كفاءة المحولات الكهربائية

مقدمة في كفاءة المحولات:

تشكل المحولات أهم رابط بين أنظمة الإمداد والحمل، كما تؤثر كفاءة المحولات بشكل مباشر على أدائه وتقادمه، تتراوح كفاءة المحول بشكل عام بين 95-99٪، بالنسبة لمحولات الطاقة الكبيرة ذات الخسائر المنخفضة جداً، يمكن أن تصل الكفاءة إلى 99.7٪، لا يتم إجراء قياسات المدخلات والمخرجات للمحول في ظل ظروف تحميل، حيث أن قراءات مقياس الواط تعاني حتماً من أخطاء تتراوح من 1 إلى 2٪، لذلك لغرض حسابات الكفاءة يتم استخدام اختبارات (OC) و (SC) لحساب الخسائر الأساسية المقدرة في المحول.
تعتمد الخسائر الأساسية على الجهد المقنن للمحول، وتعتمد خسائر النحاس على التيارات من خلال المحولات الأولية والثانوية للملفات، ومن ثم فإن كفاءة المحولات ذات أهمية قصوى لتشغيلها في ظل ظروف الجهد والتردد الثابت، يؤثر ارتفاع درجة حرارة المحول؛ بسبب الحرارة المتولدة على عمر خصائص زيت المحولات ويقرر نوع طريقة التبريد المعتمدة، يحد ارتفاع درجة الحرارة من تصنيف الجهاز.

يتم حساب كفاءة المحول عن طريق العلاقة الرياضية التالية:

• الطاقة الخارجة هي نتاج جزء الحمولة المقدرة (فولت أمبير)، ومعامل القدرة للحمل.
  
• الخسائر هي مجموع خسائر النحاس في اللفات + خسارة الحديد + خسارة العازل + خسائر الحمل الأخرى.
  
• تشمل خسائر الحديد التباطؤ وخسائر التيار الدوامة في المحول، وتعتمد هذه الخسائر على كثافة التدفق داخل القلب الحديدي.
  

العلاقات الرياضية لحساب الخسائر الكهربائية بالمحول

• الخسارة التخلفية:
  
  

• الخسارة الدوامية للتيار:
  

حيث (kh و ke) ثوابت، (Bmax) هي ذروة كثافة المجال المغناطيسي، و(f) هي تردد المصدر، و(t) هي سماكة اللب، تُعرف القوة (n) في الخسارة التخلفية باسم ثابت (Steinmetz)، الذي يمكن أن تكون قيمتها تساوي 2 تقريباً.

تحدث الخسائر العازلة داخل زيت المحولات، بالنسبة لمحولات الجهد المنخفض، يمكن إهمالها، كما أنه يرتبط تدفق التسرب بالإطار المعدني، الخزان، لإنتاج التيارات الدوامية وهي موجودة في جميع أنحاء المحول، ومن ثم تسمى الخسارة الشاردة، وهي تعتمد على تيار الحمل ويسمى بذلك “فقدان الحمل الشارد”، ويمكن تمثيلها بالمقاومة في سلسلة لمفاعلة التسرب.

حساب كفاءة المحولات:

يتم عرض الدائرة المكافئة للمحول المشار إليها بالجانب الأساسي أدناه، هنا حسابات (Rc) عن الخسائر الأساسية والمتعارف عليها باستخدام اختبار ماس كهربائي (SC)، يمكننا إيجاد حساب المقاومة المكافئ لخسائر النحاس مثل:

نحدد (x٪)، وهي النسبة المئوية للحمل الكامل أو المقنن ((S (VA)، كما ونحدد ((Pcufl (watts)، يكون خسارة النحاس بالحمل الكامل و(cosθ)، كما ويكون عامل القدرة للحمل، أيضاً نحدد (Pi) (واط) كخسارة أساسية.
ونظراً لأن خسائر النحاس والحديد هي خسائر كبيرة في المحول، وبالتالي يتم أخذ هذين النوعين من الخسائر فقط في الاعتبار عند حساب الكفاءة، ومن ثم يمكن كتابة كفاءة المحولات كالتالي:

حيث، (x^2Pcufl) = فقد النحاس (Pcu) عند تحميل x٪ من الحمولة الكاملة.

الحد الأقصى للكفاءة (ηmax)، يحدث عندما تساوي الخسائر المتغيرة الخسائر الثابتة، ونظراً لأن خسارة النحاس تعتمد على الحمل، فهي بالتالي كمية خسارة متغيرة، ويتم أخذ الخسارة الأساسية على أنها الكمية الثابتة، لذا فإن شرط أقصى قدر من الكفاءة هو:

الآن يمكننا كتابة أقصى قدر من الكفاءة على النحو التالي:

هذا يدل على أنه يمكننا الحصول على أقصى قدر من الكفاءة عند التحميل الكامل عن طريق الاختيار المناسب للخسائر الثابتة والمتغيرة، ومع ذلك فإنه من الصعب الحصول على أقصى قدر من الكفاءة؛ لأن خسائر النحاس أعلى بكثير من الخسائر الأساسية الثابتة.

يمكن تمثيل تباين الكفاءة مع التحميل بالشكل أدناه:

يمكننا أن نرى من الشكل أن الحد الأقصى للكفاءة يحدث عند معامل القدرة، وتحدث الكفاءة القصوى في نفس التحميل بغض النظر عن عامل القدرة للحمل.

كفاءة طوال اليوم للمحول:

إنها كفاءة قائمة على الطاقة محسوبة لمحولات التوزيع، على عكس محول الطاقة الذي يتم تشغيله أو إيقافه اعتماداً على الحمل الذي يتم التعامل معه، يتقلب تحميل محول التوزيع باستمرار لمدة 24 ساعة في اليوم، ونظراً لأن الخسائر الأساسية مستقلة عن الحمل، فإن الكفاءة طوال اليوم تعتمد على خسائر النحاس، ونعرّفها على أنها نسبة طاقة المخرجات المسلمة إلى طاقة الإدخال لمدة 24 ساعة، يتم تحقيق كفاءات طاقة عالية عن طريق تقييد كثافات التدفق الأساسي إلى قيم أقل (حيث تعتمد الخسائر الأساسية على كثافة التدفق)، باستخدام مقطع عرضي أكبر نسبياً أو نسبة أكبر من الحديد / النحاس.