المحول الكهربي |

المحول هو جهاز من الأجهزة الشائعة المبنية على الحث الكهرومغناطيسي. و يتم في هذا المقال تعريف المحول و تحديد و شرح فكرة عمل المحول الكهربي وكذلك تركيب المحول و أنواع المحولات الكهربية .

فكرة عمل المحول الكهربي

تعتمد على الحث الكهرومغناطيسي و تحديدا الحث المتبادل بين ملفين.

تركيب المحول الكهربي

يتكون المحول من ملف ابتدائي يدخل إلية الجهد وملف ثانوي و هو ملف الخرج. كلا الملفين منفصلان و ملفوفان حول قلب حديدي مطاوع شرائح معزولة. كما بالشكل

يتم لف الملف الأبتدائي والملف الثانوي حول قلب حديدي و يكون عدد لفات الملفين Np و Ns. عندما يمر تيار كهربائي متغير (تيار متردد) بمرور الوقت عبر الملف الأبتدائي فإن emf المستحث في هذا الملف هي

$V_p = - N_p \frac{\Delta \Phi_m}{\Delta t}$

حيث $\frac{\Delta \Phi_m}{\Delta t}$ هو التغير في الفيض المغناطيسي في الملف الأبتدائي. يركز القلب الحديدي خطوط المجال المغناطيسي مما يضمن أن الفيض المغناطيسي المتغير في الملف الأبتدائي يصل كما هو عبر كل لفة في الملف الثانوي. و من ثم تكون

$\frac{\Delta \Phi_m}{\Delta t} = constant$

و بالتالي يكون

$V_p / N_p = \frac{\Delta \Phi_m}{\Delta t} = V_s / N_s$

و تعتبر هذه سمة المحولات المثالية حيث لا يتم فقد في خطوط الفيض المغناطيسي و لكن هذه النسبة بين فرق الجهد و العدد يمكن تحديد من خلالها نوع المحول.

أنواع المحولات الكهربية

تُظهر المعادلة أنه يمكنك التحكم في الجهد الخارج عبر عدد اللفات حيث

فإذا كان Ns<Np يكون المحول رافع للجهد.

فإذا كان Ns>Np يكون المحول رافع للجهد.

عرف المحول الكهربي

يمكن تلخيص جميع ما سبق على أنه تعريف المحول “جهاز كهربي يعمل بفكرة الحث الكهرومغناطيسي و تحديدا الحث المتبادل بين ملفين الأول الملف الإبتدائي و به يمر تيار متغير و الأخر (الثانوي) يتولد فيه ق.د.ك مستحثة تتغير قيمتها على حسب عدد لفات الملف الثانوي“ تحتوي العديد من الأجهزة الإلكترونية على محولات مدمجة بداخلها ، لأن فرق جهد متردد 220v قيمة كبيرة خصوصا بعض الأجهزة تحتاج لجهد أقل فتخفض الجهد عبر محول. على سبيل المثال ، إذا كنت بحاجة إلى جهد 12 فولت ، فيمكنك استخدام محول خافض للجهد النسبة بين عدد لفاته Ns/Np = 1/20.

أهم أستخدام للمحولات هو دورها الرئيسي في عملية نقل الكهرباء. ما هي مزايا الإمكانات العالية للمحولات التي جعلتها كفء لهذه العملية (نقل الطاقة الكهربية)؟

الإجابة في العلاقات بين القدرة والتيار وفرق الجهد تتلخص في الآتي

$P_w = V I$

و تعني أنه عندما يزداد الجهد يقل التيار و العكس صحيح و ذلك للإبقاء على القدرة و الطاقة ثابتة. حيث لا يعد رفع و خفض الجهد في المحول خرق لقانون حفظ الطاقة. و ذلك لأن رفع الجهد سيصاحبه خفض للتيار ليصبح المحول الرافع للجهد خافض للتيار حيث تبقي القدرة في الملفين ثابتة (بفرض مثالية المحول).

فقد الطاقة الكهربية أثناء النقل

افترض أن مدينتك تحصل على قدرة الكهربية P من محطة طاقة بعيدة. إذا كان التيار في الأسلاك هو I و مقاومة الأسلاك R. فإنها سوف تبدد طاقة بمعدل Pw = I² R. فقدان الطاقة يقل عندما تقل مقاومة الأسلاك. و لكن تعمل هذه الخطوط لنقل الكهرباء لمسافات طويلة جدا فمن الطبيعي أن تكون عالية المقاومة. و السؤال هل يمكن تقليل التيار المار في الأسلاك لتقليل القدرة لأنها تتأثر بشدة بالتيار نظرا لأنها تتناسب مع مربع التيار. نعم يمكن ذلك بإستخدام المحولات فإنها ترفع الجهد و تخفض التيار. فتقل القدرة المفقودة أثناء النقل و عندما نريد أرجاع الجهد لسابق عهدة نخفضه بمحول خافض.

كفاءة المحول الكهربي

معنى كلمة الكفاءة هي نسبة الخارج من الطاقة على الداخل منها.
افترضنا أن كل الطاقة الكهربائية في الملف الأبتدائي (الداخل) تظهر في الملف الثانوي (الخارج). أي أن الطاقة لم تفقد وأن المحول كفائته 100٪ أو “مثالي”.
و قانون كفاءة المحول يكتب كالأتي

$\eta = \frac{Pw_s}{Pw_p} = \frac{V_s I_s}{V_p I_p}$

حيث $\eta$ كفاءة المحول و $P_ws , P_wp$ القدرة على الملف الثانوي و الابتدائي.

في شتى الأحوال تكون الطاقة /القدرة على الملف الثانوي أقل من أو يساوي القدرة على الملف الأبتدائي. في حالة كانت أقل فإن جزء من الطاقة تم فقدة و المحول لم يعد مثاليا.
المحول المثالي $\eta = 100%$
فقد الطاقة في المحولات الغير مثالية يرجع للأسباب الثلاثة التالية.

مقاومة الملفات: تتميز لفات الأسلاك ببعض المقاومة وينتج التيار فيها حرارة. أي أن جزء من الطاقة الكهربية قد تحولت إلى حرارة. و بالتالي يجب أولا أن تكون الأسلاك من النحاس و أيضا يجب تبريد المحولات الكبيرة ارتفاع درجة حرارة المحول.
التيارات الدوامية : يستخدم المحول التيار المتردد و الذي يولد تيار دوامي يؤدي إلى تسخين القلب الحديدى و فقد كم من الطاقة الكهربية في صورة طاقة حرارية و الذي يجعلها سبب لتقليل الكفاءة. وللتغلب على التيارات الدوامية يستخدم قلب من الحديد المطاوع مقسم لصفائح معزولة عن بعضها البعض للحصول على مقاومة عالية فلا تتولد تيارات دوامية.
تسرب خطوط المجال: قد لا تقطع جميع الخطوط المغناطيسية التي ينتجها الملف الابتدائي للملف الثانوي. وللتغلب على هذه المشكلة لابد من تقريب الملفين من بعضهم البعض أو ربما فوق بعضهما البعض.
جزيئات الحديد تستهلك طاقة عند دورانها في إتجاه المجال لذلك يستخدم حديد مطاوع سليكوني لان جزيئاته أسهل في الدوران.

لمزيد من التفاصيل حول الثلاثة أنواع من الدينامو يجب مشاهدة الفيديو