المحولات هي المعدات الأكثر شهرة في أنظمة الطاقة. فهي كبيرة ومميزة وبسيطة من حيث المبدأ ولكنها تتطلب الكثير من الصيانة، مما يجعلها تبدو أكثر أهمية بكثير من "الكابلات". في مخطط شبكة الطاقة، تشبه المحولات العقد الأساسية، بينما تعمل المعدات الأخرى كوصلات لها.

ستقدم هذه المقالة المكونات والمبادئ والوظائف والتصنيف وسيناريوهات التطبيق للمحولات.

1. تكوين المحولات

يتكون المحول بشكل أساسي من قلب ولفائف.

يعمل القلب كمسار الدائرة المغناطيسية للمحول، في حين أن اللفات هي جزء الدائرة الكهربائية، والتي يتم تصنيعها عن طريق لف عدد معين من اللفات من السلك المطلي بالمينا.

يسمى الملف المتصل بمصدر الطاقة بالملف الأولي، والمعروف أيضًا باسم الملف الأولي. يسمى الملف المتصل بالحمل بالملف الثانوي، المعروف أيضًا باسم الملف الثانوي، أو الملف الجانبي الثانوي.

الأشكال الأساسية للهياكل الأساسية هي النوع الأساسي على شكل قلب ونوع الصدفة.

• قلب-محول أساسي على شكل قلب

أعمدة المحولات من النوع-الأساسي محاطة بملفات. ببساطة، تحيط اللفات بالقلب، مما يجعل الهيكل بسيطًا نسبيًا وأسهل في التجميع والعزل، ولهذا السبب غالبًا ما تستخدم المحولات بنية من النوع الأساسي-.

• محول من النوع Shell-

في المحول من نوع الصدفة-، يحيط القلب بالملف. تتمتع المحولات من النوع Shell- بقوة ميكانيكية عالية وزوايا بارزة، إلا أن عملية تصنيعها معقدة وتتطلب المزيد من المواد. يتم استخدامها عادةً فقط في محولات الجهد المنخفض-والتيار العالي-أو محولات الطاقة ذات السعة- الصغيرة.

2. مبدأ العمل الأساسي للمحول

يعمل المحول على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي.

عندما يتم توصيل مصدر طاقة تيار متردد مناسب بكلا طرفي الملف الأولي، تحت تأثير جهد الإمداد u₁، التيار المتردد أنا₀ يتدفق خلال الملف الأولي، مما يولد قوة دافعة مغناطيسية في الملف الأولي. يؤدي هذا إلى إثارة تدفق مغناطيسي متناوب ϕ في القلب. يربط هذا التدفق المتناوب ϕ كلا من اللفات الأولية والثانوية. وفقا لقانون الحث الكهرومغناطيسي، القوى الدافعة الكهربائية المستحثة ه₁وه₂يتم إنشاؤها في اللفات الأولية والثانوية، على التوالي. تحت تأثير القوة الدافعة الكهربائية المستحثة ه₂، يمكن للملف الثانوي توفير الطاقة للحمل، وتحقيق نقل الطاقة.

إن نسبة القوى الدافعة الكهربائية المستحثة في الملفين الأولي والثانوي تساوي نسبة عدد اللفات في الملفين الأولي والثانوي. مقدار القوة الدافعة الكهربائية المستحثة ه₁على الجانب الأساسي قريب من الجهد المطبق u₁على الجانب الأولي، في حين أن حجم القوة الدافعة الكهربائية المستحثة e₂على الجانب الثانوي قريب من جهد الخرج u₂على الجانب الثانوي.

لذلك، بمجرد تغيير عدد اللفات في الملف الأولي أو الثانوي مرة أو مرتين، فإن جهد الخرج u₂يمكن تعديلها. هذا هو مبدأ العمل الأساسي للمحول، والذي يستخدم مبدأ الحث الكهرومغناطيسي لتحويل مصدر طاقة تيار متردد بمستوى جهد واحد إلى مصدر طاقة تيار متردد بنفس التردد ولكن بمستوى جهد مختلف.

2. الوظائف الأساسية للمحول

تشمل الوظائف الأساسية للمحول تحويل الجهد، وتحويل التيار، وتحويل المعاوقة، والعزل، وتنظيم الجهد.

تحويل الجهد: يمكن للمحولات زيادة أو تقليل جهد التيار المتردد لتلبية احتياجات الكهرباء المختلفة. على سبيل المثال، يتم استخدام محول تصاعدي- لزيادة الجهد الكهربي من محطة توليد الطاقة لتقليل فقد الطاقة أثناء النقل، بينما يتم استخدام محول تصاعدي- لخفض الجهد العالي إلى جهد استخدام آمن.

تحويل التيار: من خلال تغيير الجهد، يقوم المحول أيضًا بتغيير التيار بشكل مماثل. وفقا لقانون حفظ الطاقة، عندما يزيد الجهد، يقل التيار، والعكس صحيح. هذه الخاصية تجعل المحولات مهمة جدًا في نقل الطاقة، حيث يمكنها إدارة الأحمال الحالية بشكل فعال.

تحويل المعاوقة: يمكن للمحولات تغيير ممانعة الدائرة، مما يجعلها أكثر ملاءمة لظروف الحمل المختلفة. وهذا مهم بشكل خاص في المعدات الصوتية والأجهزة الإلكترونية الأخرى، لأنه يمكن أن يحسن كفاءة نقل الإشارة.

العزل: يمكن للمحولات توفير العزل الكهربائي، مما يحمي سلامة المعدات والمستخدمين. يمكن أن يمنع هذا العزل الجهد العالي من إتلاف المعدات ذات الجهد المنخفض-، مما يضمن التشغيل الآمن للمعدات.

تنظيم الجهد: يمكن استخدام أنواع معينة من المحولات (مثل المفاعلات القابلة للإشباع) لتنظيم الجهد، مما يساعد في الحفاظ على استقرار الجهد وضمان موثوقية واستقرار نظام الطاقة.

4. تصنيف المحولات

4.1 مصنفة حسب القدرة

• المحولات الصغيرة: الجهد أقل من 10 كيلو فولت، والقدرة بين 1 و500 كيلو فولت أمبير.

• المحولات الصغيرة والمتوسطة-الحجم: جهد 35 كيلو فولت وأقل، وقدرة من 630 إلى 6300 كيلو فولت أمبير.

• المحولات الكبيرة: جهد 110 كيلو فولت فما دون، وسعة تتراوح بين 8000 إلى 63000 كيلو فولت أمبير.

4.2 مصنفة حسب الاستخدام

• محول الطاقة: يستخدم للتصعيد والتنحي والتوزيع والربط في أنظمة نقل وتوزيع الطاقة، أو يستخدم بشكل خاص كمحولات لمحطات الطاقة والمحطات الفرعية.

• محولات الأجهزة: مثل محولات الجهد ومحولات التيار، وتستخدم لأجهزة القياس وأجهزة حماية المرحلات.

• محول الطاقة: يستخدم للتحكم في إمدادات الطاقة والإضاءة ومؤشرات المعدات الميكانيكية العامة.

• المحول الإلكتروني: يستخدم في الدوائر الإلكترونية مثل تبديل وضع إمدادات الطاقة والصوت والنبض والمقاومة.

• محول الاختبار: قادر على توليد جهد عالي لإجراء اختبارات الجهد العالي-على المعدات الكهربائية.

• المحولات الخاصة: مثل محولات الأفران الكهربائية، ومحولات المقومات، ومحولات تنظيم الجهد، وغيرها.

4.3 مصنفة حسب عدد مراحل اللفات المحولات

• محول -أحادي الطور: يستخدم لأحمال -أحادية الطور وثلاثة-بنوك محولات الطور.

• محول ثلاثي الطور-: يستخدم لرفع أو خفض الجهد في أنظمة الطور الثلاثة-.

4.4 مصنفة حسب طريقة تبريد المحولات

• المحولات من النوع -الجاف: يتم تبريدها عن طريق الحمل الحراري للهواء، وتستخدم عمومًا للمحولات ذات السعة الصغيرة- مثل الإضاءة المحلية والدوائر الإلكترونية.

• -محول مغمور بالزيت: محول يستخدم زيت المحولات كوسيلة عازلة وتبريدية، مع غمر القلب واللفات بالكامل في الزيت العازل.

4.5 مصنفة حسب نوع اتصال لف المحولات

• محول ملف مزدوج-: يستخدم لتوصيل مستويين من الجهد في نظام الطاقة.

• محولات الملفات الثلاثة-: تستخدم بشكل عام في المحطات الفرعية الإقليمية لنظام الطاقة لتوصيل ثلاثة مستويات جهد.

• المحول الذاتي: يتم دمج اللفات الأولية والثانوية في ملف واحد، يستخدم لتوصيل أنظمة الطاقة ذات الفولتية المختلفة. ويمكن استخدامه أيضًا كمحول عادي-لأعلى أو لأسفل-محول.

4.6 مصنفة حسب تردد تشغيل المحولات

• محول تردد الطاقة: تردد تشغيله هو 50 هرتز أو 60 هرتز.
• محول التردد المتوسط: تردد تشغيله هو 400-1000 هرتز.
• محول التردد الصوتي: تردد تشغيله هو 20 هرتز - 20 كيلو هرتز.

• محول التردد الأسرع من الصوت: تردد تشغيله أعلى من 20 كيلو هرتز، وبشكل عام لا يتجاوز 100 كيلو هرتز.

• -محول التردد العالي: محول بتردد تشغيل يتراوح من 20 هرتز إلى أكثر من 100 كيلو هرتز.

5. سيناريوهات تطبيق المحولات

5.1 نظام الطاقة

• محطات الطاقة: تُستخدم المحولات لزيادة الجهد الناتج عن المولدات لنقلها إلى شبكة الطاقة، مما يتيح نقل الكهرباء لمسافات طويلة-.

• المحطات الفرعية: في المحطات الفرعية، تقوم المحولات بتحويل الكهرباء ذات الجهد العالي- إلى كهرباء ذات الجهد المنخفض- لتلبية احتياجات المعدات الكهربائية المختلفة. وفي الوقت نفسه، يمكن للمحولات أيضًا أداء وظائف مثل تعويض الطاقة التفاعلية وتعديل الجهد، مما يضمن التشغيل المستقر لنظام الطاقة.

• خطوط النقل: في خطوط النقل، يتم استخدام المحولات لزيادة الجهد الكهربي لتقليل فقدان الطاقة، وتحقيق نقل فعال للكهرباء لمسافات طويلة-.

5.2 القطاع المدني

• الكهرباء المنزلية: تعمل محولات الطاقة على تحويل الكهرباء ذات الجهد العالي-إلى كهرباء ذات الجهد المنخفض-المناسبة للاستخدام المنزلي، مما يضمن الاستهلاك الطبيعي للكهرباء للمقيمين.

• شحن البطاريات: سواءً كان جهاز كمبيوتر محمولاً أو هاتفاً أو سيارة كهربائية، فإن هذه الأجهزة تحتاج إلى بطاريات لكي تعمل، ويتطلب شحن البطاريات محولاً. تتمثل الوظيفة الرئيسية للمحول في تنظيم الجهد ومنع تيارات التسرب أو التيارات المفاجئة من المرور عبر الأجهزة.

5.3 مجال الاتصالات

تُستخدم محولات الاتصالات في الدوائر الطرفية للهاتف ومنتجات الخطوط الرئيسية لتنظيم جودة وحالة دوائر الاتصالات. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم محولات الاتصالات على نطاق واسع في أجهزة مودم الكابلات وبطاقات الشبكة والمحاور ومعدات اتصالات النطاق العريض xDSL والمفاتيح وأجهزة إرسال واستقبال الألياف الضوئية وأجهزة التوجيه والأنظمة المدمجة وأجهزة اتصالات شبكة VoIP.

5.4 تطبيقات خاصة أخرى

• المعدات الصوتية: تُستخدم محولات الصوت بشكل شائع لتوفير عزل للإشارات المتدفقة عبر الدائرة والمساعدة في مطابقة قيم المعاوقة للمصدر والحمل. يمكنهم أيضًا التخلص من الإشارات غير المرغوب فيها أو المزعجة وتصفية إشارة الإدخال. تم تصميم هذه الأنواع من المحولات خصيصًا للتعامل مع الإشارات ضمن النطاق المسموع، أي الإشارات ذات الترددات بين 20 هرتز و20 كيلو هرتز.

• أدوات القياس: عادةً ما تستخدم أجهزة قياس التيار وأجهزة قياس الجهد والعديد من أدوات وأجهزة القياس الأخرى المحولات للتشغيل العام. على سبيل المثال، توفر محولات تيار القياس الأمان اللازم للدائرة عن طريق عزل جهاز القياس عن بقية الدائرة وقمع أو خفض التيارات الكبيرة إلى القيم المثلى قبل تغذيتها إلى الأميتر.

• التصحيح: يمكن لمحولات المعدل تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر، مع تطبيقات تشمل التحكم في المحركات، والتعدين، والأفران الكهربائية، ومختبرات البحث والتطوير، ونقل التيار المستمر ذي الجهد العالي، والمزيد.