أساسيات المحولات

المحولات عمومًا هي أجهزة قادرة على تحويل الكميات من قيمة إلى أخرى. في هذه المقالة ، سنركز على محول الجهد وهو مكون كهربائي ثابت قادر على تحويل جهد التيار المتردد من قيمة إلى أخرى دون تغيير التردد باستخدام مبادئ الحث الكهرومغناطيسي.

في إحدى مقالاتنا السابقة عن التيار المتردد ، ذكرنا مدى أهمية المحول في تاريخ التيار المتردد. كان العامل التمكين الرئيسي الذي جعل التيار المتردد ممكنًا. في البداية عند استخدام الأنظمة القائمة على التيار المستمر ، لا يمكن نقلها عبر مسافات طويلة بسبب فقد الطاقة في الخطوط مع زيادة المسافة (الطول) ، مما يعني أنه يجب وضع محطات طاقة التيار المستمر في كل مكان ، وبالتالي كان الهدف الرئيسي للتيار المتردد هو لحل مشكلة النقل وبدون المحول ، لم يكن ذلك ممكنًا لأن الخسائر كانت ستظل موجودة حتى مع التيار المتردد.

مع وجود المحول في مكانه ، يمكن أن ينتقل التيار المتردد من محطات التوليد بجهد عالٍ جدًا ولكن تيار منخفض مما يلغي الخسائر في الخط (الأسلاك) بسبب قيمة I ² R (مما يعطي فقد الطاقة في خط). و ثم يتم استخدام محول لتحويل الجهد العالي، وانخفاض الطاقة الحالية إلى الجهد المنخفض، الطاقة الحالية المرتفعة للتوزيع النهائي داخل المجتمع دون تغيير وتيرة وعلى نفس القوة التي كانت تنتقل من محطة توليد (P = IV).

لفهم محول الجهد بشكل أفضل ، من الأفضل استخدام نموذجه الأكثر بساطة وهو المحول أحادي الطور.

محول أحادي الطور

يعد محول الطور الأحادي هو النوع الأكثر شيوعًا (من حيث الأرقام المستخدمة) من محولات الجهد. إنه موجود في معظم الأجهزة "الموصلة" التي نستخدمها في المنزل وفي كل مكان آخر.

يتم استخدامه لوصف مبدأ التشغيل ، والبناء وما إلى ذلك من المحولات لأن المحولات الأخرى تشبه التغيير أو التعديل لمحول أحادي الطور. على سبيل المثال ، يشير بعض الأشخاص إلى المحولات ثلاثية الطور على أنها مكونة من 3 محولات أحادية الطور.

يتكون المحول أحادي الطور من ملفين / ملفين (الملف الأولي والملف الثانوي). يتم ترتيب هذين الملفين بطريقة لا يوجد بها اتصال كهربائي بينهما ، وبالتالي يتم لفهما حول حديد مغناطيسي مشترك يُشار إليه عمومًا باسم قلب المحول ، وبالتالي فإن الملفين لهما اتصال مغناطيسي بينهما فقط. هذا يضمن أن الطاقة تنتقل فقط عبر الحث الكهرومغناطيسي ويجعل المحولات مفيدة أيضًا لعزل الاتصالات.

المبدأ التشغيلي للمحول:

كما ذكرنا سابقًا ، يتكون المحول من ملفين ؛ في المرحلة الابتدائية والثانوية لفائف. يمثل الملف الأساسي دائمًا المدخلات إلى المحول بينما الملف الثانوي ، الإخراج من المحول.

هناك تأثيران رئيسيان يحددان عمل المحول:

و الأول هو أنه، على التيار المار من خلال مجموعات سلك يصل المجال المغناطيسي حول السلك. دائمًا ما يتناسب حجم المجال المغناطيسي الناتج بشكل مباشر مع مقدار التيار المار عبر السلك. يزداد حجم المجال المغناطيسي ، إذا جُرح السلك في شكل يشبه الملف. هذا هو المبدأ الذي يتم من خلاله إحداث المغناطيسية بواسطة الملف الأساسي. من خلال تطبيق جهد على الملف الأساسي ، فإنه يحفز مجالًا مغناطيسيًا حول قلب المحول.

و التأثير الثاني الذي عندما يقترن أولا يشرح مبدأ التشغيل للمحول الذي يقوم على حقيقة أنه إذا كان الجرح موصل حول قطعة من المغناطيس والمجال المغناطيسي التغييرات، فإن التغيير في المجال المغناطيسي سوف تحفز في الحالي الموصل ، سيتم تحديد حجمه من خلال عدد لفات ملف الموصل. هذا هو المبدأ الذي يتم من خلاله تنشيط الملف الثانوي.

عندما يتم تطبيق جهد على الملف الأساسي ، فإنه يخلق مجالًا مغناطيسيًا حول القلب وتعتمد القوة على التيار المطبق. وبالتالي ، فإن المجال المغناطيسي الذي تم إنشاؤه يستحث تيارًا في الملف الثانوي وهو دالة على حجم المجال المغناطيسي وعدد لفات الملف الثانوي.

يوضح هذا المبدأ التشغيلي للمحول أيضًا سبب وجوب اختراع التيار المتردد لأن المحول لن يعمل إلا عندما يكون هناك تناوب في الجهد أو التيار المطبق ، وعندها فقط ستعمل مبادئ الحث الكهرومغناطيسي. وبالتالي لا يمكن استخدام المحول للتيار المستمر بعد ذلك.

بناء المحولات

في الأساس ، يتكون المحول من جزأين يشملان ؛ ملفان استقرائي ولب صلب مصفح. يتم عزل الملفات عن بعضها البعض وعزلها أيضًا لمنع الاتصال مع القلب.

وبالتالي سيتم فحص بناء المحول تحت بناء الملف والقلب.

جوهر المحولات

يتم دائمًا بناء قلب المحول عن طريق تكديس الصفائح الفولاذية المصفحة معًا ، مما يضمن وجود فجوة هوائية دنيا بينهما. يتكون قلب المحولات في الآونة الأخيرة دائمًا من قلب فولاذي مصفح بدلاً من نوى حديدية لتقليل الخسائر بسبب تيار الدوامة.

هناك ثلاثة أشكال رئيسية للصفائح الفولاذية المصفحة للاختيار من بينها ، وهي E و I و L.

عند تكديس التصفيح معًا لتشكيل اللب ، يتم تكديسها دائمًا بطريقة يتم فيها تبديل جوانب المفصل. على سبيل المثال ، يتم تجميع الأوراق كواجهة أمامية أثناء التجميع الأول ، وستكون مواجهة للخلف للتجميع التالي كما هو موضح في الصورة أدناه. يتم ذلك لمنع التردد العالي في المفاصل.

لفه

عند إنشاء محول ، يصبح من المهم جدًا تحديد نوع المحول إما كخطوة لأعلى أو للتنحي لأن هذا يحدد عدد المنعطفات التي ستكون موجودة في الملف الأساسي أو الثانوي.

أنواع المحولات:

يوجد بشكل رئيسي ثلاثة أنواع من محولات الجهد ؛

1. تنحى المحولات

2. تصعيد المحولات

3. محولات العزل

و تنحى المحولات والمحولات التي تعطي قيمة انخفاض الجهد المطبقة على الملف الابتدائي في الملف الثانوي، في حين أن خطوة حتى محول ، محول يعطي زيادة قيمة الجهد المطبقة على الملف الابتدائي، في الثانوية لفه.

محولات العزل هي محولات تعطي نفس الجهد المطبق على المرحلة الابتدائية في المرحلة الثانوية وبالتالي تستخدم بشكل أساسي لعزل الدوائر الكهربائية.

من الشرح أعلاه ، لا يمكن تحقيق إنشاء نوع معين من المحولات إلا من خلال تصميم عدد الدورات في كل من الملفات الأولية والثانوية لإعطاء الإخراج المطلوب ، وبالتالي يمكن تحديد ذلك من خلال نسبة المنعطفات. يمكنك قراءة البرنامج التعليمي المرتبط لمعرفة المزيد حول أنواع المحولات المختلفة.

نسبة تحويل المحولات ومعادلة EMF:

يتم إعطاء نسبة دوران المحول (ن) بواسطة المعادلة ؛

ن = Np / Ns = Vp / Vs

حيث n = نسبة المنعطفات

Np = عدد الدورات في الملف الأساسي

Ns = عدد الدورات في الملف الثانوي

Vp = الجهد المطبق على الابتدائي

Vs = الجهد في المرحلة الثانوية

يمكن استخدام هذه العلاقة الموصوفة أعلاه لحساب كل من المعلمات في المعادلة.

تُعرف الصيغة أعلاه باسم عمل جهد المحولات.

لأننا قلنا أن القوة تظل كما هي بعد التحول إذن ؛

يشار إلى هذه الصيغة أعلاه باسم الإجراء الحالي للمحول. وهو دليل على أن المحول لا يحول الجهد فحسب ، بل يحول التيار أيضًا

معادلة EMF:

يحدد عدد لفات الملف لأي من الملف الأساسي أو الثانوي مقدار التيار الذي يحرضه أو الذي يسببه. عندما يتم تقليل التيار المطبق على المرحلة الأولية ، يتم تقليل قوة المجال المغناطيسي ونفس الشيء بالنسبة للتيار المستحث في الملف الثانوي.

E = N (dΦ / dt)

يتم إعطاء مقدار الجهد الناتج في الملف الثانوي بواسطة المعادلة:

حيث N هو عدد الدورات في الملف الثانوي.

نظرًا لتغير التدفق بشكل جيبي ، فإن التدفق المغناطيسي Φ = Φ _max sinwt

هكذا

E = N * w * Φmax * cos (wt) Emax = NwΦmax

يتم الحصول على جذر متوسط ​​القيمة التربيعية لـ Emf المستحث بقسمة الحد الأقصى لقيمة emf على √2

تُعرف هذه المعادلة باسم معادلة EMF للمحولات.

حيث: N هو عدد الدورات في لف الملف

f هو تردد التدفق بالهرتز

Φ هي كثافة التدفق المغناطيسي في ويبر

مع تحديد كل هذه القيم ، يمكن بناء المحول.

الطاقة الكهربائية

كما أوضحنا سابقًا ، تم إنشاء المحولات لضمان تسليم قيمة الطاقة الكهربائية المولدة في محطات التوليد إلى المستخدمين النهائيين مع خسارة قليلة أو معدومة ، وبالتالي في المحولات المثالية ، تكون الطاقة عند الخرج (اللف الثانوي) هي نفسها دائمًا طاقة الإدخال. يُشار إلى المحولات بالتالي على أنها أجهزة كهربائية ثابتة ، في حين أنها قد تغير قيم الجهد والتيار ، إلا أنها تتم دائمًا بطريقة توفر نفس الطاقة عند الإدخال عند الإخراج.

هكذا

ف _ق = ف _ص

حيث Ps هي القوة في المرحلة الثانوية و Pp هي القوة في المرحلة الابتدائية.

بما أن P = IvcosΦ إذن أنا _s V _s cosΦ _s = I _p V _p cosΦ _p

كفاءة المحولات

يتم إعطاء كفاءة المحول بواسطة المعادلة ؛

الكفاءة = (طاقة الإخراج / طاقة الإدخال) * 100٪

بينما يجب أن يكون خرج الطاقة للمحول المثالي هو نفسه مدخلات الطاقة ، فإن معظم المحولات بعيدة عن المحول المثالي وتتعرض لخسائر بسبب عدة عوامل.

بعض الخسائر التي يمكن أن يتعرض لها المحول مذكورة أدناه ؛

1. خسائر النحاس

2. خسائر التباطؤ

3. خسائر إيدي الحالية

1. خسائر النحاس

يشار إلى هذه الخسائر أحيانًا باسم خسائر التصفية أو خسائر I ² R. ترتبط هذه الخسائر بالقدرة التي يبددها الموصل المستخدم للملف عندما يمر التيار خلاله بسبب مقاومة الموصل. يمكن حساب قيمة هذه الخسارة باستخدام الصيغة ؛

ف = أنا ² ص

2. خسائر التباطؤ

هذه خسارة تتعلق بإحجام المواد المستخدمة في قلب المحول. عندما يعكس التيار المتردد اتجاهه ، يكون له تأثير على البنية الداخلية للمادة المستخدمة في اللب لأنه يميل إلى الخضوع لتغيرات فيزيائية والتي تستخدم أيضًا جزءًا من الطاقة

3. خسائر إيدي الحالية

هذه خسارة يتم التغلب عليها عادةً باستخدام صفائح رقيقة من الفولاذ. تنشأ خسارة التيار الدوامة من حقيقة أن اللب هو أيضًا موصل وسيحث على emf في الملف الثانوي. إن التيارات المستحثة في القلب وفقًا لقانون فارادس سوف تعارض المجال المغناطيسي وتؤدي إلى تبديد الطاقة.

لدينا تأثير هذه الخسائر في حسابات كفاءة المحولات ؛

الكفاءة = (طاقة الإدخال - الخسائر / طاقة الإدخال) * 100٪ يتم التعبير عن جميع المعلمات بوحدات الطاقة.