موضوع شامل عن المحول الكهربى :
المحوّل الكهربى (Transformer) جهاز في الهندسة الكهربائية، مؤلف من ملفين من الأسلاك المنفصلة الملفوفة حول قضبان حديدية فقط بمسافة بسيطة، يسمى الطرف المرتبط بالمولد الكهربي بالملف الإبتدائي بينما يطلق على الطرف المرتبط بالحمل الملف الثانوي ، و يستخدم المحول لتغيير قيمة الجهد الكهربي في نظام نقل الطاقة الكهربائية الذي يعمل على التيار المتردد حيث لا يمكن أن يعمل المحول في أنظمة التيار المستمر. فإذا كان جهد الطرف الثانوي أقل من جهد الإبتدائي كان المحول خافضا للجهد أما لو كان جهد الثانوي أعلى من جهد الإبتدائي كان المحول رافعا للجهد
المبدأ :
يقوم مبدأ عمل المحول الكهربي على قانون فرداي للحث الكهرومغناطيسي الذي ينص على أن قيمة القوة المحركة الكهربائية (الجهد الكهربائي) تتناسب طرديا مع معدل تغير التدفق المغناطيسي و لهذا السبب فإن المحول لا يعمل في أنظمة التيار المستمر لإن التيار المستمر يخلق مجالا مغناطيسيا ثابتا مقدار تغيره يساوي الصفر فلا يمكن خلق جهد كهربي حينها بطريقة الحث و هذا أحد الأسباب الرئيسية لتفضيل التيار المتردد على المستمر .
يوصل طرفا الملف الابتدائي بمصدر التيار المتردد ويوصل الملف الثانوي بالحمل المستهلك للطاقة الكهربية
عند غلق دائرة الملف الثانوي فان التيار المار في الملف الابتدائي يحدث سيلا مغناطيسيا متناوبا في القلب الحديدي يولد في كل لفة من كلا الملفين ق ـ د ـ ك ـ واحدة للحث فاذا كان في الملف الابتدائي عدد ـ و1 ـ من اللفات وفي الملف الثانوي عدد ـ و2 ـ من اللفات فان القوة الدافعة الكهربية التأثيرية في كلا الملفين تكون متناسبة طرديا مع عدد اللفات فيهما
ملاحظة
عند فتح دائرة الملف الثانوي فان تيار الملف الابتدائي يكاد ينعدم حيث أن الحث الذاتي للملف الابتدائي يعمل على توليد تيار تأثيري عكسي يكاد يكون مساويا ومعاكسا للتيار الأصلي فينعدم التيار في الابتدائي ولا يحدث استهلاك للطاقة ـ العمل العقيم للمحول ـ idling ـ
نستنتج من هذا أنه أثناء العمل العقيم للمحول يكون الجهد على الملفين متناسب طرديا مع عدد لفات الملفين
عند غلق دائرة الملف الثانوي ( توصيل حمل ـ جهز التليفزيون مثلا ـ بالمحول ) فان تيار الملف الثانوي يولد مجالا مغناطيسيا في القلب الحديدي متجها في مقابلة فيض الملف الأبتدائي ويقوم اضعاف الفيض في القلب بتصغير القوة الدافعة الكهربية التأثيرية في الملف الابتدائي ولذلك ينمو التيار فيه الى القيمة ت 1 ويقوم فيها فيضه المغناطيسي بالتعويض عن الفيض المقابل للملف الثانوي فيبقى الفيض الناتج من ذلك في القلب كما كان
الغرض منه
رفع أو خفض القوة الدافعة الكهربيةالمترددة
نقل الطاقة الكهربائية من أماكن توليدها الى أماكن استهلاكها
* تصنف المحولات من حيث التردد:
-1محولات تردد شديد الأنخفاض Very low frequency Transformer
-2محولات تردد صوتى Audio frequency Transformer
-3محولات تردد عالى High frequency Transformer
-4محولات تردد متوسط IF frequency transformer
النوع الأول يستخدم فى نظم القوى الكهربية .
اما الأنواع الثلاثة الآخيرة فلها عدة استخدامات فى اجهزة الأتصالات و دوائر مصادر التغذية الكهربية ( DC / DC converter ) المستخدمة مع اجهزة الوقاية فى محطات التحويل.
*تصنيف المحولات من حيث نسبةالتحويل:
-1محولات رفع Step-up
-2محولات خفض Step-down
ملحوظة:
المحول يمكن ان يعمل كمحول خافض أو محول رافع أعتمادا على أتجاه التغذية و لا يوجد بين المحول الرافع او المحول الخافض أى اختلاف فى التركيب او التصميم.
خللي بالك ــ المحول الرافع للجهد خافض للتيار والعكس صحيح
* تصنيف المحولات من حيث الوظيفة الكهربية:
-1محولات قدرة ( Power Transformer ) وهي المحولات المستخدمة فى شبكات النقل الكهربية ومحطات التوليد الكهربية.
-2 محولات توزيع ( Distribution Transformer ) و هى المحولات المستخدمة فى شبكات التوزيع الكهربائية
-3محولات قياس وتنقسم إلى نوعين
أ- محولات جهد Voltage Transformer .
ب- محولات التيار Current Transformer.
التركيب
· تركيب المحول Construction of Transformer
يتركب المحول من ثلاثة أجزاء رئيسية هى:
- الملف الأبتدائى Primary Winding
- الملف الثانوى Secondary Winding
- القلب الحديدى Core
العناصر الثلاثة المذكورة اعلاه هى اجزاء المحول الأساسية اما فىمحولات القدرة ( Power Transformer ) فيتم إضافة الأجزاء التالية
- خزان الزيت الرئيسى Main Tank
- خزان التمدد Conservator
- ريديتر ( مجموعة مواسيرللتبريد الزيت ) Radiator
- طلمبة ضخ الزيت Oil pump
- مجموعة مراوح التبريد Cooling Fan
- منظم الجهد Tap Changer
- عازل أختراق الجهد العالى HV Pushing
طرق الوقاية والحماية المستخدمة فى المحول الكهربى:
1- وقايات كهربية : وهي مجموعة من الوقايات اهمها الوقاية التفاضلية
2- الوقايات الميكانيكية : ومن ضمنها البوخلز ريليه
وهو جهاز يكون متصل بجسم المحول بين التانك الرئيسي و تنك الزيت conservator عن طريق انبوبه معدنية متصلة بجسم المحول
· وظيفة هذا الريليه هي حماية المحول من القصر الداخلي بين ملفات المحول internal) short circuit between the coils (windings وليس لمستوي الزيت لان مستوي الزيت له قياس زجاجي اعلي المحول يبين مستوي الزيت
·
يعتمد البوخلز في عملة علي فكرة ان التيار الكهربي العالي يسخن الزيت الموجود داخل المحول مما ينشئ عنه تحلل للزيت وتحوله من الحالة السائلة الي الحالة الغازيه وكما تعرف ان الغازات اقل كثافة من السوائل لذلك يتصاعد الي اعلي مندفعا تجاه اعلي جسم المحول وهو تنك الزيت conservator وبذلك سيمر بالبوخلز و الذي يحتوي علي عوامتين موضوعتين بطريقة معينة احداهما متصلة بدائرة انذار والأخري بدائرة الفصل tripping
المتصلة بدائرة الإنذار تعمل في حالة ان يكون تيار القصر صغير مما نتج عنه كميه صغيرة من الغازات والتي بكونها لا تستطيع ان تحرك عوامة الفصل لانها تتطلب قوي اكبرمن الغازات حتي تتحرك لتلامس الlimit switch ليقفل دائرة الفصل
اذن في النهاية فان البوخلز هو جهاز يعمل علي وقاية المحول من تيارات القصرالداخلية معتمدا في عمله علي البخرة و الغازات الناتجة عن احتراق الزيت الموجود داخل المحول نتيجة التيارات العالية سواء قصر او حمل عالي علي المحول overloading
هل اى متمم يناسب اى محول؟
· والجواب لا لأن كل محول له متمم يتناسب مع ال rating الخاص به
لان المحولات ليست متساوية الحجم
فكل power ولها حجمها
وكذلك حسب الشركة المصنعة للمحول
فهناك ABB,siemens ,Alstom,schnider
وغيرها كثير
ولكن نفس فكرة العمل ثابتة للكل
· الطاقة المفقودة في المحول وكيفية الحد منها
· جزء من الطاقة الكهربية يتحول الى طاقة حرارية بسبب مقاومة الأسلاك
· للحد من الفقد بسبب المقاومة تصنع الملفات من النحاس الذي له مقاومة نوعية منخفضة
· جزء يفقد بسبب التيارات الدوامية المتولدة في القلب الحديدي
· يصنع القلب الحديدي من شرائح رقيقة من الحديد المطاوع السليكوني معزولة عن بعضها للحد من التيارات الدوامية
· تسرب جزء من خطوط الفيض خارج القلب الحديدي فلا تقطع الملف الثانوي
· يوضع الملف الابتدائي داخل الملف الثانوي ويعزل عنه
· جزء يفقد في صورة طاقة ميكانيكية تستنفذ في تحريك الجزيئات المغناطيسية للقلب الحديدي
· للحد من الفقد يصنع القلب من الحديد المطاوع لسهولة حركة جزيئاته المغناطيسية
كفاءة المحول
هي النسبة بين الطاقة الكهربائية في الملف الثانوي الى الطاقة الكهربائية في الملف الابتدائي أو هي النسبة بين قدرة الملف الثانوي وقدرة الملف الابتدائي
استخدام المحول في نقل القدرة الكهربية
لا يمكن تحقيق الاستعمال الفعال للطاقة الكهربائية الا بواسطة نقلها لمسافات بعيدة بأقل خسارة ممكنة ويجب لهذا نقل الطاقة تحت جهد عالي جدا حيث توجد محولات رافعة عند أماكن توليد الطاقة وتنقل الطاقة عبر الأسلاك والأبراج الهوائية الى أماكن الاستهلاك حيث توجد محولات لخفض القوة الدافعة
كفاءة النقلـ هي النسبة بين الطاقة الكهربائية التي تصل الى أماكن الاستهلاك والطاقة الكهربية الناتجة في محطات التوليد
ولنعرف عمل المحول من حيث كونه رافع او خافض للجهد ليس اعتمادا على جهد ي التغذية (الدخل والخرج) فهذا الأسلوب في التعريف لن يمكننا في معرفة نوع المحول الا بعد تطبيق جهد التغذية أما ان أردنا معرفة نوع المحول من خلال تصميمه ومعطياته الفنية فنستطيع القول :
إذا كان عدد لفات الملف الثانوي اكبر من عدد لفات الملف الابتدائي فان المحول سيقوم برفع الجهد وعندها يسمى محولا رافعا للجهد والعكس صحيح . أي إذا كان عدد لفات الملف الابتدائي اكبر من عدد لفات الملف الثانوي فان المحول سيقوم بخفض الجهد ويسمى عندها المحول خافضا للجهد
ولنأخذ مثالا عمليا على ذلك ولكن قبل المثال دعونا نعرف نسبة عدد اللفات :
تعرف مصطلح نسبة عدد اللفات بأنه نسبة عدد لفات الملف الثانوي (Ns) الى عدد لفات الملف الابتدائي (Np) ويكتب كما في الشكل التالي :
[...] 1فلو فرصنا ان عدد لفات الملف الثانوي هي (100 لفة ) وان عدد لفات الملف الابتدائي هي ( 10 لفات )فان نسبة اللفات واعتمادا على التعريف السابق ستكون :
: :
[...]
نعبر عن ذلك بقولنا : ان نسبة اللفات هي ( عشرة الى واحد ) وبالتالي فن جهد الملف الثانوي سيكون اكبر عشرة أضعاف الملف الابتدائي أي ان نسبة الجهد تساوي نسبة عدد الفات:
[...]
حيث (Es) هي جهد الملف الثانوي
(Ep) هي جهد الملف الأولي
ويمكننا الآن استخدام هذه العلاقة الرياضية في حساب جهد الملف الثانوي في حال تم معرفة نسبة عدد اللفات والجهد المطبق على الملف الابتدائي
نعود الآن الى طرح مثال عملي :
فلو فرضنا ولدينا محول كهربائي نسبة اللفات فيه هي نفس النسبة السابقة وطبقنا على ملفه الابتدائي جهد قدره (100 V ) فان الجهد المتولد عند الملف الثانوي يحسب على الشكل التالي :
[...]
]
أي أننا بإمكاننا وباختيار عدد اللفات المناسبة نستطيع رفع الجهد الى أي قيمة نرغب بها
************************************************** *****
تيار الملف الابتدائى * تيار الملف الثانوى = عدد لفات الملف الأبتدائى * عدد لفات الملف الثانوى
NS * NP = IS * IP
القدرة = قدرة الملف الابتدائى = قدرة الملف الثانوى
P = Pp = Ps
القدرة = جهد الأبتدائى * تيار الأبتدائى
IP * VP = P
القدرة = جهد الثانوى * تيار الثانوى
IS * VS = P
تيار الملف الابتدائى * تيار الملف الثانوى = عدد لفات الملف الأبتدائى * عدد لفات الملف الثانوى
NS * NP = IS * IP
NS نسبة التحويل = عدد ملفات الملف الثانوى =
NP عدد ملفات الملف الأبتدائى
جهد الملف الثانوى= عدد لفات الملف الثانوى
جهد الملف الأبتدائى عدد لفات الملف الأبتدائى
NS = VS
NP VP
عدد لفات الملف الثانوى 20 لفة
عددلفات الملف الابتدائى 80 لفة
نسبة التحويل = 20/80 = .25
جهد الملف الابتدائى = 400 فولت
20/80 = جهد الثانوى / 400
جهد الثانوى = 20/80 * 400 = 100 فولت
مواصفات محولات القدرة ( نعطي مثال ومنه نخرج ان شاء الله بالفائدة ) :
- محول قدرة 3 فاز / 500 ك.ف.أ / جهد ابتدائي 11000 ف / جهد ثانوي 380 - 220 ف / تبريد زيت
هذه المواصفات هي مواصفات محول قدرة عند شرائه والمواصفات كالتالي :
2- نحدد قدرة المحول ( القدرة الظاهرية 1- نحدد عدد الأوجه للمحول ( يوجد محولاات 3 فاز / ومحولاات 1 فاز او 2 فاز ) - المحول الموجود بالمثال 3 فازS = I x V /1000 KVA ) - وفي هذا المثال قدرة المحول = 500 ك.ف.أ
هل يمكن تحديد التيار الأبتدائي والتيار الثانوي ؟ نعم باستخدام معادلة القدرة الظاهرية كالتالي:
تيار الأبتدائي من تطبيق العلاقة على الملف الإبتدائي S = I p x Vp 500 =Ipx 11000/1000
نجد أن Ip= 45.45 A
تيار الثانوي من تطبيق العلاقة على الملف الثانوي S = I s x Vs 500 =Isx 380/1000
نجد أن Is= 1315.7 A
وللتأكد من ذلك فإن تيار اللإبتدائي / تيار الثانوي = جهد الثانوي / جهد الإبتدائي ( والعكس صحيح )
45.45/1315.7 = 380/11000
3- نحدد الجهد الإبتدائي للمحول ( 11000 ف كما ف المثال ) وكذلك الجهد الثانوي ( 380ف - 220 ف كما ف المثال )
ويتلاحظ لنا أن هذا المحول محول خفض ( وكل محولاات التوزيع هي محولات خفض للجهد )
ويتلاحظ لنا ايضا ان جهد الثانوي هو 380 ف ( جهد اللاين Phase To Phase ) و 220 ف ( جهد اللاين مع الطرف
المتعادل Phase To Neutral )
4- بعد ذلك نحدد نوع تبريد المحول ( بعض المحولاات تبريد زيت وهو الشائع استخدامه وبعضها تبريد هواء)
المحول الذاتى أوالمحول الالى
هو محول كهربائى عادى ولكن ذو ملف واحد فقط. الملف له ثلاث نقاط توصيل
كهربائيه على الاقل. يتم توصيل كل من المصدر الكهربائى إلى نقطة و الحمل إلى نقطه توصيل أخرى خاصه به.
[...]
وبنهاية الملف توجد نقطه توصيل مشتركه بين كل من المصدر والحمل .
كل نقطة توصيل يقابلها جهد كهربائى مختلف لكل من المصدر و الحمل.
و يلاحظ ان جزء من الملف يعمل كقاسم مشترك بين الملف الابتدائى والثانوى
أى يمكن القول أن المحول الذاتى هو عباره عن قلب من الحديد يلف عليه ملف واحد
يتصل بالتيار المتردد
ويكون الجهد الخارج من احد قطبيه مشترك مع تيار المصدر
والقطب الثانى مأخوذ من نقطه على الملف نفسه
أى ان الملف يعتبر ملف خانق للتيار كى نحصل منه على
الجهد المطلوب ويمكن للمحول الذاتى أن يكون رافعاً للجهد كما بالشكل السابق أو خافض للجهد مثل الشكل التالى
[...]
وبناء على ذلك فإن استخدم المحول كمحول رافع فجهد المصدر يكون جزء من جهد الحمل وعلى المحول أن يولد فقط فرق الجهد بين المنبع والحمل
و إن استخدم كمحول خافض ، فإن التيار من المصدر يعبر للحمل و عليه فالمحول عليه أن يولد فرق التيار بين الابتدائى والثانوى
وكما فى الشكل التالى فأن النقطة ج هى النقطة المشتركة بين الابتدائى و الثانوى ، النقطتان (ب.ج) هما دخول المصدر والملف الابتدائى ، النقطتان (ب.د) يمثلان الملف الثانوى أى أن الملف الثانوى هو عبارة عن جهد المنبع (ب.ج)+ الملف (ج.د) =100فولت + 10فولت =110فولت وجهد المنبع 100 فولت
P1=V1*I1= V2*I2=P2
النقطة ج تقسم الملف لجزأين الجزء(ب.ج) المشترك والجزء (ج.د) المكمل للملف الثانوى
نجد أن الملف المكمل به تيار يساوى الفرق بين تيار الحمل و تيار المنبع
وهذه نقطة هامة جدا عند حساب مقطع السلك حيث توفر كثيرا جدا فى قطر السلك و من ثم الكلفة
[...]
مثلا لنفترض أن لدينا محول 100وات
مساحةالمقطع تكون جذر القدرة = 10 سم2
فى حال استخدام محول ذاتى رافع للتحويل من فولت200 إلى فولت220 مثلا نجدنسبة الوفر = 220-200 ÷ 220
أى = 20 ÷220 = 0.09 أو تقريبا 0.1
أى نعملتصميم لمحول قدرته 100 × 0.1 = 10 وات فقط فتكون مساحة المقطع = جذر 10 وات = 3.2سم2
تيارالدخول = 100وات ÷ 220 = 0.45 أمبير
قطر السلك = 0.8 جذر التيار = 0.8 × 0.67=0.54 أو 5.5ديزيم
هذاالقطر للفات 20 فولت فقط أى الفرق بين 220 – 200
تيار الخرج = 100 ÷ 200 = 0.5أمبير
فرق التيارين = 0.5- 0.45 = 0.05 أمبير فقط
قطر السلك = 0.8 جذر 0.05 = 0.8 × 0.22 = 0.18و أقرب قيمة هى 2 ديزيم
وهذه للملف 200 فولت وواضح الفرق فى القطر والوزن و الثمن فى استخدام 2 ديزيم بدلا من 5.5 ديزيم وأيضا وزن وحجم الحديد
وفى هذه النقطة أجابة عن سؤال هام وهو لماذا يختلف سمك الملف الابتدائى عن الملف الثانوى مع العلم ان الملفين متجاورين وعلى قلب واحد ؟
ملاحظات هامة
أولاً : اى تلف بملفات المحول الذاتى او عازلها يمكن ان يؤدى إلى توصيل جهد المصدر بالكامل إلى الحمل وغالباً ما ينتج عن ذلك تلف الحمل خاصة عندما يكون المحول الذاتى المستخدم خافضاً للجهد لذلك يجب وضع ذلك فى الحسبان عند اتخاذ قرار أستخدام المحول الذاتى بالدائرة
ثانياً : بحسابات وتطبيقات الطاقه فان المحول الذاتى عادة يكون اقل وزنا و كلفه من المحول العادى ذو الملفين بسبب تكونه من عدد اقل من الملفات مع استخدام قلب للمحول اصغر حجما وذلك حتى نسبة تحويل الجهد الكهربائى من 3:1 اما خارج هذا النطاق فان المحول العادى ذو الملفين يكون عادة أكثر اقتصاديه.
أى أنه كلما زاد الفرق بين جهدالدخول و جهد الخروج قلت نسبة الوفر لذلك فهو جيد فى استخدامات التحويل حتى من 110إلى 220 والعكس
لكنهغير مجدى فى حالات أرتفاع نسبة التحويل مثل 220 : 12 فولت
وذلك لسببين
السبب الاول : نسبة الوفر = (220-12 ) ÷ 220 = 95, أى أن المحول 100 وات يعتبر 95 وات وهىنسبة لا تذكر
السبب الثانى : خطير جدا أن الجهد 220 له راجع أرضى إذا تملمس السلك "الحى" فقد يسعق لامسه لذلك يستخدم دوما محول يسمى محول عزل وهو 220 : 220 لتوفير العزل الكهربى عن الأرض للحماية فيكون لمس طرف واحد غير خطر و للأسف المحول الذاتى لا يوفر هذه الميزة
من هنا كان لابد من ذكر بعض مزايا وعيوب المحول الذاتى :-
مميزات المحولات الذاتية
1. جودته مرتفعة فى حدود التشغيل المسموح
2. الوفر فى حجم المحول وحجم النحاس المستخدم
3. المفاقيد النحاسية به قليلة جدًا إذا ما قورن بالمحولات الأخرى
عيوب المحولات الذاتية
1. خطر فى حالة استخدام دوائر الجهد العالي لأن دائرة الملف الثانوي جزء من الملف الابتدائي ذو الجهد العالي .
2. فى حالة استخدامه بنسبة تحويل مرتفعة تقل جودته جدًا ويكون غيراقتصادي فى التشغيل .
ويستخدم المحول الذاتى فى العديد من المجالات مثل :
[...]
كاوية اللحام ومحولات صهر المعادن
وماكينات اللحام وفى تنظيم سرعات محركات المراوح
جهاز بوخلز ريلية Buchholz Relay
ففى مجال الطاقة الكهربائية وتوزيعها ونقلها تستخدم المحولات الكهربائية والتى لابد من توفير وسائل الحماية اللازمة لها مثل :
1- Pressure Relief Valve
2- Buchholz Relay
3- Winding Temperature
4- Surge arrestors
5- Oil Temperature
6- Cooling flow switch
7- Oil Level switch
8- Oil Flow switch
9- Silica Gil
10- Pump Filter on Tap changer
[...]
ومن تلك الوسائل سنتحدث عن أحد أهم تلك الوسائل وهو
جهاز يسمى البوخلز ريلية ، كما يسمى ايضا ريلية الغاز أو ريلية ارتفاع الضغط المفاجئ بالمحول ، وهو وسيلة أمان لبعض محولات الكهرباء المملوءة بالزيت والمزودة بخزان خارجي للزيت فوق جسم المحول ويدعى conservator. فإن Buchholz ريلية يستخدم فى أربع وظائف أساسية وهى :
1 – يعمل كإنذار مبكر عن وجود غازات بالمحول حيث أنه مزود بعوامتين واحدة انذار والاخرى فصل
2 – أمكانية أخذ عينة من تلك الغازات لتحليلها واجراء الاختبارات عليها بجهاز يسمى جازاناليزر والذى يحدد نوعية الغاز وهل هو بسبب انهيار عزل الملفات أم أنهيار عزل الزيت أم حدوث قصر داخل المحول وما شابه ذلك من اسباب وجود تلك الغاذات
3 – عند انخفاض مستوى الزيت بالمحول فأنه يتم اضافة زيت بالتنك ونتيجة ذلك يدخل بعض الهواء داخل التنك ويختلط بالزيت مما يسبب ارتفاع بحرارة المحول وحيث ان كثافة الهواء أقل من كثافة الزيت فأن الهواء يرتفع لأعلى معلنا عن وجود غازات من خلال عوامة الانذار وبالتالى يمكن اخراج فقاقيع الهواء تلك عن طريق مرشح بوخلز ايضا
4 – من المعروف ان بوخلز ريلية مثبت اعلى المحول بزاوية ميل لاتزيد عن 35 درجة مما يعنى ان عوامتية مغمورتان فى الزيت اى انه عند حدوث نقص مفاجئ للزيت فان جهاز بوخلز سيقوم بأعطاء أنذار وفصل للمحول طبعا هذا بخلاف جهاز مستوى قياس الزيت الموجود على المحول
أزال المؤلف هذا التعليق.
ردحذفممكن تعملي بحث لثاني الدبلوم عن المحولات
ردحذف