كيف يقوم محول الطاقة برفع أو خفض الجهد؟

المحولات ترفع أو تخفض جهد التيار المتناوب عبر الحث الكهرومغناطيسي ويتحدد جهدها الخارجي أساسًا من خلال النسبة بين عدد اللفات في اللفة الأولية وعدد اللفات في اللفة الثانوية.

إذا كان عدد اللفات في اللفة الثانوية أكبر من عددها في اللفة الأولية، فإن المحولة ترفع الجهد. أما إذا كان العدد في اللفة الثانوية أقل، فإنها تخفض الجهد.

ورغم بساطة هذه المبدأ، فإن التصميم العملي للمحولة يتطلب أيضًا مراعاة التيار المطلوب، والتصنيف القدرة، والتردد، والعزل، وارتفاع درجة الحرارة، والكفاءة، ومعايير السلامة السارية.

ما هو المحولة ?

المُحوِّل هو جهاز كهربائي سلبي ينقل الطاقة بين لفَّاتٍ اثنتين أو أكثر عبر مجال مغناطيسي متغيِّر.

يتضمَّن المُحوِّل العازل التقليدي ثلاثة أجزاء رئيسية:

• اللفة الابتدائية: متصلٌ بمصدر الطاقة الداخلة
• اللفة الثانوية: يُزوِّد الحمل بالجهد الكهربائي
• القلب المغناطيسي: يوفِّر مسارًا منخفض المقاومة المغناطيسية لتَدفُّق المجال المغناطيسي المتناوب

تكون اللفَّتان الابتدائية والثانوية معزولتين كهربائيًّا عادةً، لكنَّهما مترابطتين مغناطيسيًّا عبر القلب. ويمكن أن يحسِّن هذا العزل السلامة الكهربائية ويمنع وجود اتصال توصيلي مباشر بين الدخل والمخرج.

ومع ذلك، لا يوفِّر كل مُحوِّل عزلًا. محول ذاتي مثلًا، المُحوِّل التلقائي يستخدم لفَّةً مشتركةً وبالتالي لا يوفِّر نفس الفصل الجلفاني.

كيف يعمل المحول؟

يعتمد تشغيل المُحوِّل على قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي يُحدث تغير في التدفق المغناطيسي عبر ملف قوة دافعة كهربائية على طول هذا الملف.

يمكن فهم هذه العملية في ثلاث مراحل.

١. يُنتج اللف الأولي تدفقًا مغناطيسيًّا.

عند تطبيق جهد متناوب على اللف الأولي، ينشأ تيار متناوب. ويُنشئ هذا التيار تدفقًا مغناطيسيًّا متغيرًا في قلب المحول.

٢. يربط القلب التدفق المغناطيسي.

يوجِّه القلب المغناطيسي معظم التدفق المتغير عبر كلا اللفَّين. وتُختار مواد القلب وطرق تصنيعه لتوفير ربطٍ مغناطيسيٍّ فعّال مع الحد من خسائر التيارات الدوامية والتحبُّب.

٣. يولِّد اللف الثانوي جهدًا كهربائيًّا.

وبما أن التدفق المغناطيسي المتغير في القلب يمر عبر اللف الثانوي، فإنه يُ induce جهدًا على طول هذا اللف. ويزداد الجهد المُحثّ بزيادة عدد اللفات في اللف الثانوي.

تنبع هذه العلاقة مباشرةً من قانون فاراداي، وهي الأساس الذي تقوم عليه محولات الرفع والتخفيض. أوبنستاكس - فيزياء الجامعات يقدّم اشتقاقًا تفصيليًّا لمعادلات المحوِّل.

ال المحولة معادلة نسبة اللفات

للمحوِّل المثالي:

Vs ÷ Vp = Ns ÷ Np

حيث:

• Vp = جهد الإدخال الابتدائي
• Vs = جهد الإخراج الثانوي
• Np = عدد اللفات في اللفة الابتدائية
• Ns = عدد اللفات في اللفة الثانوية

وبالتالي فإن نسبة الجهد تساوي نسبة عدد اللفات.

محول رفع الجهد

يرفع المحوِّل الجهد عندما:

Ns > Np

وبالتالي:

Vs > Vp

لديها اللفة الثانوية عدد لفات أكبر من اللفة الأولية، وبالتالي فإن جهد اللفة الثانوية أعلى من جهد اللفة الأولية.

محول خفض الجهد

يُخفض المحول الجهد عندما:

Ns < Np

وبالتالي:

Vs < Vp

لديها اللفة الثانوية عدد لفات أقل من اللفة الأولية، وبالتالي فإن جهد اللفة الثانوية أقل من جهد اللفة الأولية.

محول عزل واحد إلى واحد

عندما يكون عدد لفات اللفة الأولية واللفة الثانوية متساويًا تقريبًا:

Ns = Np

وبالتالي:

ف.س ≈ ف.د

جهد الخرج يساوي تقريبًا جهد الدخل.

مثال عملي على محول خافض للجهد

افترض أن محولًا يجب أن يحوّل تيارًا متناوبًا بجهد ٢٣٠ فولت إلى تيار متناوب بجهد ٢٤ فولت.

نسبة اللفات المطلوبة هي:

ن.س ⁄ ن.د = ف.س ⁄ ف.د

ن.س ⁄ ن.د = ٢٤ ⁄ ٢٣٠

ن.س ⁄ ن.د ≈ ٠٫١٠٤

إذا كان للملف الابتدائي ١٠٠٠ لفة:

ن.س = ١٠٠٠ × ٠٫١٠٤

ن ≈ ١٠٤ لفة

وبالتالي، فإن لفّة الثانوي المثالية ستكون ذات ١٠٤ لفة تقريبًا.

في المحول العملي، قد يضيف الصانع لفات إضافية للثانوي لتعويض مقاومة اللفات وانخفاض الجهد تحت الحمل.

مثال عملي على محول رافع للجهد

افترض أن محولًا ما يجب أن يرفع الجهد من ١٢٠ فولت تيار متناوب إلى ٢٤٠ فولت تيار متناوب.

نسبة اللفات المطلوبة هي:

ن_ث ÷ ن_أ = ٢٤٠ ÷ ١٢٠

ن_ث ÷ ن_أ = ٢

إذا كانت لفّة الأولي تتضمّن ٥٠٠ لفة:

ن_ث = ٥٠٠ × ٢

ن_ث = ١٠٠٠ لفة

لذلك يتطلب اللف الثانوي عدد لفات يساوي تقريبًا ضعف عدد لفات اللف الأولي.

ماذا يحدث للتيار؟

يُغيّر المحول التيار في الاتجاه المعاكس لتغير الجهد.

في المحول المثالي، تساوي الطاقة الداخلة الطاقة الخارجة:

Vp × Ip = Vs × Is

حيث:

• Vp = جهد اللف الأولي
• Ip = تيار اللف الأولي
• Vs = جهد اللف الثانوي
• Is = تيار اللف الثانوي

نسبة التيار هي:

إس ÷ إيب = إنبي ÷ إن أس

وبالتالي:

• محوّل رافع للجهد: تزداد الجهد وتقل التيار المتاح.
• محوّل خافض للجهد: تقل الجهد ويزداد التيار المتاح.

لا يُنتج المحوّل طاقةً إضافيةً. وفي المحوّل الحقيقي، تكون القدرة الخارجة أقل قليلًا من القدرة الداخلة بسبب فقدان النحاس، وفقدان القلب، وسائر أشكال الفقدان.

لماذا تستخدم لفافة الجهد المنخفض سلكًا أكثر سماكة؟

عادةً ما يحمل الجزء الثانوي لمُحوّل خافض الجهد تيارًا أكبر من الجزء الأولي، ولذلك يحتاج عادةً إلى سلكٍ أكثر سماكة.

يجب اختيار مقاس الموصل وفقًا لما يلي:

• تيار RMS
• كثافة التيار المسموح بها
• درجة حرارة اللفائف
• درجة حرارة البيئة المحيطة
• دورة الواجب
• ظروف التبريد
• سمك العزل
• مساحة اللف المتاحة

استخدام سلكٍ رقيقٍ جدًّا يزيد المقاومة، وانخفاض الجهد، وفقدان النحاس، وحرارة اللف. وقد يؤدي ارتفاع الحرارة المفرط إلى تقصير عمر العزل وخلق خطرٍ على السلامة.

في المحول الرافع، تُستخدم عادةً لفّة الجهد الأعلى بعدد أكبر من اللفات السلكية الأدق لأنها تحمل تيارًا أقل. ويتطلب تحديد حجم الموصل الدقيق إجراء حساب هندسي.

لماذا تُستخدَم المحولات في نقل الطاقة؟

لطاقة مُرسلة معطاة، يؤدي رفع الجهد إلى خفض التيار:

I = P / V

حيث:

• I = التيار
• P = القدرة
• V = الجهد

وعندما يزداد الجهد، ينخفض التيار المطلوب لنقل القدرة نفسها.

وبما أن التيار يظهر مربّعًا في هذه المعادلة، فإن خفضه يقلّل بشكل كبير من تسخين الموصلات وفقدان الطاقة أثناء النقل.

ولذلك، تستخدم أنظمة الطاقة محولات رافعة لرفع جهد المولّد لنقله على مسافات طويلة. وقرب نقطة الاستخدام، تُستخدم محولات خافضة لتقليل الجهد إلى مستويات مناسبة للتوزيع والاستخدام. وتوضّح وزارة الطاقة الأمريكية كذلك أن نقل الطاقة بجهدٍ عالٍ يقلّل التيار المطلوب ويحدّ من فقدان الخطوط. وزارة الطاقة الأمريكية

هل يمكن لمحول أن يعمل على تيار مستمر؟

يتطلب المحول التقليدي تغيرًا في التدفق المغناطيسي، وبالتالي لا يمكنه تحويل جهد التيار المستمر الثابت بشكلٍ مستمر.

إذا وُصِل تيار مستمر ثابت مباشرةً إلى لفافة محول قياسي:

• لا يحدث أي فعل تحويلي مستمر بعد الاستجابة الانتقالية الأولية.
• قد يرتفع تيار اللفافة إلى مستويات خطرة.
• قد يشبع القلب المغناطيسي.
• قد تسخن اللفافة بشكل مفرط أو تفشل.

يمكن لمصادر الطاقة الإلكترونية تحويل جهد التيار المستمر عن طريق تبديله أولًا بتردد خاضع للتحكم. ثم يمكن للموجة المتغيرة الناتجة أن تُشغّل محولًا عالي التردد أو مُحثًّا مزدوج الارتباط. وبهذه الطريقة تعمل العديد من محولات الرجوع العكسي (flyback)، والمحولات الأمامية (forward)، والمحولات ذات التضخيم المزدوج (push-pull)، ومحولات الجسر نصف المغلق (half-bridge)، ومحولات الجسر المغلق بالكامل (full-bridge).

والتمييز المهم هنا هو أن المحول التقليدي لا يحوّل التيار المستمر الثابت مباشرةً؛ بل يجب أولاً تبديل هذا التيار مستمر إلكترونيًّا.

المعادلات المثالية مقابل الأداء الفعلي للمحول

معادلة نسبة التحويل تصف المحول المثالي. أما المحولات الفعلية فتتعرض لخسائر وانخفاض في الجهد.

خسارة النحاس

خسارة القدرة الناتجة عن المقاومة في الموصل هي:

خسارة القدرة = تربيع التيار × المقاومة

ولتحقيق أقصى توافق مع ووردبريس، يمكن أيضًا كتابتها على النحو التالي:

خسارة القدرة = التيار × التيار × المقاومة

حيث:

• I = التيار المار في الموصل
• R = مقاومة الموصل

وبما أن التيار يُرفع إلى القوة الثانية في هذه الحسابات، فإن خفض التيار يمكن أن يقلل بشكل كبير من خسائر خطوط النقل.

فقدان الطاقة المنخفض في القلب

يؤدي المجال المغناطيسي المتغير إلى خسائر التَّبَدُّد والدوامات الكهربائية في القلب. وتتأثر خسارة القلب بما يلي:

• المواد الأساسية
• تردد العمل
• الجهد المطبق
• عدد اللفات الأولية
• مساحة المقطع العرضي للقلب
• كثافة التدفق المغناطيسي
• سماكة التراكيب

التدفق التسريبـي

ليس كل التدفق المغناطيسي يربط كلا اللفتين. ويؤثر التدفق التسريبـي على تنظيم الجهد ويمكن أن يُحدث تداخلًا كهرومغناطيسيًّا.

تيار عدم التحميل

حتى عند غياب الحمل على الطرف الثانوي، يسحب الطرف الأولي تيارًا لتجذيب القلب وتوفير الخسائر فيه.

ارتفاع درجة الحرارة

تولِّد خسائر النحاس والقلب حرارةً. ويجب أن يبقى المحول ضمن حدود درجة الحرارة المسموحة لنظام عزله تحت ظروف الحمل والبيئة المحددة.

تنظيم الجهد

ينخفض جهد الإخراج عادةً بين حالة عدم الحمل وحالة الحمل الكامل بسبب الممانعة الداخلية.

يمكن التعبير عن تنظيم الجهد بالعلاقة التالية:

تنظيم الجهد (%) = [(جهد عدم الحمل − جهد الحمل الكامل) ÷ جهد الحمل الكامل] × ١٠٠

لهذا السبب، قد يصمِّم المصنعون جهد الطرف الثانوي عند حالة عدم الحمل ليكون أعلى قليلًا من جهد الإخراج المُصنَّف.

هل تؤثر الترددات على تصميم المحولات؟

نعم. يُعَدُّ التردد معلَّمةً أساسيةً في التصميم.

بالنسبة للموجة الجيبية، يرتبط الجهد الجذري التربيعي التقريبي لكل لفة بالتردد وعدد اللفات ومساحة المقطع العرضي للقلب وكثافة التدفق المغناطيسي القصوى وفق العلاقة التالية:

V = 4.44 × f × N × A × Bmax

حيث:

• V = الجهد الجذري التربيعي لللفة
• f = التردد التشغيلي بوحدة الهيرتز
• N = عدد لفات اللفة
• A = مساحة المقطع العرضي الفعالة للقلب
• Bmax = أقصى كثافةٍ للتدفق المغناطيسي

لا ينبغي تشغيل محولٍ مُصمَّم لتردُّد ٦٠ هيرتز تلقائيًّا عند تردُّد ٥٠ هيرتز بنفس الجهد. فانخفاض التردد قد يرفع كثافة التدفق المغناطيسي، ما يؤدي إلى امتلاء القلب المغناطيسي (الاشباع)، وزيادة التيار بشكلٍ مفرط، وظهور الضوضاء، وارتفاع درجة الحرارة.

يجب أن يعرف المصنّع نطاق التردد والجهد المُدخل الفعليَّين قبل الانتهاء من التصميم.

كيفية تحديد محول رافع أو خافض للجهد

يجب أن تتضمّن مواصفات المحول الاحترافية أكثر من جهد الإدخال والإخراج.

قدِّم المعلومات التالية عند طلب تصميم أو عرض سعر:

• الجهد الاسمي المدخل
• أدنى وأعلى جهد إدخال
• تواتر الإدخال
• جهد الإخراج المطلوب أو الجهود المطلوبة
• تيار الإخراج المستمر
• أقصى تيار ومدّته
• نوع الحمل
• التقييم المطلوب بالفولت-أمبير (VA)
• دورة الواجب
• الابعاد القصوى
• طريقة التثبيت
• متطلبات الأسلاك الواصلة أو الطرفيات
• درجة حرارة البيئة المحيطة
• ظروف التبريد والغلاف
• أقصى ارتفاع مسموح به في درجة الحرارة
• فئة العزل
• متطلبات مقاومة العزل الكهربائي
• الحاجة إلى درع كهروستاتيكي أو مغناطيسي
• متطلبات الفيوز الحراري أو جهاز الحماية الحرارية
• البلد أو السوق المستهدف
• متطلبات السلامة والبيئة المطبَّقة
• كمية الإنتاج المُقدَّرة

توفير ظروف التشغيل الكاملة يساعد على منع التصغير الخاطئ وتحسين تنظيم الجهد، والموثوقية، وطول عمر الخدمة.

الأسئلة الشائعة

هل يرفع المحول الصاعد القدرة؟

لا. يرفع المحول الصاعد الجهد لكنه يقلل التيار المتاح. وقوة خرج المحول دائمًا أقل قليلًا من قوة دخله لأن المحول الحقيقي يعاني من خسائر نحاسية وفقدان في القلب وغير ذلك.

هل يوفِّر المحول النازل دائمًا تيارًا أكبر؟

يمكنه تزويد تيار ثانوي مُصنَّف أعلى عند مستوى طاقة تقريبي مماثل، لكن التيار الفعلي يتحدد وفقًا للحمل المتصل وقدرة المحول المُصنَّفة. ولا يُجبر المحول تياره الأقصى على الدخول في الحمل.

هل تكون اللفات الأولية والثانوية متصلةً ببعضها؟

في محول العزل، تكون اللفات منفصلة كهربائيًّا وتتزاوج عبر القلب المغناطيسي. أما في محول الأوتواوتوترانسفورمر، فتشارك جزءٌ من اللفة بين الجانبين، وبالتالي لا يوجد عزل جالفاني معادل.

هل يمكن لمحول واحد أن يوفِّر عدة جهود خرج؟

نعم. ويمكن للمحول أن يستخدم لفات ثانوية متعددة، أو لفات ذات نقطة وسطية (سنتر تاب)، أو نقاط اتصال على اللفة (تاپس) لتوفير جهود خرج مختلفة.

كيف أحسب قدرة المحول بالفولت أمبير (ڤي‌إيه)؟

للمحول البسيط ذي اللفة الثانوية الواحدة والتيار المتناوب:

ڤي‌إيه = ڤس × إيس

حيث:

• ڤي‌إيه = التصنيف الظاهري لقدرة المحول
• ڤس = جهد اللفة الثانوية المُصنَّف
• التيار الثانوي المُصنَّف يساوي (Is)

مثال:

جهد التيار الكهربائي الثانوي يساوي ٢٤ فولت تيار متناوب
التيار الثانوي يساوي ٥ أمبير

القدرة الظاهرية (VA) تساوي ٢٤ مضروبة في ٥

القدرة الظاهرية (VA) تساوي ١٢٠ فولت-أمبير

في حالة وجود عدة لفات ثانوية، تُحسب إجمالي القدرة الظاهرية (VA) المطلوبة من مجموع الأحمال على جميع اللفات، مع أخذ نوع الحمل ودورة التشغيل والكفاءة وتنظيم الجهد وعملية التقويم وارتفاع درجة الحرارة في الاعتبار بشكل مناسب.

محولات رفع وخفض الجهد المخصصة من شركة دينغشين

تُصنِّع شركة دينغشين محولات مخصصة، بما في ذلك حلول المحولات للعملاء والمعدات المخصصة للسوق الأوروبية.

يمكن تطوير المحولات وفقًا لمتطلبات كهربائية وميكانيكية وحرارية ووظيفية محددة، ومن بينها:

• جهود الإدخال والإخراج المخصصة
• التصاميم الصاعدة والنازلة
• عدة لفات ثانوية
• التصاميم ذات الشكلين «إي-آي» و«الحلقي»
• التطبيقات المخصصة للترددات ٥٠ هرتز و٦٠ هرتز
• تصنيفات القدرة بالفولت-أمبير حسب الطلب
• أسلاك التوصيل، والطرفيات، والدعائم، وخيارات التركيب
• الحاجز الكهروستاتيكي
• ال퓨وزات الحرارية وأجهزة الحماية الحرارية
• أنظمة العزل المصممة خصيصًا للتطبيق المطلوب
• تصاميم مبنية على متطلبات السوق المستهدفة من قِبل العميل

يجب تأكيد متطلبات الامتثال والاعتماد النهائي خلال عملية الهندسة وفقًا لتصميم المحول والمعدات المقصودة والسوق المستهدفة.

اطلب تصميم محول مخصص

هل تحتاج إلى محول بمعيار جهد محدد، أو تصنيف قدرة، أو أبعاد، أو حد حراري، أو طريقة تركيب؟

أرسل إلى دينغشين المعلومات التالية:

1. جهد الإدخال والتكرار
2. جهد التيار المخرج والمطلوب وشدته
3. ظروف الحمل المستمر والذروة
4. الابعاد القصوى
5. متطلبات التركيب والتوصيل
6. درجة حرارة التشغيل
7. السوق المستهدفة ومتطلبات الامتثال
8. الكمية المقدرة للطلب

اتصل بدينغشين اليوم لطلب مراجعة فنية أو تصميم محول مخصص أو عينة أو عرض سعر.