المحول الكهربائي

محول كهربايي

Transformer - Transformateur

المحوِّل الكهربائي

المحوِّل transformer هو آلة تيار متناوب ساكنة تعمل على مبدأ التحريض الكهرومغنطيسي electromagnetic induction وتستخدم من أجل تغيير القيم الكهربائية، التي تشمل التوتر والتيار والتردد وعدد الأطوار، من قيمة محددة إلى قيمة أخرى مرغوبة.

يعود الفضل في اختراع المحول إلى اكتشاف ظاهرة التحريض على يد العالم الإنكليزي م. فاراداي M.Faraday عام 1831. وقد تم وضع أول نماذج للمحول بعد اكتشاف التيار المتناوب وذلك نحو عامي 1890ـ1891. ثم تطورت باطراد مع التوسع الكبير باستخدام الطاقة الكهربائية في مختلف نواحي الحياة .

وظيفة المحولات ومجالات استخدامها

تستخدم المحولات الكهربائية في الوقت الحاضر في مجالات كثيرة، بدءاً من المحولات الميكروية صغيرة التوتر والاستطاعة، والمستخدمة في الأجهزة الدقيقة والإلكترونية، وانتهاءً بمحولات الاستطاعة power transformers ذات التوتر العالي والاستطاعة الضخمة، المستخدمة في نظم الطاقة الكهربائية. لذلك فإن المعطيات الفنية للمحولات التي تشمل القيم الاسمية لكل من الاستطاعة والتوتر والتيار تتفاوت إلى حد كبير تبعاً لنوع المحول ووظيفته. ففي حين لا تتجاوز استطاعة المحولات المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية والدقيقة بضع عشرات أو مئات من الفولت - أمبير وتعمل على توترات صغيرة فإن استطاعة محولات الاستطاعة ثلاثية الطور قد تجاوزت في الوقت الحاضر 1000 ميغا فولت أمبير، كما وصلت التوترات الاسمية لهذه المحولات إلى أكثر من 1200كيلو فولت.

تتمثل الوظيفة الرئيسية للمحولات بتغيير التوتر الكهربائي من قيمة محددة معطاة إلى قيمة مرغوبة أخرى. ويستخدم هذا التطبيق فور إنتاج الطاقة الكهربائية في محطات التوليد، إذ تنتج هذه الطاقة في مجموعات التوليد باستطاعات ضخمة ولكن بتوترات صغيرة نسبياً لاعتبارات فنية محددة. وإن إرسال الطاقة الكهربائية الضخمة المولدة في محطات التوليد - البعيدة غالباً عن مراكز المدن إلى المستهلك - على توترات التوليد المنخفضة أمر شديد الصعوبة من الناحية الفنية وعديم الجدوى الاقتصادية تقريباً. ويرجع ذلك إلى ضياع الاستطاعة وهبوط التوتر الشديد الناتج من نقل الطاقة على التوتر المنخفض. وتحل هذه المشكلة الفنية الاقتصادية عن طريق استخدام محولات الاستطاعة التي تقوم برفع التوتر في محطات التوليد إلى قيم أكبر بعشرات الأضعاف من توتر التوليد؛ مما يجعل عملية نقل الطاقة الكهربائية - مهما كانت ضخمة - من مراكز التوليد إلى أماكن الاستهلاك عبر مئات الكيلومترات أمراً مجدياً من الناحيتين الفنية والاقتصادية. فبفضل قيام المحولات برفع توتر التوليد يصبح هبوط التوتر وضياعات الاستطاعة الناتجة من نقل الطاقة إلى مسافات طويلة ضمن حدود مقبولة. وبعد وصول الطاقة إلى مراكز الاستهلاك لابد مرة أخرى من استخدام المحولات لخفض التوترات العالية تدريجياً حتى تصبح هذه الطاقة قابلة للاستهلاك في المجالات المختلفة. وتسمى المحولات التي تقوم بهذه المهمة بمحولات التوزيع distribution transformers وهي ذات توترات واستطاعات أصغر بوضوح من محولات الاستطاعة.

لا تقتصر وظيفة المحولات على حل مشكلة نقل الطاقة الكهربائية وتوزيعها وإنما تشمل مجالات متعددة أخرى أهمها استخدامها في تقانات تبديل  الطاقة الكهربائية ما بين طاقة التيار المتناوب والتيار المستمر وذلك للانتشار الواسع لتطبيقات أنصاف النواقل في الهندسة الكهربائية. كما تستخدم المحولات لأغراض تكنولوجية في الصناعة كمحولات اللحام ومحولات الأفران الكهربائية المخصصة لصهر المعادن. وتستخدم المحولات في تطبيقات القياسات الكهربائية، حيث تساعد محولات القياس measurement transformers على توسيع مجالات قياس المقادير الكهربائية إلى حدود أوسع بعشرات الأضعاف مما تسمح به أجهزة القياس المباشر.

مبدأ عمل المحول

يعتمد المحول في عمله على مبدأ التحريض الكهرومغنطيسي. فعند تطبيق التوتر المتناوب على الملف الابتدائي للمحول يمر في هذا الملف تيار متناوب يؤدي إلى نشوء سيالة مغنطيسية لها تردد هذا التيار نفسه. تمر هذه السيالة عبر النواة المغلقة للمحول وتتقاطع مع نواقل ملفه الثانوي مما يؤدي إلى تحرض قوة محركة كهربائية بين طرفي هذا الملف (الشكل 1).

تتناسب القوة المحركة الكهربائية المتحرضة في الملف الثانوي التي تحدد قيمة توتر خرج المحول مع عدد لفات هذا الملف، فكلما كان عدد لفاته كبيراً تزداد قيمة توتر خرج المحول. وباختيار نسبة محددة بين عدد لفات الملفين الابتدائي والثانوي للمحول تدعى بنسبة التحويل، يمكن الحصول على القيمة المرغوبة للتوتر في خرج المحول. فإذا كان المطلوب هو رفع التوتر بمقدار معين تتم زيادة عدد لفات الملف الثانوي للمحول على عدد لفات الابتدائي بنسبة تحقق رفع توتر الخرج إلى القيمة المطلوبة. وعلى النقيض من ذلك، فإنه لخفض التوتر المعطى يجعل عدد لفات الملف الثانوي أصغر بنسبة محددة من عدد لفات الابتدائي. وتجدر الإشارة إلى أنه في الوقت الذي يتم تغيير التوتر ما بين طرفي المحول بنسبة محددة تتغير التيارات في هذين الطرفين بعكس هذه النسبة. فعلى سبيل المثال إذا تم رفع قيمة توتر خرج المحول بمقدار عشرة أضعاف فإن تيار الخرج سوف ينخفض بنفس هذه النسبة. أي إنه إذا قام المحول برفع التوتر بنسبة معينة فإنه يقوم بخفض قيمة التيار بنفس هذه النسبة وبالعكس. لذلك تكون ملفات التوتر الأعلى في المحول ذات التيارات الأدنى أقل مساحة لسطوح مقاطع نواقلها من ملفات التوتر الأخفض ذات التيارات الأكبر.

البنية التكوينية للمحول

يتكون المحول في أبسط شكل له من نواة حديدية مغلقة و ملفين كهربائيين متوضعين عليها. ومن أجل ضمان عمل المحول جيداً فإن نواته تصنع من رقائق الفولاذ الكهربائي عالي الناقلية التي لا تتجاوز سماكتها 0.3- 0.5 ملم، معزولة بعضها عن بعض بطلاء من الورنيش. تجمع رقائق الفولاذ بالشكل و المقطع المطلوب لتوفر الحالة المغنطيسية السليمة للمحول. ويتم اللجوء إلى استخدام النوى الحديدية المشكلة من رقائق الفولاذ بدلاً من النوى الفولاذية المصمتة بقصد إضعاف تأثير التيارات الإعصارية eddy currents وخفض ضياعات الاستطاعة في حديد المحول. تدعى الأجزاء الشاقولية من نواة المحول بالجذوع أو السوق legs، والأجزاء الأفقية بالحوافظ yokes. تقوم جذوع المحول بحمل الملفات التي تركب عليها بطريقة معينة (الشكل 2). وتشكل جملة الجذوع والحوافظ المسار المطلوب للسيالة المغنطيسية اللازمة لنشوء ظاهرة التحريض الكهرومغنطيسي.

تقوم الملفات بمهمة تمرير الاستطاعة الكهربائية من دخل المحول إلى خرجه. وتصنع هذه الملفات غالباً من النحاس لناقليته الكهربائية الجيدة، كما يستخدم الألمنيوم لصناعة ملفات المحولات في بعض الأحيان. وتؤخذ نواقل الملفات بمقاطع مناسبة لاستطاعة المحول وتياراته، ويتم عزلها بطبقات من مواد العزل الكهربائي ذات نوعية وثخانة مناسبة لاستطاعة المحول وتوتره ودرجة عازليته. وكلما كانت نوعية مواد العزل عالية فإنها تحقق درجة عزل أعلى للمحول تمكنه من العمل عند درجات حرارة أعلى. كما تعزل نواقل الملفات عن النواة الحديدية للمحول عزلاً تاماً لمنع التماس الكهربائي فيما بين هذه العناصر. يمكن أن تكون الملفات أحادية الطور أو متعددة الأطوار وذلك بحسب نوع المحول.

إضافة إلى الأجزاء الرئيسية المذكورة آنفاً، يحتوي المحول على أجزاء ثانوية ملحقة  ومتعلقة باستطاعة المحول ونوعه. ففي حين لا تحتوي المحولات الميكروية الصغيرة على أي أجزاء ملحقة تذكر فإن محولات الاستطاعة الضخمة تحتاج إلى عدد من هذه الملحقات مثل الخزان المعزول أو خزان الزيت oil tank وعوازل العبور bushes والحماية الغازية وآلية الحماية من زيادة الضغط والمبرد ووسائد التثبيت والتأريض وغيرها من العناصر التي تسهم في تأمين العمل الطبيعي للمحول كما هو مبين على (الشكل 2).

الخصائص الاستثمارية للمحول

يقوم المحول كما مرّ بأداء دور الوسيط الذي يمرر الاستطاعة الكهربائية من أحد طرفيه إلى الطرف الآخر بعد أن يغير قيم التوتر والتيار إلى الحدود المطلوبة، إلا أن الاستطاعة المقدمة إلى دخل المحول لا تصل بالكامل إلى الحمل المربوط في خرجه لضياع جزء من هذه الاستطاعة داخل المحول. تتوزع ضياعات الاستطاعة في المحول ما بين الضياعات التي تذهب في نواته الحديدية بسبب التيارات الإعصارية والتباطؤ المغنطيسي hysteresis، والاستطاعة الضائعة في الملفات الكهربائية (ضياعات جول) لدى مرور التيارات في هذه الملفات. وتتعلق القيمة الإجمالية لضياعات الاستطاعة في المحول بحالة التشغيل التي يعمل عندها. فإذا كان المحول يعمل من دون أحمال كهربائية مربوطة إلى خرجه، أي في حالة اللاحمل (الشكل1) فإن ضياعات الاستطاعة فيه تكون ضئيلة و مقتصرة على الضياعات في نواته الحديدية فقط . في هذه الحالة يجري في الملف الابتدائي للمحول تيار صغير لايتجاوز الواحد بالمئة من تياره الاسمي يدعى بتيار المغنطة magnetizing current أو تيار اللاحمل. و مع انتقال المحول إلى حالة العمل تحت الحمل الاسمي تزداد قيمة التيارات في كل من ملفيه الابتدائي والثانوي إلى حد كبير وتزداد قيمة الضياعات في ملفات المحول بأضعاف عديدة، إذ تتناسب هذه الضياعات مع مربع قيمة التيار المار في الملفات. تتحول ضياعات الاستطاعة التي تذهب في نواة المحول وملفاته إلى طاقة حرارية تؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة بداخله. ولابد عند ذلك من اتخاذ الإجراءات اللازمة لتبديد هذه الطاقة الحرارية إلى خارج المحول منعاً إلى ارتفاع درجة حرارة أجزائه الداخلية عن الحد المسموح به ومن ثم تعرضها للتلف أو الاهتراء السريع بسبب ذلك؛ لذلك تجهز المحولات تبعاً لاستطاعاتها بوسائط التبريد الكفيلة بضمان استقرار حالتها الحرارية عند الاستثمار و عدم تجاوز الحرارة داخل المحول الحدود المسموح بها. وإن من أفضل وسائط التبريد المستخدمة في المحولات ذات الاستطاعة المتوسطة والكبيرة زيت المحولات الذي تغمر به الملفات، والذي يقوم في أثناء دورانه ما بين الخزان الرئيسي للمحول وخزان التمدد بطرح الحرارة الزائدة إلى خارج المحول. ومن أجل زيادة فعالية التبريد يمكن تدوير الزيت بعد رفع ضغطه داخل المحول قسرياً بوساطة مضخة خاصة. وفي المحولات ذات الاستطاعة الصغيرة المحدودة كالمستخدمة في الأجهزة المنزلية والإلكترونية مثلاً يمكن أن تتم عملية التبريد بالهواء الطبيعي العادي أو بالتهوية القسرية باستخدام مروحة وذلك تبعاً لاستطاعة المحول وظروف تشغيله.

بالرغم من ضياع جزء من الاستطاعة المحولة داخل المحول فإنه يعد آلة جيدة المردود، وكلما كانت الاستطاعة الاسمية للمحول كبيرة تزداد قيمة مردوده، حيث يمكن أن يصل المردود في محولات الاستطاعة الضخمة إلى أكثر من 99%. من ناحية أخرى يتعلق المردود بنسبة تحميل المحول ، ففي حين يكون هذا المردود معدوماً عندما يعمل المحول في حالة اللاحمل فإنه يبلغ ذروته عند تحميل المحول قرابة 80% من استطاعته الاسمية؛ لذلك يعد تشغيل المحول عند نسبة التحميل هذه حالة عمل مثلى، إلا أن ظروف الاستثمار الفعلية تقتضي تشغيل المحول بنسب تحميل مختلفة أكبر أو أصغر من هذه النسبة المثلى لفترات محددة. وفي جميع الأحوال يتوجب الانتباه عند استثمار المحول إلى ضرورة المحافظة دائماً على الوضع الحراري السليم لجميع أجزائه وعدم تجاوز درجة الحرارة الحد المسموح بأي شكل كان، والسعي من ناحية أخرى إلى تحقيق أعلى جدوى اقتصادية من توظيف المحول عن طريق استثماره بأعلى طاقة ممكنة بشكل فني صحيح.

يتعرض المحول في أثناء عمله لهبوط التوتر في خرجه بمقدار يتناسب مع قيمة التيارات التي تسري في ملفاته. وبما أن الأحمال الكهربائية تتطلب توتراً ثابتاً بالقيمة دوماً لذلك يزود المحول بآلية لتنظيم توتر خرجه تهدف للحفاظ على هذا التوتر ثابتاً مهما تغيرت درجة تحميل المحول. وتعتمد آلية تنظيم التوتر على تغيير عدد لفات الملف الثانوي للمحول بشكل يضمن الحصول على التوتر الاسمي دائماً على مرابط الأحمال المربوطة إلى هذا الملف . كما يمكن أن يتعرض المحول في أثناء استثماره لأعطال مختلفة، من أخطرها حالات القصر التي يمكن أن تحدث بالقرب المباشر من المحول. من أجل ذلك تزود المحولات بتجهيزات حماية مختلفة كالحماية من زيادة التحميل والقصر وزيادة التوتر وغيرها. وتقوم هذه الحمايات إما بإعطاء إشارات تحذير عن حدوث الأعطال وإما بفصل التغذية الكهربائية عن المحول وذلك تبعاً لنوع المحول وخطورة هذه الأعطال.

عبد المطلب أبو سيف

ـ عبد المطلب أبو سيف، الآلات الكهربائية -2 «المحولات» (منشورات جامعة دمشق، 1995).

ـ هاشم ورقوزق، هاكوب بوغوص، الآلات الكهربائية -2 «المحولات» (منشورات جامعة دمشق، 2004).

- PHILIP KIAMEH, Electrical Equipment Handbook (McGraw-Hill Handbooks, New York  2003).

التصنيف : التقنيات (التكنولوجية)

النوع : تقانة

المجلد: المجلد الثامن عشر

رقم الصفحة ضمن المجلد : 128

آخر أخبار الهيئة :

معجم المصطلحات

الأطلس الجغرافي

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية