محول

في الهندسة الكهربائية ، المحول هو مكون سلبي ينقل الطاقة الكهربائية من دائرة كهربائية إلى دائرة أخرى أو دوائر متعددة . ينتج التيار المتغير في أي ملف من ملفات المحول تدفقًا مغناطيسيًا متغيرًا في قلب المحول، مما يحفز قوة دافعة كهربائية متغيرة عبر أي ملفات أخرى ملفوفة حول نفس القلب. يمكن نقل الطاقة الكهربائية بين ملفات منفصلة دون وجود اتصال معدني (موصل) بين الدائرتين. يصف قانون فاراداي للحث ، الذي تم اكتشافه في عام 1831، تأثير الجهد المستحث في أي ملف بسبب التدفق المغناطيسي المتغير المحيط بالملف.

تُستخدم المحولات لتغيير مستويات الجهد المتردد ، وتُسمى هذه المحولات من النوع الرافع أو المخفض لزيادة أو خفض مستوى الجهد على التوالي. يمكن أيضًا استخدام المحولات لتوفير عزل جلفاني بين الدوائر وكذلك لربط مراحل دوائر معالجة الإشارة. منذ اختراع أول محول ذي جهد ثابت في عام 1885، أصبحت المحولات ضرورية لنقل وتوزيع واستخدام الطاقة الكهربائية للتيار المتردد. ^[1] توجد مجموعة واسعة من تصميمات المحولات في تطبيقات الطاقة الإلكترونية والكهربائية. تتراوح المحولات في الحجم من محولات التردد اللاسلكي التي يقل حجمها عن سنتيمتر مكعب، إلى وحدات تزن مئات الأطنان المستخدمة لربط شبكة الطاقة .

المحول المثالي هو محول خطي ، خالٍ من الخسائر ومقترن بشكل مثالي . يعني الاقتران المثالي نفاذية مغناطيسية عالية للغاية للقلب ومحاثة لف وقوة مغناطيسية صافية تساوي صفرًا (أي i _p n _p  −  i _s n _s  = 0). ^{[3] [ج]}

يؤدي التيار المتغير في الملف الأولي للمحول إلى إحداث تدفق مغناطيسي متغير في قلب المحول، والذي يحيط به أيضًا الملف الثانوي. ويؤدي هذا التدفق المتغير في الملف الثانوي إلى إحداث قوة دافعة كهربائية متغيرة أو جهد في الملف الثانوي. وتشكل ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي هذه أساس عمل المحول، ووفقًا لقانون لينز ، فإن التيار الثانوي الناتج بهذه الطريقة يخلق تدفقًا مساويًا ومعاكسًا للتدفق الناتج عن الملف الأولي.

يتم لف اللفات حول قلب ذو نفاذية مغناطيسية عالية بشكل لا نهائي بحيث يمر كل التدفق المغناطيسي عبر كل من اللفات الأولية والثانوية. مع وجود مصدر جهد متصل باللف الأولي وحمل متصل باللف الثانوي، تتدفق تيارات المحول في الاتجاهات المشار إليها ويتم إلغاء القوة الدافعة المغناطيسية الأساسية إلى الصفر.

وفقًا لقانون فاراداي ، نظرًا لأن نفس التدفق المغناطيسي يمر عبر كل من اللفات الأولية والثانوية في المحول المثالي، يتم إحداث جهد في كل لف يتناسب مع عدد لفاته. نسبة جهد لفات المحول تساوي نسبة لفات اللفات. ^[6]

المحول المثالي هو تقريب معقول لمحول تجاري نموذجي، حيث تكون نسبة الجهد ونسبة لفات اللفات متناسبة عكسياً مع نسبة التيار المقابلة.

إن معاوقة الحمل المشار إليها في الدائرة الأولية تساوي نسبة اللفات التربيعية مضروبة في معاوقة الحمل في الدائرة الثانوية. ^[7]

يتجاهل نموذج المحول المثالي العديد من الجوانب الخطية الأساسية للمحولات الحقيقية، بما في ذلك الخسائر غير القابلة للتجنب وانعدام الكفاءة. ^[8]

(أ) الخسائر الأساسية، والتي تسمى بشكل جماعي خسائر التيار المغناطيسي، والتي تتكون من ^[9]

• خسائر الهستيريسيس بسبب التأثيرات المغناطيسية غير الخطية في قلب المحول، و
• خسائر التيار الدوامي بسبب تسخين جول في القلب والتي تتناسب مع مربع الجهد المطبق على المحول.

(ب) على عكس النموذج المثالي، فإن الملفات في المحول الحقيقي لها مقاومات ومحاثة غير صفرية مرتبطة بـ:

• خسائر الجول بسبب المقاومة في الملفات الأولية والثانوية ^[9]
• تسرب التدفق الذي يهرب من القلب ويمر عبر ملف واحد فقط مما يؤدي إلى معاوقة تفاعلية أولية وثانوية.

(ج) على غرار المحث ، فإن السعة الطفيلية وظاهرة الرنين الذاتي بسبب توزيع المجال الكهربائي. عادة ما يتم النظر في ثلاثة أنواع من السعة الطفيلية ويتم توفير معادلات الحلقة المغلقة ^[10]

• السعة بين الدورات المتجاورة في أي طبقة واحدة؛
• السعة بين الطبقات المتجاورة؛
• السعة بين القلب والطبقة (الطبقات) المجاورة للقلب؛

إن إدراج السعة في نموذج المحول معقد، ونادرًا ما يتم محاولة القيام بذلك؛ فالدائرة المكافئة لنموذج المحول "الحقيقي" الموضحة أدناه لا تتضمن سعة طفيلية. ومع ذلك، يمكن قياس تأثير السعة من خلال مقارنة محاثة الدائرة المفتوحة، أي محاثة الملف الأولي عندما تكون الدائرة الثانوية مفتوحة، بمحاثة الدائرة القصيرة عندما يكون الملف الثانوي قصيرًا.

يفترض نموذج المحول المثالي أن كل التدفق الناتج عن اللف الأساسي يربط جميع لفات كل ملف، بما في ذلك نفسه. في الممارسة العملية، يعبر بعض التدفق مسارات تأخذه خارج اللفات. ^[11] يُطلق على هذا التدفق اسم تدفق التسرب ، وينتج عنه تسرب المحاثة في سلسلة مع لفات المحول المقترنة ببعضها البعض. ^[12] ينتج عن تسرب التدفق تخزين الطاقة بالتناوب وتفريغها من المجالات المغناطيسية مع كل دورة من دورة مصدر الطاقة. إنه ليس فقدانًا مباشرًا للطاقة، ولكنه ينتج عنه تنظيم جهد أدنى ، مما يتسبب في عدم تناسب الجهد الثانوي بشكل مباشر مع الجهد الأساسي، خاصة تحت الحمل الثقيل. ^[11] لذلك، يتم تصميم المحولات عادةً بحيث يكون لها تسرب محاثة منخفض جدًا.

في بعض التطبيقات، يكون التسرب المتزايد مرغوبًا فيه، وقد يتم إدخال مسارات مغناطيسية طويلة أو فجوات هوائية أو تحويلات مغناطيسية جانبية عمدًا في تصميم المحول للحد من تيار الدائرة القصيرة الذي سيوفره. ^[12] يمكن استخدام المحولات المتسربة لتزويد الأحمال التي تظهر مقاومة سلبية ، مثل الأقواس الكهربائية ومصابيح بخار الزئبق والصوديوم واللافتات النيون أو للتعامل بأمان مع الأحمال التي تصبح قصيرة الدائرة بشكل دوري مثل اللحامات القوسية الكهربائية . ^{[9] : 485}

تُستخدم فجوات الهواء أيضًا لمنع المحول من التشبع، وخاصة محولات التردد الصوتي في الدوائر التي تحتوي على مكون تيار مستمر يتدفق في اللفات. ^[13] يستغل المفاعل القابل للتشبع تشبع القلب للتحكم في التيار المتناوب.

إن معرفة محاثة التسرب مفيدة أيضًا عند تشغيل المحولات بالتوازي. يمكن إظهار أنه إذا كانت نسبة المعاوقة ^[e] ونسبة مقاومة تسرب اللف المرتبطة بها ( X / R ) لمحولين متماثلتين، فإن المحولات ستتقاسم طاقة الحمل بما يتناسب مع تصنيفاتها الخاصة. ومع ذلك، فإن تحمّلات المعاوقة للمحولات التجارية كبيرة. أيضًا، تميل المعاوقة ونسبة X / R للمحولات ذات السعة المختلفة إلى التباين. ^[15]

بالإشارة إلى الرسم التخطيطي، يمكن تمثيل السلوك الفيزيائي للمحول العملي بواسطة نموذج دائرة مكافئ ، والذي يمكن أن يشتمل على محول مثالي. ^[16]

يتم تمثيل خسائر جول اللف ومفاعلة التسرب بواسطة معاوقات الحلقة المتسلسلة التالية للنموذج:

• اللف الأساسي: R _P ، X _P
• اللف الثانوي: R _S ، X _S.

في مسار تحويل التكافؤ للدائرة الطبيعية، يتم الإشارة عمليًا إلى R _S و X _S عادةً إلى الجانب الأساسي عن طريق ضرب هذه المعاوقات في نسبة الدورات التربيعية، ( N _P / N _S )  ²  = a ² .

يتم تمثيل خسارة اللب والتفاعلية بواسطة معاوقات الساق التحويلية التالية للنموذج:

• خسائر اللب أو الحديد: R _C
• المفاعلة المغناطيسية: X _M .

يُطلق على R _C و X _{M بشكل جماعي اسم} فرع المغناطيسية للنموذج.

تنتج خسائر القلب في الغالب عن تأثيرات الهستيريسيس والتيار الدوامي في القلب وتتناسب مع مربع تدفق القلب للعمل عند تردد معين. ^{[9] : 142–143} يتطلب قلب النفاذية المحدودة تيار مغناطيسي I _M للحفاظ على التدفق المتبادل في القلب. يكون تيار المغناطيسية في طور مع التدفق، وتكون العلاقة بين الاثنين غير خطية بسبب تأثيرات التشبع. ومع ذلك، فإن جميع معاوقات الدائرة المكافئة الموضحة هي خطية بحكم التعريف ولا تنعكس مثل هذه التأثيرات غير الخطية عادةً في الدوائر المكافئة للمحول. ^{[9] : 142} مع الإمداد الجيبي ، يتأخر تدفق القلب عن EMF المستحث بمقدار 90 درجة. مع اللف الثانوي ذي الدائرة المفتوحة، فإن تيار الفرع المغناطيسي I ₀ يساوي تيار عدم التحميل للمحول. ^[16]

النموذج الناتج، على الرغم من أنه يُطلق عليه أحيانًا اسم الدائرة المكافئة "الدقيقة" استنادًا إلى افتراضات الخطية ، إلا أنه يحتفظ بعدد من التقريبات. ^[16] يمكن تبسيط التحليل بافتراض أن معاوقة فرع المغناطيسية عالية نسبيًا ونقل الفرع إلى يسار المعاوقات الأولية. يؤدي هذا إلى إدخال خطأ ولكنه يسمح بدمج المقاومات الأولية والثانوية المرجعية والمفاعلة عن طريق الجمع البسيط كمعاوقتين متسلسلتين.

يمكن اشتقاق معلمات معاوقة الدائرة المكافئة للمحول ونسبة المحول من الاختبارات التالية: اختبار الدائرة المفتوحة ، واختبار الدائرة القصيرة ، واختبار مقاومة اللفات، واختبار نسبة المحول.

إذا كان التدفق في القلب جيبيًا بحتًا ، فإن العلاقة لكل ملف بين جهده الجذر التربيعي المتوسط ​​E _rms للملف، وتردد التغذية f ، وعدد الدورات N ^، ومساحة المقطع العرضي للقلب A بالمتر المربع وكثافة التدفق المغناطيسي القصوى B _بالوات /م ² أو T (تسلا) تعطى بواسطة معادلة EMF العالمية: ^[9]

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

غالبًا ما يتم استخدام اتفاقية النقاط في مخططات دوائر المحولات أو لوحات الأسماء أو علامات الأطراف لتحديد القطبية النسبية لملفات المحول. يؤدي التيار اللحظي المتزايد بشكل إيجابي الذي يدخل إلى نهاية "النقطة" للملف الأولي إلى إحداث جهد قطبي موجب يخرج من نهاية "النقطة" للملف الثانوي. ستحتوي المحولات ثلاثية الطور المستخدمة في أنظمة الطاقة الكهربائية على لوحة أسماء تشير إلى العلاقات الطورية بين أطرافها. قد يكون هذا في شكل رسم تخطيطي لمتجه الطور ، أو باستخدام رمز أبجدي رقمي لإظهار نوع الاتصال الداخلي (على شكل حرف Y أو حرف D) لكل ملف.

تزداد القوة الدافعة الكهربائية للمحول عند تدفق معين مع التردد. ^[9] من خلال التشغيل بترددات أعلى، يمكن أن تكون المحولات أكثر إحكاما من الناحية المادية لأن القلب المعطى قادر على نقل المزيد من الطاقة دون الوصول إلى التشبع ويحتاج إلى عدد أقل من الدورات لتحقيق نفس المعاوقة. ومع ذلك، تزداد أيضًا خصائص مثل فقدان القلب وتأثير جلد الموصل مع التردد. تستخدم الطائرات والمعدات العسكرية مصادر طاقة 400 هرتز مما يقلل من وزن القلب واللف. ^[17] وعلى العكس من ذلك، كانت الترددات المستخدمة في بعض أنظمة كهربة السكك الحديدية أقل بكثير (على سبيل المثال 16.7 هرتز و 25 هرتز) من ترددات المرافق العادية (50-60 هرتز) لأسباب تاريخية تتعلق بشكل أساسي بحدود محركات الجر الكهربائية المبكرة . وبالتالي، كانت المحولات المستخدمة لخفض الفولتية العالية للخطوط الهوائية أكبر وأثقل بكثير لنفس تصنيف القدرة من تلك المطلوبة للترددات الأعلى.

إن تشغيل المحول عند جهده المصمم ولكن بتردد أعلى من التردد المقصود سيؤدي إلى انخفاض تيار المغناطيسية. وعند التردد الأقل، سيزداد تيار المغناطيسية. وقد يتطلب تشغيل محول كبير بتردد غير تردده المصمم تقييم الفولتات والخسائر والتبريد لتحديد ما إذا كان التشغيل الآمن عمليًا. وقد تتطلب المحولات مرحلات وقائية لحماية المحول من الجهد الزائد عند تردد أعلى من التردد المقدر.

ومن الأمثلة على ذلك محولات الجر المستخدمة في وحدات متعددة كهربائية وخدمة القطارات عالية السرعة التي تعمل في مناطق ذات معايير كهربائية مختلفة. ويتعين على معدات المحولات ومحولات الجر أن تستوعب ترددات وجهد إدخال مختلفين (يتراوح من 50 هرتز إلى 16.7 هرتز ويصل إلى 25 كيلو فولت).

عند الترددات الأعلى بكثير، ينخفض ​​حجم قلب المحول المطلوب بشكل كبير: يمكن للمحول الصغير ماديًا التعامل مع مستويات الطاقة التي تتطلب قلبًا حديديًا ضخمًا عند تردد التيار الكهربائي. أدى تطوير أجهزة أشباه الموصلات ذات القدرة التبديلية إلى جعل إمدادات الطاقة في وضع التبديل قابلة للتطبيق، لتوليد تردد عالي، ثم تغيير مستوى الجهد باستخدام محول صغير.

تستخدم المحولات المخصصة للتطبيقات ذات التردد الأعلى مثل SMPS عادةً مواد أساسية ذات خسائر أقل بكثير في الهستيريسيس والتيار الدوامي مقارنة بتلك المستخدمة في التردد 50/60 هرتز. ومن الأمثلة الأساسية على ذلك نوى الحديد والبودرة والفريت. وغالبًا ما تكون الخسائر المنخفضة المعتمدة على التردد لهذه النوى على حساب كثافة التدفق عند التشبع. على سبيل المثال، يحدث تشبع الفريت عند كثافة تدفق أقل بكثير من كثافة تدفق الحديد الرقائقي.

تكون المحولات ذات القدرة الكبيرة عرضة لفشل العزل بسبب الجهد العابر مع المكونات عالية التردد، مثل الناتج عن التبديل أو البرق.

تهيمن خسائر الطاقة في المحولات على خسائر اللفات والقلب. تميل كفاءة المحولات إلى التحسن مع زيادة سعة المحول. ^[18] تتراوح كفاءة محولات التوزيع النموذجية بين حوالي 98 و 99 بالمائة. ^{[18] [19]}

نظرًا لأن خسائر المحولات تختلف باختلاف الحمل، فمن المفيد غالبًا جدولة خسائر عدم التحميل ، وخسارة الحمل الكامل، وخسارة نصف الحمل، وما إلى ذلك. تكون خسائر الهستيريسيس والتيار الدوامي ثابتة عند جميع مستويات الحمل وتهيمن عند عدم التحميل، بينما تزداد خسائر اللف مع زيادة الحمل. يمكن أن تكون خسائر عدم التحميل كبيرة، بحيث يشكل حتى المحول الخامل استنزافًا لإمدادات الكهرباء. يتطلب تصميم المحولات الموفرة للطاقة لخسارة أقل قلبًا أكبر، وفولاذًا سيليكونيًا عالي الجودة ، أو حتى فولاذًا غير متبلور للنواة وسلكًا أكثر سمكًا، مما يزيد من التكلفة الأولية. يمثل اختيار البناء مقايضة بين التكلفة الأولية وتكلفة التشغيل. ^[20]

تنتج خسائر المحولات عن:

خسائر الجول المتعرجة

يتسبب التيار المتدفق عبر موصل الملف في تسخين جول بسبب مقاومة السلك. ومع زيادة التردد، يتسبب تأثير السطح وتأثير القرب في زيادة مقاومة الملف، وبالتالي زيادة الخسائر.

الخسائر الأساسية

خسائر الهستيريسيس

في كل مرة يتم فيها عكس المجال المغناطيسي، يتم فقد كمية صغيرة من الطاقة بسبب الهستيريسيس داخل القلب، بسبب حركة المجالات المغناطيسية داخل الفولاذ. وفقًا لصيغة شتاينميتز، يتم إعطاء الطاقة الحرارية الناتجة عن الهستيريسيس بواسطة

${\displaystyle W_{\text{h}}\approx \eta \beta _{\text{max}}^{1.6}}$و،

وبالتالي يتم إعطاء خسارة الهستيريسيس بواسطة

${\displaystyle P_{\text{h}}\approx {W}_{\text{h}}f\approx \eta {f}\beta _{\text{max}}^{1.6}}$

حيث f هو التردد، و η هو معامل الهستيريسيس و β _max هي أقصى كثافة تدفق، والتي يتراوح أسها التجريبي من حوالي 1.4 إلى 1.8 ولكن غالبًا ما يتم إعطاؤها على أنها 1.6 للحديد. ^[20] لمزيد من التحليل التفصيلي، انظر اللب المغناطيسي ومعادلة شتاينميتز .

خسائر التيار الدوامي

يتم إحداث تيارات إيدي في قلب المحول المعدني الموصل بواسطة المجال المغناطيسي المتغير، وهذا التيار المتدفق عبر مقاومة الحديد يبدد الطاقة كحرارة في القلب. إن خسارة التيار الدوامي هي دالة معقدة لمربع تردد الإمداد والمربع العكسي لسمك المادة. ^[20] يمكن تقليل خسائر التيار الدوامي عن طريق جعل قلب كومة من الصفائح (الألواح الرقيقة) معزولة كهربائيًا عن بعضها البعض، بدلاً من كتلة صلبة؛ تستخدم جميع المحولات التي تعمل بترددات منخفضة نوى مغلفة أو مماثلة.

محولات الطنين المرتبطة بالمغناطيسية

يتسبب التدفق المغناطيسي في مادة مغناطيسية حديدية، مثل القلب، في تمددها وانكماشها بشكل طفيف مع كل دورة من دورات المجال المغناطيسي، وهو التأثير المعروف باسم الانقباض المغناطيسي ، حيث تنتج طاقة الاحتكاك ضوضاء مسموعة تُعرف باسم همهمة التيار الكهربائي أو "همهمة المحول". ^[21] هذه الهمهمة المحولة غير مقبولة بشكل خاص في المحولات المزودة بترددات الطاقة وفي المحولات ذات التردد العالي المرتبطة بأجهزة التلفاز ذات أشعة الكاثود .

خسائر ضالة

إن محاثة التسرب في حد ذاتها خالية من الخسارة إلى حد كبير، حيث يتم إرجاع الطاقة الموردة إلى حقولها المغناطيسية إلى المصدر مع نصف الدورة التالي. ومع ذلك، فإن أي تدفق تسرب يعترض المواد الموصلة القريبة مثل هيكل دعم المحول سيؤدي إلى ظهور تيارات إيدي وتحويلها إلى حرارة. ^[22]

إشعاعي

هناك أيضًا خسائر إشعاعية بسبب المجال المغناطيسي المتذبذب ولكنها عادة ما تكون صغيرة.

الاهتزاز الميكانيكي ونقل الضوضاء المسموعة

بالإضافة إلى الانقباض المغناطيسي، يتسبب المجال المغناطيسي المتناوب في قوى متقلبة بين اللفات الأولية والثانوية. تعمل هذه الطاقة على تحفيز انتقال الاهتزازات في الأعمال المعدنية المترابطة، وبالتالي تضخيم همهمة المحول المسموعة. ^[23]

المحولات ذات النواة المغلقة مبنية على شكل قلب أو غلاف. عندما تحيط اللفات باللب، يكون المحول على شكل قلب؛ عندما تحيط اللفات باللب، يكون المحول على شكل غلاف. ^[24] قد يكون تصميم شكل الغلاف أكثر انتشارًا من تصميم شكل القلب لتطبيقات محولات التوزيع بسبب السهولة النسبية في تكديس القلب حول ملفات اللف. ^[24] يميل تصميم شكل القلب، كقاعدة عامة، إلى أن يكون أكثر اقتصادًا، وبالتالي أكثر انتشارًا، من تصميم شكل الغلاف لتطبيقات محولات الطاقة عالية الجهد في الطرف الأدنى من نطاقات تصنيف الجهد والقدرة (أقل من أو يساوي، اسميًا، 230 كيلو فولت أو 75 ميجا فولت أمبير). عند تصنيفات الجهد والقدرة الأعلى، تميل المحولات على شكل الغلاف إلى أن تكون أكثر انتشارًا. ^{[24] [25] [26]} يميل تصميم الشكل الصدفي إلى أن يكون مفضلًا للتطبيقات ذات الجهد العالي جدًا وMVA الأعلى لأنه على الرغم من أن تصنيع المحولات ذات الشكل الصدفي يتطلب عمالة أكثر كثافة، إلا أنها تتميز بنسبة كيلو فولت أمبير إلى وزن أفضل بطبيعتها، وخصائص قوة ماس كهربائي أفضل ومناعة أعلى ضد أضرار النقل. ^[26]

عادةً ما تحتوي المحولات المستخدمة في ترددات الطاقة أو الصوت على نوى مصنوعة من فولاذ السيليكون عالي النفاذية . ^[27] يتمتع الفولاذ بنفاذية أكبر عدة مرات من المساحة الحرة وبالتالي يعمل القلب على تقليل تيار المغناطيسية بشكل كبير وحصر التدفق في مسار يربط بين اللفات بشكل وثيق. ^[28] سرعان ما أدرك مطورو المحولات الأوائل أن النوى المصنوعة من الحديد الصلب تؤدي إلى خسائر تيار إيدي باهظة، وقد خففت تصميماتهم من هذا التأثير باستخدام نوى تتكون من حزم من أسلاك الحديد المعزولة. ^[29] قامت التصميمات اللاحقة ببناء القلب عن طريق تكديس طبقات من الرقائق الفولاذية الرقيقة، وهو المبدأ الذي ظل قيد الاستخدام. يتم عزل كل رقاقة عن جيرانها بطبقة رقيقة غير موصلة من العزل. ^[30] يمكن استخدام معادلة EMF العالمية للمحول لحساب مساحة المقطع العرضي للقلب لمستوى مفضل من التدفق المغناطيسي. ^[9]

إن تأثير الصفائح هو حصر التيارات الدوامية في مسارات بيضاوية للغاية تحصر تدفقًا ضئيلًا، وبالتالي تقلل من حجمها. تقلل الصفائح الرقيقة من الخسائر، ^[27] ولكنها أكثر صعوبة وتكلفة في البناء. ^[31] تُستخدم الصفائح الرقيقة عمومًا في المحولات عالية التردد، مع قدرة بعض الصفائح الفولاذية الرقيقة جدًا على العمل حتى 10 كيلوهرتز.

يتم تصنيع أحد التصميمات الشائعة للنواة الرقائقية من أكوام متداخلة من صفائح فولاذية على شكل حرف E مغطاة بقطع على شكل حرف I ، مما أدى إلى تسميتها بمحول EI . ^[31] يميل هذا التصميم إلى إظهار المزيد من الخسائر، ولكنه اقتصادي للغاية في التصنيع. يتم تصنيع نوع القلب المقطوع أو القلب C عن طريق لف شريط فولاذي حول شكل مستطيل ثم ربط الطبقات معًا. ثم يتم قطعه إلى نصفين، لتشكيل شكلين C، ويتم تجميع القلب عن طريق ربط نصفي C معًا بحزام فولاذي. ^[31] لديهم ميزة أن التدفق يكون دائمًا موجهًا بالتوازي مع حبيبات المعدن، مما يقلل من التردد.

تعني بقايا قلب الفولاذ أنه يحتفظ بحقل مغناطيسي ثابت عند إزالة الطاقة. وعند إعادة تطبيق الطاقة، فإن الحقل المتبقي سيتسبب في حدوث تيار اندفاعي مرتفع حتى يتم تقليل تأثير المغناطيسية المتبقية، وعادةً بعد بضع دورات من شكل الموجة المترددة المطبقة. ^[32] يجب اختيار أجهزة حماية التيار الزائد مثل الصمامات للسماح بمرور هذا التيار الاندفاعي غير الضار.

في المحولات المتصلة بخطوط نقل الطاقة الطويلة العلوية، يمكن للتيارات المستحثة بسبب الاضطرابات الجيومغناطيسية أثناء العواصف الشمسية أن تتسبب في تشبع القلب وتشغيل أجهزة حماية المحولات. ^[33]

يمكن لمحولات التوزيع تحقيق خسائر منخفضة بدون تحميل باستخدام نوى مصنوعة من الفولاذ السليكوني منخفض الخسارة وعالي النفاذية أو سبيكة معدنية غير متبلورة (غير بلورية) . يتم تعويض التكلفة الأولية الأعلى لمادة اللب على مدار عمر المحول من خلال خسائره المنخفضة عند الحمل الخفيف. ^[34]

تُستخدم نوى الحديد المسحوق في الدوائر مثل مصادر الطاقة ذات الوضع التبديلي التي تعمل فوق ترددات التيار الكهربائي وحتى بضع عشرات من الكيلوهرتز. تجمع هذه المواد بين النفاذية المغناطيسية العالية والمقاومة الكهربائية العالية . بالنسبة للترددات التي تمتد إلى ما بعد نطاق VHF ، فإن النوى المصنوعة من مواد سيراميكية مغناطيسية غير موصلة تسمى الفريتات شائعة. ^[31] تحتوي بعض محولات التردد اللاسلكي أيضًا على نوى متحركة (تسمى أحيانًا "القضبان") والتي تسمح بتعديل معامل الاقتران (وعرض النطاق الترددي ) لدوائر التردد اللاسلكي المضبوطة.

تُبنى المحولات الحلقية حول قلب على شكل حلقة، والذي، اعتمادًا على تردد التشغيل، مصنوع من شريط طويل من الفولاذ السليكوني أو البرمالوي ملفوف في ملف أو حديد مسحوق أو فيريت . ^[35] يضمن بناء الشريط محاذاة حدود الحبوب بشكل مثالي، مما يحسن كفاءة المحول عن طريق تقليل ممانعة القلب . يزيل شكل الحلقة المغلقة فجوات الهواء المتأصلة في بناء قلب EI. ^{[9] : 485} عادةً ما يكون المقطع العرضي للحلقة مربعًا أو مستطيلًا، ولكن تتوفر أيضًا أنوية أكثر تكلفة ذات مقاطع عرضية دائرية. غالبًا ما يتم لف الملفات الأولية والثانوية بشكل متحدة المركز لتغطية السطح بالكامل للنواة. يقلل هذا من طول السلك المطلوب ويوفر فحصًا لتقليل المجال المغناطيسي للنواة من توليد التداخل الكهرومغناطيسي .

المحولات الحلقية أكثر كفاءة من أنواع EI الرقائقية الأرخص ثمناً لمستوى طاقة مماثل. تشمل المزايا الأخرى مقارنة بأنواع EI، الحجم الأصغر (حوالي النصف)، والوزن الأقل (حوالي النصف)، وطنين ميكانيكي أقل (مما يجعلها متفوقة في مكبرات الصوت)، والحقل المغناطيسي الخارجي المنخفض (حوالي العُشر)، وخسائر التفريغ المنخفضة (مما يجعلها أكثر كفاءة في الدوائر الاحتياطية)، والتركيب بمسامير مفردة، واختيار أكبر للأشكال. العيوب الرئيسية هي التكلفة الأعلى وسعة الطاقة المحدودة (انظر معلمات التصنيف أدناه). نظرًا لعدم وجود فجوة متبقية في المسار المغناطيسي، تميل المحولات الحلقية أيضًا إلى إظهار تيار اندفاع أعلى، مقارنة بأنواع EI الرقائقية.

تُستخدم نوى الحلقات المصنوعة من الفريت عند ترددات أعلى، عادةً بين بضع عشرات من الكيلوهرتز إلى مئات الميجاهرتز، لتقليل الخسائر والحجم المادي ووزن المكونات الحثية. من عيوب بناء المحولات الحلقية ارتفاع تكلفة العمالة اللازمة لللف. وذلك لأنه من الضروري تمرير الطول الكامل للملف من خلال فتحة القلب في كل مرة تتم إضافة دورة واحدة إلى الملف. ونتيجة لذلك، فإن المحولات الحلقية المصنفة بأكثر من بضعة كيلو فولت أمبير غير شائعة. يتم تقديم عدد قليل نسبيًا من الحلقات ذات تصنيفات الطاقة أعلى من 10 كيلو فولت أمبير، ولا يوجد عمليًا أي منها أعلى من 25 كيلو فولت أمبير. قد تحقق محولات التوزيع الصغيرة بعض فوائد القلب الحلقي عن طريق تقسيمه وإجباره على الانفتاح، ثم إدخال بكرة تحتوي على لفات أولية وثانوية. ^[36]

يمكن إنتاج المحول عن طريق وضع اللفات بالقرب من بعضها البعض، وهو الترتيب الذي يطلق عليه محول "اللب الهوائي". يعمل المحول ذو اللب الهوائي على التخلص من الخسارة الناتجة عن الهستيريسيس في مادة اللب. ^[12] يتم تقليل محاثة المغناطيسية بشكل كبير بسبب عدم وجود قلب مغناطيسي، مما يؤدي إلى تيارات مغناطيسية كبيرة وخسائر إذا تم استخدامها بترددات منخفضة. المحولات ذات اللب الهوائي غير مناسبة للاستخدام في توزيع الطاقة، ^[12] ولكنها تستخدم كثيرًا في تطبيقات الترددات الراديوية. ^[37] تُستخدم أيضًا المحولات ذات اللب الهوائي للمحولات الرنانة مثل ملفات تسلا، حيث يمكنها تحقيق خسارة منخفضة بشكل معقول على الرغم من محاثة المغناطيسية المنخفضة.

يعتمد الموصل الكهربائي المستخدم في اللفات على التطبيق، ولكن في جميع الحالات يجب عزل اللفات الفردية كهربائيًا عن بعضها البعض لضمان انتقال التيار عبر كل لفة. بالنسبة للمحولات الصغيرة، حيث تكون التيارات منخفضة والفرق المحتمل بين اللفات المجاورة صغير، غالبًا ما يتم لف الملفات من سلك مغناطيسي مطلي بالمينا . يمكن لف محولات الطاقة الأكبر حجمًا بموصلات شرائط مستطيلة من النحاس معزولة بورق مشبع بالزيت وكتل من الورق المقوى المضغوط . ^[38]

غالبًا ما تحتوي المحولات عالية التردد التي تعمل في عشرات إلى مئات الكيلوهرتز على لفائف مصنوعة من سلك ليتز مضفر لتقليل خسائر تأثير الجلد وتأثير القرب. ^[39] تستخدم محولات الطاقة الكبيرة موصلات متعددة الخيوط أيضًا، لأنه حتى عند ترددات الطاقة المنخفضة، فإن التوزيع غير المنتظم للتيار سيكون موجودًا بخلاف ذلك في اللفات ذات التيار العالي. ^[38] يتم عزل كل خيط على حدة، ويتم ترتيب الخيوط بحيث تشغل كل جزء في نقاط معينة في اللف، أو في جميع أنحاء اللف، مواضع نسبية مختلفة في الموصل الكامل. يعمل النقل على معادلة التيار المتدفق في كل خيط من الموصل، ويقلل من خسائر التيار الدوامي في اللف نفسه. كما أن الموصل المجدول أكثر مرونة من الموصل الصلب ذي الحجم المماثل، مما يساعد في التصنيع. ^[38]

تعمل لفات محولات الإشارة على تقليل تسرب المحاثة والسعة الضالة لتحسين استجابة التردد العالي. يتم تقسيم الملفات إلى أقسام، وتتداخل هذه الأقسام بين أقسام اللف الآخر.

قد تحتوي محولات التردد الكهربائي على صنابير عند نقاط وسيطة على اللف، عادةً على جانب اللف ذي الجهد الأعلى، لضبط الجهد. يمكن إعادة توصيل الصنابير يدويًا، أو قد يتم توفير مفتاح يدوي أو تلقائي لتغيير الصنابير. تُستخدم مبدلات الصنابير الأوتوماتيكية عند الحمل في نقل أو توزيع الطاقة الكهربائية، على معدات مثل محولات فرن القوس ، أو لمنظمات الجهد الأوتوماتيكية للأحمال الحساسة. تحتوي محولات التردد الصوتي، المستخدمة لتوزيع الصوت على مكبرات الصوت العامة، على صنابير للسماح بضبط المعاوقة لكل مكبر صوت. غالبًا ما يتم استخدام المحول ذي الصنبور المركزي في مرحلة الإخراج لمضخم طاقة الصوت في دائرة دفع وسحب . محولات التعديل في أجهزة إرسال AM متشابهة جدًا.

من المعروف أن متوسط ​​العمر المتوقع للعزل الكهربائي ينخفض ​​إلى النصف مع كل زيادة في درجة حرارة التشغيل تتراوح بين 7 درجات مئوية إلى 10 درجات مئوية (مثال على تطبيق معادلة أرينيوس ). ^[40]

غالبًا ما يتم تبريد المحولات الصغيرة الجافة والمغمورة بالسائل ذاتيًا عن طريق الحمل الحراري الطبيعي وتبديد الحرارة الإشعاعي . مع زيادة تصنيفات القدرة، غالبًا ما يتم تبريد المحولات عن طريق التبريد بالهواء القسري أو التبريد بالزيت القسري أو التبريد بالماء أو مجموعات من هذه. ^[41] تمتلئ المحولات الكبيرة بزيت المحول الذي يبرد ويعزل اللفات. ^{[42] غالبًا ما يكون زيت المحولات عبارة عن} زيت معدني عالي التكرير يبرد اللفات والعزل عن طريق الدوران داخل خزان المحول. تمت دراسة نظام العزل بالزيت المعدني والورق على نطاق واسع واستخدامه لأكثر من 100 عام. يُقدر أن 50٪ من محولات الطاقة ستبقى على قيد الحياة لمدة 50 عامًا من الاستخدام، وأن متوسط ​​عمر فشل محولات الطاقة حوالي 10 إلى 15 عامًا، وأن حوالي 30٪ من أعطال محولات الطاقة ترجع إلى فشل العزل والحمل الزائد. ^{[43] [44]} يؤدي التشغيل المطول في درجات حرارة مرتفعة إلى تدهور خصائص العزل لعزل اللفات والمبرد العازل، مما لا يؤدي فقط إلى تقصير عمر المحول ولكن يمكن أن يؤدي في النهاية إلى فشل كارثي للمحول. ^[40] مع وجود مجموعة كبيرة من الدراسات التجريبية كدليل، يوفر اختبار زيت المحول بما في ذلك تحليل الغاز المذاب معلومات صيانة قيمة.

تتطلب لوائح البناء في العديد من الولايات القضائية أن تستخدم المحولات المملوءة بالسوائل الداخلية إما سوائل عازلة أقل قابلية للاشتعال من الزيت، أو أن يتم تركيبها في غرف مقاومة للحريق. ^[18] يمكن أن تكون المحولات الجافة المبردة بالهواء أكثر اقتصادا حيث أنها تلغي تكلفة غرفة المحولات المقاومة للحريق.

غالبًا ما يحتوي خزان المحولات المملوءة بالسائل على مشعات يدور من خلالها سائل التبريد عن طريق الحمل الحراري الطبيعي أو الزعانف. تستخدم بعض المحولات الكبيرة مراوح كهربائية لتبريد الهواء القسري، أو مضخات لتبريد السائل القسري، أو تحتوي على مبادلات حرارية لتبريد الماء. ^[42] قد يكون المحول المغمور في الزيت مزودًا بمرحل Buchholz ، والذي يستخدم، اعتمادًا على شدة تراكم الغاز بسبب القوس الداخلي، إما لتشغيل إنذار أو إلغاء تنشيط المحول. ^[32] عادةً ما تتضمن تركيبات المحولات المغمورة في الزيت تدابير الحماية من الحرائق مثل الجدران واحتواء الزيت وأنظمة الرشاشات لإخماد الحرائق.

تمتلك مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCBs) خصائص كانت في السابق تفضل استخدامها كمبرد عازل ، على الرغم من أن المخاوف بشأن استمرارها البيئي أدت إلى حظر واسع النطاق لاستخدامها. ^[45] اليوم، يمكن استخدام الزيوت غير السامة والمستقرة القائمة على السيليكون ، أو الهيدروكربونات المفلورة حيث تعوض تكلفة السائل المقاوم للحريق تكلفة البناء الإضافية لقبو المحولات. ^{[18] [46]} ومع ذلك، فإن العمر الطويل للمحولات يمكن أن يعني أن احتمال التعرض يمكن أن يكون مرتفعًا لفترة طويلة بعد الحظر. ^[47]

بعض المحولات معزولة بالغاز. يتم تغليف ملفاتها في خزانات محكمة الغلق ومضغوطة ويتم تبريدها غالبًا باستخدام غاز النيتروجين أو سداسي فلوريد الكبريت . ^[46]

تم بناء محولات الطاقة التجريبية في نطاق 500-1000 كيلو فولت أمبير باستخدام لفائف فائقة التوصيل مبردة بالنيتروجين السائل أو الهيليوم ، مما يقضي على خسائر اللفات دون التأثير على خسائر القلب. ^{[48] [49]}

يجب توفير العزل بين الدورات الفردية للملفات، وبين الملفات، وبين الملفات والنواة، وفي أطراف الملف.

قد يكون العزل بين اللفات للمحولات الصغيرة عبارة عن طبقة من الورنيش العازل على السلك. قد يتم إدخال طبقة من الورق أو أغشية البوليمر بين طبقات اللفات، وبين اللفات الأولية والثانوية. قد يتم طلاء المحول أو غمسه في راتنج البوليمر لتحسين قوة اللفات وحمايتها من الرطوبة أو التآكل. قد يتم تشريب الراتنج في عزل اللفات باستخدام مجموعات من الفراغ والضغط أثناء عملية الطلاء، مما يؤدي إلى القضاء على جميع الفراغات الهوائية في اللفات. في الحد الأقصى، قد يتم وضع الملف بالكامل في قالب، ويتم صب الراتنج حوله ككتلة صلبة، تغلف اللفات. ^[50]

تستخدم المحولات الكهربائية الكبيرة المملوءة بالزيت لفائف ملفوفة بورق عازل، والذي يتم تشريبه بالزيت أثناء تجميع المحول. تستخدم المحولات المملوءة بالزيت زيتًا معدنيًا عالي التكرير لعزل وتبريد اللفات واللب. يتطلب بناء المحولات المملوءة بالزيت تجفيف العازل الذي يغطي اللفات جيدًا من الرطوبة المتبقية قبل إدخال الزيت. يمكن إجراء التجفيف عن طريق تدوير الهواء الساخن حول القلب، أو عن طريق تدوير زيت المحول المسخن خارجيًا، أو عن طريق التجفيف في الطور البخاري (VPD) حيث ينقل المذيب المتبخر الحرارة عن طريق التكثيف على الملف واللب. بالنسبة للمحولات الصغيرة، يتم استخدام التسخين بالمقاومة عن طريق حقن التيار في اللفات.

يتم تزويد المحولات الأكبر حجمًا ببطانات معزولة عالية الجهد مصنوعة من البوليمرات أو البورسلين. يمكن أن تكون البطانات الكبيرة بنية معقدة حيث يجب أن توفر تحكمًا دقيقًا في تدرج المجال الكهربائي دون السماح للمحول بتسريب الزيت. ^[51]

يمكن تصنيف المحولات بطرق عديدة، مثل ما يلي:

• تصنيف القدرة : من جزء من فولت أمبير (VA) إلى أكثر من ألف ميجا فولت أمبير.
• واجبات المحول : مستمر، قصير الأمد، متقطع، دوري، متغير.
• نطاق التردد : تردد الطاقة ، أو تردد الصوت ، أو تردد الراديو .
• فئة الجهد : من بضعة فولتات إلى مئات الكيلو فولت.
• نوع التبريد : جاف أو مغمور في السائل؛ تبريد ذاتي، تبريد هوائي قسري؛ تبريد زيت قسري، تبريد مائي.
• التطبيق : مصدر الطاقة، مطابقة المعاوقة، جهد الإخراج ومثبت التيار، النبضة ، عزل الدائرة، توزيع الطاقة ، مقوم التيار ، فرن القوس ، خرج مكبر الصوت، إلخ.
• الشكل المغناطيسي الأساسي : شكل القلب، شكل الصدفة، متحدة المركز، شكل الساندويتش.
• موصوف المحول ذو الجهد الثابت : رفع الجهد، خفض الجهد، العزل .
• تكوين اللف العام : حسب مجموعة متجهات IEC ، تركيبات ذات ملفين من تسميات الطور دلتا، وي أو ستار، ومتعرج ؛ المحول الذاتي ، سكوت-تي
• تكوين لفات تحويل الطور للمقوم : لفتان، 6 نبضات؛ 3 لفات، 12 نبضة؛ . . .، n لف ، [ n  − 1]·6 نبضات؛ مضلع؛ إلخ.

تتطلب تصميمات التطبيقات الكهربائية المختلفة مجموعة متنوعة من أنواع المحولات . وعلى الرغم من أنها جميعًا تشترك في مبادئ المحولات المميزة الأساسية، إلا أنها مخصصة في البناء أو الخصائص الكهربائية لمتطلبات التثبيت أو ظروف الدائرة المحددة.

في نقل الطاقة الكهربائية ، تسمح المحولات بنقل الطاقة الكهربائية بجهد عالٍ، مما يقلل من الخسارة بسبب تسخين الأسلاك. وهذا يسمح بإنشاء محطات توليد الطاقة على مسافة اقتصادية من المستهلكين الكهربائيين. ^[52] لقد مرت كل الطاقة الكهربائية في العالم، باستثناء جزء ضئيل منها، عبر سلسلة من المحولات بحلول الوقت الذي تصل فيه إلى المستهلك. ^[22]

في العديد من الأجهزة الإلكترونية، يتم استخدام المحول لتحويل الجهد من أسلاك التوزيع إلى قيم مناسبة لمتطلبات الدائرة، إما مباشرة عند تردد خط الطاقة أو من خلال مصدر طاقة في وضع التبديل .

تُستخدم محولات الإشارة والصوت لربط مراحل مكبرات الصوت ومطابقة الأجهزة مثل الميكروفونات ومشغلات الأسطوانات مع مدخلات مكبرات الصوت. سمحت محولات الصوت لدوائر الهاتف بإجراء محادثة ثنائية الاتجاه عبر زوج واحد من الأسلاك. يحول محول البالون الإشارة التي يتم الرجوع إليها إلى الأرض إلى إشارة ذات جهد متوازن إلى الأرض ، مثل بين الكابلات الخارجية والدوائر الداخلية. تمنع محولات العزل تسرب التيار إلى الدائرة الثانوية وتُستخدم في المعدات الطبية وفي مواقع البناء. تُستخدم المحولات الرنانة للربط بين مراحل أجهزة استقبال الراديو، أو في ملفات تسلا عالية الجهد.

تم اكتشاف الحث الكهرومغناطيسي ، مبدأ تشغيل المحول، بشكل مستقل من قبل مايكل فاراداي في عام 1831 وجوزيف هنري في عام 1832. ^{[54] [55] [56] [57]} فقط فاراداي واصل تجاربه إلى حد التوصل إلى المعادلة التي تصف العلاقة بين القوة الدافعة الكهربائية والتدفق المغناطيسي والمعروفة الآن باسم قانون فاراداي للحث :

${\displaystyle |{\mathcal {E}}|=\left|{{\mathrm {d} \Phi _{\text{B}}} \over \mathrm {d} t}\right|,}$

حيث أن ΦB هو مقدار القوة الدافعة الكهربائية بالفولت وΦB _هو التدفق المغناطيسي عبر الدائرة بوحدة ويبر . ^[58]${\displaystyle |{\mathcal {E}}|}$

أجرى فاراداي تجارب مبكرة على الحث بين ملفات الأسلاك، بما في ذلك لف زوج من الملفات حول حلقة حديدية، وبالتالي خلق أول محول حلقي مغلق النواة. ^{[57] [59]} ومع ذلك، فقد طبق فقط نبضات فردية من التيار على محوله، ولم يكتشف أبدًا العلاقة بين نسبة اللفات والقوة الدافعة الكهربائية في اللفات.

كان أول نوع من المحولات يستخدم على نطاق واسع هو الملف الحثي ، الذي اخترعه القس الأيرلندي الكاثوليكي نيكولاس كالين من كلية ماينوث بأيرلندا عام 1836. ^[57] وكان من أوائل الباحثين الذين أدركوا أنه كلما زاد عدد لفات الملف الثانوي فيما يتعلق بالملف الأولي، كلما زاد حجم القوة الدافعة الكهربائية الثانوية المستحثة. تطورت الملفات الحثيثة من جهود العلماء والمخترعين للحصول على فولتات أعلى من البطاريات. نظرًا لأن البطاريات تنتج تيارًا مستمرًا (DC) بدلاً من التيار المتردد، فقد اعتمدت الملفات الحثيثة على جهات اتصال كهربائية مهتزة كانت تقطع التيار بانتظام في الملف الأولي لإنشاء تغييرات التدفق اللازمة للحث. بين ثلاثينيات وسبعينيات القرن التاسع عشر، كشفت الجهود المبذولة لبناء ملفات حث أفضل، في الغالب عن طريق التجربة والخطأ، ببطء عن المبادئ الأساسية للمحولات.

بحلول سبعينيات القرن التاسع عشر، أصبحت المولدات الفعالة التي تنتج تيارًا متناوبًا متاحة، وتبين أن التيار المتناوب يمكنه تشغيل ملف تحريض بشكل مباشر، دون الحاجة إلى قاطع .

في عام 1876، اخترع المهندس الروسي بافيل يابلوشكوف نظام إضاءة يعتمد على مجموعة من ملفات الحث حيث يتم توصيل اللفات الأولية بمصدر للتيار المتردد. يمكن توصيل اللفات الثانوية بالعديد من "الشموع الكهربائية" (مصابيح القوس) من تصميمه الخاص. تعمل الملفات التي استخدمها يابلوشكوف بشكل أساسي كمحولات. ^[60]

في عام 1878، بدأ مصنع جانز في بودابست، المجر، في إنتاج معدات الإضاءة الكهربائية، وبحلول عام 1883، كان قد قام بتثبيت أكثر من خمسين نظامًا في النمسا والمجر. استخدمت أنظمة التيار المتردد الخاصة بهم مصابيح القوس والمصابيح المتوهجة والمولدات ومعدات أخرى. ^{[57] [61]}

في عام 1882، عرض لوسيان جولارد وجون ديكسون جيبس ​​لأول مرة جهازًا بلوحة حديدية مفتوحة من رقائق معدنية انتقدت على نطاق واسع في البداية، يُسمى "المولد الثانوي" في لندن، ثم باعا الفكرة لشركة وستنجهاوس في الولايات المتحدة في عام 1886. ^[29] كما عرضوا الاختراع في تورينو بإيطاليا في عام 1884، حيث حقق نجاحًا كبيرًا وتم اعتماده لنظام إضاءة كهربائي. ^[62] استخدم جهازهم نسبة ثابتة 1:1 لتزويد دائرة متسلسلة لحمل الاستخدام (المصابيح). تم التحكم في جهد نظامهم عن طريق دفع قلبه الحديدي المفتوح وسحبه. ^[63]

إن ملفات الحث ذات الدوائر المغناطيسية المفتوحة غير فعّالة في نقل الطاقة إلى الأحمال . وحتى عام 1880 تقريبًا، كان نموذج نقل الطاقة المترددة من مصدر جهد عالٍ إلى حمل جهد منخفض عبارة عن دائرة متسلسلة. تم توصيل المحولات ذات القلب المفتوح بنسبة تقترب من 1:1 بمولداتها الأولية على التوالي للسماح باستخدام جهد عالٍ للنقل مع تقديم جهد منخفض للمصابيح. كان العيب المتأصل في هذه الطريقة هو أن إيقاف تشغيل مصباح واحد (أو جهاز كهربائي آخر) يؤثر على الجهد المقدم لجميع الأجهزة الأخرى على نفس الدائرة. تم تقديم العديد من تصميمات المحولات القابلة للتعديل للتعويض عن هذه الخاصية الإشكالية للدائرة المتسلسلة، بما في ذلك تلك التي تستخدم طرق ضبط القلب أو تجاوز التدفق المغناطيسي حول جزء من الملف. ^[62] لم تظهر تصميمات المحولات الفعالة والعملية حتى ثمانينيات القرن التاسع عشر، ولكن في غضون عقد من الزمان، كان المحول مفيدًا في حرب التيارات ، وفي رؤية أنظمة توزيع التيار المتردد تنتصر على نظيراتها من التيار المستمر، وهو الموقف الذي ظلوا فيه مهيمنين منذ ذلك الحين. ^[64]

في خريف عام 1884، قرر كارولي زيبرنوفسكي وأوتو بلاثي وميكسا ديري (ZBD)، وهم ثلاثة مهندسين مجريين مرتبطين بمصنع جانز ، أن الأجهزة ذات النواة المفتوحة غير عملية، لأنها غير قادرة على تنظيم الجهد بشكل موثوق. ^[61] كما قام مصنع جانز في خريف عام 1884 بتسليم أول خمسة محولات تيار متردد عالية الكفاءة في العالم، وقد تم شحن أول هذه الوحدات في 16 سبتمبر 1884. ^[65] تم تصنيع هذه الوحدة الأولى وفقًا للمواصفات التالية: 1400 واط، 40 هرتز، 120:72 فولت، 11.6:19.4 أمبير، نسبة 1.67:1، أحادي الطور، شكل غلاف. ^[65] في طلبات براءات الاختراع المشتركة التي تقدموا بها عام 1885 لمحولات جديدة (أطلق عليها لاحقًا محولات ZBD)، وصفوا تصميمين بدوائر مغناطيسية مغلقة حيث كانت لفائف النحاس إما ملفوفة حول قلب حلقي من الأسلاك الحديدية أو محاطة بقلب من الأسلاك الحديدية. ^[62] كان التصميمان أول تطبيق لبنيتي المحولات الأساسيتين الشائعتين الاستخدام حتى يومنا هذا، والمسمى "شكل القلب" أو "شكل الغلاف". ^[66]

في كلا التصميمين، سافر التدفق المغناطيسي الذي يربط بين الملفات الأولية والثانوية بالكامل تقريبًا داخل حدود القلب الحديدي، دون مسار مقصود عبر الهواء (انظر النوى الحلقية أدناه). كانت المحولات الجديدة أكثر كفاءة بمقدار 3.4 مرة من الأجهزة ثنائية القطب ذات القلب المفتوح لجولارد وجيبس. ^[67] تضمنت براءات اختراع ZBD ابتكارين رئيسيين آخرين مترابطين: أحدهما يتعلق باستخدام أحمال الاستخدام المتصلة بالتوازي بدلاً من المتصلة على التوالي، والآخر يتعلق بالقدرة على الحصول على محولات ذات نسبة دوران عالية بحيث يمكن أن يكون جهد شبكة الإمداد أعلى بكثير (في البداية من 1400 إلى 2000 فولت) من جهد أحمال الاستخدام (100 فولت مفضل في البداية). ^{[68] [69]} عند استخدامها في أنظمة التوزيع الكهربائي المتصلة بالتوازي، جعلت المحولات ذات القلب المغلق أخيرًا من الممكن تقنيًا واقتصاديًا توفير الطاقة الكهربائية للإضاءة في المنازل والشركات والأماكن العامة. كان بلاثي قد اقترح استخدام النوى المغلقة، واقترح زيبرنوفسكي استخدام وصلات تحويلة متوازية ، وأجرى ديري التجارب؛ ^[70] وفي أوائل عام 1885، نجح المهندسون الثلاثة أيضًا في القضاء على مشكلة خسائر التيار الدوامي باختراع تصفيح النوى الكهرومغناطيسية. ^[71]

تم تصميم المحولات اليوم وفقًا للمبادئ التي اكتشفها المهندسون الثلاثة. كما قاموا أيضًا بترويج كلمة "محول" لوصف جهاز لتغيير القوة الدافعة الكهربائية للتيار الكهربائي ^[72] على الرغم من أن المصطلح كان قيد الاستخدام بالفعل بحلول عام 1882. ^{[73] [74] في عام 1886، صمم مهندسو ZBD، وقام مصنع Ganz بتزويد المعدات الكهربائية، لأول} محطة طاقة في العالم تستخدم مولدات التيار المتردد لتشغيل شبكة كهربائية مشتركة متصلة بالتوازي، وهي محطة الطاقة Rome-Cerchi التي تعمل بالبخار. ^[75]

بناءً على تقدم تكنولوجيا التيار المتردد في أوروبا، ^[76] أسس جورج وستنجهاوس شركة وستنجهاوس إلكتريك في بيتسبرغ، بنسلفانيا، في 8 يناير 1886. ^[77] أصبحت الشركة الجديدة نشطة في تطوير البنية التحتية للتيار المتردد (AC) في جميع أنحاء الولايات المتحدة. احتفظت شركة Edison Electric Light بخيار على حقوق الولايات المتحدة لمحولات ZBD، مما يتطلب من وستنجهاوس متابعة تصميمات بديلة على نفس المبادئ. اشترى جورج وستنجهاوس براءات اختراع جولارد وجيبس مقابل 50000 دولار في فبراير 1886. ^[78] كلف ويليام ستانلي بمهمة إعادة تصميم محول جولارد وجيبس للاستخدام التجاري في الولايات المتحدة. ^[79] كان أول تصميم حاصل على براءة اختراع لستانلي هو ملفات الحث ذات الأنوية الفردية من الحديد اللين والفجوات القابلة للتعديل لتنظيم القوة الكهرومغناطيسية الموجودة في اللف الثانوي (انظر الصورة). تم استخدام هذا التصميم ^[80] تجاريًا لأول مرة في الولايات المتحدة في عام 1886 ^[81] ولكن شركة ويستنجهاوس كانت عازمة على تحسين تصميم ستانلي لجعله (على عكس نوع ZBD) سهلًا ورخيص الإنتاج. ^[80]

سرعان ما طور ويستنجهاوس وستانلي وزملاؤه قلبًا كان من الأسهل تصنيعه، ويتكون من كومة من ألواح حديدية رفيعة على شكل حرف E معزولة بأوراق رقيقة من الورق أو مواد عازلة أخرى. يمكن بعد ذلك إدخال ملفات نحاسية ملفوفة مسبقًا في مكانها، ووضع ألواح حديدية مستقيمة لإنشاء دائرة مغناطيسية مغلقة. حصل ويستنجهاوس على براءة اختراع للتصميم الجديد منخفض التكلفة في عام 1887. ^[70]

في عام 1889، قام المهندس الروسي المولد ميخائيل دوليفو دوبروفولسكي بتطوير أول محول ثلاثي الطور في شركة الكهرباء العامة في ألمانيا. ^[82]

في عام 1891، اخترع نيكولا تيسلا ملف تيسلا ، وهو محول رنيني مزدوج الضبط، ذو قلب هوائي، لإنتاج جهد عالي جدًا بتردد عالٍ. ^[83]

تم استخدام محولات التردد الصوتي (" الملفات المتكررة ") من قبل المجربين الأوائل في تطوير الهاتف . [ ^84]

• بيمين، دونالد، محرر (1955). دليل أنظمة الطاقة الصناعية . ماكجرو هيل.
• كالفيرت، جيمس (2001). "داخل المحولات". جامعة دنفر. مؤرشف من الأصل في 9 مايو 2007. تم الاسترجاع في 19 مايو 2007 .
• كولتمان، جيه دبليو (يناير 1988). "المحول". ساينتفك أمريكان . 258 (1): 86-95. Bibcode :1988SciAm.258a..86C. doi :10.1038/scientificamerican0188-86. OSTI  6851152.
• كولتمان، جيه دبليو (يناير-فبراير 2002). "المحول [نظرة تاريخية]". مجلة تطبيقات الصناعة IEEE . 8 (1): 8-15. doi :10.1109/2943.974352. S2CID  18160717.
• برينر، إيجون؛ جافيد، منصور (1959). "الفصل 18 - الدوائر ذات الاقتران المغناطيسي". تحليل الدوائر الكهربائية . ماكجرو هيل. ص 586-622.
• CEGB، (هيئة توليد الكهرباء المركزية) (1982). ممارسات محطات الطاقة الحديثة . بيرغامون. ISBN 978-0-08-016436-6.
• كروسبي، د. (1958). "المحول المثالي". معاملات IRE في نظرية الدائرة . 5 (2): 145. doi :10.1109/TCT.1958.1086447.
• دانييلز، أر (1985). مقدمة في الآلات الكهربائية . ماكميلان. رقم ISBN 978-0-333-19627-4.
• دي كولينير، هانز؛ شابمان، ديفيد؛ فاسبيندر، ستيفان؛ ماكديرموت، مايك (2001). نطاق توفير الطاقة في الاتحاد الأوروبي من خلال استخدام محولات توزيع الكهرباء الموفرة للطاقة (PDF) . المؤتمر والمعرض الدولي السادس عشر لتوزيع الكهرباء (CIRED 2001). مؤسسة الهندسة والتكنولوجيا. doi :10.1049/cp:20010853 . تم الاسترجاع في 10 يوليو 2014 .
• ديل فيكيو، روبرت م.؛ بولين، برتراند؛ فيغالي، بيير تي إم؛ شاه، ديليبكومار؛ أهوجا، راجندرا (2002). مبادئ تصميم المحولات: مع التطبيقات على محولات الطاقة ذات الشكل الأساسي. بوكا راتون: مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 978-90-5699-703-8.
• فينك، دونالد جيه؛ بيتي، إتش واين، محرران (1978). دليل معياري للمهندسين الكهربائيين (الطبعة الحادية عشرة). ماكجرو هيل. رقم ISBN 978-0-07-020974-9.
• جوتليب، إيرفينج (1998). دليل عملي للمحولات: لمهندسي الإلكترونيات والراديو والاتصالات. إلسيفير. رقم ISBN 978-0-7506-3992-7.
• Guarnieri, M. (2013). "من اخترع المحول؟". مجلة IEEE للإلكترونيات الصناعية . 7 (4): 56–59. doi :10.1109/MIE.2013.2283834. S2CID  27936000.
• هالاكسي، إيه إيه؛ فون فوكس، جي إتش (أبريل 1961). "المحول الذي تم اختراعه قبل 75 عامًا". معاملات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات الأمريكي . 80 (3): 121-125. doi :10.1109/AIEEPAS.1961.4500994. S2CID  51632693.
• هاماير، كاي (2004). الآلات الكهربائية 1: الأساسيات، التصميم، الوظيفة، التشغيل (PDF) . معهد الآلات الكهربائية بجامعة RWTH في آخن. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2013-02-10.
• هاموند، جون وينثروب (1941). الرجال والفولتات: قصة جنرال إلكتريك. شركة جيه بي ليبينكوت. ص. انظر بشكل خاص 106-107، 178، 238.
• هارلو، جيمس (2004). هندسة محولات الطاقة الكهربائية (PDF) . دار نشر CRC. رقم ISBN 0-8493-1704-5.^{[ رابط ميت دائم ]}
• هيوز، توماس ب. (1993). شبكات الطاقة: الكهربة في المجتمع الغربي، 1880-1930. بالتيمور: مطبعة جامعة جونز هوبكنز. ص 96. ISBN 978-0-8018-2873-7تم الاسترجاع في 9 سبتمبر 2009 .
• هيثكوت، مارتن (1998). كتاب J & P Transformer Book (الطبعة الثانية عشرة). نيونز. رقم ISBN 978-0-7506-1158-9.
• هندمارش، جون (1977). الآلات الكهربائية وتطبيقاتها (الطبعة الرابعة). إكستر: بيرغامون. رقم ISBN 978-0-08-030573-8.
• كوثاري، دي بي؛ ناجراث، آي جيه (2010). الآلات الكهربائية (الطبعة الرابعة). تاتا ماكجرو هيل. رقم ISBN 978-0-07-069967-0.
• كولكارني، إس في؛ خاباردي، إس إيه (2004). هندسة المحولات: التصميم والممارسة. دار نشر سي آر سي. رقم ISBN 978-0-8247-5653-6.
• مكلارين، بيتر (1984). الطاقة الكهربائية الأولية والآلات . إليس هوروود. ISBN 978-0-470-20057-5.
• McLyman, Colonel William (2004). "الفصل 3". دليل تصميم المحولات والمحثات . CRC. ISBN 0-8247-5393-3.
• بانسيني، أنتوني (1999). المحولات الكهربائية ومعدات الطاقة. دار نشر سي آر سي. رقم ISBN 978-0-88173-311-2.
• باركر، إم. آر؛ أولا، إس.؛ ويب، دبليو إي (2005). "§2.5.5 "المحولات" و§10.1.3 "المحول المثالي". في وايتيكر، جيري سي. (المحرر). دليل الإلكترونيات (الطبعة الثانية). تايلور وفرانسيس. ص 172، 1017. رقم ISBN 0-8493-1889-0.
• ريان، هـ.م. (2004). هندسة الجهد العالي والاختبار. دار نشر سي آر سي. رقم ISBN 978-0-85296-775-1.

روابط عامة :