خامساً: محولات الكهرباء

المحول الكهربي جهاز يستخدم لخفض الضغط الكهربي، لكمية من القدرة الكهربية أو رفعه. فبينما تقوم المولدات بتوليد القدرة الكهربائية عند ضغط لا يزيد عادة عن 18 كيلو فولت، تنقل القدرة على ضغط تبلغ قيمته 500 كيلو فولت، كما هو الحال لكهرباء السد العالي بمصر، ومن ثم أصبح استخدام المحولات لازماً عند مواطن استعمال القدرة الكهربية، لخفض ضغط النقل العالي بما يناسب أجهزة الاستهلاك.

ويتطلب الوصول إلى سعة عالية في نقل القدرة الكهربائية، وكذلك تقليل قيمة الفقد أثناء عملية النقل، أن تكون الفولتيات التي تنتقل بها القدرة ذات قيم عالية، وليس من الملائم، عملياً، توليد فولتيات ذات مقادير قد تصل إلى المئات من الكيلو فولتات بوساطة المولدات المتزامنة مباشرة. وذلك لأن تخانة العزل تمنع توليد فولتية تزيد عن 25 ك فولت، ومن هنا لكي تتحقق السعات المطلوبة في عملية نقل القدرة الكهربائية في الأنظمة الحالية والمستقبلية التي تستخدم فيها فولتيات تتراوح قيمتها بين 500 و1000 كيلوفولت، يأتي الدور الهام الذي تقوم به المحولات الكهربائية.

وتشترك المحولات في أنها تحتوي على ثلاثة أجزاء رئيسية داخلة في مكوناتها كالآتي: (اُنظر شكل المحول ومكوناته)

1. الملف الابتدائي، حيث يستقبل الطاقة الكهربائية من المصدر.

2. قلب المحول، مادة مغناطيسية يتولد فيها فيض مغناطيسي متردد F.

3. الملف الثانوي، حيث يتولد فيه قوة دافعة كهربية ويتصل بالحمل الكهربي.

كما أن هناك محولات تعرف باسم "المحولات الذاتية"، وتحتوي على ملف واحد، يؤدي عمل الملف الابتدائي والثانوي، في الوقت نفسه.

وتنقسم محولات الكهرباء، طبقاً لأحجامها، إلى محولات التوزيع التي تبلغ مقنناتها ما يزيد على ألف ميجا فولت أمبير، وتصنف المحولات تبعا ًلعدد الأطوار؛ فمنها أحادي الطور، وثلاثي الأطوار، وسداسي الأطوار ومضاعفاتها، وتستخدم المحولات الأحادية للمقننات الصغيرة نسبياً، بينما تستخدم المحولات ثلاثية الأطوار في عملية نقل وتوزيع الطاقة الكهربية. ومن حيث نوع الخدمة، فإنها تشمل محولات القوى، ومحولات التوزيع، ومحولات الأجهزة، وهي تفيد في التحكم في دوائر الجهد والتيار العالية، ومحولات المقومات، ومحولات التأريض، والمحولات الخاصة، مثل المستخدمة في محولات الأفران، والمحولات الصغيرة، مثل محولات الإضاءة.

وتنقسم الوحدات الضخمة من هذه المحولات، إلى الأقسام الآتية:

1. المحولات الخاصة بالمولد.

2. محولات النقل.

3. محولات التحكم.

والمقننات الفولتية الفعلية للنوع الأول تبلغ 20/ 345 كيلوفولت وتستخدم أجهزة رفع، وتحوّل قدرة المولد إلى مستوى جهد النقل المطلوب مباشرة. أما في النوع الثاني، فتبلغ مقننات الفولتية الفعلية 345/500كيلوفولت، ويستخدم في تحويل القدرة من مستوى فولتية، إلى مستوى فولتية آخر داخل نظام النقل ذاته. ويطلق على هذا النوع في الغالب اسم "المحولات الموصلة ذاتياً". والنوع الثالث يستخدم في عملية فيض القدرة وأداة تحكم في الفولتية. وتتميز المحولات بأنها تسمح بفيض القدرة في كلا الاتجاهين، بخلاف المولدات ومعظم عناصر الحمل، التي تعد وحيدة الاتجاه، من وجهة نظر فيض القدرة.

1. تصميم المحول

يعد المحول جهازاً بسيطاً، ويتميز بسهولة التصميم، ونظرية عمل وسلوك غير معقدة. إن دخل المحول قلب مغناطيس. ووظيفته وصل الفيض F .ويصمم هذا القلب على هيئة شرائح مصنوعة من سبيكة الحديد والسيليكون المدلفنة بسُمك 0.014 من البوصة وغالباً ما يستخدم للترددات الأقل من 100 هرتز على البارد. وهذا التصميم يؤدي إلى خفض قيمة التيارات الدوامية. (اُنظر شكل التصميم الهندسي للمحول) الذي يوضح الوضع الهندسي لقلب الملف، كما يوضح كيفية وصل المسارات المغناطيسية خلال أجزاء هذا القلب، وهي الرجل والشرائح الحديدية.

وتُصنع اللفائف من نحاس معزول، وتوضع على هيئة لفات حول أرجل القلب، وتلف في وضع أسطواني محوري، وتوضع ملفات الفولتية المنخفضة قريباً جداً من الحديد، وبينما توضع ملفات الفولتية المرتفعة بعيداً عنه. وإذا كانت هناك ملفات للفولتية المتوسطة توضع بينهما. (اُنظر شكل مقطع قلب وملفات المحول)

والمحولات ثلاثية الطور، إما أن تكون من ثلاثة وحدات أحادية الطور منفصلة عن بعضها، أو تتكون من وحدة واحدة.

وتوضع لفائف القلب في حوض من الصلب مملوء بالزيت الذي يحقق عدة وظائف، إذ يستخدم في أغراض العزل والتبريد، حيث يضيف عزلاً كهربائياً إضافياً بين اللفائف (اُنظر صورة محول تبريد زيت مع هواء قسري) كما أنه يساعد على انتقال الحرارة من القلب بعيداً إلى المبادلات الحرارية الخارجية، ودورة الزيت تتم إما طبيعياً أو بالتحريك. (اُنظر صورة محول تبريد زيت) وهناك عدة أنواع من السوائل ذات خواص كهربية وكيميائية ممتازة، منها سائل الأسكاريل Askarel وسائل آخر يعرف باسم مائع السيليكون Silicon fluid.

2. خصائص المحول المثالي

أ. قيمة أي مقاومة من مقاومات اللفائف تساوى صفر.

ب. فيض المحول F يُحتجز بأجمعه في القلب المغناطيسي.

ج. الممانعة المغناطيسية لمادة القلب تساوى صفراً.

د. مقدار الفقد التخلفي، وكذلك مقدار الفقد نتيجة التيارات الدوامية يساويان صفراً.

وخصائص المحول المثالي لا تتحقق في المحول الحقيقي، ولكنه يعطى صورة تقريبية جيدة للأداة الحقيقية، وهو يُعد ذا فائدة كبيرة في الدراسات المتعلقة بأنظمة المحولات.

3. المحولات ثلاثية الأطوار

تُحوَل القدرة ثلاثية الطور بطرق متعددة باستخدام المحولات أحادية الأطوار، وذلك باستخدام وحدات أحادية الأطوار ذات ثلاث لفائف توصل منفردة على التوالي. أو بوساطة وحدة واحدة باستخدام القلب ثلاثي الطور، الذي يمتاز باحتوائه على حديد أقل عن حالة ثلاث وحدات أحادية الأطوار وبالتالي توفر في التكاليف.

ويعطي المحول ثلاثي الأطوار دائماً زحزحة الطور للتيارات نفسها والفولتيات ونتيجة عملية مهمة لظاهرة زحزحة الطور يكون التشغيل على التوازي للمحولات ثلاثية الأطوار ممكناً فقط، إذا تساوت نسب التحويل في المقدار وزحزحة الطور.

4. المحولات الموصلة على شكل ستار Star Y

محول ثلاثي الأطوار ثنائي اللفائف لتحويل القدرة بين موصلين عموميين ذوي أطوار ثلاثة، وهو يتكون من ثلاث وحدات متماثلة أحادية الأطوار. وعندما يكون المحول ثلاثي الأطوار محملاً بالتماثل، تكون جميع الوحدات أحادية الأطوار لها التيار نفسه والفولتية نفسها، ويكون الشيء الوحيد المختلف هو وقت الطور. لذلك يُستخدم لكل طور تحليل، وكل وحدة تحمل ثلث القدرة الكلية من الأطوار الثلاثة وكل لفيفة لها  من فولتية الخط المناظر لها.

(اُنظر شكل نظام ثلاثي الطور) الذي يُمثل نظام ثلاثي الأطوار مُكوّن من موصل عمومي لمولد ذي 23 ك فولت، تتحول القدرة الكهربائية خلال محولين متماثلين ومتوازيين، كُلٍ منهما ثلاثي الأطوار، إلى موصل عمومي ذي 230 ك فولت، ثم تُنقل القدرة خلال خط 230 ك فولت مسافة 50 ميلاً للموصل العمومي، بالإضافة إلى محول ثالث يحول القدرة إلى 69 ك فولت لموصل عمومي لمحطة فرعية.

5. المحولات الموصلة على شكل دلتا Delta D

المحول الموصل على شكل ستار Y بسيط جداً، له بعض العيوب التطبيقية الخطيرة، حيث تؤدي الخواص المغناطيسية اللاخطية لمعدن القلب إلى توليد التوافقيان التي تخرج من خلال نقط التعادل، وتسبب متاعب في شبكات الاتصالات. وكذلك التوصيل بهذا الشكل غير مرغوب فيه حتى في حالات الحمل غير المتوازن بطريقة خفيفة. وبالتالي إذا أُضيف إلى محول القدرة لفيفة ثالثة موصلة بشكل D مغلق للحمل الثانوي نفسه، فإنه سيظهر تيار دوار في اللفيفة، يسمح بمرور تيارات ابتدائية في جميع الأطوار الثلاثة، تؤدى إلى توازن القوة الدافعة المغناطيسية في جميع القلوب، ولعدم حدوث تيارات تأريض ابتدائية. كما أنه ليس من الضروري أن توجد لفيفة ثالثة خاصة. ولكن يمكن أن تعمل أي من اللفائف الابتدائية أو الثانوية أو دلتا  مغلقة.

6. المحولات ثلاثية الأطوار ومتعددة اللفائف

تكون المحولات ثلاثية الأطوار من النوع متعدد اللفائف المستخدم في تحويل القدرة بين مستويات فولتيات مختلفة. ويمكن أن تكون اللفائف من النوع المختلط، الذي يحتوى على كُلٍ من التوصيلات بالشكل ستار ودلتا Y، D ويستخدم التوصيل Yـ D  في أغراض خفض الجهد من الجهد العالي والمتوسط إلى الجهود المنخفضة، بينما توصيل D ـ  Y لرفع الجهود الصغيرة إلى الكبيرة. ويمتاز التوصيل على صورة D ـ D بأنه يمكن أن يكون أحد المحولات في الصيانة أو الإصلاح ويعمل الاثنان الآخران محولاً ثلاثي الأطوار ولكن ينقص المعدل إلى 58%من الطاقة الكلية، ويسمى هذا التوصيل "دلتا مفتوحة" أو "التوصيل V". ونادراً ما يستخدم التوصيل على هيئة Y-Y للصعوبات الخاصة بظاهرة تيار ـ المستثير. (اُنظر شكل التوصيلات المختلفة للمحول)

7. المحول بوصفه جهاز تحكم

أ. محولات TCVL

يُعد تحويل الطاقة بين مستويات الفولتية المختلفة العمل الأساسي لمحول القدرة. وكل محول مزود عملياً بمأخذ للتحكم في نسب الفولتية الثانوية. يمكن تغيير المآخذ، في معظم المحولات، في حالة اللاحمل. وفي حالات عديدة يمكن الحصول على التحكم في النسبة بتغيير المآخذ مع وجود حمل TCVL، ونتيجة لتغير فيض القدرة فإن شكل الفولتية في الشبكة يميل إلى التغير البطيء خلال اليوم، فينخفض خلال ساعات الذروة، ويرتفع خلال ساعات الليل، ومحولات TCVL يمكنها المحافظة على مستوى فولتية ثابت، على بعض الموصلات العمومية المهمة في شبكات النقل والتوزيع، رغم المتغيرات في مستوى الفولتية لنظام النقل. وتغير المآخذ يكون عادة بوساطة محرك يعمل بأوامر من مجسات للفولتية يمكنه التحكم في مستوى الفولتية الثانوي بعروة تحكم مغلقة.

ب. محولات التنظيم

العمل الأساسي لتلك المحولات هو تغيير الفولتية في المقدار والطور بكمية صغيرة نسبياً في النظام. ورغم صغر مقدار الفولتية المضافة إلا أنها تعطي تأثيراً كبيراً على فيض القدرة. لذلك تكون محولات التنظيم وسيلة فعالة للتحكم في فيض القدرة للنظام.