اللهم صلي علي سيدنا محمد وعلي اله وصحبه وسلم
معلومات عامة عن المحولات الكهربائية *نبذة تاريخية عن المحولات: كان فاراداي أول من اكتشف في عام 1831 ظاهرة التحريض المتبادل بين ملفين منفصلين ومتواجدين
على قلب مغناطيسي واحد , وقام بقياس القوة المحركة الكهربائية (Electric Motive Force ) عملياً
في أحد الملفين نتيجة مرور تيار متغير في الملف الآخر.
-ظهرت لأول مرة في عام 1882 محولات مؤلفة من ملف أولي وحيد وعدة ملفات ثانوية بغية الحصول
على قيم مختلفة للجهود الثانوية, وقد كان ظهور المحولات بنواة مغناطيسية مغلقة عام 1884 بداية لأي
استخدام صناعي للمحولات في تحويل الطاقة الكهربائية إلى جهود عالية , ونقلها لمسافات بعيدة , وقد
كان أول من قام بهذه الخطوة الأخوان جون وإدوارد هوبكنسون, حيث قاما بصنع محولة بسيطة تتألف
نواتها من صفائح فولاذية معزولة , ومن ملفين أحدها للجهد المنخفض والآخر للجهد العالي .
-وبعدها جاء العالم الهنغاري "ويري" الذي كان أول من أطلق اسم المحولة (TRANSFORMER ) على
هذه الأجهزة وابتكر فيما بعد فكرة توصيل المحولات على التوازي.
-أما بالنسبة للمحولات الثلاثية فقد كان العالم الروسي (دوليف-دوبروفولسكي) أول من أخترع المحولة ...
معلومات عامة عن المحولات الكهربائية *نبذة تاريخية عن المحولات:
كان فاراداي أول من اكتشف في عام 1831 ظاهرة التحريض المتبادل بين ملفين منفصلين ومتواجدين
على قلب مغناطيسي واحد , وقام بقياس القوة المحركة الكهربائية (Electric Motive Force ) عملياً
في أحد الملفين نتيجة مرور تيار متغير في الملف الآخر.
-ظهرت لأول مرة في عام 1882 محولات مؤلفة من ملف أولي وحيد وعدة ملفات ثانوية بغية الحصول
على قيم مختلفة للجهود الثانوية, وقد كان ظهور المحولات بنواة مغناطيسية مغلقة عام 1884 بداية لأي
استخدام صناعي للمحولات في تحويل الطاقة الكهربائية إلى جهود عالية , ونقلها لمسافات بعيدة , وقد
كان أول من قام بهذه الخطوة الأخوان جون وإدوارد هوبكنسون, حيث قاما بصنع محولة بسيطة تتألف
نواتها من صفائح فولاذية معزولة , ومن ملفين أحدها للجهد المنخفض والآخر للجهد العالي .
-وبعدها جاء العالم الهنغاري "ويري" الذي كان أول من أطلق اسم المحولة (TRANSFORMER ) على
هذه الأجهزة وابتكر فيما بعد فكرة توصيل المحولات على التوازي.
-أما بالنسبة للمحولات الثلاثية فقد كان العالم الروسي (دوليف-دوبروفولسكي) أول من أخترع المحولة
الثلاثية في عام 1889 .
بنية المحولات (Construction of the Transformers ): -تتألف المحولة الكهربائية من مواد فعالة ( النواة المغناطيسية والملفات) وهي التي تشارك في العمليات
الكهرومغناطيسية في المحولة,ومواد إنشائية (كالعوازل وجسم المحولة وخزان تمدد الزيت 0000)
1-النواة المغناطيسية :
وتتألف النواة المغناطيسية من قضبان مجمعة من صفائح رقيقة ومعزولة عن بعضها , توضع عليها الملفات
الكهربائية ومن جسور مجمعة أيضاً من صفائح رقيقة ومعزولة تصل بين القضبان
-ويختلف شكل مقطع النواة المغناطيسية من محولة لأخرى وكلما ازداد عدد تدريجات النواة تحسن معامل
امتلاء الدائرة المحيطة بالنواة بالمادة المغناطيسية الفعالة وبالتالي تحسن معامل استخدام المحولة ولكن بالمقابل
يزداد تعقيد العملية التكنولوجية لتجميع النواة إذ ينبغي استخدام صفائح مختلفة
-وتستخدم في المحولات الكبيرة عوارض حديدية لتثبيت النواة المغناطيسية وضغطها بشكل جيد,وتلف أحياناً
قضبان المحولة بأشرطة عازلة متينة وذلك للتقليل قدر الإمكان من الضياعات في المحولة
2-الملفات:
يجب أن تتصف ملفات المحولة بما يلي:
1-متانة ميكانيكية عالية تكفي لحمايتها من التشوهات التي قد تنتج عن تيارات القصر والتيارات الزائدة
2-متانة حرارية كافية بحيث لا يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى انهيار المادة العازلة حراريا
3-متانة كهر بائية كافية بحيث تكون المواد العازلة ومسافات العزل كافية لمنع حدوث انهيار كهربائي أو قوس كهربائي
-تختلف ملفات المحولة باختلاف تياراتها وجهودها الاسمية وتصنع إما من أسلاك نحاسية أو المنيومية ذات
مقاطع دائرية أو مستطيلة
*مبدأ عمل المحولة(The Principle of Operation of the Transformer )
-لفهم أعمال المحولة المختلفة ولوضع النموذج الرياضي لها, ينبغي في البداية دراسة مبدأ عمل المحولة
المثالية ووضع النموذج الرياضي لها ,ونقصد بالمحولة المثالية تلك المحولة التي يتحقق فيها ما يلي:
1-نهمل فيها الحقل الكهربائي للملفات
2-تنعدم فيها الضياعات ,أي المقاومة الداخلية للحديد والملفات مساوية الصفر
3-النفاذية المغناطيسية للحديد لانهائية,أو المقاومة المغناطيسية للحديد معدومة
4-التسرب المغناطيسي مهم
-يتشابك هذا الفيض المتولد مع جميع لفات ملفي الأولي والثانوي ويشكل فيضين متشابكين مع الملفين الأولي
-يحرض الفيضين في الملفين الأولي والثانوي e1,e2 وتدلان على قيمة القوة المحركة كهربائية
المتولدة في الملف الأولي والملف الثانوي
-نسمي نسبة عدد لفات الأولي والثانوي بنسبة التحويل ,ونرمز لها بالرمز (K) :
K=N1/N2=E1/E2
-عندما تكون نسبة التحويل (K > 1) فإن E1>E2 ,وبالتالي المحولة خافضة للجهد , أما إذا كانت نسبة التحويل
(K < 1) فإن E1<E2 ,وبالتالي المحولة رافعة للجهد
-تعتبر الدارة الأولية للمحولة كمستهلك للقدرة الكهربائية ,وبالتالي فإن اتجاه شعاع القوة المحركة الكهربائية المتحرضة
من الفيض المغناطيسي ;يكون معاكساً لاتجاه شعاع المركبة الفعلية لتيار الدارة الأولية ,أما الدارة الثانوية فتعتبر
كمولد للتيار لذا فإن اتجاه شعاع القوة المحركة الكهربائية المتحرضة في الملف الثانوي يكون متفقاً مع شعاع المركبة
الفعلية لتيار الدارة الثانوية وهكذا,إذا كان اتجاه لف الملفين واحداً (الملفين متطابقين) كانت القوتان المحركتان الكهربائيتين E1,E2 متفقتين في الاتجاه وكانت المركبتان الفعليتان للتيارين الأولي والثانوي متعاكسين بالاتجاه...
*عمل المحولة على فراغ:
-المقصود بعمل المحولة على فراغ هو عملها بدون حمولة ,أي عندما يكون الملف الأولي موصولاً مع الشبكة,
والملف الثانوي مفتوحاً وغير موصول مع أية حمولة ,في هذه الحالة يكون تيار الملف الثانوي مساوياً للصفر
(I2=0 )أما الجهد على طرفي الملف الثانوي فيكون مساوياً لجهد المحولة على الفراغ (V20) ,وتستهلك مثل
هذه المحولة من الشبكة تياراً قدره (I10 ) نسميه تيار المحولة على فراغ
- ونستفيد من تيار العمل على فراغ I10 في توليد الفيض المغناطيسي في النواة ,ولذا يسمى هذا التيار أحياناً بتيار
المغنطة Im (في المحولة المثالية يكون تيار المغنطة مساوياً لتيار العمل على فراغ(I10-Im ) .
-نسمي العامل الذي يعطي نسبة تيار المحولة على فراغ إلى التيار الاسمي للمحولة -يتعلق هذا العامل باستطاعة المحولة فهو يتراوح بين(2.5-1.5 )% في المحولات الكبيرة ,و(10)% في المحولات
المتوسطة,ويصل إلى (60-40)% في المحولات الصغيرة
*عمل المحولة على قصر:
-يقابل ذلك عمل المحولة تحت حمولة لا متناهية في الكبر,بحيث يبلغ التيار الثانوي قيماً كبيرة جداً,و يتم ذلك عند
قصر الدارة الثانوية بمقاومة صفرية (Z=0 ), أي بسلك عديم المقاومة ,يكون جهد الثانوي مساوياً للصفر (V2=0 )
,والتيارات المارة في الملفين الأولي والثانوي مساوية لتيارات القصر
*الضياعات في المحولة(Losses In Transformer):
-بما أن المحول جهاز كهربائي ساكن لذلك لا توجد فيه ضياعات ميكانيكية كالاحتكاك
-تستهلك المحولة استطاعة ظاهرية (S1=V1*I1) ,ويستهلك قسم منها لتغطية الضياعات المختلفة في المحولة
ويصل إلى المستهلك
S2=V2*I2
-تقسم الضياعات في المحولة إلى ضياعات كهربائية تصرف في الملفات وتتعلق بتيار الحمولة ولذا سميت بالضياعات
المتغيرة (الضياعات النحاسية),وإلى ضياعات حديدية(مغناطيسية) تظهر في النواة ولا تتأثر بتيار الحمولة ,بل بالقوة
المحركة الكهربائية,ولذا نسميها بالضياعات الثابتة.
1-الضياعات الكهربائية(Electric Losses):
وهي الضياعات التي تتعلق بتيار المحولة I2 ,تضم هذه الضياعات (الضياعات الكهربائية في الملفات,والضياعات
الإضافية بفعل التيارات الإعصارية داخل الملفات بسبب عدم انتظام توزيع التيار الكهربائي فيها ,والضياعات الإضافية
الناتجة عن التيارات الإعصارية خارج الملفات ,وفي حوض المحولة (إن وجد),وفي الأجزاء المتممة بسبب التسرب
الكهرومغناطيسي في المحولة
الضياعات الكهربائية وتقدر بالواط
عدد الأطوار
مقاومة الطور الواحد لكل من الابتدائي والثانوي وتقدر بالأوم
I1,I2-تيار الطور للابتدائي والثانوي ويقدر بالآمبير
-ويمكن حساب المفاقيد الكهربائية باستخدام محول دارته الثانوية مقصورة وفي هذه الحالة يجب أن يكون توتر الابتدائي قليلاً حتى ينشأ في الثانوي تيار الحمل الكامل فيقيس مقياس الاستطاعة الموجود في دارة الابتدائي الضياعات الكهربائية عند الحمل الكامل وبما أن توتر الابتدائي صغير لذلك تكون المفاقيد الحديدية صغيرة ويمكن إهمالها وتتراوح الضياعات الكهربائية بين(3%-4% ) من استطاعة المحولة
-الضياعات الحديدية الثابتة(المغناطيسية) Magnetic Losses:
تسمى هذه الضياعات بالضياعات الثابتة لعدم تعلقها بتيار الحمولة,بل بالجهد المطبق على المحولة ,تشمل الضياعات
بفعل التيارات الإعصارية داخل النواة الحديدية ,والضياع بفعل البطاء المغناطيسي ,ويضاف إلى الضياعات الحديدية
نوع آخر هو الضياع في عوازل المحولة,حيث يتناسب هذا الضياع مع مربع القوة المحركة الكهربائية للمحولة.
-تتعلق مفاقيد البطاء المغناطيسي بكل من :
1-حجم الحديد المستخدم
2-تردد التيار
3-القيمة العظمى للتدفق المغناطيسي
-وتتعلق مفاقيد تيارات فوكو الإعصارية بكل من:
1-حجم الحديد المستخدم
2-تردد التيار
3-القيمة العظمى للتدفق المغناطيسي
4-حجم كل صفيحة من صفائح المحولة
-ويمكن حساب المفاقيد الحديدية بتجربة اللاحمل للمحولة (تجربة الدارة المفتوحة) ويستخدم في هذه الحالة التوتر
العادي للمحولة وتترك الدارة الثانوية مفتوحة فيشير مقياس الاستطاعة الموجود في الدارة الابتدائية على قيمة
المفاقيد الحديدية ,وتهمل المفاقيد النحاسية في الابتدائي لأن تيار اللاحمل يكون صغير,ولا يوجد مفاقيد نحاسية
في الثانوي لأن دارته مفتوحة ,وتتراوح المفاقيد الحديدية بين(2%-3% ) من استطاعة المحولة0
*مردود المحولة:
-يطلق هذا الاسم على النسبة بين الاستطاعة الكهربائية المأخوذة من المحولة (الخرج) والاستطاعة الكهربائية
المعطاة للمحولة (الدخل)أي:
µ = P2 / P1
µ-المردود
P1 –دخل المحولة
P2 –خرج المحولة
*المردود اليومي:
وهو حاصل قسمة القدرة الكهربائية المأخوذة من المحول باليوم على القدرة الكهربائية المعطاة للمحول باليوم
*الاستطاعة والتوتر:
-عند وصل الدارة الثانوية لمحولة مع حمل فإن زاوية فرق الطور ستختلف حسب نوع الحمل أكان مادياً أم تحريضياً
أو سعوياً وكذلك ستختلف الاستطاعة الفعلية ورد الفعلية وعامل الاستطاعة حسب تغيرات نوع الحمل وعلى ذلك تكون الاستطاعة الظاهرية S (هي محصلة المجموع الهندسي للاستطاعة الفعلية P ورد الفعلية Q ) وتقاس
بال (VA , KVA , MVA ) وتصنف المحولات من حيث استطاعتها الاسمية إلى سلسلتين وهما :
1-محولات السلسلة الرئيسية(HET ) : حيث يسمح هنا بتحميل المحول بقيمة قليلة زيادة عن استطاعته الاسمية
المسجلة على اللوحة الاسمية
2-محولات السلسلة الخاصة (SET ) :حيث يسمح هنا تحميل المحولة بحمل زائد عن الاستطاعة الاسمية لأسابيع
قليلة في السنة
-للمحولات ذات الاستطاعة الاسمية الأكبر من 16 kva يعطى توتر اللاحمل للملف الثانوي وسبب ذلك هو معرفة
خواص الحمل للمحولة , فإذا كان حمل المحولة أومي ينخفض التوتر V2 قليلاً عند الحمل عنه عند اللاحمل ,أما
بالنسبة للحمل التحريضي فإن التوتر V2 ينخفض بشكل أكبر ,أما في الحمل السعوي فإن التوتر V2 يزداد بازدياد
الحمل
*طرق تنظيم جهد المحولة:
-يتم تنظيم جهد المحولة بتغيير نسبة التحويل (K=N1/N2 ) وذلك بتغيير عدد لفات الملف الأولي N1 أو الثانويN2 ,ويتم التنظيم بهذه الطريقة على شكل قفزات ,لهذا السبب يجهز أحد الملفين بعدة تفريعات تنتهي إلى عدة مرابط خارجية يسهل تغييرها وتبديلها ,والانتقال من مربط إلى آخر بواسطة أجهزة خاصة نسميها بالمبدلات (Commutator ) وهي إما وحيدة الطور أو ثلاثية الطور بحسب نوع المحولة
-وفي المحولات التي يكون جهد الأولي فيها ثابتاً (V1=const ) يتم تنظيم الجهد من جهة الملف الثانوي بتغيير عدد لفاتهN2 وهكذا يبقى الفيض المغناطيسي والضياعات المغناطيسية وتيار المغنطة التي تتناسب جميعاً مع النسبة V1/N1
ثابتة تقريباُ إذا حافظنا على عدد لفات الأولي وجهده ثابتين
-أما في المحولات التي تعمل عند حمولة ثابتة (I2=const ) وجهد الأولي متغير ,فيفضل أن يتم تنظيم جهدها بتغيير عدد لفات الملف الأولي
-أما تنظيم الجهد فيتم إما بعد فصل المحولة عن المستهلك ونسميها بطريقة التنظيم على فراغ ,أو دون فصل التغذية عن المستهلك ونسميها بطريقة التنظيم تحت الحمولة
1- تنظيم الجهد بعد فصل المحولة عن الشبكة (التنظيم على فراغ):
-تستخدم هذه الطريقة لتنظيم الجهد في المحولات التي تغذي مستهلكي الفئات الثانية والثالثة والرابعة,حيث لا يشكل قطع التغذية عن المستهلك أية خطورة أو ضرر للإنسان أو الآلة أو الإنتاج,حيث تستخدم هذه الطريقة في تنظيم وتعويض هبوط الجهد في ثانوي محولات التوزيع ,أو تغييره بحسب مستوي جهد الأولي في الحي أو القسم الواحد من الشبكة العامة,و كما تستخدم للتغيرات الفصلية من عمل الشبكة(صيفاً,شتاءً مثلاً)
من سلبيات هذه الطريقة ضرورة قطع التغذية عن المستهلك خلال فترة التنظيم وهذا ما يحد من تكرار تنظيم الجهد خلال عمل المحولة
تجهز المحولات النظامية المستعملة في نقل القدرة الكهربائية وتوزيعها بمرابط إضافية تؤمن رفع أو خفض الجهد بنسبة ( 1%,-+3%;-+5%+_ ) من الجهد الاسمي لها
-يتم التنظيم من الجهة التي تتعرض لتغيرات في الجهد أثناء استثمار المحولة,و بحيث يبقى فيض النواة ثابتاً تقريباً عند الانتقال من تفريعة لأخرى , وفي أكثر الأحيان يفضل التنظيم من جهة الجهد العالي لأن عدد اللفات يكون كبيراً بالمقارنة مع ملف الجهد المنخفض ,كما أن التيار في الطرف العالي يكون أصغر مما يسمح باستخدام مبدلات وقواطع رخيصة الثمن مصممة للعمل على التيارات المنخفضة
2-التنظيم تحت الحمولة:
-تستخدم هذه الطريقة في المحولات التي تغذي الفئة الأولى كالمستشفيات والأفران العالية وغيرها,حيث
يشكل قطع التيار عن المستهلك ولو لفترة وجيزة خطراً على الصحة العامة وعلى الإنتاج
-يتم التبديل أثناء الحمولة دون قطع التيار عن المستهلك وبنعومة جيدة (-+1%) تمر المحولة خلال التبديل في حالة عابرة (Transient Procces ) تكون فيها تفريعتان متجاورتين موصولتين مع بعض وتقصران قسماً من الملف المحصور بينهما ويمر فيهما تيارات عابرة ,و للحد من تيارات القصر هذه تستخدم خوانق تحريضية أو فعالة للتيار المقصور
يوضع الملف الخانق والمبدلة في وعاء حافظ للزيت في المحولة ,بينما توضع القواطع الآلية في وعاء آخر مبرد ومملوء بالزيت يلحق بالوعاء الأم من الجانب
*ربط المحولات على التوازي(Parallel Connection ):
-تستخدم في محطات التحويل الكهربائية الرافعة أو الخافضة للجهد مجموعة من المحولات الموصولة فيما بينها على التفرع,و الغاية من هذا الوصل هو:
1-تأمين تزويد المستهلك بالطاقة الكهربائية في حال وجود عطل في بعض المحولات وضرورة إصلاحها0
2-الإقلال من ضياعات الطاقة أثناء الحمولات الدنيا وذلك بفصل قسم المحولات الموصولة على التوازي
وإعادة ربط هذه المحولات ثانية مع الشبكة عند زيادة الحمولة
-أما عدد المحولات التي يمكن وصلها مع بعضها على التفرع فيتم اختياره انطلاقاً من استطاعة المحطة
وبعد إجراء الدراسة الاقتصادية والفنية للمحطة أو للمنشأة الصناعية *شروط ربط المحولات على التفرع:
حتى يتحقق العمل الأمثل للمحولات المربوطة على التفرع ينبغي أن تتوزع الحمولة العامة للمحطة بين المحولات العاملة والموصولة على التفرع حسب نسب توزيع استطاعاتها الظاهرية الاسمية , ولتحقيق توزيع الحمولة بين المحولات الموصولة على التفرع بهذا الشكل الأمثل ينبغي توفر شروط ثلاثة:
1- أن تكون مجموعات التوصيل واحدة (تعاقب الأطوار واحد) في جميع المحولات الموصولة على
التفرع
2-أن تكون الجهود الاسمية للملفات الأولية والثانوية متساوية فيما بينها وبالتالي أن تكون نسب التحويل
متساوية
3-أن تكون جهود القصر ومركباتها الفعلية والردية متساوية بين جميع المحولات
-عند وصل المحولات على التفرع ينصح بأن لا يختلف جهد القصر النسبي عن القيمة المتوسطة لجهد القصر النسبي لجميع المحولات بأكثر من(-+10%) وذلك لأنه إذا حصل تفاوت بأكثر من هذه القيمة فإن القسم الأكبر من الحمولة تتحمله المحولة ذات جهد القصر الأصغر وبالتالي فإن هذه المحولة ستصل استطاعتها الاسمية في وقت تكون فيه باقي المحولات غير محملة بحمولتها الاسمية الكاملة وهذا يعني أننا لن نستطيع الاستفادة من كامل استطاعة المحولات الموصولة على التفرع
- كما يجب أن لا تتعدى نسب الاستطاعات الاسمية للمحولات الموصولة على التفرع النسبة(3:1 )...
تابع ......
الزائر الكريم 
