أي نوع من المعدات الكهربائية يُظهر فقدانًا في الطاقة مع مرور الزمن، ولا يُستثنى محول الطاقة من ذلك. وينقسم فقدان الطاقة في محول الطاقة أساسًا إلى قسمين: فقدان النحاس وفقدان الحديد.

فقدان النحاس

التعريف والمبدأ

يلعب النحاس في المحول دورًا مهمًا؛ إذ يُستخدم عادةً سلك نحاسي في لفائف المحول، وتشير «خسارة النحاس» في المحول إلى الفقد الناتج عن السلك النحاسي. وتُعرف «خسارة النحاس» أيضًا بخسارة الحمل. وتُعدّ خسارة الحمل تلك خسارة متغيرة تتغير مع تغير الحمل. فعند تشغيل المحول تحت حمل، يواجه التيار المار عبر السلك مقاومة، مما يؤدي إلى فقدان طاقة بسبب هذه المقاومة. ووفقًا لقانون جول، فإن مرور التيار عبر المقاومة يولد حرارة جول، وكلما زاد التيار زادت خسارة الطاقة. وبالتالي، فإن فقدان الطاقة الناتج عن المقاومة يتناسب مع مربع شدة التيار، وهو مستقل عن الجهد. ولأن هذا الفقد يتغيّر بتغير شدة التيار، فإن خسارة النحاس (خسارة الحمل) تُعدّ خسارة متغيرة، وهي أيضًا الخسارة الرئيسية أثناء تشغيل المحول.

العوامل المؤثرة

التيار الحالي: كما ذكر أعلاه، تتناسب فقدان النحاس مع مربع التيار، لذا فإن قيمة التيار هي العامل الرئيسي المؤثر في فقدان النحاس.
مقاومة اللف: يتأثر فقدان النحاس بشكل مباشر بقيمة مقاومة اللف؛ فكلما ارتفعت المقاومة، زاد فقدان النحاس. طبقات الملف: كلما زاد عدد طبقات الملف، ازداد طول مسار تدفق التيار داخل اللف، مما يؤدي إلى ارتفاع المقاومة وزيادة فقدان النحاس. تردد التبديل: يرتبط تأثير تردد التبديل على فقدان النحاس في المحول ارتباطًا مباشرًا بمعاملات التوزيع وخصائص الحمل للمحول. فعند وجود خصائص حمل ومعاملات توزيع تتماشى مع الخصائص الحثية، ينخفض فقدان النحاس مع زيادة تردد التبديل؛ أما عند وجود خصائص سعوية، فيزداد فقدان النحاس مع ارتفاع تردد التبديل. تأثير درجة الحرارة: يتأثر فقدان الحمل أيضًا بدرجة حرارة المحول، كما أن الفيض المتسرب الناجم عن تيار الحمل يُحدث فقدانًا بسبب التيارات الدوامية في اللف، بالإضافة إلى فقدان عرضي في الجزء المعدني من اللف الواقع خارج اللف.

الحساب

هناك نوعان من صيغ الحساب
1. الصيغة المعتمدة على التيار المقنن والمقاومة:
فقدان النحاس (الوحدة: كيلوواط) = I² × Rc × Δt
حيث I هو التيار المقنن للمحول، وRc هو مقاومة السلك النحاسي، وΔt هو زمن تشغيل المحول.
2. الصيغة المعتمدة على التيار المقنن وإجمالي مقاومة النحاس: فقدان النحاس = I² × R
حيث يرمز I إلى التيار المقنن للمحول، ويرمز R إلى المقاومة الكلية للنحاس في المحول. ويمكن حساب المقاومة الكلية للنحاس R للمحول بالصيغة التالية:

R = (R1 + R2) / 2
حيث يرمز R1 إلى مقاومة النحاس في الجانب الابتدائي للمحول، ويرمز R2 إلى مقاومة النحاس في الجانب الثانوي للمحول.

طرق تقليل فقدان النحاس

تحسين مساحة المقطع العرضي للفائف المحول: تقليل مقاومة الموصل، مما يؤدي إلى خفض خسارة النحاس في المحول بشكل فعّال. اعتماد مواد موصلة عالية الجودة، مثل رقائق النحاس أو رقائق الألمنيوم، لتقليل مقاومة اللفات. تقليل زمن التشغيل تحت الحمل الخفيف للمحول: الحد من نسبة الوقت الذي يعمل فيه المحول تحت حمل خفيف، الأمر الذي يسهم في خفض خسارة النحاس في المحول.
فقدان الحديد

التعريف والمبدأ

على عكس فقدان النحاس، فإن فقدان الحديد في المحول لا يرتبط باللفّات أو بحجم التيار أو بعوامل أخرى؛ فكما يدل الاسم، ينشأ فقدان الحديد من قلب الحديد نفسه. ويُعرف فقدان الحديد في المحول أيضًا باسم «فقدان الحمل الخالي»، لأنه يظهر في حالتي الحمل الكامل والحمل الصفري، وهو نوع من الفقد الثابت في المحول. ومع ذلك، عند وجود حمل، ينخفض فقدان الطاقة مع انخفاض شدة المجال الكهربائي.

التصنيف

تنقسم خسارة الحديد في المحول إلى خسارة التباطؤ وخسارة التيارات الدوامية.
تستند خسائر الهستريسيس إلى مبدأ الحث الكهرومغناطيسي الذي يفسر ارتفاع وانخفاض الجهد وتغير التيار، إذ يتدفق التدفق المغناطيسي داخل المحول عبر القلب الحديدي، والذي يمتلك مقاومة مغناطيسية أمام هذا التدفق، تماماً كما يمتلك الموصل مقاومة أمام التيار الكهربائي، مما يؤدي إلى توليد حرارة تُعرف باسم «خسارة الهستريسيس».
فقدان التيار الدوامي: عندما يُشغَّل الملف الابتدائي للمحول، يتدفق التدفق المغناطيسي الناتج عن الملف داخل القلب؛ وبما أن القلب نفسه موصل كهربائي، فإن جهدًا محثوظًا يُحفَز عموديًا على مستوى خطوط المجال المغناطيسي. ويؤدي هذا الجهد إلى تشكيل حلقة مغلقة في مقطع القلب، مما يولد تيارًا كهربائيًا يشبه الدوامة، ومن هنا جاءت تسمية «التيار الدوامي». ويُطلق على الفقد الناتج عن هذا التيار الدوامي اسم «فقدان التيار الدوامي». ويرجع السبب في صنع القلب من صفائح رقيقة إلى أن توليد التيار الدوامي يقل كلما كانت الصفائح أرفع؛ إذ إن انخفاض سمكها يؤدي إلى ارتفاع المقاومة وبالتالي انخفاض شدة التيار.

التصنيف

تنقسم خسارة الحديد في المحول إلى خسارة التباطؤ وخسارة التيارات الدوامية.
فقدان الهستريسيس يعتمد مبدأ عمل المحول الكهربائي على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي لتحقيق ارتفاع وانخفاض الجهد وتغيّر التيار، ويتدفّق التدفق المغناطيسي داخل المحول عبر القلب الحديدي، الذي يُعدّ مقاومًا مغناطيسيًا للتدفق المغناطيسي، تمامًا كما يُعدّ الموصل مقاومًا للتيار الكهربائي، مما يؤدي إلى توليد حرارة؛ ويُسمّى هذا النوع من الفقد بـ«فقدان الهستريسيس».
فقدان التيار الدوامي: عندما يُشغَّل الملف الابتدائي للمحول، يتدفق التدفق المغناطيسي الناتج عن الملف داخل القلب؛ وبما أن القلب نفسه موصل كهربائي، فإن جهدًا محثوظًا يُحفَز عموديًا على مستوى خطوط المجال المغناطيسي. ويؤدي هذا الجهد إلى تشكيل حلقة مغلقة في مقطع القلب، مما يولد تيارًا كهربائيًا يشبه الدوامة، ومن هنا جاءت تسمية «التيار الدوامي». ويُطلق على الفقد الناتج عن هذا التيار الدوامي اسم «فقدان التيار الدوامي». ويرجع السبب في صنع القلب من صفائح رقيقة إلى أن توليد التيار الدوامي يقل كلما كانت الصفائح أرفع؛ إذ إن انخفاض سمكها يؤدي إلى ارتفاع المقاومة وبالتالي انخفاض شدة التيار.

العوامل المؤثرة

جهد التشغيل وتردده: تؤثر خسارة الحديد ومستوى جهد التشغيل وتردده في المحول، إذ إن هذه العوامل تؤثر على شدة المجال المغناطيسي وظاهرة الهستيريسس في القلب. مادة قلب الحديد: تؤثر طبيعة الهستيريسس لمادة القلب على حجم خسارة الحديد. فإذا لم يتم اختيار مادة القلب بشكل جيد، فإن خسارة الهستيريسس ستزداد. عملية التصنيع: تؤثر عملية تصنيع المحول أيضًا بشكلٍ ما على خسارة الحديد؛ فعلى سبيل المثال، طريقة رصّ القلب، والمعالجة العازلة، وغيرها من العوامل، تؤثر جميعها على حجم خسارة الحديد.

الحساب

1. استنادًا إلى التيار المقنن والهستيريس، صيغة فقدان المقاومة:
فقدان الحديد (الوحدة: كيلو فولت أمبير) = I² × (Rm + Ra)
حيث I هو التيار المقنن للمحول، وRm هو فقدان الهستريسيس في القلب، وRa هو فقدان المقاومة في القلب.
2. المعادلة القائمة على الثابت، وكثافة التدفق، وتردد التشغيل:

P الحديد = Kf × (Bm)^2 × f
حيث PFe هو فقدان الحديد، وKf هو الثابت، وBm هو كثافة التدفق المغناطيسي، وf هو تردد تشغيل المحول.

طريقة التخفيض

اختيار مواد نووية عالية الجودة: اختيار مواد نووية ذات فقدان هستيري منخفض يسهم في تقليل فقدان الحديد في المحول.
تحسين عملية التصنيع: من خلال تحسين طريقة رصّ القلب الحديدي، ومعالجة العزل، وغيرها من عمليات التصنيع، يتم خفض فقدان الطاقة في الحديد.
تصميم معقول: في مرحلة تصميم المحول، ومن خلال تحسين التصميم الهيكلي واختيار المعايير المناسبة، يتم تقليل فقدان الحديد.