ما هو محول الطاقة وكيف يعمل؟

ناقشنا في بعض مقالاتنا السابقة أساسيات المحولات وأنواعها المختلفة. أحد المحولات المهمة والشائعة الاستخدام هو محول الطاقة. يستخدم على نطاق واسع لتصعيد وتنحي الجهد في محطة توليد الطاقة الكهربائية ومحطة التوزيع (أو المحطة الفرعية) على التوالي.

على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك مخطط الكتلة الموضح أعلاه. هنا يتم استخدام محول الطاقة مرتين أثناء توصيل الطاقة الكهربائية لمستهلك بعيد عن محطة التوليد.

• المرة الأولى في محطة توليد الطاقة لزيادة الجهد الناتج عن مولد الرياح.
• الثاني هو في محطة التوزيع (أو المحطة الفرعية) لتنحي الجهد المتلقي في نهاية خط النقل.

فقدان الطاقة في خطوط النقل

هناك العديد من الأسباب لاستخدام محول الطاقة في أنظمة الطاقة الكهربائية. لكن أحد أهم وأبسط أسباب استخدام محول الطاقة هو تقليل فقد الطاقة أثناء نقل الطاقة الكهربائية.

الآن دعنا نرى كيف يتم تقليل فقد الطاقة بشكل كبير باستخدام محول طاقة:

أولاً ، معادلة فقدان الطاقة P = I * I * R.

أنا هنا = التيار من خلال الموصل و R = مقاومة الموصل.

لذلك ، يتناسب فقد الطاقة بشكل مباشر مع مربع التيار المتدفق عبر الموصل أو خط النقل. لذا ، قلل من مقدار التيار الذي يمر عبر الموصل ، قلل من فقد الطاقة.

كيف سنستفيد من هذه النظرية موضحة أدناه:

• قل الجهد الأولي = 100 فولت وسحب الحمل = 5 أمبير والطاقة المقدمة = 500 وات. ثم يجب أن تحمل خطوط النقل هنا تيارًا بقيمة 5A من المصدر إلى التحميل. ولكن إذا قمنا بزيادة الجهد في المرحلة الأولية إلى 1000 فولت ، فإن خطوط النقل يجب أن تحمل 0.5 أمبير فقط لتوصيل نفس القوة البالغة 500 وات.
• لذلك ، سنقوم بتصعيد الجهد في بداية خط النقل باستخدام محول طاقة واستخدام محول طاقة آخر لخفض الجهد في نهاية خط النقل.
• مع هذا الإعداد ، يتم تقليل حجم التدفق الحالي عبر خط نقل 100 + كيلومتر بشكل كبير وبالتالي تقليل فقد الطاقة أثناء النقل.

الفرق بين محول الطاقة ومحول التوزيع

• عادة ما يتم تشغيل محول الطاقة بحمل كامل لأنه مصمم ليكون ذو كفاءة عالية عند تحميل 100٪. من ناحية أخرى ، يتمتع محول التوزيع بكفاءة عالية عندما يظل الحمل بين 50٪ و 70٪. لذلك ، محولات التوزيع ليست مناسبة للتشغيل عند تحميل بنسبة 100٪ بشكل مستمر.
• نظرًا لأن محول الطاقة يؤدي إلى الفولتية العالية أثناء تصعيد وتنحي ، فإن اللفات لها عزل عالي عند مقارنتها بمحولات التوزيع ومحولات الأجهزة.
• نظرًا لأنها تستخدم عزلًا عالي المستوى ، فهي ضخمة جدًا في الحجم وثقيلة جدًا أيضًا.
• نظرًا لأن محولات الطاقة لا يتم توصيلها عادة بالمنازل بشكل مباشر ، فإنها تعاني من تقلبات أقل في الأحمال ، بينما تعاني محولات التوزيع الأخرى من تقلبات في الأحمال الثقيلة.
• يتم تحميلها بالكامل لمدة 24 ساعة في اليوم ، لذلك تحدث خسائر النحاس والحديد على مدار اليوم وتبقى كما هي طوال الوقت.
• كثافة التدفق في محول الطاقة أعلى من محول التوزيع.

مبدأ عمل محول الطاقة

يعمل محول الطاقة على مبدأ "قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي". هو القانون الأساسي للكهرومغناطيسية الذي يشرح مبدأ عمل المحاثات والمحركات والمولدات والمحولات الكهربائية.

ينص القانون على أنه " عندما يتم إحضار حلقة مغلقة أو موصل قصير بالقرب من مجال مغناطيسي متغير ، يتم إنشاء تدفق التيار في تلك الحلقة المغلقة" .

من أجل فهم القانون بشكل أفضل ، دعونا نناقشه بمزيد من التفصيل. أولاً ، دعنا نفكر في السيناريو أدناه.

ضع في اعتبارك مغناطيسًا دائمًا وموصلًا قريبًا من بعضهما البعض أولاً.

• ثم يتم قصر دائرة الموصل عند كلا الطرفين باستخدام سلك كما هو موضح في الشكل.
• في هذه الحالة ، لن يكون هناك تدفق تيار في الموصل أو الحلقة لأن المجال المغناطيسي الذي يقطع الحلقة ثابت وكما هو مذكور في القانون ، يمكن فقط للحقل المغناطيسي المتغير أو المتغير أن يجبر التيار في الحلقة.
• لذلك في الحالة الأولى للمجال المغناطيسي الثابت ، سيكون هناك تدفق صفري في حلقة الموصل.

ثم يتغير المجال المغناطيسي الذي يقطع الحلقة. نظرًا لوجود مجال مغناطيسي متغير في هذه الحالة ، فإن قوانين فاراداي ستلعب وبالتالي يمكننا أن نرى تدفق التيار في حلقة الموصل.

كما ترى في الشكل ، بعد أن يتحرك المغناطيس ذهابًا وإيابًا ، نرى تيارًا "أنا" يتدفق عبر الموصل والحلقة المغلقة.

لاستبدالها بمصادر مجال مغناطيسي مختلفة مثل أدناه.

• الآن يتم استخدام مصدر جهد متناوب وموصل لتوليد مجال مغناطيسي متغير.
• بعد تقريب حلقة الموصل من نطاق المجال المغناطيسي ، يمكننا حينئذٍ رؤية EMF متولد عبر الموصل. بسبب هذا المستحث الكهرومغناطيسي ، سيكون لدينا تدفق حالي "I".
• يتناسب حجم الجهد المستحث مع شدة المجال التي تعاني منها الحلقة الثانية ، لذلك كلما زادت شدة المجال المغناطيسي ، زاد تدفق التيار في الحلقة المغلقة.

على الرغم من أنه من الممكن استخدام موصل واحد تم إعداده لفهم قانون فاراداي. ولكن من أجل أداء عملي أفضل ، يفضل استخدام ملف على كلا الجانبين.

هنا ، يتدفق تيار متناوب عبر الملف الأساسي 1 الذي يولد المجال المغناطيسي المتغير حول ملفات الموصل. وعندما يدخل الملف 2 في نطاق المجال المغناطيسي الذي يولده الملف 1 ، يتولد جهد EMF عبر الملف 2 بسبب قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي. وبسبب هذا الجهد في الملف 2 ، يتدفق التيار "I" عبر الدائرة الثانوية المغلقة.

الآن عليك أن تتذكر أن كلا الملفين معلقان في الهواء لذا فإن وسيط التوصيل الذي يستخدمه المجال المغناطيسي هو الهواء. ولهواء مقاومة أعلى مقارنة بالمعادن في حالة توصيل المجال المغناطيسي ، لذلك إذا استخدمنا نواة معدنية أو حديديّة لتعمل كوسيط للمجال الكهرومغناطيسي ، فيمكننا تجربة الحث الكهرومغناطيسي بشكل أكثر شمولاً

لذا دعونا الآن نستبدل وسط الهواء بالوسيط الحديدي لمزيد من الفهم.

كما هو موضح في الشكل ، يمكننا استخدام قلب الحديد أو الفريت لتقليل فقد التدفق المغناطيسي أثناء نقل الطاقة من ملف إلى ملف آخر. خلال هذا الوقت ، سيكون التدفق المغناطيسي المتسرب إلى الغلاف الجوي أقل بكثير من الوقت الذي استخدمنا فيه وسط الهواء لأن النواة هي موصل جيد جدًا للمجال المغناطيسي.

بمجرد إنشاء الحقل بواسطة الملف 1 ، سوف يتدفق عبر قلب الحديد ليصل إلى الملف 2 وبسبب قانون faradays ، يولد الملف 2 EMF والذي سيتم قراءته بواسطة الجلفانومتر المتصل عبر الملف 2.

الآن إذا لاحظت بعناية ستجد هذا الإعداد مشابهًا لمحول أحادي الطور. ونعم ، كل محول موجود اليوم يعمل على نفس المبدأ.

الآن دعونا ننظر في البناء المبسط للمحول ثلاثي الطور.

ثلاث مراحل محول

• تم تصميم الهيكل العظمي للمحول عن طريق وضع صفائح معدنية مغلفة تستخدم لحمل التدفق المغناطيسي. في الرسم التخطيطي ، يمكنك أن ترى أن الهيكل العظمي مطلي باللون الرمادي. يتكون الهيكل العظمي من ثلاثة أعمدة تُلف عليها لفات من ثلاث مراحل.
• يتم لف لف الجهد المنخفض أولاً ويتم لفه بالقرب من القلب بينما يتم لف لف الجهد العالي أعلى لف الجهد المنخفض. تذكر أن كلا اللفات مفصولة بطبقة عازلة.
• يمثل كل عمود هنا مرحلة واحدة ، لذلك بالنسبة لثلاثة أعمدة ، لدينا لف من ثلاث مراحل.
• هذا الإعداد الكامل للهيكل العظمي والملف مغمور في خزان مغلق مملوء بالزيت الصناعي من أجل توصيل وعزل حراري أفضل.
• بعد اللف ، تم إخراج المحطات الطرفية لجميع الملفات الستة من الخزان المختوم من خلال عازل HV.
• يتم تثبيت المحطات على مسافة معقولة بعيدًا عن بعضها البعض لتجنب قفزات الشرارة.

ميزات محول الطاقة

القوة المصنفة	3 ميجا فولت أمبير حتى 200 ميجا فولت أمبير
الفولتية الأولية عادة	11 ، 22 ، 33 ، 66 ، 90 ، 132 ، 220 ك.ف.
الفولتية الثانوية عادة	3.3 ، 6.6 ، 11 ، 33 ، 66 ، 132 كيلو فولت أو مواصفات مخصصة
المراحل	محولات أحادية أو ثلاثية الطور
تردد مصنف	50 أو 60 هرتز
التنصت	مغيرات الصنبور عند التحميل أو التفريغ
ارتفاع درجة الحرارة	60 / 65C أو مواصفات مخصصة
نوع التبريد	ONAN (زيت الهواء الطبيعي الطبيعي) أو أنواع التبريد الأخرى مثل KNAN (بحد أقصى 33 كيلو فولت) عند الطلب
مشعات	ألواح مشعاع التبريد المُثبتة على الخزان
مجموعات المتجهات	Dyn11 أو أي مجموعة ناقلات أخرى وفقًا لـ IEC 60076
تنظيم الجهد	عبر مغير الصنبور عند التحميل (مع مرحل AVR كمعيار)
محطات HV و LV	نوع صندوق كابل الهواء (33 كيلو فولت كحد أقصى) أو البطانات المفتوحة
المنشآت	داخلي أو خارجي
مستوى الصوت	حسب ENATS 35 أو NEMA TR1

تطبيقات نقل الطاقة

• يستخدم محول الطاقة بشكل أساسي في توليد الطاقة الكهربائية وفي محطات التوزيع.
• كما أنها تستخدم في محولات العزل ، محولات التأريض ، ستة محولات نبضية واثني عشر محولات نبضية ، محولات المزرعة الكهروضوئية الشمسية ، محولات مزرعة الرياح وفي بداية المحول الآلي Korndörfer.
• يتم استخدامه لتقليل فقد الطاقة أثناء نقل الطاقة الكهربائية.
• يتم استخدامه لتصعيد الجهد العالي وتنحي الجهد العالي.
• يفضل خلال حالات المستهلك لمسافات طويلة.
• ويفضل في الحالات التي يتم فيها تشغيل الحمولة بكامل طاقتها 24 × 7.