محول

المحوّل جهاز في الهندسة الكهربائية، مؤلف من ملفين من الأسلاك المنفصلة الملفوفة حول قضبان حديدية فقط بمسافة بسيطة، يسمى الطرف المرتبط بالمولد الكهربي بالملف الابتدائي بينما يطلق على الطرف المرتبط بالحمل مسمى الثانوي، ويستخدم المحول لتغيير قيمة الجهد الكهربي في نظام نقل الطاقة الكهربائية الذي يعمل على التيار المتردد حيث لا يمكن أن يعمل المحول في أنظمة التيار المستمر . فإذا كان جهد الطرف الثانوي أقل من جهد الابتدائي كان المحول خافضا للجهد أما لو كان جهد الثانوي أعلى من جهد الابتدائي كان المحول رافعا للجهد.

المبدأ

يقوم مبدأ عمل المحول الكهربي على قانون فرداي للحث الكهرومغناطيسي الذي ينص على أن قيمة القوة المحركة الكهربائية (الجهد الكهربائي) تتناسب طرديا مع معدل تغير التدفق المغناطيسي  ولهذا السبب فإن المحول لا يعمل في أنظمة التيار المستمر لإن التيار المستمر يخلق مجالا مغناطيسيا ثابتا مقدار تغيره يساوي الصفر فلا يمكن خلق جهد كهربي حينها بطريقة الحث وهذا أحد الأسباب الرئيسية لتفضيل التيار المتردد على المستمر الذي لا يوجد له طريقة عملية واقتصادية لتحويل قيمة الجهد .
وبتطبيق قانون فاراداي 
وبتطبيق قانون بقاء الطاقة تكون القدرة الفعالة وغير الفعاله تساوي :
وفي حالة المحول المثالي تكون العلاقة بين قيم الجانب الابتدائي والجانب الثانوي هي :
 .
حيث
Vₚ هو جهد الابتدائي
Vₛ هو جهد الثانوي
Iₚ هو تيار الابتدائي
Iₛ هو تيار الثانوي
n هي النسبة بين عدد لفات الملف الثانوي إلى عدد لفات الملف الابتدائي , وهي تسمي ب ( turns ratio ) .
للمحولات خافضة الجهد تكون n > 1 .
بينما في حالة المحولات رافعه الجهد تكون n < 1
وبتطبيق قانون أوم
وتكون قيمة Z'L ( وهي قيمة ZL منسوبة للابتدائي )
 . 
ومن المعروف أن الفيض اللازم لينشأ Es يساوي :
حيث :
B هي كثافة الفيض في القلب الحديدي .
A هي مساحة مقطع القلب الحديدي .
وإذا كان الفيض لا يحتوي على توافقيات يكون متوسط الجهد لنصف دورة (Eavg) لأي شكل موجة يساوي :
حينما يسري تيار كهربائي في لفلفات الطرف الابتدائي ينتج فيض مغناطيسي يمكن تحديد اتجاهه عن طريق قاعدة اليد اليمنى فعندما تشير أصابع اليد اليمنى إلى اتجاه اللفلفات فإن الإبهام يشير إلى اتجاه التدفق المغناطيسي . فعند مرور تيار متردد في الملفات الابتدائية فإن مجالا مغناطيسيا متردد ينشأ بالتبعية حسب قانون فاراداي الأول . والسبب في نشوء هذا المجال هو حركة الشحنات الكهربائية سواء كانت هذة الشحنات نتيجة حركة الإلكترونات حول الذرات كما في المغناطيس الدائم , أو كانت نتيجة حركة الشحنات في التيار الكهربي كما في المغناطيس الكهربي .
والمجال المغناطيسي المتردد ينشأ عنه مرور خطوط الفيض ذات قوة متغيرة بالقلب الحديدي للمحول , فتقطع هذة الخطوط ملفات الثانوي , ومن ثم ينشأ في ملفات الثانوي جهد كهربيا وذلك حسب قانون فاراداي الثاني  ( قانون الحث ) . أي أن المجال المغناطيسي الناشئ من الملف الابتدائي يتسبب في توليد جهد في الملف الثانوي عن طريق ما يسمى بالحث الكهرومغناطيسي , حيث يتسبب المجال المغناطيسي المتغير في تحريك الشحنات في الملف الثانوي .
و بما أنه لا يوجد أي اتصال أو تلامس بين الطرفين الابتدائي والثانوي فإن الفيض المغناطيسي يسري في دائرة مغناطيسية بين الطرفين ووقتما يصل الفيض للفلفات الطرف الثانوي يبدأ جريان تيار في هذه اللفلفات يمكن تحديد اتجاهه بالطريقة المذكورة أعلاه لكن هذه المرة بجعل اتجاه الإبهام أولا موافقا لاتجاه الفيض المغناطيسي وحينها تكون الأصابع مشيرة إلى اتجاه جريان التيار في اللفلفات .
ولا يصلح المحول للتعامل مع الجهد المستمر لأنه يحتاج إلى موجة جيبية ( جهد متردد ) في ملفات الابتدائي ليكون جهد الملف الثانوي متغيرا ( متزايد أو متناقص ) , أما إذا ثبتت قيمة الفيض فسيكون الجهد في الملف الثانوي بصفر .
ولدراسة وحساب الأداء الفعلي للمحولات مثل كفاءة المحول يجب التفريق بين المحول المثالي والمحول الحقيقي ومن أهم أوجه الإختلاف بينهما

مقاومة الملفات

لمفات الابتدائي والثانوي مقاومة كهربية تتوقف قيمتهما على نوع الموصل ومساحة مقطعه وعند إخذ قيمتهما في الإعتبار فهذا يعني أن القدرة الداخلة تصبح بالضرورة أكبر من القدرة الخارجة لوجود مفاقيد . وأن الجهد على الأطراف لا يساوي بالضرورة الجهد الناشئ بالحث داخل الملفات بسبب الهبوط في الجهد والذي يساوي رياضيا IX .

الفيض المتسرب

في المحول المثالي يتم إفتراض أن الفيض الناشئ من الملفات الابتدائية يمر كله في القلب الحديدي دون تشتت حتى يقطع الملف الثانوي , وكذلك الحال بالنسبة للفيض الناشئ عن مرور تيار في الملف الثانوي . وكل هذا غير واقعي , والصحيح أن مرور التيار في الملفين ينشأ فيضا ولكن جزءا من كل فيض منهما يتسرب خارج القلب ويسمى بالفيض المتسرب . وهذا الفيض تتناسب قيمته طرديا مع طول المسافة بين الملفين , فكلما تباعد الملفين عن بعضهما كلما زاد معدل التسريب , ولذا ستجد عمليا في المحولات أن الملفات الابتدائية توضح مباشرة فوق ملفات الثانوي ( أو العكس ) لتقليل الفيض المتسرب . ونتيجة لهذا التسريب فإن الجهد المتولد بالحث داخل الملف الثانوي E2 سيكون أقل من المتوقع طبقا لقانون فارداي , كما أن الجهد الذي ينشأ على أطراف الحمل V2 سيكون بالضرورة أقل في القيمة من الجهد المتولد في الملفات الثانوية والنقص الحاصل في الجهد بين E2 و V2 يتم إعتباره كما لو أنه ضاع في ملف له حثية L وهي التي ينتج عنها الفيض المتسرب X2 .

مفاقيد الدائرة المغناطيسية

عند توصيل الملف الابتدائي بمصدر للجهد فإن التيار الناشئ عن الفيض Io سوف يمر بالمحول منشأ فيض مغناطيسي Ø في القلب الحديدي ومرور هذا الفيض في القلب الحديدي يسبب نوعين من مفاقيد الدائرة وهما المفاقيد الناتجة عن التيارات الدوامية والمفاقيد الناتجة عن التلاكؤ

الملفات

تصنع الملفات غالبا من أسلاك معزولة من النحاس الأحمر النقي , وجميع لفاتها معزولة عن بعضها وعن القلب عزلا كهربائيا , ويحتل النحاس المرتبة الأولى في المواد المستخدمة في صناعة الملفات لأنه يمتاز بعدة مزايا منها : قابليته العالية للتوصيل الكهربي , علما بأن هذه السمة تتوقف أساسا على نسبة الشوائب الموجودة به , فالنحاس الذي يحتوي مثلا على 2 % من الفسفور أو 7 % من الزرنيخ تنخفض قابليته للتوصيل بنسبة 30 % . ومن مزايا النحاس أنه بطئ التأكسد ويتحمل الهواء الرطب ودرجة إنصهاره عالية وسهل اللحام , كما أنه سهل السحب والتشكيل .
وتختلف درجة العزل ومساحة المقطع بإختلاف قيمة الجهد , وقيمة التيار المار به . وقد يصنع الملف من الألومنيوم , حيث أنه أخف وزنا وأقل سعرا , لكننا سنحتاج معه لمقطع كبير نسبيا لجعله قادرا على تحمل التيارات العالية , لذلك لا يتم إستخدامه إلا في المحولات الصغيرة .
ويتم لف الأسلاك أولا على ماكينات اللف ثم تجفيفها في فرن لطرد الرطوبة وأخيرا يتم تسقيطها فوق حوامل المحول . ويتم وضع فواصب معزولة بين القلب الحديدي وبين الملفات لضمان أعلى درجة من التحمل الميكانيكي . وأشهر الشركات المنتجة لملفات المحولات هي شركة ASTA ولذلك يسمى أحيانا الملف باسمها .
وتكون أسلاك الموصلات غالبا على شكل أسلاك مجدولة أو شرائح مستطيلة . وعند صناعة الموصلات للمحولات الكبيرة يتم عمل تباديل بين الطبقات المكونة لمقطع الموصل الذي يكون غالبا كبيرا . والهدف من هذة العملية هو منع التيارات الدوامية التي يمكن أن تنشأ داخل المقطع الكبير للموصل نفسه نتيجة تعرض أجزاءه لمستويات مختلفة من الفيض بسبب وضعها النسبي فينشأ فرق في الجهد بين بعض الطبقات يتولد نتيجتها تيارات دوامية داخلية في الموصل . وعمل الأسلاك على شكل أسلاك مجدولة يضمن إختفاء هذة التيارات لأنها تلغي بعضها البعض .
أنواع الملفات 
هناك أربعة أنواع مشهورة للف الملفات , وغالبا ما يكون الإختيار بين هذة الأنواع الأربعة بناءا على عدد اللفات المطلوبة وقيمة التيار الذي تحمله .
النوع الأول  
تسمى بالملفات الحلزونية أو الملفات الإسطوانية وهي عبارة عن طبقات متعددة بينها فواصل بين اللفات وبين الطبقات , ويستخدم هذا النوع للملفات التي تحمل تيارات عالية , ويعيبه أنه يشغل حيزا كبيرا لكنه الأكثر ثباتا والأسهل تصنيعا .
النوع الثاني
ويسمى باللف القرصي ويستخدم مع المحولات التي تحتوي على عدد ضخم من اللفات وتحمل تيارا خفيفا أي يستعمل مع الجهد العالي والتيار المنخفض , وغالبا فإن كل الملفات التي تعمل على جهد أكبر من 25 كيلو فولت تلف بهذة الطريقة , حيث يتكون اللفات على شكل قرص بينهما فواصل , ويتم الانتقال من قرص إلى آخر بواسطة اللحام ثم تغطية منطقة اللحام . 

والعوازل هنا موجودة على الموصلات فقط ( الأقراص ) ولا يوجد عوازل بين الطبقات .
النوع الثالث
ويسمى باللف البرميلي وتستخدم مع المحولات التي تزود بالمغير حيث يمكن فيها إخراج أطراف أجزاء الملفات لتوصيلها بدائرة التحكم في المغير .
النوع الرابع
يتم اللف أولا على قوالب خشبية ثم توضع على القلب الحديدي .
يكون مقطع الملف إما دائريا أو مستطيلا , والمقطع الدائري يتميز بالمتانة الميكانيكية بينما المقطع المستطيل يتميز بقلة المواد المستخدمة في تصنعيه لكنه محدود الاستخدام إلا في المحولات الصغيرة لضعف متانته الميكانيكية لا سيما أثناء حدوث قصر . وعموما يتم ملأ أي فراغات بين الملفات وبين القلب بواسطة فواصل خشبية أو غيرها من المواد العازلة لتحسين المتانة الميكانيكية .

العوازل

العوازل المستخدمة في المحولات لها عدة أنواع , فمنها ما يستخدم مع الموصلات ومنها ما يستخدم لعزل طبقات الشرائح المعدنية عن بعضها ومنها أيضا ما يستخدم لعزل الملفات عن القلب الحديدي . فبالنسبة للموصلات فسواء إستخدمنا أسلاك مجدولة أو شرائح فلا بد من عزل هذة الموصلات بإستخدام عوازل رفيعة وغير سميكة وذات كفاءة لضمان عدم شغل مساحة كبيرة . والعوازل المستخدمة مع الموصلات أشهرها طلاء ال Enamel . أما العزل الورقي فقد قل إستخداه كثيرا لمصلحة البليميرات الصناعية أو القماش الصناعي . أما العزل بين الطبقات المختلفة فغالبا يستخدم له ورق الكرافت .
بعد تجميع المحول يجب تجفيفه في أفران خاصة , حيث أن الأجزاء العازلة في المحول تتألف غالبيتها من مواد ليفية ( خشب , كرتون , عازل , ورق عازل ) وهذة النوعية من العوازل لها قابلية عالية لإلتقاط الرطوبة مما يؤدي لإنخفاض خواص العزل لديها . ولذا يتعرض المحول للتجفيف لطرد الرطوبة . وفي حالة إصلاح المحول بورش المصنع أو في خالة عدم وجود أفران خاصة يتم تجفيف القلب والملفات عليه بواسطه تمرير تيارات الحثية في فولاذ الخزان , وذلك بتمرير تيار متردد في ملف ملفوف حول الخزان ومعزول بعازل حراري قوي , ويمكن وضع مادة عازلة للحرارة حول جسم المحول أولا ثم يلف حولها الملف المؤقت المستخدم لتوليد المجال المغناطيسي الذي سيمر خلال حديد الخزان ويمرر فيه التيار الحثي ويسخنه , وعندئذ تسخدن بقية الأجزاء الداخلية فتتبخر الرطوبة ويفضل أن تتم هذه العملية قبل ملأ الخزان بالزيت .

الزيت

يتم استخدام الزيت كعنصر أساسي في منظومة التبريد لأن الحرارة الداخلية في المحول إذا تركت يمكن أن تسبب خطورة شديدة , ويعتبر الزيت هو أفضل المواد المستخدمة لنقلها للخارج حيث يتنتشر الزيت بسهولة بين الملفات وتنتقل الحرارة إليه من هذه الملفات . فعند ملامسة الزيت مع الملفات والقلب سيجعل الحرارة تنتقل منهما إليه وتقول باقي عناصر منظومة التبريد ( المضخات , الراديتير , المواسير , المراوح ) بطرد هذه الحرارة بعدة طرق ( التوصيل , الحمل , الإشعاع ) إلى الوسط الخارجي . ثم تقوم بعملية طرد للحرارة الموجوده بالزيت . ولضمان قدرة الزيت المعدني على طرد هذه الحراره تحت الظروف المختلفة وفي مدى واسع من درجات الحرارة وظروف التشغيل يجب أن تتوافر في الزيت عدة سمات تتعلق باللزوجة ونقطة الغليان ودرجة التبخر .
وللزيت وظيفة ثانية فيتم إعتبار الزيت كعازل بين الملفات وبعضها , وبين الملفات والقلب والخزان , فالزيت يحيط بكل هؤلاء ويفصل بينهم ويزيد من قوة العازلية بينهم , وحيث أن معامل العازلية للزيت يصل إلى 2.2 ( معامل عازلية الهواء يساوي 1 ) . لذا فهو يقترب بذلك من عازلية المواد العازلو عموما , وهو أفضل كثيرا من الهواء . فعازلية الهواء أو ما يعرف بجهد الإنهيار للهواء تساوي 30 كيلو فولت / سم بينما عازلية بعض الزيوت المعدنية تصل إلى 80 كيلو فولت / سم , ومن ثم يقل الإجهاد على عزل الملفات إذا كانت الملفات مغمورة في الزيت مقارنة بكونها موضوعة في الهواء . والأفضل من الزيت هو غاز سداسي فلوريد الكبريت ( SF6 ) فتصل قوة عزلة إلى 100 كيلو فولت / سم , يساعد على تقليل حجم المحول .
والوظيفة الثالثة للزيت هو أنه يغطي كل الأجزاء المعدنية فيمنع حدوث العديد من العمليات الكيميائية مثل الأكسدة التي يمكن أن تؤثر بشدة على توصيلة الموصلات كما يمنع أي تفاعلات آخرى كالتي يتكون من بعضها الصدأ ومن ثم يمنع حدوث شوائب .
والوظيفة الرابعة للزيت في أنه يستخدم في الكشف عن العديد من الأعطال حيث أن حدوث عطل بالمحول يؤدي إلى تغيرات كيميائية في خواص الزيت داخل المحول نتيجة للطاقة الكبيرة الناتجة عن العطل , وبأخذ عينة من الزيت وتحليلها فإننا نصل إلى نتائج تساعد في تحديد نوعية العطل الداخلي بالمحول .

الخزان

يصنع الخزان من حديد غير مغناطيسي , وتمتاز الخزانات الرئيسية في المحولات بتعدد أشكالها حسب قدرة المحول , فقد يكون سطحه مستوي وهذا النوع يستخدم للقدرات الصغيرة الأقل من 50 كيلو فولت أمبير , حيث يكون السطح المستوي كافيا للتخلص من الحرارة المتولدة بالملفات والتي تنتقل إليه بواسطة زيت التبريد . وقد يحتوي الخزان على أنابيب جانبيه كمالحولات التي تستخدم في محولات التوزيع متوسطه القدرة حيث يتم إضافة سطج تبريد على شكل أنابيب خارجية يتم لحامها على جسم الخزان وتكون مسارا متوازيا لدوران الزيت داخليا . أما النوع الثالث من الخزانات فيتم تركيب فيه زعانف تبريد على الجوانب الأربعة للمحول ويتم لحامهم معا لتكوين خزان المحولات وقد يسحب الزيت بمضخات لتبريده في هذه الزعانف ( الراديتير ) ثم يعاد للخزان مرة أخرى ويتم ذلك في المحولات ذات القدرات العالية .
ويركب الخزان على قاعدة تعمل على عجلات بجيث يسهل نقل المحول . وتلحم خطاطيف في الجزء العلوي من الخزان لرفعة من خلالها عند الحاجة . وتظهر أهمية الخزان في حماية القلب والملفات بداخله , يوضع فيه زيت المحولات المستخدم في التبريد وعزل المحول ويحمل مواسير الإشعاع للمحول . وفي المحولات كبيرة القدرة يزود خزان الزيت الرئيسي بأنبوبة تغلق فتحتها بواسطة شريحة زجاجية وعند حدوث خطأ تزيد كمية الغازات بالخزان فتضغط على الشريحة الزجاجية فتكسرها وتخرج الغازات إلى الجو الخارجي وكذلك الزيت الزائد . وتسمي هذة الأنبوبة بأنبوب تصريف الزيت .

صندوق التمدد

في المحولات الكبيرة يستخدم دائما صندوق إحتياطي للزيت بحيث يصبح التانك الأصلي مغمورا كليا في الزيت دون ستارة هوائية فوقه , وتنتقل الستارة الهوائية إلى التانك الإحتياطي أو صندوق التمدد . والوظيفة الأساسية لهذا التانك هو إستيعاب أي تمدد أو إنكماش في حجم الزيت بعيدا عن التانك الأصلي , ويقوم بتعويض أي نقص يحدث في زيت التانك الأصلي . ويتميز بوجود مقياس لمعرفة مستوى الزيت الخاص به حتي لا ينخفض بشدة , ومزود أيضا بمؤشر يرى بالعين المجردة لمعرفة إرتفاع مستوى الزيت بداخلة . ويقدر حجم خزان التمدد بحوالي 1/10 من حجم الخزان الرئيسي .

الضوضاء في المحولات

تنبعث العديد من الأصوات من المحولات بعضها يكون طبيعي والبعض الآخر يكون عالى وتعتبر إشارة على وجود خطب ما .. ومصادر هذه الأصوات عديدة منها إهتزاز القلب الحديدي , إهتزاز الملفات , مراوح التبريد .
إهتزاز القلب الحديدي للمحول يعتبر المصدر الأساسي للضوضاء فعندما تتمغنط شريحة من الصلب فإنها تنكمش أو تتمدد بنسبة صغيرة تصل إلى حوالي 10 ميكرو لكل متر وهذا التغير يتسبب في صوت يشبة الزن . أما بالنسبة لصوت مراوح التبريد فهو نتيجة لمرور الهواء على ريش هذه المراوح ويتناسب شدة الصوت طرديا مع كمية الهواء وسرعة المروحة , ولخفض صوت المراوح يجب تخفيض سرعة المراوح عن طريق زيادة عددها .