مقدمة:
من المعروف أن لغة الدوائر الكهربائية هي اللغة التي يفهمها مهندسو ومختصو الكهرباء ولذلك يتم عمل دائرة كهربائية لكل ما يتعلق بالكهرباء ويتم تمثيلها بعناصر كهربائية معينة تعتمد على آلية عمل المراد تمثيله كهربائياً، لذلك تعد وسيلة سهلة وبسيطة لفهم آلية العمل.
ولدراسة وفهم سلوك المحول وآلية عمله يتم تمثيله بدائرة كهربائية مكافئة تحتوي على عناصر كهربائية، لكن هل سألت نفسك لماذا مثلت بهذه الطريقة تحديداً وماذا يمثل كل عنصر؟ تابع معي هذا المقال وستفهم بإذن الله.
عناصر الدائرة الكهربائية للمحول:
كما هو مبين بالصورة (1) تحتوي دائرة المحول الكهربائي المكافئة على عدة عناصر وهي كالآتي:
1- Rp (Primary Winding Resistance): تمثل المفاقيد الناتجة من السلك النحاسي الملف الابتدائي.
2- Rs (Secondary Winding Resistance): تمثل المفاقيد الناتجة من السلك النحاسي الملف الثانوي.
وتسمى المفاقيد الناتجة من (Rp و Rs) بالمفاقيد النحاسية (Copper Losses) وسميت بذلك؛ لأنها مفاقيد ناتجة من الموصل النحاسي للمحول.
3- Xp (Primary Leakage Inductance): تمثل الفيض المغناطيسي المتسرب (Leakage Flux) من سلك الملف الابتدائي أثناء عملية تمرير الفيض المغناطيسي داخل الحديد، كما هو مبين بالصورة (2).
4- Xs (Secondary Leakage Inductance): تمثل الفيض المغناطيسي المتسرب (Leakage Flux) من سلك الملف الثانوي أثناء عملية تمرير الفيض المغناطيسي داخل الحديد، كما هو مبين بالصورة (2).
5- Xm (Core Reactance): تمثل الطاقة المغناطيسية المخزنة في القلب الحديدي ومثلت بمحث لأن تيار المغنطة (magnetizing current) متأخر بزاوية 90 درجة عن الجهد المطبق عليها (الجهد الابتدائي)، والعنصر الذي يتأخر فيه التيار عن الجهد ب 90 درجة هو المحث ولذلك مثلت به.
6- Rc (Core Resistance): تمثل مفاقيد القلب الحديدي (Iron Core Losses)، والتي تنقسم إلى نوعين من المفاقيد هما كالآتي:
١- مفاقيد التيارات الدوامية (Eddy Current): بجانب قدرة القلب الحديدي على تمرير الفيض المغناطيسي فإنها تستطيع أيضاً توليد تيار بداخلها؛ نتيجة لمغنطة الحديد وتسمى التيارات المتولدة بالتيارات الدوامية، وللتخفيف منها يتم صناعة القلب الحديدي على شكل شرائح (laminations) معزولة عن بعضها البعض لتصبح كما هو موجود بالصورة (3).
صورة (3): تقليل مفاقيد التيارات الدوامية عن طريق تقسيم القلب إلى شرائح. [3]
٢- مفاقيد Hysteresis (Hystersis Losses): وهي المفاقيد التي تحدث نتيجة لعمليتي مغنطة وإزالة مغنطة القلب الحديدي.
بالنظر إلى الصورة (4) والتي تمثل منحنى Hysteresis عندما تبدأ عملية المغنطة (Magnetization) يزداد تدفق الفيض المغناطيسي بداية من نقطة الصفر إلى أن تصل إلى نقطة التشبع (النقطة a) للقلب الحديدي (مسار الخط المنقط)، وعندما تتم عملية إزالة المغنطة (Demagnetization) يبدأ الفيض المغناطيسي يقل لكن ليس بنفس معدل زيادته.
لذلك عندما تصل قيمة قوة المغناطيس إلى صفر لن تصبح قيمة الفيض المغناطيسي صفر بل ستبقى كمية من الفيض المغناطيسي (النقطة b) بداخل الحديد ليقوم بالاحتفاظ بها، وتسمى تلك النقطة بنقطة الاحتفاظ (Retentivity) وهي النقطة التي توضح كمية المجال المغناطيسي التي تم الاحتفاظ بها بداخل الحديد بعد أن أصبحت قيمة المغنطة صفر، كما هو مبين بالصورة (4).
ولكي تصل قيمة المجال المغناطيسي الذي تم الاحتفاظ به إلى صفر يتم تطبيق عملية المغنطة لكن باتجاه معاكس إلى أن تصل قيمة الفيض المغناطيسي إلى صفر (النقطة c) وتسمى تلك النقطة بنقطة Coercivity وهي النقطة التي توضح كمية المغنطة اللازمة لإزالة الفيض المغناطيسي الذي تم الاحتفاظ به بداخل المادة لتصبح قيمتها صفر، كما هو مبين بالصورة (4).
ومن ثم سيتم إعادة الدورة لكن بالاتجاه المعاكس حيث أن عملية المغنطة ستصل إلى نقطة التشبع (النقطة d) ومن ثم إلى نقطة الاحتفاظ (النقطة e) إلى أن تصل إلى نقطة Coercivity (النقطة f) وبذلك يكون قد أكملت دورة كاملة .
نلاحظ أن نقطة بداية الدورة الثانية وما بعدها من الدورات ليست عند النقطة صفر كما في الدورة الأولى (الخط المنقط) مما سيسبب مفاقيد مقدارها مساحة المنحنى الموجود بالصورة (4)، وكلما كانت المساحة أقل كانت المفاقيد أقل وكان ذلك أفضل.
المصادر:
[1]
Experimental study and comparative analysis of transformer harmonic behaviour under linear and nonlinear load conditions
[2]
Electrical Transformer – Basic Construction, Working And Types, URL
[3]
Transformer hot spot temperature prediction based on basic operator information
[4]
Hysteresis loss and eddy current loss: What’s the difference?, URL
