باذن الله تعالى سيكون الحديث عن المحول الكهربى فى النقاط التالية
* مقدمة
* فكرة العمل
* تصميم المحول
* الاستخدام
* استخدام المحول فى نقل القدلرة الكهربية
* التركيب والاجزاء
* التصنيف من حيث التردد
* التصنيف من حيث التحويل
* التصنيف من حيث الوظيفة الكهربية
* المحولات ثلاثية الاطوار
* المحولات الموصلة شكل ستار
* المحولات الموصلة شكل دلتا
* المحولات ثلاثية الأطوار ومتعددة اللفائف
* المحول بوصفه جهاز تحكم
* الوقاية والحمايات المستخدمة معه
* الاختبارات التى تتم على الزيت
* الطاقة المفقودة في المحول وكيفية الحد منها
* زيادة التحميل
* حدوث الضوضاء فى المحولات
* كفاءة المحول
* المحول المثالى
المحول الكهربى
المحول الكهربي جهاز يستخدم لخفض الضغط الكهربي، لكمية من القدرة الكهربية أو رفعه. فبينما تقوم المولدات بتوليد القدرة الكهربائية عند ضغط لا يزيد عادة عن 18 كيلو فولت، تنقل القدرة على ضغط تبلغ قيمته 500 كيلو فولت، كما هو الحال لكهرباء السد العالي بمصر، ومن ثم أصبح استخدام المحولات لازماً عند مواطن استعمال القدرة الكهربية، لخفض ضغط النقل العالي بما يناسب أجهزة الاستهلاك.
ويتطلب الوصول إلى سعة عالية في نقل القدرة الكهربائية، وكذلك تقليل قيمة الفقد أثناء عملية النقل، أن تكون الفولتيات التي تنتقل بها القدرة ذات قيم عالية، وليس من الملائم، عملياً، توليد فولتيات ذات مقادير قد تصل إلى المئات من الكيلو فولتات بوساطة المولدات المتزامنة مباشرة. وذلك لأن تخانة العزل تمنع توليد فولتية تزيد عن 25 ك فولت، ومن هنا لكي تتحقق السعات المطلوبة في عملية نقل القدرة الكهربائية في الأنظمة الحالية والمستقبلية التي تستخدم فيها فولتيات تتراوح قيمتها بين 500 و1000 كيلوفولت، يأتي الدور الهام الذي تقوم به المحولات الكهربائية.
لذلك فهو جهاز في الهندسة الكهربائية، مؤلف من ملفين من الأسلاك المنفصلة الملفوفة حول قضبان حديدية فقط بمسافة بسيطة، يسمى الطرف المرتبط بالمولد الكهربي بالملف الإبتدائي بينما يطلق على الطرف المرتبط بالحمل الملف الثانوي ، و يستخدم المحول لتغيير قيمة الجهد الكهربي في نظام نقل الطاقة الكهربائية الذي يعمل على التيار المتردد حيث لا يمكن أن يعمل المحول في أنظمة التيار المستمر. فإذا كان جهد الطرف الثانوي أقل من جهد الإبتدائي كان المحول خافضا للجهد أما لو كان جهد الثانوي أعلى من جهد الإبتدائي كان المحول رافعا للجهد
فكرة العمل :
يقوم مبدأ عمل المحول الكهربي على قانون فرداي للحث الكهرومغناطيسي الذي ينص على أن قيمة القوة المحركة الكهربائية (الجهد الكهربائي) تتناسب طرديا مع معدل تغير التدفق المغناطيسي و لهذا السبب فإن المحول لا يعمل في أنظمة التيار المستمر لإن التيار المستمر يخلق مجالا مغناطيسيا ثابتا مقدار تغيره يساوي الصفر فلا يمكن خلق جهد كهربي حينها بطريقة الحث و هذا أحد الأسباب الرئيسية لتفضيل التيار المتردد على المستمر .
يوصل طرفا الملف الابتدائي بمصدر التيار المتردد ويوصل الملف الثانوي بالحمل المستهلك للطاقة الكهربية
عند غلق دائرة الملف الثانوي فان التيار المار في الملف الابتدائي يحدث سيلا مغناطيسيا متناوبا في القلب الحديدي يولد في كل لفة من كلا الملفين ق ـ د ـ ك ـ واحدة للحث فاذا كان في الملف الابتدائي عدد - 1 -من اللفات وفي الملف الثانوي عدد ـ 2 ـ من اللفات فان القوة الدافعة الكهربية التأثيرية في كلا الملفين تكون متناسبة طرديا مع عدد اللفات فيهما
عند فتح دائرة الملف الثانوي فان تيار الملف الابتدائي يكاد ينعدم حيث أن الحث الذاتي للملف الابتدائي يعمل على توليد تيار تأثيري عكسي يكاد يكون مساويا ومعاكسا للتيار الأصلي فينعدم التيار في الابتدائي ولا يحدث استهلاك للطاقة ـ العمل العقيم للمحول ـ idling ـ
نستنتج من هذا أنه أثناء العمل العقيم للمحول يكون الجهد على الملفين متناسب طرديا مع عدد لفات الملفين
عند غلق دائرة الملف الثانوي ( توصيل حمل بالمحول ) فان تيار الملف الثانوي يولد مجالا مغناطيسيا في القلب الحديدي متجها في مقابلة فيض الملف الأبتدائي ويقوم اضعاف الفيض في القلب بتصغير القوة الدافعة الكهربية التأثيرية في الملف الابتدائي ولذلك ينمو التيار فيه الى القيمة ت 1 ويقوم فيها فيضه المغناطيسي بالتعويض عن الفيض المقابل للملف الثانوي فيبقى الفيض الناتج من ذلك في القلب كما كان
تصميم المحول
يعد المحول جهازاً بسيطاً، ويتميز بسهولة التصميم، ونظرية عمل وسلوك غير معقدة. إن دخل المحول قلب مغناطيس. ووظيفته وصل الفيض Φ .ويصمم هذا القلب على هيئة شرائح مصنوعة من سبيكة الحديد والسيليكون المدلفنة بسُمك 0.014 من البوصة وغالباً ما يستخدم للترددات الأقل من 100 هرتز على البارد. وهذا التصميم يؤدي إلى خفض قيمة التيارات الدوامية.
الذي يوضح الوضع الهندسي لقلب الملف، كما يوضح كيفية وصل المسارات المغناطيسية خلال أجزاء هذا القلب، وهي الرجل والشرائح الحديدية.
وتُصنع اللفائف من نحاس معزول، وتوضع على هيئة لفات حول أرجل القلب، وتلف في وضع أسطواني محوري، وتوضع ملفات الفولتية المنخفضة قريباً جداً من الحديد، وبينما توضع ملفات الفولتية المرتفعة بعيداً عنه. وإذا كانت هناك ملفات للفولتية المتوسطة توضع بينهما .
والمحولات ثلاثية الطور، إما أن تكون من ثلاثة وحدات أحادية الطور منفصلة عن بعضها، أو تتكون من وحدة واحدة.
وتوضع لفائف القلب في حوض من الصلب مملوء بالزيت الذي يحقق عدة وظائف، إذ يستخدم في أغراض العزل والتبريد، حيث يضيف عزلاً كهربائياً إضافياً بين اللفائف
كما أنه يساعد على انتقال الحرارة من القلب بعيداً إلى المبادلات الحرارية الخارجية، ودورة الزيت تتم إما طبيعياً أو بالتحريك
وهناك عدة أنواع من السوائل ذات خواص كهربية وكيميائية ممتازة، منها سائل الأسكاريل Askarel وسائل آخر يعرف باسم مائع السيليكون Silicon fluid
U]الاستخدام[/U]
رفع أو خفض القوة الدافعة الكهربية المترددة
نقل الطاقة الكهربائية من أماكن توليدها الى أماكن استهلاكها
استخدام المحول في نقل القدرة الكهربية
لا يمكن تحقيق الاستعمال الفعال للطاقة الكهربائية الا بواسطة نقلها لمسافات بعيدة بأقل خسارة ممكنة ويجب لهذا نقل الطاقة تحت جهد عالي جدا حيث توجد محولات رافعة عند أماكن توليد الطاقة وتنقل الطاقة عبر الأسلاك والأبراج الهوائية الى أماكن الاستهلاك حيث توجد محولات لخفض القوة الدافعة
كفاءة النقل ـ هي النسبة بين الطاقة الكهربائية التي تصل الى أماكن الاستهلاك والطاقة الكهربية الناتجة في محطات التوليد
[التركيب
• تركيب المحول Construction of Transformer
يتركب المحول من ثلاثة أجزاء رئيسية هى:
- الملف الأبتدائى Primary Winding حيث يستقبل الطاقة الكهربائية من المصدر
- الملف الثانوى Secondary Winding حيث يتولد فيه قوة دافعة كهربية ويتصل بالحمل الكهربي
- القلب الحديدى Core مادة مغناطيسية يتولد فيها فيض مغناطيسي متردد Φ
كما أن هناك محولات تعرف باسم "المحولات الذاتية"، وتحتوي على ملف واحد، يؤدي عمل الملف الابتدائي والثانوي، في الوقت نفسه.
• العناصر الثلاثة المذكورة اعلاه هى اجزاء المحول الأساسية اما فى محولات القدرة ( Power Transformer ) فيتم إضافة الأجزاء التالية
- خزان الزيت الرئيسى Main Tank
- خزان التمدد Conservator
- ريديتر ( مجموعة مواسير للتبريد الزيت ) Radiator
- طلمبة ضخ الزيت Oil pump
- مجموعة مراوح التبريد Cooling Fan
- منظم الجهد Tap Changer
- عازل أختراق الجهد العالى HV Pushing
تصنيف المحولات
وتنقسم محولات الكهرباء، طبقاً لأحجامها، إلى محولات التوزيع التي تبلغ مقنناتها ما يزيد على ألف ميجا فولت أمبير، وتصنف المحولات تبعا ًلعدد الأطوار؛ فمنها أحادي الطور، وثلاثي الأطوار، وسداسي الأطوار ومضاعفاتها، وتستخدم المحولات الأحادية للمقننات الصغيرة نسبياً، بينما تستخدم المحولات ثلاثية الأطوار في عملية نقل وتوزيع الطاقة الكهربية. ومن حيث نوع الخدمة، فإنها تشمل محولات القوى، ومحولات التوزيع، ومحولات الأجهزة، وهي تفيد في التحكم في دوائر الجهد والتيار العالية، ومحولات المقومات، ومحولات التأريض، والمحولات الخاصة، مثل المستخدمة في محولات الأفران، والمحولات الصغيرة، مثل محولات الإضاءة.
تصنف المحولات من حيث التردد:
-1 محولات تردد شديد الأنخفاض Very low frequency Transformer
-2 محولات تردد صوتى Audio frequency Transformer
-3 محولات تردد عالى High frequency Transformer
-4 محولات تردد متوسط IF frequency transformer
النوع الأول يستخدم فى نظم القوى الكهربية .
اما الأنواع الثلاثة الآخيرة فلها عدة استخدامات فى اجهزة الأتصالات و دوائر مصادر التغذية الكهربية ( DC / DC converter ) المستخدمة مع اجهزة الوقاية فى محطات التحويل.
تصنيف المحولات من حيث نسبة التحويل:
-1محولات رفع Step-up
-2محولات خفض Step-down
ملحوظة: المحول الرافع للجهد خافض للتيار والعكس صحيح
كما يمكن لأى محول ان يعمل كمحول خافض أو محول رافع أعتمادا على أتجاه التغذية و لا يوجد بين المحول الرافع او المحول الخافض أى اختلاف فى التركيب او التصميم.
وكذلك يمكن معرفة أن كان المحول خافض أو رافع من عدد اللفات
فإذا كان عدد لفات الملف الثانوي اكبر من عدد لفات الملف الابتدائي فان المحول سيقوم برفع الجهد وعندها يسمى محولا رافعا للجهد والعكس صحيح .
أي إذا كان عدد لفات الملف الابتدائي اكبر من عدد لفات الملف الثانوي فان المحول سيقوم بخفض الجهد ويسمى عندها المحول خافضا للجهد .
نسبة التحويل :
هى نسبة عدد لفات الملف الثانوي (Ns) الى عدد لفات الملف الابتدائي (Np)
=NS / NP
تيار الملف الابتدائى * تيار الملف الثانوى = عدد لفات الملف الأبتدائى * عدد لفات الملف الثانوى
NS * NP = IS * IP
القدرة = قدرة الملف الابتدائى = قدرة الملف الثانوى
P = Pp = Ps
القدرة = جهد الأبتدائى * تيار الأبتدائى
IP * VP = P
القدرة = جهد الثانوى * تيار الثانوى
IS * VS = P
تيار الملف الابتدائى * تيار الملف الثانوى = عدد لفات الملف الأبتدائى * عدد لفات الملف الثانوى
NS * NP = IS * IP
نسبة التحويل هى : عدد ملفات الملف الثانوى / عدد ملفات الملف الأبتدائى =NS/NP
جهد الملف الثانوى / جهد الملف الأبتدائى = عدد لفات الملف الثانوى / عدد لفات الملف الأبتدائى
NS / NP = VS / VP
تصنيف المحولات من حيث الوظيفة الكهربية:-1محولات قدرة ( Power Transformer ) وهى المحولات المستخدمة فى شبكات النقل الكهربية ومحطات التوليد الكهربية.
-2 محولات نوزيع ( Distribution Transformer ) و هى المحولات المستخدمة فى شبكات التوزيع الكهربائية
-3محولات قياس و تنقسم إلى نوعين
أ- محولات جهد Voltage Transformer .
ب- محولات التيار Current Transformer
المحولات ثلاثية الأطوار
تُحوَل القدرة ثلاثية الطور بطرق متعددة باستخدام المحولات أحادية الأطوار، وذلك باستخدام وحدات أحادية الأطوار ذات ثلاث لفائف توصل منفردة على التوالي. أو بوساطة وحدة واحدة باستخدام القلب ثلاثي الطور، الذي يمتاز باحتوائه على حديد أقل عن حالة ثلاث وحدات أحادية الأطوار وبالتالي توفر في التكاليف.
ويعطي المحول ثلاثي الأطوار دائماً زحزحة الطور للتيارات نفسها والفولتيات ونتيجة عملية مهمة لظاهرة زحزحة الطور يكون التشغيل على التوازي للمحولات ثلاثية الأطوار ممكناً فقط، إذا تساوت نسب التحويل في المقدار وزحزحة الطور.
المحولات الموصلة على شكل ستار Star Y
محول ثلاثي الأطوار ثنائي اللفائف لتحويل القدرة بين موصلين عموميين ذوي أطوار ثلاثة، وهو يتكون من ثلاث وحدات متماثلة أحادية الأطوار. وعندما يكون المحول ثلاثي الأطوار محملاً بالتماثل، تكون جميع الوحدات أحادية الأطوار لها التيار نفسه والفولتية نفسها، ويكون الشيء الوحيد المختلف هو وقت الطور. لذلك يُستخدم لكل طور تحليل، وكل وحدة تحمل ثلث القدرة الكلية من الأطوار الثلاثة وكل لفيفة لها من فولتية الخط المناظر لها.
الشكل التالي يُمثل نظام ثلاثي الأطوار مُكوّن من موصل عمومي لمولد ذي 23ك فولت، تتحول القدرة الكهربائية خلال محولين متماثلين ومتوازيين، كُلٍ منهما ثلاثي الأطوار، إلى موصل عمومي ذي 230 ك فولت، ثم تُنقل القدرة خلال خط 230 ك فولت مسافة 50 ميلاً للموصل العمومي، بالإضافة إلى محول ثالث يحول القدرة إلى69 ك فولت لموصل عمومي لمحطة فرعية
المحولات الموصلة على شكل دلتا Delta
المحول الموصل على شكل ستار Y بسيط جداً، له بعض العيوب التطبيقية الخطيرة، حيث تؤدي الخواص المغناطيسية اللاخطية لمعدن القلب إلى توليد التوافقيان التي تخرج من خلال نقط التعادل، وتسبب متاعب في شبكات الاتصالات. وكذلك التوصيل بهذا الشكل غير مرغوب فيه حتى في حالات الحمل غير المتوازن بطريقة خفيفة. وبالتالي إذا أُضيف إلى محول القدرة لفيفة ثالثة موصلة بشكل مغلق للحمل الثانوي نفسه، فإنه سيظهر تيار دوار في اللفيفة، يسمح بمرور تيارات ابتدائية في جميع الأطوار الثلاثة، تؤدى إلى توازن القوة الدافعة المغناطيسية في جميع القلوب، ولعدم حدوث تيارات تأريض ابتدائية. كما أنه ليس من الضروري أن توجد لفيفة ثالثة خاصة. ولكن يمكن أن تعمل أي من اللفائف الابتدائية أو الثانوية أو دلتا مغلقة.
المحولات ثلاثية الأطوار ومتعددة اللفائف
تكون المحولات ثلاثية الأطوار من النوع متعدد اللفائف المستخدم في تحويل القدرة بين مستويات فولتيات مختلفة. ويمكن أن تكون اللفائف من النوع المختلط، الذي يحتوى على كُلٍ من التوصيلات بالشكل ستار ودلتا Y، ويستخدم التوصيل Y ـ في أغراض خفض الجهد من الجهد العالي والمتوسط إلى الجهود المنخفضة، بينما توصيل ـ Y لرفع الجهود الصغيرة إلى الكبيرة. ويمتاز التوصيل على صورة ـ بأنه يمكن أن يكون أحد المحولات في الصيانة أو الإصلاح ويعمل الاثنان الآخران محولاً ثلاثي الأطوار ولكن ينقص المعدل الى 58%من الطاقة الكلية، ويسمى هذا التوصيل "دلتا مفتوحة" أو "التوصيل V". ونادراً ما يستخدم التوصيل على هيئة Y-Y للصعوبات الخاصة بظاهرة تيار ـ المستثير .
المحول بوصفه جهاز تحكم
محولات TCVL
يُعد تحويل الطاقة بين مستويات الفولتية المختلفة العمل الأساسي لمحول القدرة. وكل محول مزود عملياً بمأخذ للتحكم في نسب الفولتية الثانوية. يمكن تغيير المآخذ، في معظم المحولات، في حالة اللاحمل. وفي حالات عديدة يمكن الحصول على التحكم في النسبة بتغيير المآخذ مع وجود حمل TCVL، ونتيجة لتغير فيض القدرة فإن شكل الفولتية في الشبكة يميل إلى التغير البطيء خلال اليوم، فينخفض خلال ساعات الذروة، ويرتفع خلال ساعات الليل، ومحولات TCVL يمكنها المحافظة على مستوى فولتية ثابت، على بعض الموصلات العمومية المهمة في شبكات النقل والتوزيع، رغم المتغيرات في مستوى الفولتية لنظام النقل. وتغير المآخذ يكون عادة بوساطة محرك يعمل بأوامر من مجسات للفولتية يمكنه التحكم في مستوى الفولتية الثانوي بعروة تحكم مغلقة.
محولات التنظيم
العمل الأساسي لتلك المحولات هو تغيير الفولتية في المقدار والطور بكمية صغيرة نسبياً في النظام. ورغم صغر مقدار الفولتية المضافة إلا أنها تعطي تأثيراً كبيراً على فيض القدرة. لذلك تكون محولات التنظيم وسيلة فعالة للتحكم في فيض القدرة للنظام.