دورة إلكترونيات القوى: الجزء السادس عشر – المحولات

[ad_1]

في هذا الجزء، سيتم استكشاف المحولات، وهي أجهزة أساسية لا يمكن استبعادها عند مناقشة إلكترونيات الطاقة. يعتمد مبدأ تشغيلها على الحث الكهرومغناطيسي، وعندما تصبح مقادير التيار الكهربائي والجهد كبيرة، يجب اتباع معايير خاصة في بنائها وتصميمها.

مقدمة

في قلب تشغيل المحول يوجد الحث المغناطيسي، وهي ظاهرة تسمح للمجال المغناطيسي المتغير بتوليد تيار كهربائي في دائرة قريبة. في المحول، تتضمن هذه العملية ملفين ملفوفين حول قلب حديدي. يدخل التيار المتردد إلى الملف الأول، المسمى “الأساسي”، ويخلق مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا، مما يؤدي إلى تيار كهربائي في الملف الثاني، المسمى “الثانوي”.

محول الطاقة عبارة عن جهاز تحريض كهرومغناطيسي ثابت يتكون من ملفين أو أكثر ومصمم لتحويل نظام الجهد والتيار المتناوب إلى نظام آخر من الجهد والتيار المتناوب، بشكل عام بقيم مختلفة ولكن بنفس التردد، من أجل النقل طاقة كهربائية. يمكن أن تكون منخفضة، أو متوسطة، أو عالية الطاقة، اعتمادًا على الحد الأقصى من الفولتية والتيارات التي يمكنها تحملها.

تحدد النسبة بين عدد لفات الملفين جهد الخرج والتيار. ببساطة، إذا كان الثانوي يحتوي على دورات أكثر من الأولي، فإن جهد الخرج سيكون أعلى، في حين أن التيار سيكون أقل. على العكس من ذلك، إذا كانت المرحلة الثانوية تحتوي على عدد أقل من الدورات، فسيكون الجهد أقل والتيار أعلى. ومع ذلك، في كلتا الحالتين يظل ناتج الجهد والتيار (الطاقة) ثابتًا، مما يضمن (نظريًا على الأقل) عدم وجود فقدان للطاقة. يسمح هذا النظام بتوسيع نطاق الكهرباء، مما يجعلها مناسبة لمختلف التطبيقات والمستخدمين المختلفين. بالإضافة إلى خفض الجهد، يمكن للمحولات أيضًا رفعه.

وهذا مفيد في خطوط النقل ذات الجهد العالي، والتي من الضروري فيها رفع الجهد لتقليل فقد الطاقة أثناء نقلها. إذا كان هناك تيار متردد يتدفق في الملف الأولي، يتم توليد تدفق مغناطيسي، ويرتبط بالملف الثانوي، ويتم توليد تيار متردد في الملف الثانوي. يمكن للمحول تغيير “مقاومة” الدائرة الكهربائية، مما يجعلها متوافقة مع المعدات المختلفة وتنفيذ مطابقة المعاوقة.

يوضح الشكل 1 الرمز الكهربائي للمحول. تشير النقطتان الأسودتان الموجودتان بالقرب من المحرِّضات إلى أنهما مقترنتان ببعضهما البعض. ترتبط جميع معلمات المحول ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض، مثل التيار والجهد وعدد لفات المحاثات التي يتكون منها. وعلى وجه الخصوص، لدينا:

من الناحية النظرية، فإن الطاقة المتبددة هي نفسها في المرحلة الأولية والثانوية، ولكن في الواقع، من الضروري دائمًا مراعاة فقدان الطاقة والنقل الصغيرة، وهو أمر نموذجي في الأنظمة الاستقرائية. لذلك، لدينا المساواة التالية والتي تأخذ في الاعتبار أيضًا تكيف المعاوقة بين الثانوي والابتدائي:

لاحظ أن “α” يمثل نسبة التحويل.

المحول الحقيقي

بما أن المواد الحقيقية لا تحتوي على ممانعات صفرية وتوجد ظروف غير خطية أخرى، فإن المحول الحقيقي لا يمكن أن يعكس خصائص المحول المثالي، وبالتالي سوف يتميز دائمًا بفقدان الطاقة، وإن كان صغيرًا. وعلى وجه الخصوص، تجدر الإشارة إلى أن بعض التدفقات تنتشر في الهواء وليس في المادة المغناطيسية الحديدية، مما يؤدي إلى حدوث تشتتات.

علاوة على ذلك، فإن نفاذية المادة المغناطيسية محدودة، وتتكون اللفات من موصلات تتميز بمقاومة كهربائية صغيرة تسبب التسخين وفقدان الطاقة بسبب تأثير جول. علاوة على ذلك، يتم توليد تيارات إيدي في المادة المغناطيسية أيضًا، اعتمادًا على تردد التيار المتردد الذي يمر عبر المحول.

يمكن ملاحظة مخطط مكافئ للمحول في الشكل 2، والذي يتضمن مكونات سعوية واستقرائية إضافية تجعل تشغيل النظام النظري والمثالي أقرب إلى النظام الحقيقي. يلاحظ وجود عناصر مقاومة موصلة على التوالي مع الملفين الأولي والثانوي (R1s و R2s) وذلك لعدم مثالية موصلات المحولات التي تنتج نسبة من الحرارة أثناء تشغيل النظام. يتم تقديم تبديد آخر عن طريق التباطؤ المغناطيسي بسبب فقدان المواد الحديدية، مما يخلق حرارة إضافية بسبب Rm.

مزيد من الخسائر الاستقرائية تنشأ من Ld1، Ld2، وLm. علاوة على ذلك، توجد سعات طفيلية أخرى بين ملف وآخر، حيث أنها متراكبة ولها اختلافات محتملة بين الطبقات. فهي أكبر كلما زاد عدد اللفات وكبر حجم المحول.

ضمن موضوع المحولات الكهربائية، وتحديداً محولات الطاقة، من المهم جداً معرفة كيفية إدارة فقد الطاقة، خاصة إذا كان الهدف هو تحسين توفير الطاقة. في المحولات العامة، يكون فقدان الطاقة النشط نتيجة للفرق بين طاقة الإدخال والإخراج. ويعني فقدان الطاقة تضخم مراحل المنبع بينما يؤدي فقدان الطاقة إلى زيادة استهلاك المصادر الأولية.

في تحويل الجهد، يتم أيضًا أخذ خسائر النحاس (التي تعتمد على مربع تيار الحمل) وخسائر الحديد (المتناسبة مع مربع الجهد) في الاعتبار أيضًا. تحدث خسائر المقاومة بسبب تأثير جول، والناجمة بشكل رئيسي عن مقاومة اللفات الأولية والثانوية، في حين تعتمد الخسائر التحريضية على نوع المادة والصفائح التي تشكل النواة المغناطيسية. ولتقليل الخسائر، من الضروري دراسة هندسة النواة، وخاصة مادتها (النحاس أو الألومنيوم أو غيرها)، وشكل الموصلات الكهربائية، وجودة المادة المغناطيسية ذات النفاذية المغناطيسية المختلفة.

يجب على الشركات المصنعة للمحولات الكهربائية من أي نوع، سواء كانت صغيرة أو متوسطة أو كبيرة، الالتزام بأهداف كفاءة الطاقة والتصميم البيئي التي حددتها التوجيهات الحكومية، لتقليل استهلاك هذه الأجهزة للطاقة.

واط وفولت أمبير

المحولات هي أساس أنظمة توزيع الطاقة. يشير تصنيف VA إلى توزيع الطاقة بالنسبة لكمية الطاقة التي يمكن أن يوفرها المحول للحمل. يعد الفولت أمبير (VA) وحدة قياس أساسية في مجال الكهرباء. وهي تمثل القدرة الظاهرية في الدائرة الكهربائية، والتي تتضمن كلا من القدرة الحقيقية والقدرة التفاعلية.

من الناحية العملية، فهو يقيس كلاً من الطاقة النشطة والمتفاعلة في الدائرة الكهربائية، مع الأخذ في الاعتبار الطاقة الإجمالية، بما في ذلك طاقة التذبذبات غير المنتجة أيضًا. في دوائر التيار المتناوب، لا يكون الجهد والتيار دائمًا في الطور مع بعضهما البعض. يُستخدم عامل القدرة أيضًا في الحسابات، وهو النسبة بين القدرة الحقيقية والقدرة الظاهرية.

وتقع بين 0 و1، ويشير عامل الطاقة الأعلى إلى أن النظام الكهربائي أكثر كفاءة في تحويل الطاقة الظاهرة إلى طاقة حقيقية. إذا كان الحمل مقاومًا بحتًا، يتم التعبير عن الطاقة (القدرة النشطة) بالواط ويتم حسابها بالصيغة التالية:

ومع ذلك، إذا لم تكن الأحمال مقاومة بحتة ولكنها تحتوي أيضًا على ملفات حث أو مكثفات، يحدث تراكم للطاقة، مما يعقد الحسابات. تقوم الأحمال الحثية بتخزين الطاقة على شكل مجال مغناطيسي، بينما تقوم الأحمال السعوية بتخزينها كمجال كهربائي وتعيدها إلى الشبكة عند كل نصف موجة، دون استخدامها فعليًا.

وبالتالي فإن جزءًا من التيار يمر بشكل متكرر ذهابًا وإيابًا، وعلى الرغم من إمكانية قياسه، إلا أنه لا يساهم في الاستهلاك الحقيقي بالواط كقوة نشطة. ولهذا السبب تحديدًا، يكون الاستهلاك الحقيقي دائمًا أقل من منتج Volt x Ampere. وبالتالي، يتم استخدام القدرة الظاهرة والتعبير عنها بوحدة فولت أمبير (VA)، والتي تعادل المنتج فولت × أمبير، مع الأخذ في الاعتبار أيضًا تحول الطور. وفقًا للاتفاقية، تبلغ القيمة بالفولت-أمبير حوالي 1.4 ضعف القيمة بالواط، ولكنها تتغير من حالة إلى أخرى.

يتم حساب تحول الطور بين الجهد والتيار باستخدام جيب تمام الزاوية بين نواقل الجهد والتيار ويسمى cos-phi أو عامل الطاقة. وكما ذكرنا في الفقرة السابقة فهو يتراوح بين 0 و 1 والعلاقات النسبية هي كما يلي:

اعتمادا على نوع الحمل، قد يكون هناك تحول في الطور بين الجهد والتيار (انظر الشكل 3). عندما يتم تطبيق الجهد على حمل مقاوم، فإن التيار الذي يتدفق عبره يتغير بشكل متناسب. تسمى الطاقة الطاقة النشطة، ويتم قياسها بالواط (W) وحسابها بسيط للغاية، وفقًا للمنتج التالي:

أنواع الأحمال الأخرى، بما في ذلك المحاثات والسعات، تتصرف بشكل مختلف. إذا زاد الجهد، فإن المحث يعارض في البداية مرور التيار، لأنه يخلق مجالًا مغناطيسيًا حول نفسه. يزداد التيار ولكن مع تأخير معين. بمعنى آخر، إذا قمت بتطبيق جهد متناوب عبر محول، فإن الجهد يصل إلى ذروته، لكن التيار يظل قريبًا من الصفر، ثم يزداد لاحقًا عندما يبدأ الجهد في الانخفاض بالفعل.

يكون شكل موجة التيار جيبيًا دائمًا ولكنه يتخلف عن شكل الجهد، وبين الشكلين الجيبيين، هناك تحول طور يساوي جيب تمام زاويته (cos-phi). يساوي cos-phi 1 عندما يكون الجهد والتيار متطابقين تمامًا مع بعضهما البعض. على العكس من ذلك، فهو يساوي الصفر عندما يكونان خارج الطور إلى أقصى حد (الجهد الأقصى والتيار صفر). القيمة النموذجية لـ cos-phi لحمل متوسط ​​مختلط هي 0.7.

خاتمة

تعمل الأشكال الحلقية للقلب على تحسين التدفق المغناطيسي، مما يحقق أقصى قدر من الكفاءة بأقل كمية من المواد المعنية. وبعبارة أخرى، فهي ممتازة للمحولات والمحاثات لأنها تسمح للمستخدمين بالحصول على مجال مغناطيسي قوي باستخدام مواد أقل. يقلل الهيكل المدمج من كتلة المكون، مما يسهل تبديد الحرارة ويقلل من تأثيرات التغيرات الحرارية على المعلمات الكهربائية. إن وجود مساحة محدودة بين اللفات والقلب الحديدي يساعد أيضًا على منع ارتفاع درجة الحرارة بسبب التيارات الدوامية، وهي مسألة تتعلق بالمحولات التي تنمو حتمًا مع زيادة التردد.

إقرأ أيضاً:
سلسلة دورات إلكترونيات الطاقة

The post دورة إلكترونيات الطاقة: الجزء 16 – المحول appeared first on أخبار إلكترونيات الطاقة.

[ad_2]