محتويات
الجهاز الذي يغير الجهد الكهربائي للتيار المتردد
هو المحول الكهربائي .
ما هو المحول الكهربائي وكيف يغير الجهد الكهربائي للتيار المتردد
المحولات الكهربائية هي نوع من الأجهزة الكهربائية التي تستخدم الحث الكهرومغناطيسي لنقل الطاقة الكهربائية من دائرة إلى أخرى، ويتم استخدامه عادةً “لتصعيد” أو “تقليل” مستويات الجهد بين الدوائر.
تنقل أسلاك الطاقة الهائلة التي تتقاطع في الريف أو تنزلق دون أن يلاحظها أحد تحت شوارع المدينة الكهرباء من محطات الطاقة إلى منازلنا بجهد كهربائي مرتفع للغاية، يمكن أن يتراوح معدل الجهد الكهربائي لخط الطاقة من 300000 إلى 750000 فولت ، وتعمل بعض الخطوط بجهد أكبر بكثير، ومع ذلك ، فإن الفولتية المستخدمة في منازلنا أقل بمئات المرات حيث تتراوح من 110 إلى 250 فولت.
إذا حاولت تشغيل محمصة خبز أو جهاز تلفزيون بالطاقة من المصدر الكهربائي الرئيسي في البلدة فسوف ينفجر، ونتيجة لذلك ، يجب أن تكون هناك آلية لتحويل الكهرباء عالية الجهد التي تولدها محطات الطاقة إلى كهرباء منخفضة الجهد تستخدم في الشركات والمكاتب والمساكن وهذا هو دور المحول كهربائي.
وعادة ما يتم استخدام نوعين من المحولات في الشبكات محولات لرفع الجهد قبل نقل التيار الكهربائي عبر خطوط نقل القدرة لشبكات التوزيع ومحولات أخرى لتقليل الجهد بعد نقله من أجل الاستخدام المنزلي أو الصناعي. [1]
مبدأ عمل المحول الكهربي
يعتمد مفهوم وظيفة المحولات الكهربائية على قوانين فاراداي، تم تقديم المفهوم الأكثر مركزية لوظيفة المحولات من فكرة أن المغناطيسية يمكن أن تنتج عن طريق الكهرباءـ لذلك ، فإن العكس صحيح ، وهو أن الكهرباء يمكن أن تنتجها المغناطيسية أيضًا، وكل آلية كهربائية تحتوي على المغناطيسية.
تستخدم المحولات الكهربائية خصائص الكهرباء لتغيير جهد هذه الكهرباء نفسها إما لجعلها عالية أو لتغييرها إلى درجة أقل. إن التغير في مغناطيسية المحول الكهربائي إما عن طريق أي نوع من تغيير قوته ينتج تغييرًا مقابلًا ينتج نوعًا من القوة الكهربائية أو الطاقة، وخلال هذه العملية ، عند وجود سلك موصل أو أي سلك كهربائي مثل سلك النحاس ويتلامس مع هذه العملية، يمكن أن تنتشر الإلكترونات في هذا السلك ، مما يؤدي إلى تدفق الكهرباء في السلك.
يمكن استخدام المحولات الكهربائية للتصعيد أو التنحي من الفولتية اعتمادًا على الملفات التي تلف حول قلب المحول، وينتج عن التيار بالتناوب في المحول أن المغناطيسية تتناوب أيضًا، ويحتوي قلب المحول الكهربائي على سلك إخراج يتم وضعه حول لفائفه وبسبب تقلب المغناطيسية ، يتم إحداث التيار الناتج في السلك.
الحث المتبادل
إذا وضع ملفان أحدهما داخل الآخر أو بالقرب من الأخر فإن تغير شدة التيار الكهربي في أحدهما يولد قوة دافعة كهربية مستحثة في الأخر، وتبعًا لقانون فارادي تتناسب القوة الدافعة المستحثة مع معدل التغير في الفيض المغناطيسي المار به، ونظرًا لأن الفيض المغناطيسي يتناسب طرديًا مع شدة التيار في الملف الأول، فإن القوة الدافعة الكهربية المستحثة تتناسب مع معجل التغير في شدة التيار في الملف.
وبذلك تكون القوة الدافعة الكهربية:
حيث أن m يسمى بمعامل الحث المتبادل بين الملفين، ووحدته تسمى الهنري
ويتوقف معامل الحث المتبادل بين الملفين على العوامل الأتية:
- حجم وعدد لفات الملفين
- وجود قلب من الحديد داخل الملفين.
- المسافة الفاصلة بينهما.
مكونات المحولات الكهربائية
يتكون المحول من:
- قلب المحول
- ملفات المحول
- عزل المحول
قلب المحول
يتكون القلب من صفائح رقيقة معزولة عن بعضها، والتي يتم تجميعها من مادة الفولاذ الموجهة عالية الدرجة ويتم عزلها باستخدام مادة عازلة رقيقة، ويتم الاحتفاظ بمحتوى الكربون في الصلب المصنوع منه قلب المحول أقل من درجة 0.1 ٪ من أجل تقليل التباطؤ وتيارات الدوامية في النظام وبالتالي الحد من الطاقة الكهربائية المفقودة، ويمكن تقليل التيارات الدوامة عن طريق مزج سبيكة الكربون مع السيليكون.
التيارات الدوامية : إذا تم تغيير عدد خطوط الفيض المغناطيسي التي تخترق قطعة معدنية، تتولد فيها تيارات مستحثة، تسمى التيارات الدوامية والتغير في عدد خطوط الفيض المغناطيسي المقطوعة، يتم إما بتحريك القطعة المعدنية في مجال مغناطيسي ثابت أو بتعريض القطعة المعدنية لمجال مغناطيسي متغير، وليكن المجال المغناطيسي الناشيء عن تيار متردد.
ملفات المحول
يحتوي الملف على نوعين من الملفات:
- الملف الابتدائي
- الملف الثانوي
والملفات تكون ملفوفة حول قلب المحول الكهربي، وعندما يمر تيار كهربائي في الملف الابتدائي فإن مجال مغناطيسي يتولد عنه.
والملف الثانوي، هو الملف الذي ينتج جهد الخرج المطلوب بسبب الحث المتبادل.
ومحول الرفع هو جهاز يعمل على رفع الجهد بين القسمين الابتدائي والثانوي، أما محول الخفض هو جهاز يقلل الجهد بين الملفات الرئيسية والثانوية.
ويحدد عدد اللفات على الجانبين الابتدائي والثانوي للمحول ما إذا كان المحول يزيد أو ينقص مستوى الجهد.
إذا كان الملف الأساسي يحتوي على عدد لفات أكثر من الملف الثانوي، فسوف ينخفض الجهد (يتنحى)، أما إذا كان الملف الأساسي يحتوي على لفات أقل من الملف الثانوي، فإن الجهد سيرتفع (تصعيد).
عزل المحول
العزل هو أهم شرط للمحولات ، وفي حالة تعرضهم للفشل ، يمكن أن تحدث أضرار شديدة للمحولات، ويجب أن يكون لها قوة عازلة عالية والقدرة على تحمل درجات الحرارة العالية مع وجود خصائص ميكانيكية عالية. يتم استخدام مواد مثل القطن والمواد الاصطناعية والأوراق كعوازل في المحولات، ويجب وضع هذه العوازل بين اللفات والنواة، وبين الأجزاء التي تحمل التيار وبين اللفات. [1]
كفاءة المحول الكهربي
هي نسبة الطاقة الكهربية التي نحصل عليها من الملف الثانوي إلى الطاقة الكهربية المعطاة للملف الابتدائي.
في الظروف المثالية يجب ألا يكون هناك فقد للطاقة وتكون كفاءة المحول 100% بمعنى أن الطاقة المتولدة في الملف الثانوي تساوي الطاقة المستنفدة في الملف الابتدائي، لكن هذه الحالة لا توجد في الحياة العملية، حيث يحدث فقد للطاقة لعدة أسباب:
- أن جزء من الطاقة الكهربية يستنفذ في شكل طاقة ميكانيكية تستخدم لتحريك القلب الحديدي للمحول، ولذلك يستخدم الحديد المطاوع السليكوني لتسهيل حركة الجزيئات المغناطيسية وتقليل الطاقة المستنفذة.
- يتحول جزء من الطاقة الكهربية إلى طاقة حرارية في الأسلاك، ولذلك يفضل استخدام أسلاك معدنية مقاومتها أقل ما يمكن.
- يتحول جزء من الطاقة الكهربية في القلب إلى طاقة حرارية بسبب التيارات الدوامية ، وللحد منها يتم صنع القلب المعدني من شرائح معزولة متراصة من الحديد المطاوع السليكوني لكبر مقاومته النوعية.
وبصفة عامة إذا كان الفقد في الطاقة يمثل 10% فإن كفاءة المحول تكون 90%.
