محول التيار

محول تيار رقمي

وظيفة محول التيار أن يغذي جهاز القياس أو الوقاية بتيار صغير تتناسب قيمته مع التيار الأصلي المار في الدائرة، ويفضل دائما أن تكون قيمة تيار الجانب الثانوي في حدود أقل من 5 أمبير في الأحوال الطبيعية، ويتم ذلك باختيار نسبة تحويل معينة تعرف ب (turns ratio) . ولها قيم قياسية أشهرها على سبيل المثال ( 5 : 100 ) , ( 5 : 200 ) , ( 5 : 300 ) . حتي تصل إلى أقصى قيمة عمليا وهي ( 1 : 3000 ) .

وأحد أهم الفروق التي تميز محول التيار عن محولات القوى أو محولات الجهد أن الملف الابتدائي له يدخل على التوالي في الدائرة المراد قياس تيارها.[4]

محول تيار يستخدم كجهاز قياس لمصدر تيار ثلاثي الأوجه 400 أمبير

يستخدم محول التيار في التطبيقات التالية :

• أجهزة الوقاية .
• أجهزة القياس والتحكم .

ومن المهم التأكد على أن محولات التيار المستخدمة مع أجهزة الوقاية تتميز بقدرتها على العمل بدقة في مدى واسع للتيار، لأن تيارات الأعطال متغيرة القيمة بشكل واسع .
على عكس محولات التيار المستخدمة في أجهزة القياس حيث يكون لها مدى محدود للدقة المطلوبة .

محول متصل بمصدر V_P على الجانب الابتدائي عليه حمل Z_L في الجانب الثانوي حيث 0 <Z_L <∞.

النظرية العلمية لعمل محول التيار

مخطط لمحول التيار

يتم توصيل طرفي الملف الابتدائي في محولات التيار على التوالي داخل الدائرة المراد قياس تيارها , في حين يوصل جهاز الوقاية / القياس بين طرفي الملف الثانوي ومحول التيار .

ومن المعروف أن تيار الثانوي يتناسب مع تيار الابتدائي طبقا للنظرية العامة للمحولات، بمعنى أن :

${\displaystyle n={\frac {V_{\text{P}}}{V_{\text{S}}}}={\frac {-N_{\text{P}}}{-N_{\text{S}}}}}$

${\displaystyle {\frac {V_{\text{P}}}{V_{\text{S}}}}={\frac {I_{\text{S}}}{I_{\text{P}}}}={\frac {N_{\text{P}}}{N_{\text{S}}}}={\sqrt {\frac {L_{\text{P}}}{L_{\text{S}}}}}=n}$ .

حيث

V_p هو جهد الابتدائي

V_s هو جهد الثانوي

I_p هو تيار الابتدائي

I_s هو تيار الثانوي

n هي النسبة بين عدد لفات الملف الثانوي إلى عدد لفات الملف الابتدائي، وهي تسمي ب ( turns ratio ) .

وعند توصيل محول تيار إلى جهاز ما للوقاية أو للقياس له معاوقة Z , فإن التيار المار بالابتدائي سوف ينشأ فيضا مغناطيسيا ينتج عنه ظهور جهد EMF بين طرفي الثانوي يرمز له بالرمز Es , وهو الذي يتسبب في مرور تيار Is . وبالتالي يظهر على طرفي جهاز الحماية أو القياس جهد قدره Vo يساوي

${\displaystyle Z'_{\text{L}}={\frac {V_{\text{P}}}{I_{\text{P}}}}={\frac {aV_{\text{S}}}{I_{\text{S}}/a}}=a^{2}{\frac {V_{\text{S}}}{I_{\text{S}}}}=a^{2}{Z_{\text{L}}}}$ .

وهذا الجهد الناشئ بين طرفي الملف الثانوي يتناسب طرديا مع معدل تغير الفيض , بمعني أن :

${\displaystyle V_{\text{S}}=-N_{\text{S}}{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}}$

${\displaystyle V_{\text{P}}=-N_{\text{P}}{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}}$

ومن المعروف أن الفيض اللازم لينشأ Es يساوي :

${\displaystyle E_{\text{rms}}={\frac {2\pi fNaB_{\text{peak}}}{\sqrt {2}}}\approx 4.44fNaB_{\text{peak}}}$

حيث :

B هي كثافة الفيض في القلب الحديدي .

A هي مساحة مقطع القلب الحديدي .

منحنيات المغناطيسي لتسعة مواد ذات مغناطيسية حديدية تبين الوصول إلى التشبع : 1.صفيحة من الحديد , 2.حديد سيليكوني , 3.حديد مصبوب , 4.سبيكة حديد و تنجستن , 5.حديد مغناطيس , 6.حديد مصبوب, 7.النيكل, 8.الكوبلت , 9. ماغنتيت خام.

من المعروف أن لكل محول تيار منحنى مغناطيسي خاص به يوضح العلاقة بين فرق الجهد الذي ينشأ في الملف الثانوي والتيار المسبب للفيض , وهو التيار المعروف ب Ie . وهذا التيار يمثل جزء صغير من التيار المتولد في الجانب الثانوي، وهو يسحب داخل المعاوقة الداخلية لمحول التيار Ze التي تظهر ضمن الدائرة المكافئة لمحول التيار. ودائما ما يسحب جهاز الوقاية / القياس المركب بين طرفي الثانوي الجزء الأكبر من تيار الثانوي.[5]

ويوجد على منحنى المغناطيسية نقطة هامة تسمى نقطة الانقلاب ( knee point ) . وتعرف هذة النقطة طبقا لل IEC بأنها النقطة التي تتسبب في زيادة قدرها 10 % في قيمة الجهد Es نتيجة ارتفاع قيمة التيار Ie بمقدار 50 % .
وبمعني آخر، هي النقطة التي يبدأ بعدها محول التيار في دخول مرحلة التشبع، وأغلب محولات التيار يجب أن تعمل في المنطقة الخطية قبل هذه النقطة حتي لا يحدث تشبع للمحول.

من المعروف أن التيار الكهربي المتردد مصاحب دائما بفيض مغناطيسي متردد يتناسب طرديا معه، وبالتالي كلما زاد التيار زاد الفيض . ومشكله التشبع تحدث مع الزيادة الكبيرة في قيمة التيار ( أي عند حدوث عطل ) , حيث يتسبب ذلك في نشوء فيض عالي جدا لا يستطيع القلب الحديدي تحملة فيحدث له ما يسمى بالتشبع.[6]

والقلب الحديدي في هذة الحالة يشبة طريق كبير يمر فيه عدد من السيارات , لكن الطريق له قدرة إستيعابية محددة فإذا زاد عدد السيارات به فإن المرور حتما سيتوقف ونقول بأن الطريق قد حدث له تشبع، وهذا تماما ما يحدث في القلب الحديدي حيث يتسبب التشبع في توقف زيادة الفيض العالي، وبالتالي تثبت قيمة الفيض على قيمة معينة ثابتة ( حد التشبع ) بمعني أن «معدل التغير» في الفيض قد أصبح صغيرا، وبالتالي لا ينشأ أي تيار في الملف الثانوي ( يصل تقريبا إلى الصفر ) .

ويعتبر النقص التدريجي في مركبة التيار المستمر ( DC component ) هي أحد العوامل الأساسية في تشوه قيمة تيار الثانوي مقارنة بالتيار الابتدائي وتتوقف قيمتها عى لحظة القفل وعلى قيمة المقاومة R والمعاوقة X الموجوده في الدائرة .
بينما تتوقف مدة بقائها على قيمة المقاومة R والمعاوقة X فقط .

عند توصيل مصدر كهربي على الجانب الابتدائي فإنه ينشأ قوة دافعة مغناطيسية mmf , تقوم بدفع الفيض في القلب الحديدي، ثم يقطع هذا الفيض ملفات الثانوي فينشأ فيه تيار ثانوي، ثم يقوم التيار الثانوي بتوليد mmf جديدة ومعاكسة لتلك الموجودة في الابتدائي .

وفي حالة فتح دائرة الثانوي في محول التيار، فلن تنشأ أي mmf مضادة لتلك المتولدة في الابتدائي، وبالتالي تكون كل mmf في الابتدائي مركزة على القلب فقط، ويظهر جهد عالي على أطراف المحول بسبب مرور كل تيار الابتدائي المعاوقة الموازية Ze . وهذا الجهد العالي يمثل خطورة ليس فقط على المحول وإنما على الأشخاص المتعاملين مع هذة المحولات في حالة صيانتها كمثال .

ولذا فإنه من الضروري أن يتم نزع جهاز الوقاية من الجانب الثانوي لمحول التيار لأي سبب من الأسباب، ويلزم أن يستبدل الجهاز بدائرة قصر short cicuit على أطراف الثانوي للمحول . وبالتالي يظل هناك تيار في الثانوي وتظل هناك mmf معاوقة لتلك الموجودة في الابتدائي، فلا يرتفع الجهد على أطراف محول التيار .

يتم تعريف الحمل على أنه قيمة load الموجودة في دائرة الجانب الثانوي للمحول ( هذا التعريف يصلح لمحولات الجهد ومحولات التيار معا ) . وأحيانا ( خاصه مع محولات التيار ) يشار إليه على أنه قيمة الحمل أو المعاوقة الموجودة في دائرة الملف الثانوي للمحول .

وفي الغالب يعرف الحمل لمحول التيار بالفولت أمبير وليس بالأوم , ولكن بالطبع هما متكافئان ويمكن إستنتاج أحدهما بدلاله الآخر . فعلى سبيل المثال :

محول التيار الذي يتحمل حمل قدرة 12.5 فولت أمبير وتياره الطبيعي في الثانوي يساوي 5 أمبير , يمكنه في الواقع تحمل توصيل حمل قدره 0.5 أوم . بقسمة القدرة على مربع التيار .

وبصفة عامة فإن الحمل من النقاط الهامة التي يجب أن تؤخذ بعين الاعتبار عند اختيار محول التيار . وهي تشمل :

• مقاومة الأسلاك .
• مقاومة جهاز الوقاية .

وعلى ضوء قيمة هذة المعاوقة التي يراها محول التيار في دائرة الملف الثانوي له فإنه من الممكن تحديد إلى أي مدى يمكن استخدام هذا المحول في مجال القياسات العامة أو مجال الوقاية .

وكلما كان جهاز الوقاية يمثل حمل صغير كلما كان ذلك أفضل، لأننا لن نحتاج في هذة الحالة إلى محول ذي قدرة عالية . وهذة إحدى الميزات العديدة لأجهزة الوقاية الرقمية ( أنها تمثل حمل صغير مقارنة بأنواع أجهزة الوقاية التقليدية ) .

محول تيار يستخدم غاز SF₆ في روسيا

من أهم الكميات التي يجب توصيفها بدقة مع محول التيار:[7]

• الحمل ويعرف بالفولت أمبير ( VA ) والقيم التالية تعبر عن أشهر القيم المستخدمة : ( 2.5 , 5 , 7.5 , 10 , 15 , 30 ) فولت أمبير .
• أقصى تيار يتحملة وغالبا يشار إلى أقصى تيار في الجانب الابتدائي .
• أقصى تيار في مدة وجيزة وغالبا يشار إلى تيار الثانوي، وتكون المدة المحسوب عليها أقصى تيار تتراوح بين نصف ثانية وثلاث ثوان .
• تيار الثانوي المقنن وغالبا ما يكون 1 أو 2 أو 5 أمبير . وإذا زادت المسافة بين محول التيار وبين أجهزة الحماية عن 30 متر فإننا نستخدم تيارا ثانويا يساوي 1 أمبير .
• نسبة التحويل وأقصاها عمليا هي 1 : 3000 , وبالطبع هناك قيم أصغر من ذلك .
• النوع ومن أشهر الأنواع المستخدمة في الوقاية 10P , 5P بالإضافة إلى class X الذي يستخدم غالبا مع أجهزة الوقاية التفاضلية وذلك طبقا للمواصفات البريطانية BS . وكلما كانت الدقة المطلوبة عالية، كلما كان الجهاز المستخدم برقم أصغر .

لدى IEC مسميات أخرى وهي TPX , 10P , 5p , TPZ , TPY .

• معامل التشبع فهي المقياس لأقصى تيار يمر في الجانب الابتدائي دون أن تتأثر دقة القراءة في الجانب الثانوي .

وبمعني آخر هو أقصى تيار يمر في الابتدائي قبل أن يتشبع القلب، ويتشوه تيار الثانوي .

هناك ثلاثة اختبارات أساسية [8] يجب إجراؤها قبل البدء في إدخال محولات التيار في الخدمة وهي:[9]

1. اختبار القطبية .
2. اختبار قيمة نسبة التحويل .
3. اختبار منحني المغناطيسية .

• محول
• محول جهد سعوي
• محول تضمين
• محول مقوم
• محول تردد
• محول دلتا ستار
• المغير
• قبعة الألومنيوم
• أجهزة
• منظم الجهد
• قدرة التيار المتردد
• جهاز إنذار الحريق
• مصابيح الإضاءة
• أعطال منظومة القوى
• قائمة مهندسي الكهرباء

• بوابة إلكترونيات
• بوابة الفيزياء
• بوابة كهرباء
• بوابة طاقة