يبدو أن المحولات قادرة على القيام بما يجب أن يكون مستحيلاً، حيث تقوم بضبط الجهد دون وجود أي مكونات متحركة ودون وجود عامل تداخل. تتضمن عملية القيام بذلك منع الدائرتين من الاتصال، ومع ذلك الإصرار على أن تعمل كلا الدائرتين ضمن نفس المجال المغناطيسي.
هذه التكوين البسيط هو المفتاح لجعل أنظمة إمداد الطاقة ممكنة ولحقيقة أن المنازل الواقعة على بعد 300 كم من محطة كهربائية قادرة على الحصول على 230 فولت. هذا هو ما يسمح فعليًا بنظام توزيع الطاقة الكهربائية بالعمل.
تتكون المحولة من ملفين ملفوفين حول قلب مغناطيسي مشترك. في الملف الأول، يؤدي التيار الكهربائي إلى توليد مجال مغناطيسي متقلب، مما يحفز بعد ذلك تيارًا في الملف الثانوي. يسمح نسبة اللفات بتعريف الجهود التي تمر عبر كلا الملفين، كما، على سبيل المثال، ستمر 100 لفة عبر 1,000 لفة مما يؤدي إلى زيادة الجهد من 230 فولت إلى 2300 فولت.
المبدأ: الحث المتبادل
تتكون من ملفين وقلب واحد، لا تتفاعل المكونان مع بعضهما البعض بأي تدفق كهربائي. إذا تم تزويد الجزء الأول من الملفات بالطاقة الكهربائية، فإن تيارًا كهربائيًا يمر من خلاله ويولد مجالًا كهرومغناطيسيًا. التيار المستخدم في الدائرة هو تيار متردد، وبالتالي فإن المجال المنتج يتغير باستمرار، مما يؤدي إلى ارتباط مع الملف الثاني؛ وهذا يؤدي إلى ظهور جهد كهربائي عبر الأخير.
هناك ثلاث قواعد رئيسية تستند إلى مبدأ عمل المحول:
- ستحدد نسبة لفات المحول الجهد. Vp/Vs=Np/Ns.
- ضعف عدد اللفات سيؤدي إلى ضعف الجهد.
- الطاقة محفوظة. هناك مبدأ لحفظ الطاقة. الطاقة المدخلة تساوي الطاقة الخارجة ناقص الخسائر المحددة.
- يتم تحديد المقاومة بواسطة مربع نسبة اللفات. ستظهر المحولة ذات نسبة 10:1 كحمولة 100 أوم للملف الأول.
القلب هو جزء مهم. إنه مصنوع من فولاذ كهربائي متعدد الطبقات، وتوجهه بطريقة تجعل المجال المنتج يسير بمساعدة هذا المادة، وتؤدي طبقة المادة إلى جعل الدوائر المغلقة مستحيلة في المادة.
لماذا يعمل فقط على التيار المتردد
لبدء الحث، هناك حاجة إلى تدفق يتغير ويتغير مع الزمن. عندما تستخدم التيار المباشر لإنشاء مجالات مغناطيسية، فإن هذا المجال المغناطيسي لا يتغير مع الزمن ولا ينتج أي جهد في الملف الثانوي. هذه النتيجة ممكنة بسبب خصائص الكهرباء وليس بسبب تصميم المحول نفسه. يمكن استخدام هذه الظاهرة عمليًا بطريقتين.
أولاً، يعمل المحول على التيار المتردد ولا يعمل على التيار المستمر. لذلك لديه القدرة على فصل مصدر التيار المستمر عن نظام التيار المتردد. ثانياً، يوضح لماذا لا يمكن استخدام المحول لتحويل التيار المستمر إلى تيار مستمر، حيث أن هذا النوع من المحولات يستخدم إلكترونيات التبديل لتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد والعكس بالعكس.
من المثير للاهتمام أن التردد نفسه يلعب دورًا مهمًا جدًا. على سبيل المثال، سيصبح المحول المصمم لـ 50 هرتز مشبعًا عند 60 هرتز فقط إذا تم تقليل الجهد بشكل متناسب. سيعمل المحول الذي يعمل بتردد 60 هرتز عند جهد 50 هرتز في وضع التشبع وبالتالي ينتج حرارة وضوضاء.
ماذا يفعل في نظام الطاقة
فهم الغرض من المحول يتم تحقيقه بسهولة من خلال تتبع الطاقة الكهربائية من مكان التوليد إلى المقبس.
ينتج المولد نفسه كهرباء بجهد 11-25 كيلوفولت، وهو سعة عزل اقتصادية للمولد. وبالتالي، هناك حاجة لنقل الطاقة عالية الجهد. الخسارة التي يتعرض لها النقل تتناسب مع I²R، لذلك فإن زيادة الجهد بمقدار 10 ستقلل التيار بنفس المقدار وستقلل من خسارة الطاقة بمقدار 100. وبالتالي، فإن النقل له معنى بسبب تلك العلاقة.
عند الوصول إلى الوجهة، ينخفض الجهد العالي على مراحل: من 400 كيلوفولت إلى 110 كيلوفولت إلى 33 كيلوفولت إلى 11 كيلوفولت وأخيرًا إلى 400/230 فولت عند المحول التوزيعي (المحول الذي يخدم الشارع أو المبنى). كل مرحلة هي محول وكل محول يستخدم بحيث يمكن بناء المرحلة بشكل اقتصادي.
وبالتالي، يمكن تقسيم غرض المحول إلى أربع وظائف غالبًا ما يتم الخلط بينها:
- تحويل الجهد للنقل والاستخدام الآمن
- تحويل التيار الذي يتبع تلقائيًا ويسمح بنقل تيار عالي عند جهد منخفض
- العزل الجلفاني بحيث لا يمكن لأي جانب من عنصر المحول تنشيط الجانب المقابل ويمكن تصميم النظام ليتم تزويده بالأرض بشكل مستقل
- مطابقة المقاومة وتحديد الأعطال، حيث تشير البيانات المتاحة إلى أن مقاومة المحول تم إنشاؤها عمدًا لأغراض الحماية.
الفرق بين العائلتين الرئيسيتين في العمل التوزيعي، وأي واحدة يجب أن يحددها المشروع، موضح في هذا المقارنة لـ المحولات الكهربائية ومحولات التوزيع.
أين تذهب الطاقة
المحولات عمليًا لا تخلو من الخسائر، ولكن معرفة النقاط التي تحدث فيها هذه الخسائر توفر للمرء نظرة كبيرة على سلوكها.
تأخذ خسارة القلب شكلين. أولاً، هناك خسارة الهسترة (تتقلب المجالات المغناطيسية) وثانيًا، هناك خسارة التيار الدوامي (التيارات المتداولة في الفولاذ). تحدث هذه الخسائر سواء كان المحول نشطًا أو تحت الحمل، حيث إنها متأصلة في بنائه.
يتم حساب خسارة النحاس مع مقاومة اللفات كـ I²R. وهذا يعني أنه عند نصف الحمل، تكون هذه الخسارة ربع خسارة الحمل الكامل.
لأن أحد هذه الخسائر ثابت والآخر يزداد مع مربع الحمل، يتم ملاحظة الكفاءة المثلى للمحول عند الحمل الذي تكون فيه الخسائر متساوية. وبالتالي، إذا زادت إحدى الخسائر مع الحمل، فإن الأخرى لا تزيد.
خسائر التحويل ثابتة خلال العملية بأكملها؛ لذلك، تكون كفاءة المحول الأفضل عندما تكون متساوية، وهو ما تم تصميمه. يتم وصف الطرق في هذا الدليل إلى اختبار محول.
الأنواع الرئيسية، وما هو الغرض من كل منها
معظم العروض التي ترافق المشتري تأتي من أربع عائلات من المحولات.
المحولات الموزعة المملوءة بالزيت هي تلك التي تكون إما على الأعمدة أو في قواعد مثبتة. يعمل الزيت كعازل وكوسيلة تبريد مما يجعل هذه المحولات مدمجة ورخيصة بالنسبة لنطاق قدرتها من 25 kVA إلى 2,500 kVA.
تستخدم المحولات الجافة الهواء والعزل الصلب بدلاً من الزيت، والذي عادة ما يكون مصنوعًا من راتنج الإيبوكسي المصبوب. يتم تطبيقها في الظروف الداخلية، في هياكل متنوعة، أنفاق، مستشفيات، ومراكز بيانات، حيث لا يمكن تحمل خطر الحريق الناتج عن الزيت. على الرغم من أن المحولات الجافة قد تكلف أكثر من المحولات المملوءة بالزيت بنفس تصنيف القدرة، إلا أنها تقضي على نوع واحد من المخاطر.
المحولات الكهربائية هي الكبيرة التي تستخدم في محطات التحويل، مصممة للجهد العالي والقدرة العالية وعمر طويل، مزودة بمغيرات تحميل وأنظمة تبريد.
تشمل الوحدات المتخصصة المتبقية محولات القياس التي تحول التيار والجهد لأغراض القياس أو الحماية، المحولات العازلة لغرض الفصل الجلفاني، المحولات الذاتية للتغيير الطفيف في الجهد، والمحولات المصنفة K أو المحولات التوافقية لعمليات الحمل غير الخطية.
الحالة الداخلية هي حيث يكون الاختيار غالبًا ما يتم التنافس عليه، والفئات، رموز التبريد والحدود التي تحدد ذلك مغطاة في هذا العرض العام عن المحولات الجافة للتوزيع.
ما لا يمكنه فعله
هناك ثلاث مفاهيم خاطئة تؤدي إلى أخطاء حقيقية في المواصفات.
- لا ينتج أي طاقة. يقوم المحول بزيادة الجهد من 230 فولت إلى 2300 فولت عن طريق تقليل التيار بنفس النسب. أي ادعاء يتعلق بقدرة المحول على زيادة الطاقة الناتجة هو مؤشر على خطأ في القياس أو احتيال.
- لا يغير التردد. المدخل 50 هرتز يعطي مخرج 50 هرتز. لتغيير التردد، يحتاج المرء إلى آلة دوارة أو محول إلكتروني للطاقة.
- لا يوفر تصحيح عامل القدرة. ما يفعله المحول هو أنه يمارس طلبه التفاعلي الخاص دون تصحيح أي طلب آخر؛ تصحيح عامل القدرة هو وظيفة إما لمكثف أو فلتر نشط.
كما أنه لا يحمي من كل شيء. يحد المحول من تيار العطل من خلال مقاومته، وهو قادر على فصل الأرضيات، لكنه لا يفصل العطل، أو يحد من الزيادة، أو ينظم الجهد ما لم يكن لديه مغير تحميل أو منظم إلكتروني.
أين تقع المحولات في محطة التحويل
يمكن أن يُطلق عليه اسم محطة تحويل لأن جميع المعدات تخدم الغرض الوحيد من إنشاء الاتصال والحماية وقياس المحول، ومخطط الخط الواحد هو أفضل وأسرع طريقة للحصول على نظرة ثاقبة حول التركيب.
يأتي الدائرة إلى مفكك الاتصال، ثم عبر قاطع الدائرة ومحولات التيار، قبل أن يدخل المحول. نفس الشيء ينطبق على المسار الخارج، مما يناسب محولات الجهد للقياس، وأجهزة التبديل للحماية من النبضات ومفاتيح التأريض لتسهيل الصيانة. كل مكون موجود لأن المحول لا يمكنه القيام بذلك.
هذا الترتيب، والتصنيفات المرتبطة به، هو ما يُعرف بـ مكونات محطة الكهرباء المواصفات تصف فعليًا، ومن الجدير قراءتها قبل شراء المحول بمفرده، لأن المحول نادرًا ما يكون العنصر الذي يؤخر المشروع.
ما نبنيه
تنتج الشركة محولات مغمورة بالزيت ومحولات جافة بدءًا من 25 kVA، بما في ذلك المحولات ذات تصنيفات الجهد 11 و20 و33 kV للأسواق في آسيا وأفريقيا والشرق الأوسط.
المواصفات مملة. في الواقع، تتضمن بيانات مثل نوع القلب، ونوع السلك والاتصال، ونطاق الجهد، ومدى الخسائر ولكن لا تضمن بشأنها. كل ذلك مكتوب في الاقتباس بدلاً من أن يُفترض، وهو ما يعتمد عليه لدينا نطاق التوزيع المغمور بالزيت يعتمد عليه.
في الحالات التي تتطلب مستويات خسارة محددة لمشروع ما لتلبية لوائح الكفاءة معينة، يجب اختيار تصميم اللف ونوع القلب لتجاوز تلك المستويات بهامش مريح، لأن المحول الذي يحقق هدفه في تحقيق خسارة 0.5% على أرض الاختبار لا يضمن عمرًا طويلًا للبقاء ضمن ذلك الهامش لمدة ثلاثين عامًا.
الأسئلة الشائعة
هل يمكنك شرح كيفية عمل المحول بطريقة بسيطة؟
هناك ملفان من السلك يحتويان على قلب فولاذي ولكنهما منفصلان عن بعضهما. الملف الأول يحتوي على تيار متردد يمر من خلاله مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا بينما يقوم الملف الثاني بتحويل ذلك المجال المتغير مرة أخرى إلى تيار. عدد أكبر من اللفات على الملف الثاني يزيد من كمية التيار المتولد بينما عدد أقل من اللفات سيكون له التأثير المعاكس.
هل يحتاج كل منزل إلى محول؟
لا يوجد محول واحد لكل منزل، مثل ذلك. المحول الذي يخدم منزلًا عادةً ما يخدم شارعًا أو مبنى كاملًا. إنه محول مثبت على عمود أو مثبت على قاعدة يقوم بتحويل 11 kV أو 33 kV إلى 400/230 V. يحتاج المنزل إلى محول مخصص فقط في الحالات التي توفر فيها خط الطاقة الوارد جهدًا مختلفًا، عندما يكون هناك حمل كبير يتطلب محولًا منفصلًا، أو حيث تتطلب قضايا السلامة والضوضاء العزل.
ما الذي يمكن أن يحرق المحول؟
التحميل المتكرر، حدوث دائرة قصر على الجانب الثانوي، فقدان التبريد، انخفاض مستوى الزيت الموجود في الجهاز، وجود رطوبة في العزل وارتفاع مفاجئ في الجهد يصل إلى اللف. في الممارسة العملية، تكون التسلسل عمومًا هو نفسه: يحدث الحمل الزائد أو مشكلة التبريد أولاً يتبعها انهيار العزل. وهذا يتضمن الإجراءات التي تتخذها الأجهزة الواقية لمنع حدوث الانهيار.
ما هو قاعدة 80% للمحولات؟
إنها ممارسة التصميم، وليست متطلبًا من الكود: تشغيل المحول عند 80% من قدرته المقدرة يتيح مساحة لاستيعاب درجة الحرارة المحيطة، والتوافقيات، والأحمال المؤقتة، والتطورات المستقبلية بشكل غير ملحوظ، مما يضعه بالضبط في نطاق الكفاءة المثلى. قواعد الكود ذات الصلة مختلفة تمامًا: جهاز حماية التيار الزائد في الدائرة الأولية يتم ضبطه عادةً عند 125% من التيار المقدّر للدائرة الأولية؛ يتعلق الأمر بحماية المحول بدلاً من تحميله.
المراجع
- أورمازابال — كيف يعمل المحول الكهربائي
- ABB — تكنولوجيا المحولات والتطبيقات
- سيمنز للطاقة — محولات الطاقة والتوزيع
- هيتاشي للطاقة — أساسيات المحولات وتطبيقات الشبكة
- نيناس — زيت المحولات وأداء العزل
الخاتمة
تشكل ملفان مع نواة دائرة مغناطيسية، وهنا يبدأ المحول. تساعد جميع الأجهزة الأخرى والتحديات الهندسية في الحفاظ على تشغيل هذه التكنولوجيا.
أبلغنا عن نسبة الجهد التي تبحث عنها، والقدرة المقدرة مع التطبيق ومستوى الفقد حتى يتمكن متخصصونا من اختيار تصميم المحول اللازم مع التبريد والممانعة المطلوبة لتلبية متطلباتك.