تحليل مكونات المحولات الكهربائية، ومواصفاتها

وصف الموقف التعليمي: في أثناء عملي في شركة توريدات كهربائية، حضر أحد هواة الإلكترونيات، وطلب شراء محول كهربائي؛ لتركيبه في دارة كهربائية بسيطة.

1. ما المواصفات الفنية للمحولات الكهربائية؟
2. أذكر مكونات المحولات الكهربائية الرئيسة.
3. أشرح مبدأ عمل المحولات الكهربائية.
4. أبحث في الإنترنت عن سبب انتشار المحولات الكهربائية في الشبكات الكهربائية.

المحول الكهربائي: هو جهاز كهربائي إستاتيكي غير متحرك، يُستخدم لنقل الطاقة الكهربائية من مكان لآخر، مع تحويل الجهد المتناوب من قيمة معينة إلى قيمة أخرى (أعلى، أو أقل)، مع ثبات القدرة. يُعد المحول الكهربائي من العناصر المهمة في المنظومة الكهربائية، ولا يقتصر استخدامه على الدارات الكهربائية البسيطة، بل إن له كثيراً من الاستخدامات في شبكات القوى الكهربائية.

تركيب المحولات الكهربائية: يعتمد مبدأ عمل المحولات الكهربائية على تركيبها، حيث تتكون في أبسط صورها من قلب حديدي، ملفوف على جانبيه ملفان، ليس بينهما أي اتصال، ويكون لكل منهما جهد مختلف، وقد يتساويا أحياناً، يُسمى الملف الأول الملف الابتدائي ⁦(Primary Winding)⁩، حيث يكون متصلاً بمصدر الجهد، ويتكون من عدد من اللفات، يُرمز لها بالرمز ($N_p$)، بينما يتصل الملف الثاني بالحمل المراد نقل الطاقة الكهربائية إليه، ويُسمى الملف الثانوي ⁦(Secondary Winding)⁩، ويتكون من عدد آخر من اللفات التي يتم من خلالها تغذية الأحمال، ويُرمز لها بالرمز ($N_s$)، ويبين الشكل (1) تركيب محول كهربائي بسيط.

وعليه يمكن القول: أن المحولات الكهربائية تتكون من عنصرين أساسيين، هما القلب، والملفات.

ويعتمد مبدأ عمل المحول الكهربائي على قانون أمبير، وقانون فاراداي الأول.

• وفق قانون أمبير، إذا مر تيار في الملف الابتدائي للمحول، فإن مجالاً مغناطيسياً يتولّد حوله، وتزداد شدته بازدياد قيمة التيار.
• وفق قانون فاراداي، فإن المجال المغناطيسي المتولّد (متغير القيمة)، سيولّد قوة دافعة كهربائية في الملف الابتدائي، وكذلك الحال في الملف الثانوي بطريقة تأثيرية، حيث تتناسب قيمة القوة الدافعة الكهربائية المتولّدة تناسباً طردياً مع معدل التغيّر في المجال المغناطيسي بالنسبة للزمن.

أفكر: هل يعمل المحول الكهربائي في أنظمة التيار المستمر؟ لماذا؟

حيث إن:

• ($N$): عدد لفات الملف.
• ($\phi$): التدفق المغناطيسي المتولّد، ووحدته ويبر، ويُرمز له ⁦(Wb)⁩.

تولّد القوة الدافعة الكهربائية ($e$) المتولّدة في الموصلات، عند قطعها مجالاً مغناطيسياً، تياراً ينتج عنه مجال مغناطيسي يعاكس المجال المغناطيسي الأصلي حسب قانون لنز.

ويمكن حساب القيمة الفعالة للقوة الدافعة الكهربائية ($E$)، المتولّدة في الملف الابتدائي، وفق المعادلة الآتية: $E_p = 4.44 f N_p \phi_{max}$

ويمكن كذلك حساب القيمة الفعالة للقوة الدافعة الكهربائية ($E$)، المتولّدة في الملف الثانوي، وفق المعادلة الآتية: $E_s = 4.44 f N_s \phi_{max}$

• $E_p, E_s$: القوة الدافعة الكهربائية المتولّدة في الملفين الابتدائي، والثانوي على التوالي، ووحدتها فولت ⁦(V)⁩.
• $N_p, N_s$: عدد لفات الملفين الابتدائي، والثانوي على التوالي.
• $\phi_{max}$: القيمة العظمى للتدفق المغناطيسي.
• ($f$): التردد، ووحدته هيرتز ⁦(Hz)⁩.

  من المعادلتين السابقتين، ألاحظ أن القيمة الفعالة للقوة الدافعة الكهربائية تتناسب طردياً مع التردد، والفيض المغناطيسي.

ومن المواصفات الفنية للمحولات الكهربائية سعتها وجهود ملفاتها ونوع مصدر جهدها (أحادي الطور أو ثلاثي الأطوار) ونوعه ....وهكذا.

يمكن حساب نسبة تحويل الجهد ($a$) في المحولات الكهربائية بين الملف الابتدائي، والثانوي، وفق المعادلة الآتية: $a = N_p/N_s = E_p/E_s$

يكون المحول رافعاً للجهد عندما تكون $a < 1$، ويكون خافضاً للجهد عندما تكون $a > 1$، ويستفاد من ذلك كثيراً في الدارات الكهربائية، وفي نقل الطاقة من المولّدات الكهربائية إلى مناطق الاستهلاك.

عند ربط الملف الثانوي للمحول الكهربائي بحمل ($RL$)، كما في الشكل (2)، يمر فيه تيار كهربائي ($I_s$)، حيث يولّد فيه قوة دافعة مغناطيسية، ستحدث تغييراً في الفيض المغناطيسي المتبادل، ولكن على اعتبار أن الفيض المغناطيسي المتبادل ثابت القيمة، فإن القوة الدافعة المغناطيسية للملف الابتدائي تساوي القوة الدافعة المغناطيسية للملف الثانوي؛ أي أن: $N_p I_p = N_s I_s$ $I_p/I_s = N_s/N_p = 1/a$ ألاحظ من المعادلة السابقة أن العلاقة بين نسبة التحويل بين التيارين ($I_p / I_s$)، وعدد اللفات لكل من الملفين، هي علاقة عكسية.

1. محول خافض فيه نسبة تحويل الجهد ($a$) 4 إلى 1، إذا كان جهد الملف الثانوي للمحول يساوي 110 فولت، أحسب جهد الملف الابتدائي.
2. أكتب نص قانوني أمبير وفاراداي.