد تيار كهربائي متناوب بواسطة المصدر الرئيسي Primary current, عند مرور هذا التيار المتردد ac current خلال الملف الابتدائي ينشأ مجال مغناطيسي متغير ينتقل عبر القلب الحديدي بواسطة القوة الدافعة المغناطيسية magneto motive force – MMF ليخترق الملف الثانوي, ينتج من خلال اختراق المجال المغناطيسي المتغير للملف الثانوي نشوء جهد حثي بين أطراف الملف الثانوي secondary voltage ومن ثم توليد تيار حثي يسمى secondary current لينتقل إلى الحمل المراد توصيل الطاقة إليه.

يعرف الفيض أو التدفق المغناطيسي Ø) magnetic flux) أنه عدد خطوط المجال المغناطيسي الذي يخترق ملف ما, كما نلاحظ في الصورة السابقة ليست جميع خطوط المجال المغناطيسي تخترق الملفين الابتدائي والثانوي, حيث يمكن تقسيم الفيض المغناطيسي الكليإلى ثلاثة اقسام كالآتي:

1. الفيض المتبادل mutual flux – Ø_𝑚 وهو المجال المغناطيسي الذي يخترق الملفين الابتدائي والثانوي.
2. والفيض المتسرب في الملف الابتدائي leakage flux primary – Ø_𝐿𝑃 وهي خطوط المجال المغناطيسي التي تخترق الملف الابتدائي دون إختراق الملف الثانوي
3. التدفق المتسرب في الملف الثانوي leakage flux secondary – Ø_𝐿𝑆.

ثالثا: نسبة التحويل Turns Ratio:

يمكن حساب قيمة الجهد بين أطراف الملف الابتدائي الناشئ من الفيض المغناطيسي المتبادل من خلال قانون فاراداي التالي:

حيث أن:

𝑣_𝑝: الجهد على اطراف الملف الابتدائي.
𝑁_𝑃: عدد لفات الملف الابتدائي.
𝑑Ø_𝑚/𝑑𝑡: معدل التغير الزمني للفيض المغناطيسي المتبادل.
ويتم حساب الجهد بين أطراف الملف الثانوي بنفس الطريقة:

حيث أن:

𝑣_s: الجهد على اطراف الملف الثانوي.

𝑁_s: عدد لفات الملف الثانوي.

نستنتج أن:

حيث أن:

𝑎 هي نسبة تحويل المحول الكهربائي وتعرف بأنها هي النسبة بين عدد لفات الملف الثانوي إلى عدد لفات الملف الإبتدائي.

إذا كانت نسبة تحويل المحول الكهربائي أكبر من واحد (a>1) أي أن عدد لفات الملف الإبتدائي أكبر من عدد لفات الملف الثانوي فيكون الجهد الثانوي أقل من الجهد الإبتدائي وفي هذه الحالة تسمى محولات خافضة الجهد Step down transformer.

أما إذا كانت نسبة تحويل المحول الكهربائي أقل من واحد (a<1) أي أن عدد لفات الملف الثانوي أكبر من عدد لفات الملف الإبتدائي فيكون الجهد الثانوي أكبر من الجهد الإبتدائي وتسمى المحولات في هذه الحالة بمحولات رافعة الجهد Step up transformer.

رابعا: أنواع المحولات الكهربائية:

تصنيف المحولات الكهربائية من حيث شكل القلب الحديدي:

1. Core form: في هذا النوع من المحولات يصنع القلب الحديدي من شرائح فولاذية على شكل مستطيل ويتم وضع الملفين الابتدائي والثانوي على طرفي القلب الحديدي كما هو موضح بالصورة التالية.
2. Shell form: يتكون القلب الحديدي في هذا النوع من المحولات من شرائح فولاذية على شكل ثلاثي الأرجل وتوضع الملفات على الرجل المركزية بحيث تكون معزولة عن بعضها البعض كما هو موضح بالصورة التالية.

تصنيف المحولات الكهربائية من حيث مستوى الفولتية:

1. محولات القدرة Power transformers: هي المحولات التي تستخدم في شبكات نقل الطاقة الكهربائية (above 33kv) مثل محولات 400kv/132kv ومحولات 132kv/33kv
2. محولات التوزيع Distribution transformer: هي المحولات المستخدمة في شبكات توزيع الطاقة الكهربائية (up to 33kv) مثل 33kv/11kv , و 33kv/0.4kv

تصنيف المحولات الكهربائية من حيث عدد الأطوار:

1. محول أحادي الطور أو الوجه single phase transformer: يتكون من ملف إبتدائي واحد وملف ثانوي واحد.
2. محول ثلاثي الأطوار أو الأوجه Three-phase transformer : يتكون من ثلاثة ملفات إبتدائية وثلاثة ملفات ثانوية.

ويوجد نوعين من المحول ثلاثي الأطوار, النوع الأول مكون من ثلاثة محولات أحادية الطور Three single-phase transformer والنوع الثاني الذي يتكون من وحدة واحدة بواسطة القلب ثلاثي الأطوار single three-phase transformer.

لاحظ ما يلي:

خامساً: طرق توصيل محولات ثلاثي الأطوار:

يمكن توصيل الدوائر الثلاثية الأطوار Three phase circuits بطرق مختلفة منها:

• طريقة الدلتا (Delta connection – Δ) عن طريق توصيل نهاية كل ملف ببداية الملف المجاور له.
• طريقة النجمة (Star connection – Y) عن طريق توصيل جميع نهايات الملفات معاً.

بما أن المحولات تتكون من دائرتين الإبتدائية والثانوية, يمكن توصيل كل دائرة منهما بطريقة الدلتا أو النجمة ويعني ذلك أن هنالك أربعة طرق لتوصيل محولات ثلاثية الأوجه وهي:

1. Y-Y transformer: في هذه الطريقة تكون كل من الملفات الإبتدائية والثانوية متصلة على شكل النجمة.
2. Δ- Δ transformer: يتم توصيل كل من الملفات الإبتدائية والثانوية بطريقة الدلتا
3. Y- Δ transformer: يتم توصيل الملفات الإبتدائية بطريقة النجمة أما الملفات الثانوية تكون متصلة بطريقة الدلتا
4. Δ-Y transformer: يتم توصيل الملفات الإبتدائية بطريقة الدلتا والملفات الثانوية بطريقة النجم

سادساً: لماذا تقاس قدرة المحولات الكهربائية ب الفولت.أمبير volt.ampere وليس بالواط Watt ؟

تقاس قدرة المحولات بالفولت.أمبير لسببين وهما:

1. الأحمال الكهربائية متغيرة بشكل مستمر, حيث أن تغير الأحمال الكهربائية يؤدي الى تغير معامل القدرة power factor والذي بدوره يغير Real power التي تقاس بوحدة الواط.
2. وجود نوعين من المفاقيد losses الأولى هي المفاقيد النحاسية التي تعتمد على التيار, والأخرى هي المفاقيد الحديدية التي تعتمد على الجهد.

المراجع:

• ELECTRIC MACHINERY FUNDAMENTALS by Stephan J. Champan 4th edition
• المرجع في محولات القوى الكهربائية د.محمود الجيلاني

أصدقاؤنا, ما لكم إلا صندوق التعليقات لطرح اسئلتكم واستفساراتكم. ورجاء لا تنسوا مشاركة رابط المقال مع أصدقائكم.