ما هو الغرض من المحولات؟

ربما سمع معظم الناس عن المحولات وهم يدركون أنها جزء من ما هو واضح دائمًا حتى الآن شبكة كهرباء غامضة توفر الكهرباء للمنازل والشركات وكل مكان آخر يوجد فيه "العصير" بحاجة. لكن الشخص العادي لا يعرف النقاط الدقيقة لتوصيل الطاقة الكهربائية ، ربما لأن العملية برمتها تبدو مخفية في خطر. يتعلم الأطفال منذ صغرهم أن الكهرباء يمكن أن تكون خطيرة للغاية ، ويدرك الجميع ذلك يتم الاحتفاظ بأسلاك شركة الطاقة بعيدًا عن متناول اليد (أو أحيانًا مدفونة في الأرض) لسبب وجيه.

لكن شبكة الطاقة هي في الواقع انتصار للهندسة البشرية ، والتي بدونها لن يمكن التعرف على الحضارة من تلك التي تسكنها اليوم. يعتبر المحول عنصرًا أساسيًا في التحكم في الكهرباء وتوصيلها من النقطة التي يتم عندها يتم إنتاجه في محطات توليد الطاقة حتى قبل أن يدخل المنزل أو مبنى المكاتب أو أي طرف آخر وجهة.

فكر في سد يحجز ملايين الجالونات من المياه لتكوين بحيرة اصطناعية. لأن النهر الذي يغذي هذه البحيرة لا يحمل دائمًا نفس الكمية من المياه إلى المنطقة ، حيث تميل مياهها إلى الارتفاع في الربيع بعد ذوبان الثلوج في العديد من المناطق والانحسار في الصيف خلال أوقات الجفاف ، يجب أن يكون أي سد فعال وآمن مزودًا بالأجهزة تسمح بتحكم أدق في الماء بدلاً من منعه من التدفق حتى يرتفع المستوى لدرجة أن الماء ينسكب ببساطة تخطى. ولذلك فإن السدود تشمل جميع أنواع بوابات السدود والآليات الأخرى التي تحدد كمية المياه تمر إلى جانب المصب من السد ، بغض النظر عن مقدار ضغط المياه على المنبع الجانب.

هذه هي الطريقة التي يعمل بها المحول تقريبًا ، باستثناء أن المادة التي تتدفق ليست ماءً بل تيارًا كهربائيًا. تعمل المحولات على معالجة مستوى الجهد المتدفق عبر أي نقطة في شبكة الطاقة (الموصوفة بتفصيل كبير أدناه) بطريقة توازن بين كفاءة النقل والسلامة الأساسية. من الواضح أنه مفيد ماليًا وعمليًا لكل من المستهلكين ومالكي محطة الطاقة و شبكة لمنع فقدان الكهرباء بين خروج الكهرباء من المحطة ووصولها إلى المنازل أو غيرها الأماكن. من ناحية أخرى ، إذا لم تتضاءل كمية الجهد التي تمر عبر سلك طاقة نموذجي عالي التوتر قبل دخول منزلك ، فستحدث فوضى وكارثة.

الجهد هو مقياس فرق الجهد الكهربائي. يمكن أن تكون التسمية محيرة لأن العديد من الطلاب قد سمعوا مصطلح "الطاقة الكامنة" ، مما يجعل من السهل الخلط بين الجهد والطاقة. في الواقع ، الجهد هو طاقة الوضع الكهربائي لكل وحدة شحنة ، أو جول لكل كولوم (J / C). الكولوم هو الوحدة القياسية للشحنة الكهربائية في الفيزياء. يتم تعيين إلكترون واحد -1.609 × 10^-19 كولوم ، بينما يحمل البروتون شحنة متساوية في الحجم ولكن معاكسة في الاتجاه (أي شحنة موجبة).

الكلمة الأساسية هنا ، حقًا ، هي "الاختلاف". السبب في أن الإلكترونات تتدفق من مكان إلى آخر هو الفرق في الجهد بين نقطتين مرجعيتين. يمثل الجهد مقدار العمل المطلوب لكل وحدة تهمة لتحريك الشحنة ضد مجال كهربائي من النقطة الأولى إلى الثانية. للحصول على إحساس بالحجم ، اعلم أن أسلاك النقل لمسافات طويلة تحمل عادةً من 155000 إلى 765000 فولت ، في حين أن الجهد الداخل إلى المنزل عادة ما يكون 240 فولت.

في ثمانينيات القرن التاسع عشر ، استخدم مقدمو الخدمات الكهربائية التيار المباشر (DC). كان هذا محفوفًا بالمسؤوليات ، بما في ذلك حقيقة أن التيار المستمر لا يمكن استخدامه للإضاءة وكان شديد الخطورة ، ويتطلب طبقات سميكة من العزل. خلال هذا الوقت ، قام مخترع يدعى ويليام ستانلي بإنتاج ملف الحث ، وهو جهاز قادر على توليد التيار المتردد (AC). في الوقت الذي توصل فيه ستانلي إلى هذا الاختراع ، عرف الفيزيائيون ظاهرة التيار المتردد ومزاياها من حيث إمداد الطاقة ، لكن لم يتمكن أحد من ابتكار وسيلة لتوصيل التيار المتردد على نطاق واسع مقياس. يعمل ملف الحث الخاص بستانلي كقالب لجميع الاختلافات المستقبلية للجهاز.

كاد ستانلي أن يصبح محامياً قبل أن يقرر العمل ككهربائي. بدأ في مدينة نيويورك قبل أن ينتقل إلى بيتسبرغ ، حيث بدأ العمل في محوله. قام ببناء أول نظام طاقة محلي يعمل بالتيار المتردد في عام 1886 في مدينة جريت بارينجتون بولاية ماساتشوستس. بعد نهاية القرن ، اشترت شركة جنرال إلكتريك شركة الكهرباء الخاصة به.

يمكن للمحول زيادة (تصعيد) أو تقليل (تقليل) الجهد الذي ينتقل عبر أسلاك الطاقة. هذا مشابه بشكل فضفاض للطريقة التي يمكن أن يزيد بها الجهاز الدوري أو يقلل من إمداد الدم إلى أجزاء معينة من الجسم حسب الطلب. بعد خروج الدم ("القوة") من القلب ("محطة توليد الطاقة") ، لتصل إلى سلسلة من النقاط الفرعية ، قد ينتهي الأمر بالسفر إلى الجزء السفلي من الجسم بدلاً من الجزء العلوي من الجسم ، ثم إلى الساق اليمنى بدلاً من اليسرى ، ثم إلى الساق بدلاً من الفخذ ، إلخ. يخضع هذا للتوسع أو انقباض الأوعية الدموية في الأعضاء والأنسجة المستهدفة. عندما يتم توليد الكهرباء في محطة توليد الكهرباء ، تعمل المحولات على زيادة الجهد من بضعة آلاف إلى مئات الآلاف لأغراض النقل لمسافات طويلة. عندما تصل هذه الأسلاك إلى نقاط تسمى محطات الطاقة الفرعية ، تقلل المحولات الجهد إلى أقل من 10000 فولت. ربما تكون قد شاهدت هذه المحطات الفرعية ومحولاتها ذات المستوى المتوسط ​​في رحلاتك ؛ عادة ما يتم وضع المحولات في صناديق وتبدو مثل الثلاجات المزروعة على جانب الطريق.

عندما تغادر الكهرباء هذه المحطات ، وهو ما قد يحدث عادة في عدد من الاتجاهات المختلفة يصادف محولات أخرى أقرب إلى نقطة النهاية في التقسيمات والأحياء والأفراد دور. تعمل هذه المحولات على تقليل الجهد من أقل من 10000 فولت إلى ما يقرب من 240 - أي أكثر من 1000 مرة أقل من المستويات القصوى النموذجية التي تظهر في الأسلاك عالية التوتر لمسافات طويلة.

المحولات ، بالطبع ، هي عنصر واحد فقط من ما يسمى بشبكة الطاقة ، وهو اسم نظام الأسلاك ، المفاتيح والأجهزة الأخرى التي تنتج الكهرباء وترسلها وتتحكم فيها من مكان توليدها إلى مكانها تستخدم في النهاية.

تتمثل الخطوة الأولى في توليد الطاقة الكهربائية في جعل عمود المولد يدور. اعتبارًا من عام 2018 ، يتم ذلك غالبًا باستخدام البخار المنبعث من احتراق الوقود الأحفوري ، مثل الفحم أو النفط أو الغاز الطبيعي. يمكن لمحطات الطاقة النووية ومولدات الطاقة "النظيفة" الأخرى مثل المحطات المائية ومزارع الطواحين الهوائية أن تسخر أو تنتج الطاقة اللازمة لتشغيل المولد. مهما كان الأمر ، فإن الكهرباء التي يتم توليدها في هذه المحطات تسمى طاقة ثلاثية الطور. وذلك لأن مولدات التيار المتردد هذه تولد كهرباء تتأرجح بين حد أدنى وأقصى مستوى الجهد ، وكل مرحلة من المراحل الثلاث تقابلها 120 درجة عن المرحلة التي أمامها وخلفها زمن. (تخيل أنك تمشي ذهابًا وإيابًا عبر شارع طوله 12 مترًا بينما يفعل شخصان آخران نفس الشيء ، مما يجعل مسافة 24 مترًا ذهابًا وإيابًا ، باستثناء أن أحد الشخصين الآخرين يتقدمك دائمًا بثمانية أمتار والآخر خلفك بثمانية أمتار أنت. في بعض الأحيان ، يسير اثنان منكم في اتجاه واحد ، بينما في أوقات أخرى يسير اثنان منكم في الاتجاه الآخر ، ويغيرون مجموع حركاتكم ، ولكن بطريقة يمكن التنبؤ بها. هذه هي الطريقة التي تعمل بها طاقة التيار المتردد ثلاثية الطور.)

قبل أن تغادر الكهرباء محطة توليد الكهرباء ، تصادف محوّل لأول مرة. هذه هي النقطة الوحيدة التي تقوم فيها المحولات في شبكة الطاقة بزيادة الجهد بشكل ملحوظ بدلاً من تقليله. هذه الخطوة ضرورية لأن الكهرباء تدخل بعد ذلك خطوط نقل كبيرة في مجموعات من ثلاثة ، واحدة لكل مرحلة من مراحل الطاقة ، وقد يتعين على بعضها السفر لمسافة تصل إلى 300 ميل أو نحو ذلك.

في مرحلة ما ، تصادف الكهرباء محطة فرعية للطاقة ، حيث تقلل المحولات الجهد إلى أ مستوى مناسب لخطوط الطاقة الأكثر انخفاضًا التي تراها في الأحياء أو تعمل على طول المناطق الريفية الطرق السريعة. هذا هو المكان الذي تحدث فيه مرحلة التوزيع (على عكس النقل) لتوصيل الكهرباء ، حيث تترك الخطوط الطاقة عادةً المحطات الفرعية في عدد من الاتجاهات ، تمامًا مثل عدد من الشرايين المتفرعة من وعاء دموي رئيسي في نفس الوقت تقريبًا تقاطع طرق.

من محطة الطاقة الفرعية ، تمر الكهرباء إلى الأحياء وتترك خطوط الكهرباء المحلية (التي عادة ما تكون على "أعمدة الهاتف") للدخول إلى المساكن الفردية. تعمل المحولات الصغيرة (العديد منها يشبه علب القمامة المعدنية الصغيرة) على تقليل الجهد الكهربائي إلى حوالي 240 فولت حتى تتمكن من دخول المنازل دون التعرض لخطر كبير بالتسبب في نشوب حريق أو وقوع بعض الحوادث الخطيرة الأخرى.

لا تحتاج المحولات فقط إلى القيام بوظيفة معالجة الجهد ، ولكن يجب أيضًا أن تكون مقاومة للضرر ، سواء كان ذلك من خلال أفعال الطبيعة مثل العواصف الهوائية أو الهجمات البشرية المهندسة. ليس من المجدي إبقاء شبكة الطاقة بعيدة عن متناول العناصر أو الأوغاد البشريين ، ولكن نفس الشيء ، فإن شبكة الطاقة ضرورية للغاية للحياة الحديثة. أدى هذا المزيج من الضعف والضرورة إلى اتخاذ وزارة الأمن الداخلي الأمريكية مصلحة في أكبر المحولات في شبكة الطاقة الأمريكية ، والتي تسمى محولات الطاقة الكبيرة ، أو LPT. وظيفة هذه المحولات الضخمة التي تقع داخل محطات توليد الطاقة ويمكن أن تزن من 100 إلى 400 طن وتكلف الملايين الدولارات ، ضرورية للحفاظ على الحياة اليومية ، لأن فشل واحد يمكن أن يؤدي إلى انقطاع التيار الكهربائي على نطاق واسع منطقة. هذه هي المحولات التي تصعد الجهد بشكل كبير قبل أن تدخل الكهرباء في أسلاك عالية التوتر لمسافات طويلة.

اعتبارًا من عام 2012 ، كان متوسط ​​عمر LPT في الولايات المتحدة حوالي 40 عامًا. تم تصنيف بعض محولات الجهد العالي (EHV) المتطورة اليوم عند 345000 فولت ، ويتزايد الطلب على المحولات في كلٍّ من الولايات المتحدة والعالم ، يجبر حكومة الولايات المتحدة على البحث عن طرق لاستبدال LPTs الحالية حسب الحاجة وتطوير أخرى جديدة بسعر منخفض نسبيًا كلفة.

المحول عبارة عن مغناطيس مربع كبير به فتحة في المنتصف. تدخل الكهرباء من جانب واحد عبر أسلاك ملفوفة عدة مرات حول المحول ، وتترك على الجانب الآخر عبر أسلاك ملفوفة عدة مرات حول المحول. يؤدي دخول الكهرباء إلى إحداث مجال مغناطيسي في المحول ، والذي بدوره يؤدي إلى إحداث مجال كهربائي في الأسلاك الأخرى ، والتي تنقل الطاقة بعيدًا عن المحول.

على مستوى الفيزياء ، يعمل المحول من خلال الاستفادة من قانون فاراداي ، الذي ينص على أن نسبة الجهد للملفين تساوي نسبة عدد الدورات في الملفين المعنيين. وبالتالي ، إذا كان الجهد المنخفض مطلوبًا في محول ، فإن الملف الثاني (الخارج) يحتوي على عدد أقل من المنعطفات من الملف الأساسي (الوارد).