تقویم‌کننده ترانسفورماتور: اصل کار و کاربردها

1. ترانسفورماتور مستقيم: المبدأ والنظرة العامة

ترانسفورماتور المستقيم هو ترانسفورماتور متخصص مصمم لتزويد أنظمة التقويم. مبدأ عمله هو نفسه مبدأ الترانسفورماتور التقليدي - يعمل على أساس الحث الكهرومغناطيسي ويستخدم لتحويل الجهد المتردد. يحتوي الترانسفورماتور النموذجي على ملفين كهربائيين معزولين كهربائيًا - الأساسي والثانوي - ملفوفين حول قلب حديدي مشترك.

عندما يتم توصيل الملف الأساسي بمصدر طاقة متناوبة، يتدفق التيار المتناوب عبره، مما يولد قوة مغناطيسية (MMF)، والتي تنتج تدفقًا مغناطيسيًا متناوبًا في القلب الحديدي المغلق. هذا التدفق المتغير يقطع كلًا من الملف الأساسي والثانوي، مما يسبب جهدًا متناوبًا بنفس التردد في الملف الثانوي.

نسبة عدد اللفات بين الملف الأساسي والثانوي تساوي نسبة الجهد. على سبيل المثال، إذا كان للترانسفورماتور 440 لفة في الملف الأساسي و220 لفة في الملف الثانوي، مع جهد دخل 220 فولت على الجانب الأساسي، سيكون الجهد الخرج على الجانب الثانوي 110 فولت. بعض الترانسفورماتورات قد تحتوي على ملفات ثانوية متعددة أو نقاط توصيل، مما يسمح بحصول عدة جهود خرج مختلفة.

2. خصائص ترانسفورماتور المستقيم

يعمل ترانسفورماتور المستقيم مع أجهزة التقويم لتشكيل معدات التقويم، مما يتيح تحويل الطاقة المتناوبة إلى طاقة مستقيمة. مثل هذه الأنظمة المستقيمة هي الأكثر شيوعًا كمصادر طاقة مستقيمة في الشركات الصناعية الحديثة، وتستخدم على نطاق واسع في نقل التيار المستقيم عالي الجهد، والجر الكهربائي، ومطاحن الدرفلة، والتغليف الكهربائي، والكهروتحليل وغيرها من المجالات.

الجانب الأساسي (يُطلق عليه أيضًا الجانب الشبكي) من ترانسفورماتور المستقيم يتصل بشبكة الطاقة المتناوبة، بينما يتصل الجانب الثانوي (يُطلق عليه أيضًا الجانب الوحدوي) بأجهزة التقويم. رغم أن بنية أساسه ومبادئ عمله متشابهة مع تلك الخاصة بالترانسفورماتور التقليدي، فإن الحمل - وهو جهاز التقويم - يختلف بشكل كبير عن الأحمال العادية، مما يؤدي إلى خصائص تصميم وتشغيل فريدة:

2.2 موجات التيار غير الجيبية

في دائرة التقويم، كل ذراع يوصل فقط خلال جزء من الدورة، مما يؤدي إلى موجات تيار غير جيبية - عادة ما تكون قريبة من النبضات المستطيلة المنقطعة. وبالتالي، يكون التيار في الملف الأساسي والثانوي غير جيبياً.

على سبيل المثال، في جسر التقويم ثلاثي الأطوار مع اتصال Y/Y، تظهر موجة التيار نماذج نبضية مميزة. عند استخدام الثايستورات للتقويم، كلما زاد زاوية التأخير، كان صعود وهبوط التيار أكثر حدة، مما يزيد من محتوى التوافقيات. وهذا يؤدي إلى زيادة خسائر الدوامات. بما أن الملف الثانوي يوصل التيار فقط جزء من الوقت، فإن معدل الاستخدام لترانسفورماتور المستقيم أقل من ذلك الخاص بالترانسفورماتور التقليدي. لذلك، بالنسبة لنفس تصنيف الطاقة، تكون الترانسفورماتورات المستقيمة أكبر وأثقل.

2.3 السعة الظاهرة المكافئة (المتوسطة)

في الترانسفورماتور التقليدي، تكون الطاقة الداخلة والخارجة متساوية (مع إهمال الخسائر)، لذا فإن السعة المصنفة هي ببساطة السعة الظاهرة لأي من الملفين. ومع ذلك، في ترانسفورماتور المستقيم، قد يختلف شكل التيار في الملف الأساسي والثانوي (مثلًا في التقويم نصف الموجة)، مما يجعل سعتيهما الظاهرتين غير متساويتين.

لذلك، يتم تعريف سعة الترانسفورماتور كمتوسط السعتين الظاهريتين الأولية والثانوية، وتعرف باسم السعة المكافئة:

حيث ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">1</span>}}$S1 هي السعة الظاهرة الأولية و ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">2</span>}}$S2 هي السعة الظاهرة الثانوية.

2.4 قدرة عالية على تحمل التفاصيل القصيرة

يجب أن يكون لترانسفورماتور المستقيم مقاومة ميكانيكية عالية لتحمل القوى الكهرومغناطيسية الناتجة عن الأعطال المتكررة أو التغيرات المفاجئة في الحمل (مثل بدء المحرك). يعتبر ضمان الاستقرار الديناميكي تحت ظروف التفصيل القصير اعتبارًا أساسيًا في التصميم والإنتاج.

3. التطبيقات الرئيسية لترانسفورماتور المستقيم

تعمل ترانسفورماتورات المستقيم كمصدر طاقة للمعدات المستقيمة. ميزتها الرئيسية هي تحويل الإدخال المتناوب على الجانب الأساسي إلى إخراج مستقيم عبر عناصر التقويم على الجانب الثانوي. "تحويل الطاقة" يشمل التقويم، والعكس، وتغيير التردد، ومن بينها التقويم هو الأكثر استخدامًا. تُعرف الترانسفورماتورات المستخدمة لتزويد أجهزة التقويم بأنها ترانسفورماتورات مستقيمة. معظم مصادر الطاقة المستقيمة الصناعية يتم الحصول عليها عن طريق الجمع بين شبكات التيار المتناوب وترانسفورماتورات المستقيم ودوائر التقويم.

3.1 الصناعة الكهروكيميائية

هذا هو أكبر مجال تطبيق لترانسفورماتورات المستقيم:

• الكهروتحليل لمجمعات المعادن لإنتاج الألومنيوم والمغنيسيوم والنحاس وغيرهما من المعادن غير الحديدية

• إنتاج الكلور والكاوستيك عن طريق كهروتحليل ماء البحر

• إنتاج الهيدروجين والأكسجين عن طريق كهروتحليل الماء

تتطلب هذه العمليات طاقة مستقيمة ذات تيار عالي وجهد منخفض، مماثلة في بعض النواحي لترانسفورماتورات الأفران الكهربائية. لذا، تشترك ترانسفورماتورات المستقيم مع ترانسفورماتورات الأفران في بعض الخصائص الهيكلية.

أبرز خصائص ترانسفورماتورات المستقيم هو أن التيار الثانوي لم يعد تيارًا متناوبًا جيبياً. بسبب التوصيل أحادي الاتجاه لعناصر التقويم، تصبح التيارات الفازية متذبذبة وأحادية الاتجاه. بعد الترشيح، يصبح هذا التيار المتذبذب مستقيمًا ومستقرًا.

الجهد والتيار الثانوي يعتمدان ليس فقط على سعة الترانسفورماتور ومجموعة الاتصال ولكن أيضًا على تكوين دائرة التقويم (مثل جسر ثلاثي الأطوار، ثنائي مضاد متوازي مع رد فعل التوازن). حتى لو كان الإخراج المستقيم هو نفسه، تتطلب دوائر التقويم المختلفة جهودًا ثانوية وتيارات مختلفة. لذا، تبدأ حسابات المعلمات لترانسفورماتورات المستقيم من الجانب الثانوي وتستند إلى التكوين الخاص بالتقويم.

بسبب وجود توافقيات عالية الرتبة في تيارات ملفات التقويم، فإنها تلوث شبكة التيار المتناوب وتقلل من معامل الطاقة. لتخفيض التوافقيات وتحسين معامل الطاقة، يجب زيادة عدد النبضات في نظام التقويم، عادةً ما يتم تحقيق ذلك من خلال تقنيات التحويل. الهدف من التحويل هو تقديم انحراف طوري بين الجهود الخطية في الأطراف المتجانسة للملفات الثانوية.

3.2 تزويد الطاقة المستقيمة للجر

يتم استخدامه في القطارات الكهربائية في المناجم أو المدن مع خطوط سلكية جوية مستقيمة.

• الأعطال القصيرة المتكررة بسبب تعرض خطوط السلكية الجوية

• التقلبات الكبيرة في الحمل المستقيم

• بدء المحركات المتكرر يسبب زيادة قصيرة الأمد في الحمل

للتعامل مع هذه الظروف:

• حدود درجة الحرارة المنخفضة

• انخفاض كثافة التيار

• الحث أعلى بنسبة حوالي 30% من الترانسفورماتورات الكهربائية القياسية

3.3 تزويد الطاقة المستقيمة للدفع الصناعي

يُستخدم بشكل أساسي لتزويد المحركات المستقيمة في أنظمة الدفع الكهربائي، مثل:

• الذراع والتهيج المغناطيسي لمحركات مطاحن الدرفلة

3.4 نقل التيار المستقيم عالي الجهد (HVDC)

• جهود التشغيل عادة فوق 110 كيلو فولت

• السعة تتراوح من عشرات الآلاف إلى مئات الآلاف من الكيلو فولت أمبير

• يتطلب اهتمامًا خاصًا للضغط الكهربائي المركب للتيار المتناوب والمستقيم للأرض

تطبيقات أخرى:

• التيار المستقيم للكهروغمس أو الكهروتصنيع

• مصادر الطاقة للتحفيز للمولدات

• أنظمة شحن البطاريات

• مصادر الطاقة لمرشحات الكهروستاتيكية (ESP)