شرح المحولات الكهربائية Electrical Transformer
تعرف على أساسيات المحولات وكيف تعمل في هذا المقال.
هذا محول. نجدهم في كل مكان. إنها ضرورية لأسلوب حياتنا الحديث. أنها توفر الاتصال بين منازلنا ومحطات الطاقة الكهربائية. سأوضح لك كيف تعمل، ولماذا تحدث هذه الضوضاء، وكيفية حسابها في هذه المقالة.
ما هو المحول؟
تبدو المحولات مثل هذا. سنجدهم مصورين برموز مثل هذه في الرسومات الكهربائية. المحولات هي ببساطة جهاز يستخدم لنقل الطاقة الكهربائية. يمكن أن يغير الجهد والتيار في العملية، وهو أمر مفيد للغاية. ومع ذلك، فهي تعمل فقط مع التيار المتردد، ولا تعمل مع التيار المباشر.
يتم تصنيف معظم الأجهزة بالواط أو كيلووات ولكن يتم تصنيف المحولات بوحدات VA للجهد أمبير أو حتى كيلو فولت أمبير، وسوف نتعرف على السبب لاحقًا في المقالة.
يمكننا العثور على محولات صغيرة تستخدم في أجراس الأبواب أو شواحن الكمبيوتر المحمول، ولدينا إصدارات أكبر لتزويد منازلنا وشركاتنا، ونجد أيضًا محولات ضخمة تزود مناطق كاملة من البلدات وحتى المدن.
لذا، أين رأيت المحولات المستخدمة، اسمح لي أن أعرف في قسم التعليقات في الأسفل.
هناك العديد من الطرق المختلفة لبناء المحولات. لدي بعض الأمثلة الصغيرة المشتركة هنا. لكنهم في الأساس نفس الشيء. لديهم ملفان منفصلان من الأسلاك ملفوفان حول قلب حديدي. يتم توصيل المولد أو الإمداد بملف واحد، يُعرف بالجانب الأساسي، ثم يتم توصيل الحمل، وهو الشيء الذي نحتاج إلى توفير الطاقة له، بالملف الآخر، وهذا ما يُعرف بالجانب الثانوي.
إذا قمت بفك هذا، يمكننا أن نرى أن هناك ببساطة ملفان منفصلان من الأسلاك والكثير من صفائح الحديد. هذا هو. يقوم المحول فقط بتحويل الطاقة بين الملفات.
الكهرباء خطيرة لذا لا تجربها في المنزل إلا إذا كنت مؤهلاً ومؤهلاً.
حسنا إذا. إذا استخدمنا شيئًا يسمى محول الصعود، فيمكننا زيادة الجهد على الخرج. إذا استخدمنا محولًا متدرجًا، فيمكننا تقليل الجهد على الخرج. لكن، لماذا نريد ذلك؟ حسنًا، قد تكون محطة الطاقة تنتج 12000 فولت. لكن منزلك يحتاج ما بين 120 إلى 240 فولت. من المحتمل أن تكون محطة الطاقة بعيدة، لذلك سيكون هناك قدر كبير من المقاومة في الكابلات مما يؤدي إلى فقد كبير للطاقة في الطريق.
لذلك، بدلاً من ذلك، نستخدم محول تصاعدي لزيادة الجهد إلى حوالي 400000 فولت. ثم عندما نصل إلى المدينة، نستخدم محولًا متدرجًا لتقليل هذا إلى حوالي 11000 فولت للتوزيع المحلي، ثم تقليله مرة أخرى إلى حوالي 240 فولت لمنازلنا.
من خلال زيادة الجهد من خلال محول، فإننا نخفض التيار. يعتمد فقدان الطاقة في الكابل على التيار الكهربائي ومقاومة الكابل.
إذا كان هذا الكابل يحتوي على سبيل المثال 5 أوم من المقاومة وحاولنا إرسال 10 كيلو وات من خلاله عند 240 فولت، فسنخسر حوالي 87٪ لأن التيار مرتفع ولكن الجهد منخفض، وبالتالي فإن الخسائر ضخمة. لكن إذا أرسلناها عند 400000 فولت، فإننا نفقد جزءًا صغيرًا من 1٪ لأن التيار منخفض. حتى نتمكن من نقل الطاقة بشكل أكبر وأكثر كفاءة عند الفولتية العالية.
كملاحظة جانبية، السبب في أن المنازل في أمريكا الشمالية يمكن أن تحتوي على 120 أو 240 فولت هو أنها تستخدم نظام 3 أسلاك، حيث يتم توصيل سلك إضافي بمركز الملف الثانوي. لذلك يمكننا استخدام نصف الملف فقط للحصول على 120 فولت، أو الملف الكامل للحصول على 240 فولت. ومع ذلك، يستخدم معظم العالم حوالي 230 فولت، ولهذا يستخدمون فقط نظام سلكين وهو تصميم أبسط بكثير ويسمح بمزيد من الطاقة للمنافذ. وهذا مفيد على سبيل المثال لغلي الماء بسرعة في غلاية.
كيف تعمل المحولات؟
عندما نمرر تيارًا كهربائيًا عبر سلك، فإنه يولد مجالًا مغناطيسيًا حول السلك. إذا عكسنا اتجاه التيار، ينعكس المجال المغناطيسي أيضًا. يمكننا أن نرى ذلك من خلال وضع بعض البوصلات حول السلك.
عندما نقوم بتوصيل مولد التيار المتردد بحلقة مغلقة من السلك، فإن المجال المغناطيسي داخل المولد سيدفع ويسحب الإلكترونات في السلك بحيث يتبادلان الاتجاه باستمرار بين التحرك للأمام والخلف. لذلك، فإن المجال المغناطيسي ينعكس باستمرار. سوف يتغير الجهد بين قيمته القصوى والدنيا بسبب هذا. هذا هو السبب في أننا نرى نمط موجة جيبية إذا قمنا بتوصيل راسم الذبذبات بمأخذ طاقة. يتكرر هذا النمط 50 أو 60 مرة في الثانية اعتمادًا على ما إذا كان العرض 50 أو 60 هرتز. تردد التيار المتردد في أمريكا الشمالية هو 60 هرتز، ولكن معظم العالم يبلغ 50 هرتز. مع المحول، التردد الذي نضعه، هو التردد الذي نخرجه. يمكننا فقط زيادة أو تقليل الجهد، وليس التردد.
عندما نلف السلك في ملف، يصبح هذا المجال المغناطيسي أقوى. يجب عزل السلك بطبقة من المينا لضمان تدفق التيار على طول الطول، وإلا فسيأخذ أقصر طريق ولن يعمل.
إذا وضعنا ملفًا ثانيًا من السلك بالقرب من الملف الأول، فإن المجال المغناطيسي سيحفز جهدًا في الملف الثاني لأن هذا المجال المغناطيسي سيدفع ويسحب الإلكترونات في الملف الثاني، مما يجبرها على التحرك. هذا هو بالتالي محول.
يحدث الشيء نفسه إذا حركنا مغناطيسًا عبر ملف من الأسلاك. سوف يحفز المغناطيس جهدًا في الملف.
المكون الرئيسي هنا هو أن المجال المغناطيسي يتغير باستمرار القطبية وكذلك الشدة. هذا يزعج الإلكترونات الحرة ويجعلها تتحرك. نسمي هذه القوة الدافعة الكهربائية.
ومع ذلك، هذا يعمل فقط مع التيار المتردد. لن ينجح الأمر إذا قمنا بتوصيل مصدر تيار مباشر بالمحول. سيظل تدفق الإلكترونات يخلق مجالًا مغناطيسيًا حول الملف الأساسي، لكن هذا سيكون ثابتًا وقطبية وشدة ثابتة. لذلك، لن يزعج الإلكترونات في الجانب الثانوي.
المرة الوحيدة التي ستنشئ فيها قوة دافعة كهربائية باستخدام التيار المباشر، تكون لفترة وجيزة عندما يتم فتح وإغلاق المفتاح، لأن هذا ينشط ويفكك المجال المغناطيسي للملف، لذلك يتغير. أو، بدلاً من ذلك، يمكننا تغيير الجهد، لأن ذلك سيزيد ويقلل المجال المغناطيسي للملف.
لاحظ أنه عندما أمرر تيارًا مستمرًا من خلال هذا المحول، نحصل على ارتفاع قصير جدًا في الجهد مع زيادة المجال المغناطيسي، وكذلك مع انخفاضه. لكن إذا استخدمت مصدر تيار متردد، نحصل على جهد خرج ثابت لأن المجال المغناطيسي يتغير باستمرار. لهذا السبب نستخدم التيار المتردد.
الآن يمكننا فقط استخدام ملفين منفصلين من الأسلاك كمحول، وسوف يعمل، ولكن ليس جيدًا. المشكلة هي أننا نهدر الكثير من المجال المغناطيسي، لأنه ليس في نطاق الملف الثانوي. لذلك، نضع قلبًا حديديًا مغناطيسيًا بين الملفات. هذا يركز على المجال المغناطيسي ويوجهه إلى الملف الثانوي، بحيث يكون المحول أكثر كفاءة.
ومع ذلك، هذا ليس حلا مثاليا. سيؤدي ذلك إلى تيارات إيدي تتدفق حول القلب مما يؤدي إلى تسخين المحول وبالتالي إهدار الطاقة. للحد من ذلك، يتكون اللب من الكثير من الألواح الرقيقة المصفحة، والتي تقيد حركة التيارات الدوامية وتقلل من آثارها. على الرغم من أننا ما زلنا نفقد بعضًا من المجال المغناطيسي بسبب تدفق التسرب، إلا أننا نحصل أيضًا على بعض الخسائر بسبب الاضطرابات التي تحدث في المفاصل. نفقد أيضًا الطاقة في الأسلاك والملفات، لأنها ستتمتع دائمًا ببعض المقاومة وهذا يولد الحرارة. لذلك، في المحولات لدينا فقدان النحاس وكذلك فقدان الحديد.
يتسبب التيار المتردد في تمدد الصفائح وتقلصها بكميات صغيرة جدًا، مما يتسبب في حدوث اهتزازات بين الألواح ولهذا نحصل على هذا الصوت الطنين.
يعمل المحول المتدرج ببساطة عن طريق وجود المزيد من لفات الأسلاك على الجانب الثانوي. هذا يزيد الجهد ولكنه يقلل من التيار. يعمل المحول المتدرج من خلال تقليل عدد دورات السلك على الجانب الثانوي. هذا يقلل من الجهد ولكن يزيد من التيار. الآن هذا ليس جهازًا سحريًا ينتج طاقة أكثر مما يستقبله.
على سبيل المثال، قد يستقبل محول التنحي 240 فولت ومخرجاته 120 فولت، ونرى أنصاف الجهد لكن التيار يتضاعف. إذا ضربنا الجهد والتيار، فسنرى نفس القيمة على كل جانب. هذه هي قيمة الفولت أمبير وهي الطاقة، أو القوة الظاهرة، والتي يجب أن تظل كما هي، لذلك إذا تغير الجهد، فيجب أن يتغير التيار بما يتناسب مع الحفاظ على الطاقة.
لماذا يستخدم المحول وحدات KVA بدلاً من كيلووات؟
يقوم المحول فقط بنقل الطاقة بين الملفات، لذلك نستخدم وحدات فولت أمبير. تعتمد الكيلووات على ما تقوم بتوصيله بالمحول. لا تعرف الشركة المصنعة ما الذي سيتم توصيله بالمحول، لذا فهي تحدد إجمالي الطاقة الظاهرية المقدرة في فولت أمبير. وذلك لأنه في دارات التيار المتردد، يعتمد الحمل على القدرة الحقيقية بالكيلوواط مضروبة في عامل القدرة، وهو أساسًا الكفاءة وهذا يختلف باختلاف الجهاز.
تُستهلك بعض الطاقة ولكنها لا تنتج أي عمل، وتُهدر فقط كحرارة، ونطلق على هذه الطاقة التفاعلية، مع الوحدات V.A.R. عامل القدرة هو مجرد نسبة القوة الحقيقية والقوة الظاهرة. (PF = KW / KVA)
إذا كنت تفكر في كأس من البيرة. البيرة السائلة هي المادة المفيدة، هذه هي قوتك الحقيقية بالكيلوواط. لكن، هناك دائمًا بعض الرغوة، وهي عديمة الفائدة، ولا نريد ذلك. هذه هي القوة التفاعلية أو رد الفعل فولت أمبير. أنت تدفع مقابل الحجم الإجمالي للزجاج، بغض النظر عن كمية الرغوة والبيرة في الداخل، هذه هي قوتك الظاهرة، في فولت أمبير. إذا كان لديك نادل جيد، فستحصل على القليل من الرغوة والكثير من البيرة مقابل نقودك. إذا كان لديك نادل سيئ، فستحصل على الكثير من الرغوة وليس الكثير من الجعة مقابل نقودك.
تقول الشركة المصنعة للمحول بشكل أساسي أن المحول يمكنه التعامل مع كوب بهذا الحجم، لكن الأمر متروك لك في مقدار البيرة والرغوة التي تضعها في ذلك. كلما قلت الرغوة التي تحاول المرور من خلالها، زادت كمية البيرة التي يمكنك إخراجها. لذلك، كلما زادت كفاءة الجهاز الذي توصله، زاد عدد الأشياء التي يمكنك تشغيلها.
غالبًا ما تستخدم المحولات أيضًا في دوائر المعدل لتحويل التيار المتردد إلى تيار مباشر. يقوم المحول بتقليل الجهد، ثم تقوم بعض الثنائيات بتحويل هذا إلى تيار مباشر خشن، ثم يقوم المكثف بتنعيمه إلى مصدر طاقة نظيف لطيف.
حسابات المحولات الأساسية:
لنجري بعض العمليات الحسابية الأساسية للمحولات، بافتراض أنها مثالية بدون خسائر.
إذا كان لدينا محول 1000 دورة في الابتدائي و100 في المرحلة الثانوية، وقمنا بتزويده بـ 120 فولت، فما الجهد الذي سنراه في المرحلة الثانوية؟ يمكننا استخدام هذه الصيغة لإيجاد ذلك، ونلاحظ أن الإجابة هي 12 فولت، لذلك هذا محول متدرج.
ماذا لو عرفنا فقط جهد الخرج وكمية المنعطفات. حسنًا، يمكننا إيجاد جهد الدخل باستخدام هذه الصيغة؛ ونقوم بإدخال القيم للحصول على الإجابة.
إذا أردنا إيجاد عدد المنعطفات على الجانب الثانوي وعرفنا الفولتية والمنعطفات الأولية، فيمكننا استخدام هذه الصيغة للحصول على إجابتنا.
إذا أردنا إيجاد عدد المنعطفات على ID الأساسي، فيمكننا استخدام هذه الصيغة وهذا سيعطينا الإجابة.
إذا كان لدينا تيار 1.2 أمبير في المرحلة الثانوية، فسنجد التيار الأساسي باستخدام هذه الصيغة ونرى الإجابة هي 0.12 أمبير
يمكننا أيضًا إيجاد الإجابة إذا عرفنا التيار الثانوي وكلا الفولتية باستخدام هذه الصيغة
إذا عرفنا التيار في الجانب الأساسي وجهود الجهد الابتدائي والثانوي، فيمكننا إيجاد التيار الثانوي باستخدام هذه الصيغة أو يمكننا أيضًا إيجاد الإجابة باستخدام هذه الصيغة.
نتحقق بعد ذلك من أن الطاقة هي نفسها على جانبي المحول بضرب الجهد والتيار.
دعونا الآن ننظر في بعض الأمثلة تصعيد المحولات
إذا كان لدينا 100 دورة في المرحلة الابتدائية و200 في المرحلة الثانوية وقمنا بتزويدها بـ 120 فولت، فما الجهد الذي سنراه في المرحلة الثانوية؟ يمكننا استخدام هذه الصيغة لإيجاد ذلك، لذلك نرى أن الإجابة هي 240 فولت، وهذا بالتالي محول تصاعدي.
ماذا لو عرفنا فقط جهد الخرج وكمية المنعطفات. حسنًا، يمكننا إيجاد جهد الدخل بهذه الصيغة.
إذا أردنا إيجاد عدد المنعطفات على الجانب الثانوي وعرفنا الجهد والمنعطفات الأولية، فيمكننا استخدام هذه الصيغة.
إذا أردنا إيجاد عدد المنعطفات في المرحلة الأساسية، فيمكننا استخدام هذه الصيغة.
إذا كان لدينا تيار مقداره 1 أمبير في المرحلة الثانوية، فسنجد التيار الأساسي باستخدام هذه الصيغة ونرى أن الإجابة هي 2 أمبير.
يمكننا أيضًا إيجاد الإجابة إذا عرفنا التيار الثانوي وكلا الفولتية باستخدام هذه الصيغة.
إذا عرفنا التيار على الجانب الأساسي والجهد الأساسي والثانوي، فيمكننا إيجاد التيار الثانوي باستخدام هذه الصيغة أو يمكننا أيضًا إيجاد الإجابة باستخدام هذا إذا عرفنا عدد الدورات.
تعليقات
إرسال تعليق