تشغيل المحولات ثلاثية الأوجه على التوازى

من المعروف أن المحول ثلاثية الأوجه أفضل المحولات الموجودة فى الأسواق نظرا لما تتمتع به مميزات لا تتوفر فى سواها, وسنتناول فى هذا المقال أنواع المحولات ثلاثية الأوجه وطرق توصيل الملفات بها ومجال الاستخدام وطرق التبريد
م. مصطفى نصر
عملية التحويل للجهد تتم باستخدام إما ثلاثة محولات متماثلة كل منها ذو وجه واحد وتوصل معا بطريقة خاصة أو عن طريق استخدام محول واحد ثلاثى الأوجه (three phase transformers) ويفضل هذا الأخير نظرا لأن حجمه وكذلك ثمنه أقل من حجم ثلاثة محولات لها نفس القدرة الكلية.

• محول ذو ثلاثة أوجه, وثلاثة أفرع بقدرة 500 كيلو فولت أمبير . من النوع ذى القلب الملفوف . حيث تنقسم المحولات الثلاثية الأوجه إلى نوعين , كما هو الحال فى المحولات الأحادية وهذا النوع القلبى والنوع الهيكلى (القشرى) .
  النوع القلبى Core type
  2- محول قلبى ثلاثى الأوجه, ويحتوى على ملف ابتدائى وملف ثانوى لكل وجه ملفوفين معا على نفس الساق, حيث ترمز الأحرف الكبيرة V-U لبداية ونهاية الملف الابتدائى, أما الأحرف الصغيرة v-u فترمز لبداية ونهاية الملف الثانوى , وتوصل الملفات للثلاثة أوجه بطرق خاصة سوف تعرض فى الفقرة القادمة. أما نظرية التشغيل وكذلك الدائرة المتكافئة والاختبارات فهى نفسها كما فى حالة المحول الأحادى الوجه مع مراعاة علاقات الجهد والتيار فى حالة الثلاثة أوجه.
  النوع الهيكلى (القشرى) Shell type
  3-  النوع الهيكلى لمحول ثلاثى الأوجه, حيث تلف ملفات الابتدائى والثانوى لكل وجه فى القشرة الداخلية , وبالتالى فهلا تشبه ثلاثة محولات أحادية من هذا النوع مرتبة فى صف واحد.
  توصل الملفات
  توجد طرق كثيرة لتوصيل الملفات الابتدائية والملفات الثانوية وذلك للحصول على خواص تشغيل تلبى احتياجات الحمل الذى يعمل عليه المحول, ويمكن تلخيص أهم الطرق الشائعة لتوصيل المحولات ثلاثية الأوجه كالتالى:
  – توصيل الابتدائى نجمة –الثانوى نجمة Y-Y Star-Star
  – توصيل الابتدائى دلتا –توصيل الثانوى دلتا ∆-∆ Delta-Delta
  – توصيل الابتدائى نجمة –الثانوى دلتا ∆-Y Star-Delta
  – توصيل الابتدائى دلتا –توصيل الثانوى نجمة Y-∆ Delta-star
  توصيل Y-Y
  طريقة التوصيل نجمة-نجمة , حيث توصل ملفات الابتدائى على شكل Y وتوصل ملفات الثانوى أيضا على شكل Y . فى هذا النوع من التوصيل, لا يوجد مسار مغلق للتوافقية الثالثة فى التيار (Third-harmonic) حيث إن نقطة التعادل معزولة , وبالتالى يحتوى تيار المغنطة على التوافقية الثالثة بالإضافى إلى الموجه الأساسية , ويعمل هذا على تشوه شكل موجة الجهد مما ينتج عنه ضجيج يؤثر على خطوط الاتصالات. ولهذا السبب لا يستخدم هذا النوع من التوصيل إلا فى حالات خاصة.
  توصيل دلتا – دلتا ∆–∆
  فى هذا النوع من التوصيل, يوصل كل من ملفات الابتدائى والثانوى على شكل دلتا, حيث توصل نهاية كل ملف ببداية الملف الآخر ويطبق هذا لكلا الابتدائى والثانوى, وهذه الطريقة للتوصيل تجعل جهد الخط مساويا لجهد ملفات المحول, ويجب مراعاة ذلك عند التصميم.
  ويمتاز هذا النوع من التوصيل, إنه يوجد مسار مغلق لمرور التوافقية الثالثة داخل توصيلة الدلتا وبالتالى لا تنعكس على تيار الخط, مما يجعل شكل موجة الجهد جيبية.
  توصيل نجمة – دلتا ∆-Y
  يتم فى هذه الطريقة توصيل ملفات الابتدائى على شكل نجمة أما ملفات الثانوى فتوصل دلتا, ويلاحظ هنا أن توصيلة دلتا للملف الثانوى تنشىء مساراً للتوافقيات فى التيار, مما ينتج عنه جهد جيبى. أيضا جهد الخط للثانوى يساوى جهد الوجه. وهذا التوصيل من أكثر الأنواع شيوعا حيث يستخدم عند تخفيض الجهد فى نهاية خط نقل القدرة الكهربائية.
  توصيل دلتا – نجمة Y-∆
  توصل ملفات الابتدائى على شكل دلتا وبالتالى فإن جهد الوجه يساوى جهد الخط ولذلك يجب أن تصمم ملفات الابتدائى لتحمل جهد الخط. أما ملفات الثانوى فتوصل نجمة.
  مجال الاستخدام وطرق التبريد
  يعتبر المحول الثلاثى الأوجه أخف فى الوزن وأرخص فى التكلفة مقارنة باستخدام ثلاثة محولات أحادية الوجه. وكذلك يحتاج إلى مساعدة للتثبيت أقل. أيضا تعتبر كفاءة هذا المحول أعلى من استخدام ثلاثة محولات أحادية ولذلك يستخدم المحول الثلاثى فى محطات توليد القدرة الكهربائية لرفع جهد التوليد إلى جهد النقل. كما يستخدم أيضا فى محطات توزيع القدرة الكهربائية لخفض جهد النقل إلى جهد الاستهلاك عند تحميل المحول يمر به تيار ويحدث فقد نحاس بالإضافة إلى فقد الحديد المتواجد حتى فى حالة عدم وجود الحمل, وينتج عن ذلك ارتفاع درجة الحرارة إلى أن تصل قيمة ثابتة تعرف بدرجة الحرارة النهائية. وهذه يجب ألا تزيد على الدرجة المسموح بها للمواد العازلة المستخدمة. إن ارتفاع درجة الحرارة يؤثر على كفاءة المحول وكذلك عمره الافتراضى لذلك يتم استخدام وسائل تبريد مختلفة.
  للمحولات الصغيرة وحتى عدة كيلو فولت أمبير (KVA) , يكون التبريد بالهواء الطبيعى كافيا. بينما للمحولات ذات القدرة الأكبر, والمقاسات الأكبر, فإنها تغمر عادة وعاء (container) ممتلىء بالزيت. وتنتقل الحرارة إلى الزيت الذى يدور حول الوعاء بتيارات الحمل الطبيعية, وبالتالى تحمل معها الحرارة إلى جدران الوعاء حيث تتبدد. ويمكن زيادة مساحة أسطح الوعاء بشكل فعال بوسائل كثيرة.
  فمثلا يمكن استخدام عدة أنابيب رأسية على جوانب الوعاء وملحومة به بحيث يدور الزيت بطريقة طبيعية من خلالها. كما يمكن أيضا استخدام مشعات (radiators) خارجية حيث يدفع الزيت للمرور من خلالها, وبذلك يمكن التخلص من الحرارة الزائدة. وتستخدم هذه الطريقة للمحولات ذات القدرات المرتفعة والتى تصل إلى آلاف من الكيلو فولت أمبير. وفى المحولات فائقة القدرة يمكن تحسين المعدل الذى يمكن به تبديد الحرارة المتولدة باستخدام التبريد القسرى (forced colling) وذلك بدفع الهواء على وعاء الزيت أو على المشعات عن طريق مراوح ضخ للهواء, محول مع مبردات مروحية, كما يظهر أعلى المحول خزان الزيت المستخدم.
  توصيل المحولات على التوازى
  نحتاج فى بعض الأحيان إلى استخدام أكثر من محول واحد لتغذية أحمال كبيرة, لا يمكن أن يقوم بها محول واحد من المحولات التى يسهل الحصول عليها. لذلك نلجأ إلى توصيل محولين على التوازى, حيث يوصل ملفى الجهد العالى مع بعضهما وكذلك ملف الجهد المنخفض, وهناك اعتبارات لابد أن تؤخذ عند عمل مثل هذا التوصيل.
  شروط تشغيل المحولات على التوازى
  يجب أن تتوفر عدة شروط قبل توصيل محولين على التوازى معا. وهذا ينطبق على المحولات أحادية الوجه, والمحولات ثلاثية الأوجه. وإلى جانب ذلك كله يوجد شرط عام يجب ألا نغفله, وهو يختص بتشغيل أى نوعين من الآلات على التوازى . وينص على أن تكون قدرة الآلتين, المراد تشغيلهما بالتوازى, متقاربتين بقدر الإمكان . حيث لا يوجد ما يمنع تشغيل آلتين على التوازى بسبب اختلاف قدرتيهما , والحكمة من هذا الشرط ألا يؤدى أى اختلاف صغير, فى تحميل الآلة الكبيرة, إلى إلقاء عبء متزايد على الآلة الصغيرة, بسبب حدوث حالة تعدى الحمل . وتتلخص شروط توصيل المحولات على التوازى فى الآتى:
  1- أن يكون للمحولين نفس نسبة تحويل الجهد عند نفس التردد. حيث اتفاق نسبة التحويل يجعلنا نحصل على نفس الجهد على طرفى كل من ملفى الجهد الثانوى, فى حالة عدم وجود الحمل وذلك عند توصيل الملفين الابتدائيين معا على التوازى على منبع جهد واحد . وهذا يمنع مرور تيارات محلية (circulating current) بين الملفين الثانويين . والتى تعمل على زيادة فقد النحاس.
  2- أن يكون هبوط الجهد النسبى متساويا فى كل منهما عدديا, ومتوافقا مرحليا أى أن معامل التنظيم واحد للمحولين . وليس من الضرورى أن تتساوى المقاومتان والمانعتان, كل على حدة, فى المحولين فى هذه الحالة. المهم أن يتساوى الهبوط فى الجهد IZ فى المحولين مقدارا واتجاها.
  3- أن تراعى قطبية الأطراف عند توصيلهما, فتوصل الأطراف ذات القطبية المتماثلة معا. وينشأ عن وجود خطأ فى القطبية عند التوصيل, أن يصبح الملفان الثانويان مقصورين بضعف الجهد , مما يتسبب فى مرور تيار قصر كبير قبل التوصيل إلى الحمل . لذلك يجب التحقق من صحة التوصيل بالنسبة للقطبية قبل أن يصبح الملفان الثانويان متصلين على التوازى معا على طرفى الحمل.
  4- أن يراعى توافق التعاقب المرحلى (sequence phase) , بالنسبة للمحاولات الثلاثية الأوجه, على أن يكون تعاقب المراحل متماثلا فى المحولين, وإلا فسوف تحدث دائرة قصر بين كل مرحلتين خلال كل دورة.