نظرة عامة على المحولات الذاتية

 

 

يختلف المحول الذاتي عن المحول التقليدي-الذي يحتوي على ملفين لأنه يحتوي على ملف واحد مستمر يعمل كملف أساسي وثانوي. وهذا يؤدي إلى صيغ حسابية فريدة ومفيدة.

دعونا نحدد الرموز:

: الجهد الأساسي والتيار

: الجهد الثانوي والتيار

N₁: إجمالي عدد اللفات في الملف الأولي

N₂: عدد اللفات في الملف الثانوي (الذي هو جزء من N₁)

a:نسبة الدوران

: قوة الحث الكهرومغناطيسي (سعة اللف)

: المدخلات / المخرجات الطاقة الظاهرة (القدرة الإنتاجية)

 

فئة	صيغة	وصف
نسبة المنعطفات		نفس التعريف كمحول قياسي
علاقة الجهد		الجهد الناتج يتناسب عكسيا مع النسبة
العلاقة الحالية		تيار الإخراج يتناسب طرديا مع النسبة
سعة الإخراج		إجمالي الطاقة المنقولة بواسطة المحول
القدرة الكهرومغناطيسية		القوة التي تحدد الحجم المادي للمحول
فائدة القدرات		الصيغة الأساسية: تكون الفائدة أعظم عندما تكون a قريبة من 1

 

 

 

 

 

مزايا المحول الذاتي

1.كفاءة أعلى، خسائر أقل

• سبب:نظرًا لأن جزءًا من الملف مشترك بين كلا الجانبين، فإن التيار في الجزء المشترك يكون أقل من تيار الحمل لنفس إنتاجية الطاقة. وهذا يقلل بشكل كبير من خسائر النحاس (خسائر I²R).
• نتيجة:تكون الكفاءة عادةً أعلى من كفاءة محولات الملفين-المكافئة، خاصةً عندما تكون نسبة اللفات (K) قريبة من 1 (على سبيل المثال، 230 فولت إلى 115 فولت).

2. تكلفة أقل وحجم أصغر ووزن أخف

• سبب:إنه يلغي ملفًا ثانويًا منفصلاً، باستخدام مادة أقل موصلية (النحاس / الألومنيوم) ومواد أساسية أقل (فولاذ السيليكون).
• نتيجة:بالنسبة لنفس السعة المقدرة، يكون المحول الذاتي أقل تكلفة وأصغر حجمًا وأخف وزنًا من المحول ذي الملفين-. وهذا يجعل النقل والتركيب أسهل وأرخص.

3. قدرة ممتازة على تنظيم الجهد

• سبب:من خلال توفير نقرات متعددة أو اتصال منزلق (فرشاة) على طول الملف، يمكن تعديل جهد الخرج بسهولة وبشكل مستمر.
• طلب:هذا هو مبدأ تشغيل "المتغير" الشائع أو المحول المتغير، والذي يستخدم على نطاق واسع في المختبرات والتطبيقات التي تتطلب تحكمًا دقيقًا في الجهد.

4. انخفاض ممانعة الدائرة القصيرة- وتنظيم الجهد الكهربي بشكل أفضل

• سبب:يتم اقتران المحولين الأولي والثانوي كهربائيًا ومغناطيسيًا، مما يؤدي إلى تقليل مقاومة التسرب مقارنةً بمحولين-ملفين.
• نتيجة:يظل جهد الخرج أكثر استقرارًا في ظل ظروف الحمل المتغيرة، مما يؤدي إلى تنظيم جهد فائق.

 

عيوب المحول الذاتي

1. عدم وجود عزل كهربائي (العيب الأكثر أهمية)

• سبب:يتم توصيل الجانبين الأساسي والثانوي كهربائيًا بشكل مباشر، على عكس العزل المغناطيسي الذي يوفره محول الملفين-.
• المخاطر:

يمكن أن ينتقل الخلل في جانب الجهد-العالي (على سبيل المثال، ارتفاع الجهد-العالي) مباشرةً إلى جانب الجهد المنخفض-، مما يشكل تهديدًا خطيرًا للمعدات والأفراد.

إذا انكسر الملف المشترك، فقد يظهر جهد الإدخال الكامل على الحمل، وهو أمر خطير للغاية.

• التضمين:في التطبيقات التي تكون فيها السلامة أمرًا بالغ الأهمية، يجب استخدام محول عزل إضافي، مما ينفي مزايا التكلفة والحجم.

2. تيارات الدائرة القصيرة - الأعلى

• سبب:بسبب انخفاضهمقاومة الدائرة القصيرة-، سيؤدي وجود خطأ في الجانب الثانوي إلى تيار دائرة قصر-أعلى بكثير من محول الملفين المكافئ-.
• متطلبات:ويتطلب هذا قوة ميكانيكية أعلى وثباتًا حراريًا من المحول نفسه، بالإضافة إلى أجهزة حماية أكثر قوة وأعلى قدرة على -الكسر- (مثل قواطع الدائرة والصمامات).

3. حماية أكثر تعقيدًا

• يجعل الملف المشترك العلاقات الكهرومغناطيسية الداخلية أكثر تعقيدًا مما هي عليه في محولات الملفين-. يؤدي هذا إلى تعقيد تكوين أنظمة الحماية (على سبيل المثال، المرحلات التفاضلية)، حيث أن حماية التيار الزائد القياسية قد لا تميز بشكل فعال بين الأعطال الداخلية والتشغيل العادي.

4. تطبيق نسبة المنعطفات المحدودة

• تكون المزايا الاقتصادية للمحول الذاتي أكثر وضوحًا مع نسبة دورات صغيرة (K)، تتراوح عادة بين 1.2 و2.0. بالنسبة للنسب الكبيرة (على سبيل المثال، 10:1)، تصبح المدخرات المادية ضئيلة، بينما يصبح عدم العزلة عيبًا كبيرًا، مما يجعلها غير مناسبة.

 

 

 

1. أنظمة الطاقة

هذا هو مجال التطبيق الأكثر أهمية وسعة-للمحولات التلقائية.

(1) ربط الشبكة وتحويل الجهد

• طلب:الربط بين نظامين لنقل الجهد العالي-بمستويات جهد متشابهة، على سبيل المثال، توصيل شبكة 220 كيلو فولت بشبكة 110 كيلو فولت، أو نظام 500 كيلو فولت بنظام 330 كيلو فولت.
• لماذا هو مناسب:في أنظمة الطاقة، غالبًا ما تكون مستويات الجهد للشبكات الإقليمية المختلفة متقاربة نسبيًا (على سبيل المثال، بنسبة أقل من 3:1). في مثل هذه الحالات، يعد استخدام محول ذاتي أكثر اقتصادًا بكثير من استخدام محولين-ملفين، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة المواد وفقدان الطاقة والبصمة المادية-وهي ميزة بالغة الأهمية لنقل الطاقة بكميات كبيرة.

(2) تشغيل محطة توليد الكهرباء / المحولات المساعدة

• طلب:تتطلب وحدات التوليد الحرارية أو النووية الكبيرة مصدر طاقة خارجي لتنشيط معداتها المساعدة (مثل المراوح والمضخات) أثناء بدء التشغيل. غالبًا ما يكون محول الإمداد الخارجي هذا محولًا ذاتيًا.
• لماذا هو مناسب:يكون جهد المولد مرتفعًا (على سبيل المثال، 20 كيلو فولت)، في حين أن جهد الطاقة المساعدة للمحطة أقل (على سبيل المثال، 6 كيلو فولت أو 10 كيلو فولت). نسبة الجهد ليست كبيرة، مما يجعل المحول الذاتي حلاً فعالاً من حيث التكلفة-وفعالًا لهذا التطبيق ذو السعة العالية-.

(3) ثلاثة-تنظيم النقاط المحايدة للمرحلة

• طلب:في شبكات الجهد العالي جدًا- (UHV) وشبكات الجهد العالي- الإضافية (EHV)، يجب تعديل الجهد لتحقيق استقرار النظام وإدارة تدفق الطاقة التفاعلية.
• لماذا هو مناسب:المحولات الذاتية في كثير من الأحيانمغير الصنبورعلى اللف المشترك (الجانب المحايد) لـتنظيم الجهد. يسمح هذا التصميم بنطاق تنظيمي أوسع، كما أن معدات تغيير الحنفية-تتميز بمتطلبات عزل أقل، مما يجعلها مناسبة من الناحيتين الفنية والاقتصادية.

 

2. التحكم الصناعي والمحركات

(1) بدء تشغيل المحرك بجهد منخفض- (بادئ تشغيل المحول التلقائي-)

• طلب:بدء تشغيل محركات حثية كبيرة-ثلاثية الطور لتقليل تدفق التيار وتقليل انخفاضات الجهد في شبكة الإمداد.
• لماذا هو مناسب:أثناء بدء التشغيل، يتم تطبيق جهد منخفض على المحرك عن طريق النقر على المحول الذاتي. بمجرد أن يقترب المحرك من سرعته المقدرة، يتم تحويله إلى خط الجهد الكامل. توفر هذه الطريقة عزم دوران أعلى مقارنةً بطريقة Star-Delta وهي فعالة جدًا في الحد من تيار البدء. نظرًا لأنه يتم استخدامه لفترات قصيرة، فإن حجم وفوائد تكلفة المحول الذاتي تتحقق بالكامل.

(2) إمدادات الجهد المتردد المتغير ومعوضات الجهد

• طلب:يستخدم كمصدر طاقة تيار متردد قابل للتعديل بشكل مستمر في المختبرات أو للمعدات الصناعية حيث لا يكون استقرار الجهد الدقيق أمرًا بالغ الأهمية.
• لماذا هو مناسب:تتحرك فرشاة الكربون المنزلقة على طول المنعطفات المكشوفة للملف، مما يسمح بتعديل جهد الخرج بشكل سلس. يتميز هذا التصميم بالبساطة والقوة والتكلفة المنخفضة-، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات التي تتطلب جهدًا مرنًا.

 

3. المختبر والاختبارات

(1) مصدر طاقة التيار المتردد المتغير (فارياك)

• طلب:في مختبرات الإلكترونيات والتجارب التعليمية، لتوفير جهد تيار متردد قابل للتعديل من صفر إلى أعلى بقليل من جهد الخط.
• لماذا هو مناسب:إنها بسيطة ومتينة وغير مكلفة وتوفر مخرجات موجة جيبية نقية (على عكس المنظمات الإلكترونية ذات الحالة الصلبة-)، مما يجعلها مناسبة تمامًا للتجربة والاختبار.

 

4. كهربة السكك الحديدية

(1) أنظمة إمداد طاقة الجر (نظام AT)

• طلب:في بعض الكهربائيةأنظمة السكك الحديدية(على سبيل المثال، أنظمة التيار المتردد الأقدم)، يتم استخدام نظام تغذية المحول الذاتي (AT).
• لماذا هو مناسب:يستخدم نظام AT محولات ذاتية لتخفيض جهد النقل العالي (على سبيل المثال، 110 كيلو فولت أو 220 كيلو فولت) إلى الجهد الذي يستخدمه السلسال العلوي (على سبيل المثال، 25 كيلو فولت أو 55 كيلو فولت). فهو يقلل في نفس الوقت من التداخل الكهرومغناطيسي مع خطوط الاتصال ويسمح بمسافات أطول بين المحطات الفرعية، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص لسكك الحديد-السريعة العالية والسكك الحديدية الثقيلة-.

 

 

إن "بساطة" المحول الذاتي هي مجرد سطحية. ويتميز تصميمه وتصنيعه بالهندسة الدقيقة والحرفية على مستوى -الماجستير.

1. تفاصيل التصميم المتعرج

يعمل الملف كأول وثانوي، مما يخلق تعقيدات تصميمية فريدة غير موجودة في محولات العزل.

(1) التوزيع الحالي و-حجم الموصل غير الموحد:

• التحدي الأساسي:يتم تقسيم اللف إلىلف السلسلة(جزء غير مشترك بين الجانبين) واللف المشترك(جزء مشترك بين كل من المدخلات والمخرجات). تختلف التيارات المتدفقة عبر هذه الأقسام.

-اللف السلسلةيحمل فقط "تيار النقل" المتعلق بالفرق بين جهد الإدخال والإخراج.

-الاللف المشتركيحمل "التيار المستحث التلقائي" الأصغر، وهو دالة لتيار الحمل ونسبة الدورات.

• القرار الهندسي:الحسابات الحالية الدقيقة لها أهمية قصوى. اليمكن لف الملف المشترك بموصل ذي مساحة مقطع عرضي -أصغرنظرًا لأنه يحمل تيارًا أقل، بينما يتطلب ملف السلسلة موصلًا أكبر. هذاتصميم مقطع غير-موحد ومتغير-عرضي-يعد هذا أمرًا أساسيًا لتحقيق الوزن الخفيف والتكلفة المنخفضة والكفاءة العالية، ولكنه يعقد عملية اللف بشكل كبير، مما يتطلب مخططات وأدوات دقيقة.

(2) التوازن الكهرومغناطيسي وقوى الدائرة القصيرة-:

• التحدي الأساسي:نظرًا لعدم التماثل الهيكلي المتأصل (طرف الجهد العالي-، وطرف الجهد المنخفض-، والصنابير الموجودة جميعها في ملف واحد)، يتم تحقيق الكمالأمبير-تحويل الرصيدأصعب مما كانت عليه في محول العزل. تؤدي المنعطفات غير المتوازنة- إلى إنشاء قوةالمجال المغناطيسي الشارد (تدفق التسرب).
• القرار الهندسي:

1. محاكاة EM متطورة:يعد برنامج محاكاة المجال الكهرومغناطيسي المتقدم ضروريًا لتحسين ترتيب اللف والارتفاع والأبعاد الشعاعية بشكل متكرر لتقليل تدفق التسرب.
2. إدارة القوى الكهروديناميكية للدائرة القصيرة-:أثناء الدائرة القصيرة-، تتفاعل تيارات الصدع الضخمة مع مجال التسرب القوي وتولد قوى كهروميكانيكية هائلة (قوة لورنتز) تسعى إلى تشويه الملف وسحقه. في المحولات الذاتية، يمكن أن تكون هذه القوى غير متماثلة إلى حد كبير. وبناء على ذلك، فإنيجب أن تكون الدعامات الميكانيكية للملفات قوية بشكل استثنائي. يتم استخدام -فواصل عازلة عالية القوة، وألواح تثبيت، وعصي دعم لإنشاء هيكل "قفص" يعمل على تثبيت اللفات في مكانها بشكل آمن، مما يمنع التشوه أو التلف في حالة صدمات الدائرة القصيرة- المتكررة أو المفاجئة.

 

 

2. فرشاة الكربون- التي تنظم الجهد – "القلب" و"عنق الزجاجة"

بالنسبة للمحولات الذاتية المتغيرة (variacs)، فإن فرشاة الكربون المنزلقة هي العنصر الأكثر أهمية والأكثر عرضة للخطر.

(1) متطلبات المواد الصارمة:

• التحدي الأساسي:يجب أن تفي الفرشاة في نفس الوقت بخصائص متعددة ومتضاربة في كثير من الأحيان.
• القرار الهندسي:عادة ما تكون مصنوعة من أمعدن مركب-مادة جرافيت.

1. الالجرافيتيوفر تشحيمًا ذاتيًا-ومقاومة للتآكل، مما يضمن انزلاقًا سلسًا وعمر خدمة طويلًا.
2. الالمعادن (مثل النحاس ومسحوق الفضة)يوفر موصلية كهربائية عالية، مما يضمن الحد الأدنى من مقاومة التلامس.
3. تعد النسبة الدقيقة وعملية التلبيد لهذا المركب من أسرار الملكية الأساسية للشركة المصنعة.

(2) أهمية موثوقية الاتصال:

• التحدي الأساسي:الواجهة بين فرشاة الكربون واللف هي أانزلاق الاتصال الكهربائي. أياتصال ضعيفيؤدي إلى فشل كارثي: زيادة مقاومة التلامس ← ارتفاع درجة الحرارة الموضعي ← شرارة وقوس كهربائي ← تآكل وتلف دائم لكل من سطح اللف والفرشاة.
• القرار الهندسي:

1. تصنيع آلي فائق الدقة لسطح التلامس:لا يمكن أن يكون مسار التلامس المكشوف للملف من النحاس العاري. يجب أن يكونمصقول كالمرآة-بلمسة نهائية ناعمة، خالية من أي نتوءات أو عيوب.
2. طلاء السطح المتقدم:هذا المسار في كثير من الأحيانمطلي بطبقة من الفضة أو سبائك الفضة. توفر الفضة موصلية فائقة ومقاومة للأكسدة، مما يحافظ على -مقاومة تلامس منخفضة بمرور الوقت ويمنع الفشل الحراري بسبب الأكسدة.

• تبديد الحرارة وإدارة التآكل:

1. التحدي الأساسي:نقطة التلامس هي مصدر مركز للحرارة والتآكل الميكانيكي.
2. القرار الهندسي:تشتمل متغيرات الطاقة العالية- على قنوات هواء تبريد مخصصة أو حتى تبريد قسري لمجموعة الفرشاة. علاوة على ذلك، يجب معايرة ضغط ملامسة الفرشاة وآلية الزنبرك بدقة-حيث يؤدي الضغط القليل جدًا إلى عدم الاستقرار والانحناء، بينما يؤدي الضغط الزائد إلى تسريع التآكل الميكانيكي وزيادة مقاومة الانزلاق.

 

3. الإدارة الحرارية في تصميم مدمج

(1) التحدي الأساسي:المحول الذاتي أصغر ويستخدم مواد أقل من محول العزل ذي معدل الطاقة المكافئ. وهذا يترجم إلى أكثافة فقدان طاقة أعلى (فقد النحاس والحديد) لكل وحدة حجم، مما يجعل تبديد الحرارة أكثر صعوبة.

(2) القرار الهندسي:

• تصميم حراري متطور:يجب أن يكون تصميم قنوات التبريد (على سبيل المثال، قنوات الزيت داخل اللفات، وفتحات الهواء) مثاليًا، وليس مناسبًا فقط. تعد ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) والمحاكاة الحرارية أمرًا ضروريًا لرسم خريطة دقيقة لتدفق سائل التبريد والقضاء على أي نقاط ساخنة محتملة.
• طرق التبريد المحسنة:

1. زيت-مغمور:تستخدم المحولات الذاتية الكبيرة التبريد بالزيت-مع مسارات تدفق الزيت الموجهة المعقدة، لتوجيه الزيت عبر الأجزاء الأكثر سخونة في اللفات.
2. الهواء-مبرد:تتميز المحولات الذاتية المتغيرة من النوع الجاف - بزعانف تبريد فعالة وغالبًا ما تشتمل على مراوح لتبريد الهواء القسري (AF)، أو حتى أنظمة تبريد الزيت القسري الأكثر تقدمًا-.