يُعد المحول من أكثر الأجهزة شيوعاً الموجودة في النظام الكهربائي الذي يربط الدوائر التي تعمل بجهد مختلف، وهي تستخدم بشكل شائع في التطبيقات التي تتطلب تحويل جهد التيار المتردد من مستوى جهد إلى آخر، ومن الممكن إمّا خفض أو زيادة الجهد والتيارات عن طريق استخدام المحول في دوائر التيار المتردد بناءً على متطلبات المعدات أو الجهاز أو الحمل الكهربائي.
ما هي المحولات
المحولات: هي جهاز ثابت ويعني أنّه لا يحتوي على أجزاء متحركة ويتكون من ملف أو ملفين أو أكثر مقترنة مغناطيسياً وفصلها كهربائياً مع أو بدون قلب مغناطيسي، وينقل الطاقة الكهربائية من دائرة إلى أخرى بواسطة مبدأ الحث الكهرومغناطيسي.
أساسيات المحولات في الاتصالات
يُطلق على الملف المتصل بمنشأ التيار المتردد الرئيسي اسم الملف الأولي والملف المتصل بالحمل أو الذي يتم سحب الطاقة منه يسمى الملف الثانوي، ويتم لف هذين الملفين مع العزل المناسب على قلب مصفح يوفر مساراً مغناطيسياً بين اللفات، وعندما يتم تنشيط الملف الأولي بمصدر جهد متناوب سيتم إنتاج تدفق أو مجال مغناطيسي متناوب في قلب المحول.
تعتمد سعة التدفق المغناطيسي هذه على مقدار الجهد المطبق وتواتر الإمداد وعدد المنعطفات على الجانب الأساسي، كما يدور هذا التدفق خلال القلب وبالتالي يرتبط بالملف الثانوي واستناداً إلى مبدأ الحث الكهرومغناطيسي يؤدي هذا الارتباط المغناطيسي إلى إحداث جهد في الملف الثانوي، وهذا ما يسمى بالحث المتبادل بين دائرتين ويعتمد الجهد الثانوي على عدد المنعطفات على التدفق والتردد الثانوي والمغناطيسي.
تستخدم المحولات على نطاق واسع في أنظمة الطاقة الكهربائية لإنتاج القيم المتغيرة للجهد والتيارات عند نفس التردد، لذلك من خلال المنعطفات الأولية والثانوية المناسبة ويتم الحصول على نسبة الجهد المطلوب بواسطة المحول.
كيفية بناء المحولات
1- اللب
يتكون قلب المحول من مادة عالية النفاذية توفر مسار ممانعة منخفض للتدفق المغناطيسي وسيكون المقطع العرضي لللب مربعاً أو مستطيلاً، كما توفر المحولات الأساسية الحديدية تحويلاً أفضل للطاقة مقارنةً بمحولات قلب الهواء، تُستخدم محولات قلب الهواء للتطبيقات عالية التردد فوق “2 كيلو هرتز بينما تستخدم محولات قلب الحديد لتطبيقات التردد المنخفض أقل من 2 كيلو هرتز.
في جميع أنواع المحولات يتكون اللب من صفائح فولاذية من السيليكون أو صفائح فولاذية يتم تجميعها لتوفير مسار مغناطيسي مستمر للتدفق، ومع هذا يتم تقليل الخسائر الحالية الدوامة الأساسية مغلفة ويتراوح سمك هذه الصفائح الفولاذية المصفحة من “0.35 مم” إلى “5 مم”، ويتم عزلها بالورنيش أو الأكسيد أو الفوسفات ثم يتم تشكيلها كقلب.
للحصول على خصائص مغناطيسية أفضل يتم استخدام الفولاذ المدلفن على الساخن أو الصلب المدلفن على البارد أو التصفيح عالي، وفي حالة المحولات الصغيرة يتم بناء اللب مع تصفيح فولاذي من السليكون المدلفن على الساخن في شكل E وI وC وI أو O المستخدمة.
2- اللفات
يحتوي المحول ذو الملفين على ملفين هما الملفان الأولي والثانوي اللذين يتكونان من النحاس عالي الجودة، وتستخدم الموصلات المعزولة المجدولة كملفات لتحمل التيارات العالية ويتجنب هذا العزل ملامسة المنعطفات الأخرى.
يسمى الجهد المتصل بالملف الأولي الجهد الأولي بينما يسمى الجهد المستحث في المرحلة الثانوية بالجهد الثانوي، وإذا كان الجهد الثانوي أكثر من الجهد الأساسي فيُسمى كمحول تصاعدي وإذا كان أقل فيُطلق عليه محول التدريجي، لذلك يتم تعيين اللفات كملفات “HV” و”LV” بناءً على مستوى الجهد.
بالمقارنة مع لفائف الجهد المنخفض فإنّ لف HV يحتاج إلى مزيد من العزل لتحمل الفولتية العالية وكما يحتاج إلى مزيد من الخلوص إلى القلب والجسم، كما يمكن أن تكون ملفات المحولات عبارة عن ملفات متحدة المركز أو ملفوفة وتُستخدم الملفات المركزة في محولات النوع الأساسي، بينما تُستخدم الملفات المحصورة في محولات نوع الغلاف.
في الترتيب المتحد المركز يتم وضع لفائف الجهد المنخفض بالقرب من القلب ويتم وضع ملف الجهد العالي حول ملف الجهد المنخفض من أجل متطلبات العزل والتخليص المنخفضة، وتشمل الملفات الأكثر استخداماً للمحول الملفات الحلزونية المحصورة والقرصية والملفات المتقاطعة.
3- البطانات
توفر البطانات العزل لأطراف الناتج لتؤخذ من لفات المحول، ويمكن أن تكون هذه جلبة من البورسلين أو المكثف، وبناءً على مستوى جهد التشغيل يتم تحديد هذه المحولات نظراً للبنية البسيطة والمتينة والوعرة وتتطلب المحولات القليل من الصيانة، ونظراً لعدم وجود أجزاء متحركة فإنّ كفاءة المحول عالية جداً والتي قد تتراوح من “95%” إلى “98%”.
تصنيف المحولات
أولاً: على أساس الوظيفة
1- محولات الصعود
في المحولات التصاعدية يكون الجهد الثانوي أكثر من الجهد الأساسي ويرجع إلى العدد الأقل من الملفات في المرحلة الابتدائية مقارنة بالمرحلة الثانوية، ويستخدم هذا النوع من المحولات لرفع الجهد إلى مستوى أعلى وتستخدم في أنظمة النقل ويتم تصنيفها عند مستويات طاقة أعلى.
2- محولات التدرج
في المحول التدريجي يكون الجهد الثانوي أقل من الجهد الأساسي بسبب قلة عدد الدورات في الملف الثانوي، ومن ثم يتم استخدام هذا النوع من المحولات لتقليل الجهد إلى مستويات محددة من الدائرة كما تستخدم معظم مصادر الطاقة محول التدريج؛ للحفاظ على نطاق تشغيل الدائرة إلى حد جهد أكثر أماناً محدداً، وتستخدم هذه الأنواع من المحولات في أنظمة التوزيع أي محولات القدرة وفي الدوائر الإلكترونية أي المحولات الإلكترونية.
كما أنّ المحول هو جهاز قابل للعكس لذلك يمكن استخدامه كمحول تصاعدي وتنحي، وعلى سبيل المثال إذا احتاجت الدائرة إلى جهد عالٍ، فسنقوم بتوصيل أطراف الجهد العالي بالحمل بينما يحتاج الحمل أو الدائرة إلى جهد منخفض فسيتم توصيل أطراف الجهد المنخفض بالحمل.
ويتم تحديد نسبة جهد المحول بنسبة المنعطفات ومع استخدام عدد أكبر من المنعطفات في اللف سيكون الجهد الناتج فيه أعلى، ومن ثم فإنّ محول التنحي لديه عدد أقل من المنعطفات في المرحلة الثانوية لإنتاج جهد منخفض، ولديه عدد أكبر من المنعطفات الأولية لتحمل مستويات الجهد العالي لإمداد التيار المتردد.
ثانياً: على أساس البناء الأساسي
بناءً على البناء يتم تصنيف المحولات إلى نوعين بالطريقة التي يتم بها وضع اللفات حول القلب وهذه الأنواع هي محولات من النوع الأساسي والصدف.
ثالثاً: نوع المحولات الأساسية
في هذا النوع من المحولات تحيط اللفات بالجزء الأكبر من القلب، ومحولات التوزيع من النوع الأساسي وبعض محولات الطاقة الكبيرة من نوع الصدفة، تُستخدم الملفات الأسطوانية الشكل الملفوفة في محولات النوع الأساسي وقد تكون هذه الملفات مستطيلة أو بيضاوية أو دائرية، وبالنسبة لمحول النوع الأساسي صغير الحجم يتم استخدام قلب مستطيل بسيط مع ملف أسطواني في شكل دائري أو مستطيل.
وبالنسبة لمحول من النوع الأساسي كبير الحجم يتم استخدام قلب صليبي مع لفائف أسطوانية دائرية أو دائرية، وفي معظم محولات النوع الأساسي يتم استخدام ملفات أسطوانية بسبب قوتها الميكانيكية ويتم لف هذه الملفات الأسطوانية في طبقات حلزونية، ويتم عزلها عن بعضها البعض عن طريق عزل المواد مثل القماش والورق، ومن السهل عزل لفائف الجهد المنخفض مقارنة بملف الجهد العالي ومن ثم يتم وضعها بالقرب من القلب.
رابعاً: المحول الصدفي
في محول من النوع الصدفي يحيط قلب الحديد بجزء كبير من لف النحاس كحالة عكسية لمحول النوع الأساسي، وفي هذا النوع تكون الملفات عبارة عن جرح سابق ولكنّها عبارة عن ملفات من النوع القرصي متعدد الطبقات يتم جرحها على شكل طبقات، ويتم فصل ملفات الأقراص متعددة الطبقات في طبقات مختلفة عن بعضها البعض بواسطة الورق، ويتكون الملف الكامل من أقراص مكدسة وبين الملفات يتم توفير مساحة العزل لتشكيل قنوات العزل والتبريد الأفقية.
