التعرف إلى أنواع المحولات الكهربائية أحادية الطور، وثلاثية الأطوار

وصف الموقف التعليمي: طلب أحد المستثمرين من إحدى شركات التوريدات الكهربائية، شراء محول كهربائي؛ لتزويد ضاحية سكنية في منطقة ريفية نائية بالطاقة الكهربائية.

1. أذكر ثلاثاً من ميزات المحول الذاتي.
2. أذكر ثلاثاً من فوائد الزيت في المحول.
3. ما عيوب استخدام ثلاث وحدات أحادية الطور متماثلة لتكوين محول أحادي الطور؟
4. ما ميزات المحولات الذاتية ثلاثية الأطوار؟

نشاط (1): أكتب تقريراً عن الفوائد الفنية والاقتصادية لرفع الجهد عند محطات التوليد، باستخدام محولات رفع ثلاثية الأطوار.

نشاط (2): بالتنسيق مع مدربي، أزور محول توزيع قريباً من مدرستي، وأكتب تقريراً عن مكوناته.

أكتب تقريراً عن الفرق بين محولات النقل، ومحولات التوزيع في الشبكات الكهربائية.

للمحولات الكهربائية أنواع متعددة من حيث الاستعمال، والحجم، والشكل، ويمكن تصنيفها وفق أسس متعددة، أذكر منها، على سبيل المثال: التصنيف وفق الوظيفة، والنوع، وعدد الأطوار، وطرق التبريد، والشكل (1) الآتي يبين خريطة مفاهيمية مبسطة لتصنيفات المحولات الكهربائية:

1. محول رافع للجهد ⁦(Step up transformer)⁩: يُستخدم لرفع الجهد من قيمة إلى أخرى مع خفض التيار، وفي هذا النوع من المحولات، يكون عدد لفات الملف الابتدائي أقل من عدد لفات الملف الثانوي؛ ولذلك يكون التيار المار بالملف الابتدائي أكبر من التيار المار بالملف الثانوي.

2. محول خافض للجهد ⁦(Step down transformer)⁩: يُستخدم لخفض الجهد من قيمة إلى أخرى، مع رفع التيار الكهربائي، وفي هذا النوع من المحولات، يكون عدد لفات الملف الابتدائي أكبر من عدد لفات الملف الثانوي، كما في الشكل (3) الآتي:

1. المحولات أحادية الطور: يقتصر استعمالها على الأحمال الصغيرة، مثل الدارات الإلكترونية، والاتصالات، ودارات القدرة التي لا تستهلك تياراً كبيراً.
2. محولات ثلاثية الأطوار: تُولَّد الطاقة الكهربائية باستخدام مولّدات قدرة ثلاثية الأطوار، ولاعتبارات اقتصادية، يُرفع الجهد عند محطات التوليد باستخدام محولات رفع ثلاثية الأطوار، حيث تُنقل القدرة بجهد كهربائي عالٍ، ثم يُخفض هذا الجهد إلى المستهلكين بدارات ثلاثية الأطوار، باستخدام محولات خفض ثلاثية الأطوار، حيث يُخفض هذا الجهد إلى جهد التوزيع.

   باستخدام محولات خفض ثلاثية الأطوار، وتتم عملية الخفض على مرحلة واحدة، أو أكثر، بجهود متفاوتة تناسب الأحمال الكهربائية المختلفة، حيث سيتم التركيز في هذا الموقف التعليمي التعلمي على المحولات ثلاثية الأطوار.

يمكن الحصول على المحولات الكهربائية ثلاثية الأطوار بإحدى طريقتين، هما:

1. باستخدام ثلاث وحدات أحادية الطور متماثلة ⁦(Three Banks)⁩، كما في الشكل (4) الآتي، حيث يتم توصيل الأطراف الستة للملفات الابتدائية على شكل ⁦Y⁩، أو ⁦Δ⁩، وكذلك بالنسبة لأطراف الملفات الثانوية:

2. باستخدام محول واحد ثلاثي الأطوار، ويتكون في أبسط صوره من قلب معدني مكون من ثلاثة أذرع، كما في الشكل (5) الآتي، حيث يتم توصيل ملفات الجهد العالي على شكل ⁦Y⁩، أو ⁦Δ⁩، أو على شكل التوصيلة المتعرجة ⁦(Zigzag)⁩، وكذلك بالنسبة لملفات الجهد المنخفض:

من خصائص استخدام ثلاث وحدات أحادية الطور متماثلة ⁦(Three Banks)⁩ لتكوين محول ثلاثي الأطوار، أنها تمتاز بسهولة تركيبها، وصيانتها، كما يمكن استخدام وحدة رابعة يتم تشغيلها في حال حدوث عطل في أحد المحولات الثلاثة، وهذه الميزة غير متوفرة في المحولات ثلاثية الأطوار التي تتكون من وحدة واحدة، وبحاجة إلى وحدة كاملة لتشغيلها في حالة الطوارئ؛ ما يضاعف التكلفة الإجمالية. ومن عيوب استخدام ثلاث وحدات أحادية الطور أنها تشغل حيزاً، ووزناً أكبر، وتكلفة أولية تزيد بنسبة (15 - 25)%، ويبين الشكل (6) الآتي محولاً ثلاثي الأطوار من كلا النوعين:

1. محولات القدرة: إضافة إلى المكونات الرئيسة التي تتكون منها المحولات ثلاثية الأطوار، تتكون محولات القدرة المستخدمة في النقل والتوزيع من مكونات إضافية، منها:

• مخارج الجهد المنخفض ⁦(LV Bushings)⁩.
• مخارج الجهد المرتفع ⁦(HV Bushings)⁩.
• مبدل الجهد ⁦(On Load Tap Changer)⁩.
• مضخة زيت ⁦(Oil Pump)⁩.
• خزان تمدد زيت ⁦(Conservator)⁩.
• مواسير تبريد الزيت ⁦(Radiator)⁩.

2. محولات التأريض
3. المحول الذاتي ⁦(Auto transformer)⁩: يختلف المحول الذاتي عن المحول العادي في أن المحول الذاتي ترتبط ملفاته الابتدائية كهربائياً، ومغناطيسياً، بينما المحولات العادية تكون منفصلة كهربائياً، ومتصلة مغناطيسياً، وقد يكون المحول الذاتي خافضاً للجهد، أو رافعاً له، كما في الشكل (8 – أ)، وقد يحتوي الملف الثانوي على عدة نقاط، يمكن من خلالها الحصول على جهود مختلفة، كما في الشكل (8 - ب)، وفيه:

يوضح الشكل (9) الآتي العلاقة بين محول عادي، ومحول ذاتي بسيط رافع للجهد:

شكل (9): العلاقة بين محول عادي، ومحول ذاتي بسيط خافض للجهد ففي شكل (9 - أ)، ألاحظ أن العلاقات بين الجهود والتيارات لملفات المحول العادي، هي: $S = V_p I_p = V_s I_s$ $V_p / V_s = N_p / N_s$

حيث إن:

• $S$: سعة المحول.
• $V_p$: جهد الملف الابتدائي.
• $V_s$: جهد الملف الثانوي.
• $I_p$: تيار الملف الابتدائي.
• $I_s$: تيار الملف الثانوي.
• $N_p$: عدد لفات الملف الابتدائي.
• $N_s$: عدد لفات الملف الثانوي.

ويبين الشكل (9 - ب) محولاً ذاتياً بسيطاً خافضاً للجهد، وفيه: $N_p = (N_{se} + N_s)$ $I_s = I_p + I_c$

• $N_{se}$: عدد لفات التوالي.
• $I_c$: التيار المشترك.

وتكون العلاقة بين سعة المحول العادي عند تحويله إلى محول ذاتي، على النحو الآتي: $S_{auto} / S = 1 + V_p / V_s$

تُستخدم المحولات الذاتية ثلاثية الأطوار لرفع الجهد الكهربائي، أو خفضه في التطبيقات التي لا تتطلب عزلاً كهربائياً، كما تُستخدم لخفض الجهد الكهربائي في أثناء بدء تشغيل المحركات الحثية، والتزامنية ذات القدرات الكبيرة، إلا أن استعمالها لهذا الغرض في الدارات الكهربائية قل بدرجة كبيرة؛ نظراً لاستخدام طرق بديلة أكثر فعالية، ويبين الشكل (10) الآتي محولاً ذاتياً ثلاثي الأطوار:

خلال عملية التحويل، ونتيجة مرور التيار الكهربائي، ترتفع درجة حرارة القلب الحديدي، والملفات داخل المحول، وهذا يؤدي إلى زيادة الفاقد، وتقليل كفاءة المحول؛ لذا تم دراسة عدة طرق لتبريد المحولات الكهربائية؛ لزيادة كفاءتها.

تتم عملية تبريد المحولات الكهربائية بأكثر من طريقة، تبعاً للوسط العازل المحيط بالملفات، وحجم المحول، ونوعه:

1. تبريد طبيعي بالهواء ⁦(Air Natural)⁩: تُستخدم هذه الطريقة الهواء المحيط بالمحول كوسط للتبريد، حيث يُستخدم دوران الهواء الطبيعي؛ لتبديد الحرارة المتولدة بالحمل الحراري، وهذه الطريقة مناسبة للمحولات الصغيرة التي تقل سعتها عن ⁦1.5 MVA⁩، ويُرمز لها بالرمز ⁦(AN)⁩.

محدودية فترة تحميل المحول، وتعرض الملفات للأتربة والأوساخ؛ ما يؤدي إلى إضعاف متانة العزل، ويتطلب ذلك زيادة حجم الملفات؛ ليتخللها الهواء.

2. محول ملفاته مغمورة في الزيت، مبرد ذاتياً ⁦(Oil Immersed Self Cooling)⁩: تتم عملية عزل المحول، وتبريده، عن طريق غمر القلب الحديدي، والملفات في الزيت، وتعتمد عملية التبريد على مرور الزيت الساخن عبر أنابيب تمتد خارج جسم المحول، وتعتمد عملية التبريد على ملامسة الهواء لهذه الأنابيب، وتُعد هذه من أبسط الطرق لتبريد المحولات، ويتم استخدامها في المحولات التي تصل سعتها إلى ⁦30 MVA⁩، وتُسمى هذه الطريقة التبريد الطبيعي بالزيت والهواء الطبيعي، ويُرمز لها بالرمز (⁦Oil Natural Air Natural⁩, ⁦ONAN⁩)، ويبين الشكل (11) الآتي ملفات محول تبريد طبيعي بالزيت، طبيعي بالهواء:

• أ. تبريد المحول (القلب، والملفات).
• ب. ملء الفراغ الداخلي للمحول، بدلاً من الهواء الذي قد يحتوي على رطوبة.
• ج. إخماد الضوضاء الناجمة عن الطنين الناتج من تأثير التيارات الدوامية بالقلب.

3. تبريد طبيعي بالزيت، وقسري بالهواء ⁦(Oil Natural Air Forced)⁩: هذا النوع من التبريد هو العزل والتبريد نفسه للمحول بالزيت، ولكن يتم التبريد عن طريق دفع الهواء بمراوح فوق الأنابيب المغمورة بالزيت، ويتم استخدام هذه الطريقة للمحولات الكبيرة التي تصل سعتها إلى ⁦60 MVA⁩، ويُرمز لطريقة التبريد هذه بالرمز ⁦(ONAF)⁩.

4. تبريد قسري بالزيت، وقسري بالهواء ⁦(Oil Forced/Air Forced)⁩: يتم دفع الزيت إلى أنابيب التبريد بوساطة مضخات، كما يتم دفع الهواء فوق الأنابيب بوساطة مراوح، ويُرمز له بالرمز ⁦(OFAF)⁩، ويبين الشكل (13) الآتي ملفات محول تبريد قسري بالزيت، قسري بالهواء:

5. محول مغمور في الزيت المبرد بالماء ⁦(Oil Immersed/Water-Cooled)⁩: تعتمد هذه الطريقة على مرور ماء بارد في أنابيب مغمورة بالزيت؛ لتبريده.