يمكن أن يأتي التيار المتردد (AC) في معظم الأجهزة في منزلك فقط من خطوط الكهرباء التي ترسل تيارًا مباشرًا (DC) من خلال استخدام محول. من خلال جميع أنواع التيار المختلفة التي قد تتدفق عبر الدائرة ، فإنه يساعد في الحصول على القدرة على التحكم في هذه الظواهر الكهربائية. لكل استخداماتها في تغيير جهد الدوائر ، تعتمد المحولات بشكل كبير على نسبة دورانها.
حساب نسبة تحويل المحولات
نسبة دوران المحولاتهو قسمة عدد الدورات في الملف الأولي على عدد الدورات في الملف الثانوي بواسطة المعادلة
T_R = \ فارك {N_P} {N_S}
يجب أن تكون هذه النسبة مساوية أيضًا لجهد الملف الأولي مقسومًا على جهد الملف الثانوي ، على النحو الوارد فيالخامسص/الخامسس. يشير الملف الأولي إلى المحرِّض الذي يعمل بالطاقة ، وهو عنصر دائري يحث على مجال مغناطيسي استجابة لتدفق الشحنة ، للمحول ، والمحول الثانوي هو غير مزود بالطاقة اداة الحث.
هذه النسب صحيحة في ظل افتراض أن زاوية الطور للملف الأولي تساوي زوايا المرحلة الثانوية بواسطةمعادلةΦص = Φس.تصف زاوية المرحلة الأولية والثانوية كيفية التيار ، الذي يتناوب بين الأمام و الاتجاهات العكسية في اللفات الأولية والثانوية للمحول ، متزامنة مع واحد اخر.
بالنسبة لمصادر جهد التيار المتردد ، كما هو مستخدم مع المحولات ، يكون شكل الموجة الواردة جيبيًا ، وهو الشكل الذي تنتجه الموجة الجيبية. تخبرك نسبة دوران المحول عن مقدار تغير الجهد عبر المحول مع مرور التيار من اللفات الأولية إلى اللفات الثانوية.
أيضًا ، يرجى ملاحظة أن كلمة "نسبة" في هذه الصيغة تشير إلى أجزء،ليست نسبة فعلية. يختلف جزء 1/4 عن النسبة 1: 4. في حين أن 1/4 جزء واحد من الكل مقسم إلى أربعة أجزاء متساوية ، فإن النسبة 1: 4 تمثل ، لواحد من شيء ما ، هناك أربعة من شيء آخر. "النسبة" في نسبة المنعطفات في المحولات هي كسر ، وليست نسبة ، في صيغة نسبة المحولات.
تكشف نسبة دوران المحول أن الاختلاف الجزئي الذي يتخذه الجهد بناءً على عدد الملفات الملتفة حول الأجزاء الأولية والثانوية من المحول. المحول الذي يحتوي على خمسة ملفات جرح أولية و 10 ملفات جرح ثانوية سيقطع مصدر الجهد إلى النصف كما هو معطى في 5/10 أو 1/2.
ما إذا كان الجهد يزيد أو ينقص نتيجة لهذه الملفات يحدد أنه محول تصاعدي أو محول تنحي بواسطة صيغة نسبة المحولات. المحول الذي لا يزيد أو ينقص الجهد هو "محول معاوقة" يمكنه ذلك أيضًا قم بقياس الممانعة ، أو معارضة الدائرة للتيار ، أو قم ببساطة بالإشارة إلى الفواصل بين الكهرباء المختلفة الدوائر.
بناء محول
المكونات الأساسية للمحول هما الملفان ، الأولي والثانوي ، اللذان يلتفان حول قلب حديدي. يستخدم اللب المغنطيسي الحديدي ، أو اللب المصنوع من مغناطيس دائم ، لمحول شرائح رقيقة معزولة كهربائيًا أيضًا أن هذه الأسطح يمكن أن تقلل من مقاومة التيار الذي يمر من الملفات الأولية إلى الملفات الثانوية لـ محول.
سيتم تصميم بناء المحولات بشكل عام لفقد أقل قدر ممكن من الطاقة. نظرًا لأنه لا يمر كل التدفق المغناطيسي من الملفات الأولية إلى الملف الثانوي ، فسيكون هناك بعض الخسارة في الممارسة. ستفقد المحولات الطاقة أيضًا بسببالتيارات إيدي، التيار الكهربائي الموضعي الناتج عن التغيرات في المجال المغناطيسي في الدوائر الكهربائية.
تحصل المحولات على أسمائها لأنها تستخدم هذا الإعداد لنواة مغنطة مع لفات على جزأين منفصلين منه تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة مغناطيسية من خلال تمغنط اللب من التيار إلى الأساسي اللفات.
بعد ذلك ، يستحث القلب المغناطيسي تيارًا في اللفات الثانوية ، والذي يحول الطاقة المغناطيسية مرة أخرى إلى طاقة كهربائية. هذا يعني أن المحولات تعمل دائمًا على مصدر جهد تيار متردد وارد ، وهو مصدر يقوم بالتبديل بين الاتجاهين الأمامي والخلفي للتيار على فترات منتظمة.
أنواع تأثيرات المحولات
بصرف النظر عن صيغة الجهد أو عدد الملفات ، يمكنك دراسة المحولات لمعرفة المزيد عن طبيعة الأنواع المختلفة من الملفات الفولتية والحث الكهرومغناطيسي والمجالات المغناطيسية والتدفق المغناطيسي وغيرها من الخصائص التي تنتج عن بناء أ محول.
على عكس مصدر الجهد الذي يرسل التيار في اتجاه واحد ، فإنمصدر جهد التيار المترددالمرسلة من خلال الملف الأساسي سيخلق المجال المغناطيسي الخاص بها. تُعرف هذه الظاهرة باسم الحث المتبادل.
ستزداد شدة المجال المغناطيسي إلى أقصى قيمته ، والتي تساوي الفرق في التدفق المغناطيسي مقسومًا على فترة زمنية ،دΦ / دينارا. ضع في اعتبارك ، في هذه الحالة ،Φيستخدم للإشارة إلى التدفق المغناطيسي ، وليس زاوية المرحلة. يتم رسم خطوط المجال المغناطيسي هذه للخارج من المغناطيس الكهربائي. تأخذ محولات بناء المهندسين أيضًا في الاعتبار ارتباط التدفق ، وهو نتاج التدفق المغناطيسيΦوعدد الملفات في السلكنناتج عن انتقال المجال المغناطيسي من ملف إلى آخر.
المعادلة العامة للتدفق المغناطيسي هي
\ Phi = BA \ cos {\ theta}
لمساحة السطح التي يمر بها الحقلأفي م2، حقل مغناطيسيبفي Teslas وθكزاوية بين متجه عمودي على المنطقة والمجال المغناطيسي. بالنسبة للحالة البسيطة للملفات الملفوفة حول المغناطيس ، يتم إعطاء التدفق بواسطة
\ Phi = الدوري الاميركي للمحترفين
لعدد الملفاتن، حقل مغناطيسيبوعلى منطقة معينةألسطح يوازي المغناطيس. ومع ذلك ، بالنسبة للمحول ، فإن وصلة التدفق تجعل التدفق المغناطيسي في الملف الأولي مساويًا للملف الثانوي.
بالنسبة الىقانون فاراداييمكنك حساب الجهد المستحث في اللفات الأولية أو الثانوية للمحول عن طريق الحسابN x dΦ / dt. وهذا ما يفسر أيضًا سبب تساوي نسبة دوران المحول لجهد جزء من المحول إلى الآخر مع عدد ملفات واحد إلى الآخر.
إذا كنت ستقارنN x dΦ / dtمن جزء إلى آخردΦ / ديناراسوف تلغي بسبب أن كلا الجزأين لهما نفس التدفق المغناطيسي. أخيرًا ، يمكنك حساب أمبير لفات المحول كمنتج للتيار مضروبًا في عدد الملفات كطريقة لقياس قوة مغنطة الملف
المحولات في الممارسة
ترسل شبكات توزيع الطاقة الكهرباء من محطات الطاقة إلى المباني والمنازل. تبدأ خطوط الطاقة هذه في محطة توليد الكهرباء حيث يقوم المولد الكهربائي بتوليد الطاقة الكهربائية من بعض المصادر. يمكن أن يكون هذا سدًا لتوليد الطاقة الكهرومائية يستغل طاقة الماء أو توربين غازي يستخدم الاحتراق لتوليد طاقة ميكانيكية من الغاز الطبيعي وتحويله إلى كهرباء. يتم إنتاج هذه الكهرباء ، للأسف ، كـالجهد DCوالتي تحتاج إلى تحويل لجهد التيار المتردد لمعظم الأجهزة المنزلية.
تجعل المحولات هذه الكهرباء قابلة للاستخدام من خلال إنشاء إمدادات طاقة تيار مستمر أحادية الطور للمنازل والمباني من جهد التيار المتردد المتذبذب الوارد. تضمن المحولات على طول شبكات توزيع الطاقة أيضًا أن الجهد هو مقدار مناسب للإلكترونيات المنزلية وأنظمة الكهرباء. تستخدم شبكات التوزيع أيضًا "الحافلات" التي تفصل التوزيع في اتجاهات متعددة جنبًا إلى جنب مع قواطع الدائرة لإبقاء التوزيعات المنفصلة متميزة عن بعضها البعض.
غالبًا ما يفسر المهندسون كفاءة المحولات باستخدام المعادلة البسيطة للكفاءة مثل
\ eta = \ frac {P_O} {P_I}
Fأو انتاج الطاقةصاوقوة الإدخالصأنا. بناءً على تصميمات المحولات ، لا تفقد هذه الأنظمة الطاقة للاحتكاك أو مقاومة الهواء لأن المحولات لا تتضمن أجزاء متحركة.
إن التيار الممغنط ، وهو مقدار التيار الضروري لمغنطة قلب المحول ، يكون صغيرًا جدًا بشكل عام مقارنة بالتيار الذي يحرضه الجزء الأساسي من المحول. تعني هذه العوامل أن المحولات عادةً ما تكون فعالة للغاية بكفاءات تصل إلى 95 بالمائة وما فوق لمعظم التصاميم الحديثة.
إذا كنت ستطبق مصدر جهد تيار متردد على الملف الأولي لمحول ، فإن التدفق المغناطيسي الذي يحدث فيه سيستمر اللب المغناطيسي في إحداث جهد تيار متردد في الملف الثانوي في نفس المرحلة مثل المصدر الجهد االكهربى. ومع ذلك ، يظل التدفق المغناطيسي في القلب 90 درجة خلف زاوية طور جهد المصدر. هذا يعني أن تيار الملف الأساسي ، تيار المغنطة ، يتخلف أيضًا عن مصدر جهد التيار المتردد.
معادلة المحولات في الحث المتبادل
بالإضافة إلى المجال والتدفق والجهد ، توضح المحولات الظواهر الكهرومغناطيسية المتبادلة الحث الذي يعطي مزيدًا من الطاقة للملفات الأولية للمحول عند توصيله بالكهرباء يتبرع.
يحدث هذا كرد فعل للملف الأولي على زيادة الحمل ، وهو الشيء الذي يستهلك الطاقة ، على اللفات الثانوية. إذا أضفت حمولة إلى اللفات الثانوية بطريقة مثل زيادة مقاومة أسلاكها ، سوف تستجيب اللفات الأولية عن طريق سحب المزيد من التيار من مصدر الطاقة للتعويض عن ذلك تخفيض.الحث المتبادلهو الحمل الذي تضعه على الثانوية التي يمكنك استخدامها لحساب الزيادة في التيار خلال اللفات الأولية.
إذا كنت ستكتب معادلة جهد منفصلة لكل من اللفات الأولية والثانوية ، فيمكنك وصف ظاهرة الحث المتبادل هذه. للملف الأساسي ،
V_P = I_PR_1 + L_1 \ frac {\ Delta I_P} {\ Delta t} -M \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
للتيار من خلال اللف الأساسيأناص، مقاومة تحميل اللف الأساسيص1، الحث المتبادلم، محاثة اللف الأوليةإلأنا، لف الثانويأناسوالتغيير في الوقت المناسبΔt. العلامة السلبية أمام الحث المتبادلميوضح أن تيار المنبع يواجه على الفور انخفاضًا في الجهد بسبب الحمل على الملف الثانوي ، ولكن استجابةً لذلك ، فإن الملف الأولي يرفع جهده.
تتبع هذه المعادلة قواعد كتابة المعادلات التي تصف كيف يختلف التيار والجهد بين عناصر الدائرة. بالنسبة للحلقة الكهربائية المغلقة ، يمكنك كتابة مجموع الجهد عبر كل مكون على أنه يساوي صفرًا لإظهار كيف ينخفض الجهد عبر كل عنصر في الدائرة.
بالنسبة للملفات الأولية ، تكتب هذه المعادلة لحساب الجهد عبر اللفات الأولية نفسها (أناصص1) ، الجهد بسبب التيار المستحث للمجال المغناطيسيإل1Δأناص/Δtوالجهد الناتج عن تأثير الحث المتبادل من اللفات الثانويةمس/Δt.
وبالمثل ، يمكنك كتابة معادلة تصف انخفاض الجهد عبر اللفات الثانوية على النحو التالي
م \ فارك {\ Delta I_P} {\ Delta t} = I_SR_2 + L_2 \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
تتضمن هذه المعادلة تيار اللف الثانويأناس، محاثة متعرجة ثانويةإل2ومقاومة حمل اللف الثانويص2. يتم تمييز المقاومة والحث برقمين 1 أو 2 بدلاً من P أو S ، على التوالي ، حيث غالبًا ما يتم ترقيم المقاومات والمحثات ، ولا يتم الإشارة إليها باستخدام الأحرف. أخيرًا ، يمكنك حساب الحث المتبادل من المحرِّضات مباشرة مثل
م = \ قدم مربع {L_1L_2}