المحولات الكهربائيةتعتبر المحولات الكهربائية إحدى أهم عناصر الشبكة الكهربائية (1 فاز أو 3 فاز) انتشارا وتنوعا في أشكالها وأحجامها ووظائفها،
حيث تنتشر المحولات الكهربائية على نطاق واسع جداً في منظومة الكهرباء نظرا لأهميتها ودورها في الدوائر الكهربائية.
كان العالم الكيميائي الإنجليزي مايكل فاراداي أول من اكتشف ظاهرة الحث المتبادل بين الملفين المنفصلين والمتواجدين على قلب مصنوع من مادة مغناطيسية،
وبدأ خلال تجربته بقياس القوة الدافعة الكهربائية (بالإنجليزية: Electric Motive Force) عملياً في أحد الملفين نتيجة تغير التيار في الملف الآخر.
وقد ظهرت لأول مرة عام 1882 محولات صنعت من ملف أولي (ابتدائي) واحد وعدة ملفات ثانوية بهدف الحصول على عدة قيم جهود مختلفة القيمة،
بدأت ظهور محولات القلب المغناطيسي
(بالإنجليزية: magnetic core) لأول مرة عام 1884 ميلادي، وهي عام انطلاق استخدام المحولات في تحويل الطاقة الكهربائية لرفع قيم الجهود ونقلها إلى مسافات بعيدة.
ومن ثم جاء العالم المجري “ويري” بأطلاق اسم المحول على هذه الأجهزة، ومن ثم ابتكر فكرة توصيل المحولات على التوازي،
وقد تم اختراع المحولات الكهربائية 3 فاز على يد العالم الروسي “دوليف دوبروفولسكي”.
يعرف المحول (بالإنجليزية: Transformer) على أنه آلة كهربائية استاتيكية (غير حركية) يعمل على تحويل تيار متناوب ذو فولتيه معينة إلى تيار متناوب آخر بفولتيه أخرى وقد تكون الفولتية أعلى أو أقل مع ثبات القدرة والتردد، للقيام بنقل الطاقة الكهربائية من مكان توليدها إلى مكان الاستهلاك.
ويمكن تعريف المحول الكهربائي بصورة أخرى على أنه آلة كهربائية قادر على تحويل القدرة الكهربائية الداخلة إليه بجهد معين إلى قدرة كهربائية تخرج منه بجهد مختلف سواء الزيادة أو النقصان.
المبادئ المغناطيسية للمحولات الكهربائية
المبادئ المغناطيسية للمحولات الكهربائية، لا بد من أن تعرف تفاصيل التأثير المغناطيسي والمجال الناشئ عن مرور التيار الكهربائي في المحولات الكهربائية.
فهناك بعض القواعد والأسس المغناطيسية التي يجب دراستها قبل الدخول في تفاصيل المحولات، فما هي المبادئ المغناطيسية للمحولات الكهربائية وكيف تعمل.
ينتج عن وجود مغناطيس عادي (بالإنجليزية: Magnet) في مكان ما وجود ما يعرف بمنطقة المجال المغناطيسي، وهي المنطقة التي يظهر فيها ما يعرف بخطوط الفيض (بالإنجليزية: Flux Lines)، والتي تتكون من خطوط تمر من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي للمغناطيس.
ويمكن أن نشعر بها ونرى اتجاهها إذا وضعنا برادة حديد بالقرب من مغناطيس كما هو موضح في الصورة التالية:
المجال المغناطيسي
قد أثبت فاراداي أن أي تيار متردد يمر في سلك كهربائي، سوف ينشأ حوله مجال مغناطيسي يشبه المجال المغناطيسي الذي ينشأ حول مغناطيس عادي.
ويكون اتجاه هذا المجال المغناطيسي محدداً حسب قاعدة فليمنج لليد اليمنى، ومن هنا ظهر مصطلح الكهرومغناطيسية،
والذي يعني أن الكهرباء والمغناطيس لهما علاقات وتأثيرات متبادلة ومتشابهة.
يذكر أنه لا يمكننا الحصول على مجال مغناطيسي قوي من قطع المغناطيس الحديدية،
وقد استغلينا حقيقة أن التيار المار في سلك يصاحبه مجال مغناطيسي، وتم تطبيقه على نفس المبدأ في الملفات،
حيث يكون اتجاه التيار موحداً في كل اللفات، ومن ثم ينشأ عنه مجال مغناطيسي قوى، وهو أقوى من المجال الناشئ من سلك أو سلكين.
وما سبق يحدث في المحولات، حيث يلف اللفات حول ذراع القلب الحديدي فينشأ مجال مغناطيسي قوي فيه والذي يمثل مقطع طولي في القلب الحديدي للمحول.
المجال المغناطيسي المصاحب للتيار الكهربائي
هناك بعض القوانين والعلاقات التي تحكم عمل هذا المجال المغناطيسي الناشئ بسبب مرور تيار كهربائي، إذ أنه إذا مر تيار كهربائية في ملف عدد لفاته N فينشأ عن ذلك قوى دافعة مغناطيسية يقدر قيمتها بالعلاقة التالية:
MMF = N.I
والقوة الدافعة هي المسؤولة عن دفع خطوط الفيض في القلب الحديدي. فكلما كانت المسافة التي تدفع بها القوة الدافعة المغناطيسية خطوط الفيض قصيرة كلما كانت شدة المجال أكبر.
أهمية المحولات الكهربائية
أهمية المحولات الكهربائية،
إن وجود المحولات الكهربائية في منظومة القوى لها أهمية كبيرة واستخدامات كثيرة في خطوط النقل والتوزيع وخاصة في الأجهزة الكهربائية المنزلية،
كما يوجد من المحولات الكهربائية محولات أحادية الوجه ومحولات ثلاثية الوجه، تابعوا معنا للتعرف على ما أهمية المحولات الكهربائية في حياتنا اليومية.
يعرف المحول الكهربائي (Transform) على أنه آلة كهربائية إستاتيكية (غير متحركة) وظيفته تحويل لتيار متردد ذو فولتية معينة إلى تيار متردد آخر بفولتية أخرى أما بالارتفاع أو الانخفاض مع ثبات القدرة والتردد، ويستخدم المحول الكهربائي في نقل الطاقة الكهربائية من أماكن توليدها إلى أماكن استهلاكه.
على الرغم من أن مصطلح كهرباء الميكانيكية (بالإنجليزية: Electric Machine)
دائماً ينصرف إلى المولدات والمحركات بأنواعها،
إلا أن المحول يعتبر أيضاً نوع من أنواع الآلات الكهربائية، وذلك لأن القوانين التي تحكم عمل المحركات والمولدات والمحولات واحدة وهي قوانين الكهرومغناطيسية.
والفرق الوحيد بين المحركات والمولدات من جانب وبين المحولات من جانب آخر هو أن المحركات والمولدات تعتمد على مبدأ الحركة (تدور) بينما المحولات آلة كهربائية ساكنة لا تدور.
وفيما سوى ذلك فجميعهم يخضعون لقوانين الكهرومغناطيسية.
تكمن أهمية المحولات الكهربائية بشكل أساسي على تحويل القدرة الكهربائية الداخلة إليه بجهد ما إلى قدرة كهربائية تخرج منه بجهد مختلف سواء كان بالزيادة أو النقصان.
ويستخدم المحول الكهربائي كعنصر رئيسي في خطوط النقل من أجل نقل الطاقة الكهربائية بجهود عالية إلى مسافات طولية بأقل الخسائر الممكنة في الطاقة.
إن الميزة الرئيسية للمحولات في منظومة القوى الكهربائية هي خفض قيمة التيار المنقول عبر الخطوط والكابلات، وما يترتب على هذه الميزة عدة مزايا أخرى:
الخلاصة: إن المحولات الكهربائية لها دور أساسي في تنظيم ونقل الطاقة الكهربائية عبر خطوط النقل لمسافات طولية بأقل الخسائر الممكنة من حيث الهبوط في الجهد والقدرة المفقودة.
يتكون المحول الكهربائي من عدة أجزاء أساسية وبسيطة وهي كالتالي:
يمثل الدارة المغناطيسية،
ويتكون من مجموعة صفائح رقيقة من الحديد المغناطيسي يتراوح سمكها ما بين 0.35mm إلى 0.5mm وتكون معزولة عن بعضها.
وتضغط الصفائح إلى بعضها بواسطة مسامير أو براغ لتشكل ممراً ملائماً لخطوط التدفق المغناطيسي.
تمثل الدارة الكهربائية في المحولات، وتتكون من التالي:
يقوم فكرة عمل المحول الكهربائي على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي الذي ينص على أن قيمة القوة الدافعة تتناسب طردياً مع معدل تغير التدفق المغناطيسي،
ولهذا لا يمكن استخدام المحول في أنظمة التيار المستمر لأنه ينتج مجال مغناطيسي ثابت المقدار تغيره يساوي صفر.
تصنف المحولات الكهربائية من حيث استخدامها إلى نوعين رئيسين وهما:
المحولات الكهربائية الرافعة: (بالإنجليزية: Step-up Transformer) وتستخدم هذه المحولات لزيادة قيمة الجهد مع خفض التيار في الملف الثانوي لثبات القدرة،
وتكون عدد لفات الملف الابتدائي أقل من عدد لفات الملف الثانوي.
المحولات الكهربائية الخافضة: (بالإنجليزية: Step-down Transformer) وتستخدم هذه المحولات في تخفيض قيمة الجهد مع ثبات القدرة وبالتالي تزداد قيمة التيار في الملف الثانوي،
وتكون عدد لفات الملف الابتدائي أكثر من عدد لفات الملف الثانوي.
أنواع المحولات الكهربائيةأنواع المحولات الكهربائية
أنواع المحولات الكهربائية، تستخدم جميع أنواع المحولات الكهربائية لنقل الطاقة الكهربائية من دارة إلى أخرى بالتردد نفسه مع رفع أو خفض الفولتية.
وقد بدأت الحاجة لاستخدام المحول الكهربائي في نقل الطاقة العالية التي تم توليدها في محطات التوليد بأقل كمية ممكنة من الفقد وأقل التكاليف.
فما هي أنواع المحولات الكهربائية من حيث طبيعة التحويل والاستخدام.
أنواع المحولات من حيث التركيب الحديدي
محول كهربائي 1 فاز (ٍSingle phase): يتواجد هذا النوع من المحولات في الأجهزة الكهربائية المنزلية والشواحن.
محول كهربائي 3 فاز (3-phase): يستخدم في خطوط نقل الطاقة الشمسية كما يستخدم في التوزيع الكهربائي للمنازل والمصانع والمباني الكبيرة.
تصنف أنواع المحولات الكهربائية من الاستخدامات إلى:
تتخلص أهم مميزات المحولات الكهربائية كالآتي:
وظيفة المحولات الكهربائية
وظيفة المحولات الكهربائية، إن وجود المحول الكهربائي له دور كبير وأساسي بداخل أي جزء من منظومة شبكة الكهرباء،
سواء كان بداخل شبكة التوليد أو النقل أو التوزيع أو شبكة التوزيع.
حيث أن الدور الأساسي للمحولات الكهربائية هو خفض أو رفع قيمة الجهد والتيار،
سواء كانت عبر خطوط وكابلات النقل أو في خطوط التوزيع الكهربائي.
دعنا نتعرف على وظيفة المحولات الكهربائية، وهل هذه المحولات لها وظيفة واحدة أم يمكن استخدامها في عدة وظائف مختلفة حسب طبيعة الشبكة التي تتواجد بها.
هناك العديد من الأدوار قد تنجزها هذه المحولات، مثال على ذلك:
محولات النقل التي تساهم بشكل كبير في نقل الطاقة الكهربائية لمسافات طويلة من محطات التوليد إلى خطوط النقل ثم إلى محولات التوزيع وأخيراً إلى الأحمال الكهربائية.
عندما نريد نقل الطاقة الكهربائية من محطة التوليد إلى خطوط النقل من دون استخدام محول رافع الجهد،
ما يحدث هو أننا نتواجه مع مشكلة التيار العالي جداً، والذي يحتاج إلى عدد خيالي من كابلات النقل.
ولحل المشكلة يجب تركيب محول كهربائي رافع، لكي يرفع الجهد إلى أضعاف الجهد المتولد في محطة التوليد بنسبة 20kV/500KV (قد تختلف من دولة لأخرى).
ونتيجة ما يحدث عند رفع الجهد بعد المولد مباشرة، هو تقليل التيار إلى أقل قيمة ممكنه مع ثبات القدرة، عندها يمكننا استخدام عدد بسيط من الكابلات.
يوجد الكثيرة من أنواع المحولات من حيث: الاستخدامات،
وعدد الفازات، وحسب طريقة التبريد ونسبة التحويل وتردد التشغيل، ولكن سوف نرتكز على نوعين من حيث طبيعة الاستخدام فقط وهما:
يوجد العديد من الوظائف المختلفة للمحولات باختلاف أنواعها كما ذكرنا في أنواع المحولات الكهربائية، ومن هذه الوظائف:
محولات النقل:
وظيفتها رفع جهد الطاقة الكهربائية المتولدة من محطة التوليد إلى أضعاف الجهد المتولد، بهدف خفض قيمة التيار مع ثبات القدرة المتولدة،
وذلك لتقليل القدرة المفقودة أثناء نقل الطاقة الكهربائية، ويكون أكثر عملية بتقليل مساحة مقطع خطوط النقل.
توضع هذه المحولات مباشرة بعد المولدات الكهربائية المتواجدة بمحطة التوليد.
محول النقل
محولات التوزيع: وظيفتها خفض الجهد بما يتوافق مع جهد الشبكة الكهربائية المغذي للمصانع والمنازل، ورفع التيار مع ثبات القدرة.
محول التوزيع
هناك أيضاً محولات ذاتية تستخدم في العديد من التطبيقات أشهرها التي توضع بداخل المنزل، بهدف تنظيم وتثبيت جهد الشبكة الكهربائية الداخل.
تركيب المحول الكهربائي
تركيب المحول الكهربائي، إن وجود المحول الكهربائي أصبح ضروري في شبكة الكهرباء سواء كهرباء القوى أم كهرباء المنازل،
إذ أن المحول يعتبر عنصر ناقل للطاقة الكهربائية فقط وليس منتجاً لها.
حيث يستخدم المحول الكهربائي بصفة عامة في أنظمة كهرباء القوى لنقل الطاقة، وحتى في تشغيل الأجهزة الكهربائية بجهد مناسب يتم تحديده حسب جهد الجهاز.
أول من اكتشف ظاهرة الحث المتبادل (بالإنجليزية: Mutual Induction) هو فارداي في عام 1838،
حيث قام بوضع ملفين منفصلين ومتواجدين على قلب مصنوع من مادة مغناطيسية، وقاس القوة الدافعة الكهربائية عملياً في أحد الملفين نتيجة التيار في الملف الآخر.
وقد ظهرت لأول مرة عام 1882 محولات مصنعة من ملف ابتدائي واحد وعدة ملفات ثانوية بهدف الحصول على قيم مختلفة للجهود الثانوية.
وبدأ استخدام محولات القلب المغناطيسي في تحويل الطاقة الكهربائية إلى جهود عالية، ونقلها لمسافات بعيدة عام 1884.
وقام الاخوان جون وإدوارد هوبكنسون لأول مرة من صنع محول بسيط مكون صفائح فولاذية معزولة، ومن ملفين أحدها للجهد المنخفض والآخر للجهد العالي.
وأول من أطلق على هذه الأجهزة اسم المحول (Transformer) هو العالم المجرى “ويري”، وابتكر فيما بعد فكرة توصيل المحولات على التوازي.
وأخيراً قام العالم الروسي “دوليف دوبروفولسكي” باختراع المحول الثلاثي في عام 1889.
محول كهربائي ثلاثة فاز
نعلم جمعينا أن دور المحول الكهربائي في خطوط النقل هو خفض قيمة التيار المنقول عبر الخطوط والكابلات، وتقليل المفقود من الطاقة، وتيسير نقل القدرة الكهربائية.
حيث أن محطات التوليد تنتج طاقة كهربائية هائلة باستخدام عدة مولدات ضخمة،
ومن غير المنطق نقل هذه الطاقة المنتجة بنفس الجهد والتيار العالي الذي يحتاج إلى كم كبير وخيالي من الكابلات ذات الأقطار الكبيرة.
هنا يأتي دور المحول الكهربائي،
حيث يعمل على رفع قيمة الجهد إلى قيم مضاعفة، مثل: محول Step up جهده 20/500 kV، ومعناه بأنه قادر على رفع الجهد لتصبح جهد النقل 500kV بدلاً من 20kV.
والغرض من ذلك هو تخفيض قيمة التيار إلى أقل قيمة ممكنة وبالتالي نحتاج إلى عدد كابلات أقل وقطر أقل.
يتركب المحول الكهربائية في أبسط صورة له من قلب حديدي (بالإنجليزية: Iron Core) ملفوف على جانبيه ملفين، وهما:
الملف الابتدائي: (بالإنجليزية: Primary winding)، وهو الملف الذي يتصل مباشرة بمصدر الطاقة، ويتكون من عدد لفات معينة (Np).
الملف الثانوي: (بالإنجليزية: Secondary Winding)، ويتصل بالحمل بشكل مباشر على أطرافه أو من خلال خطوط نقل، ويتكون من عدد لفات أيضاً ويرمز له بالرمز (Ns).
ويعتبر أهم عنصرين رئيسين في تكوين المحول الكهربائي، هما: القلب الحديدي والملفات.
مجالات استخدام محولات القوىمجالات استخدام محولات القوى
مجالات استخدام محولات القوى، يعتبر المحول أكثر عناصر الشبكة الكهربائية انتشاراً وتنوعاً في أشكاله وأحجامه ووظائفه، حيث يتواجد المحول في شبكات التوليد وخطوط النقل والتوزيع.
وقد أصبح من الضروري دراسة مجالات استخدام محولات القوى نظراً لتنوعه في الحجم والشكل والوظيفة بداخل منظومة القوى الكهربائية.
هو عبارة عن مكون كهربائي غير متحرك وظيفته تحويل تيار متردد ذو فولتية معينة إلى تيار متردد آخر بفولتية أخرى (أعلى أو أقل) مع ثبات القدرة والتردد،
ومهمته نقل الطاقة الكهربائية من مناطق التوليد إلى مناطق الاستهلاك.
محول قوى 500 كيلو فولت أمبير
يتركب المحول من ثلاث مكونات أساسية وهي:
بينما محولات القوى تضاف إليها مكونات إضافية مثل:
محول قوى يحتوي على مراوح تبريد وخزان زيت
هناك العديد من مجالات استخدام محولات القوى وتقسم إلى:
يوجد محول مخصص يتم وضعه في بالقرب من محطات التوليد والغرض منه هو رفع الجهد من مستوى جهد التوليد إلى مستوى جهد النقل.
وتوجد هذه المحولات في محطات محولات النقل (بالإنجليزية: transmission Substation) التي تكون قريبة من محطات التوليد.
وظيفتها خفض الجهد من جهد النقل إلى مستوى جهود التوزيع حسب النظام المتبع لكل شركة كهرباء.
هي التي تقوم بتوزيع الطاقة الكهربائية على المشتركين وتنتهي بمحولات توزيع تخفض الجهد إلى 220 فولت أو 110V حسب النظام المتبع لشركة الكهرباء.
تسمى هذه المحولات بمحولات القوى، ومهمتها رفع الجهد أو خفضه إلى المستوى المطلوب في كل جزء من أجزاء المنظومة، وإلى جانب احتواء محول القوى فإن المحطة تقوم بالوظائف الآتية:
المحولات الكهربائية
صفحتنا علي الفيسبوك هنا.
حسابنا على تويتر هنا.
