محول دوار

المحول الدوار هو نوع من الآلات الكهربائية التي تعمل كمقوم ميكانيكي أو عاكس أو محول تردد . استُخدمت المحولات الدوارة لتحويل التيار المتردد (AC) إلى تيار مستمر (DC)، أو العكس، قبل ظهور تقنيات التقويم والعكس الكيميائية أو الصلبة . وكانت شائعة الاستخدام لتوفير طاقة التيار المستمر للكهرباء التجارية والصناعية وكهربة السكك الحديدية من مصدر طاقة التيار المتردد. ^{[ 1 ]}

محطة المحولات الدوارة هي منشأة تُستخدم فيها المحولات الدوارة. وباستخدام المعدات المناسبة، يمكن لهذه المنشآت أيضًا ضبط الفولتية والترددات . كانت محطات المحولات الدوارة شائعة في كهربة السكك الحديدية قبل اختراع مقومات قوس الزئبق في عشرينيات القرن الماضي. في كل محطة، كان يتم تحويل الطاقة من شبكة التيار المتردد إلى تيار مستمر لتغذية خط علوي أو سكة ثالثة للسكك الحديدية. كما استُخدمت محطات المحولات الدوارة لربط شبكات الطاقة ذات الترددات وأنماط التشغيل المختلفة. وكانت محطة نويوف الفرعية السابقة مثالًا على ذلك. وكانت أجهزة إرسال الآلات القديمة، مثل مولد ألكسندرسون ، تُعتبر، من الناحية الفنية، محطات محولات دوارة. وعلى الرغم من تكنولوجيا أشباه الموصلات الحديثة ، لا تزال المحولات الدوارة شائعة لتغذية أنظمة السكك الحديدية بتيار متردد بتردد مختلف عن تردد شبكة الكهرباء الرئيسية. في أوروبا، يُستخدم هذا عادةً لتزويد السكك الحديدية بتيار متردد بجهد 15 كيلوفولت .

يمكن اعتبار المحول الدوار بمثابة محرك-مولد ، حيث يشترك الجهازان في عضو دوار واحد ومجموعة من ملفات المجال . يتكون التصميم الأساسي للمحول الدوار من مولد تيار مستمر (دينامو) مزود بمجموعة من حلقات الانزلاق المتصلة بملفات الدوار على مسافات متساوية. عند دوران الدينامو، تتناوب التيارات الكهربائية في ملفات الدوار أثناء دورانه في المجال المغناطيسي لملفات المجال الثابتة. يتم تقويم هذا التيار المتناوب بواسطة مبدل ، مما يسمح باستخراج تيار مستمر من الدوار. يُستفاد من هذا المبدأ بتزويد ملفات الدوار نفسها بطاقة تيار متردد، مما يجعل الجهاز يعمل كمحرك تيار متردد متزامن. يؤدي دوران الملفات المُزودة بالطاقة إلى إثارة ملفات المجال الثابتة، مما ينتج جزءًا من التيار المستمر. أما الجزء الآخر فهو تيار متناوب من حلقات الانزلاق ، والذي يتم تقويمه مباشرة إلى تيار مستمر بواسطة المبدل . هذا يجعل المحول الدوار بمثابة مولد هجين ومقوم ميكانيكي. وعند استخدامه بهذه الطريقة، يُشار إليه باسم محول دوار متزامن أو ببساطة محول متزامن . كما تسمح حلقات الانزلاق للتيار المتردد للجهاز بالعمل كمولد تيار متردد.

يمكن عكس اتجاه الجهاز وتطبيق تيار مستمر على ملفات المجال والمبدل لتدوير الآلة وإنتاج طاقة تيار متردد. وعند تشغيله كآلة تحويل من تيار مستمر إلى تيار متردد، يُشار إليه باسم محول دوار معكوس .

إحدى طرق فهم آلية عمل محول التيار المتردد إلى التيار المستمر الدوار هي تخيل مفتاح عكسي دوار يعمل بسرعة متزامنة مع خط الطاقة. يمكن لهذا المفتاح تقويم شكل موجة التيار المتردد الداخلة دون أي مكونات مغناطيسية باستثناء تلك التي تُشغّله. يُعدّ المحول الدوار أكثر تعقيدًا من هذه الحالة البسيطة، لأنه يُنتج تيارًا شبه مستمر بدلًا من التيار المستمر النابض الناتج عن المفتاح العكسي وحده، ولكن هذا التشبيه قد يُساعد في فهم كيف يتجنب المحول الدوار تحويل كل الطاقة من كهربائية إلى ميكانيكية ثم العودة إلى كهربائية.

ببساطة، عند تشغيل أحد المحركات، يتلقى المحرك المقابل الطاقة الميكانيكية، مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي معاكس. وبحسب الجانب المُشغَّل، يقوم الجهاز بتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر أو العكس.

تتمثل ميزة المحول الدوار على مجموعة المولدات والمحركات المنفصلة في أنه يتجنب تحويل كامل تدفق الطاقة إلى طاقة ميكانيكية ثم إعادته إلى طاقة كهربائية؛ إذ يتدفق جزء من الطاقة الكهربائية مباشرةً من المدخل إلى المخرج، مما يسمح بأن يكون المحول الدوار أصغر حجمًا وأخف وزنًا بكثير من مجموعة المولدات والمحركات ذات القدرة المكافئة على معالجة الطاقة. تشمل مزايا مجموعة المولدات والمحركات تنظيم الجهد القابل للتعديل ، والذي يمكنه تعويض انخفاض الجهد في شبكة التغذية؛ كما أنها توفر عزلًا كاملًا للطاقة ، وعزلًا للتوافقيات، وحماية أكبر من ارتفاعات الجهد المفاجئة والعابرة، وحماية من انخفاض الجهد (انقطاع التيار) من خلال زيادة الزخم.

في هذا المثال الأول لمحول دوار من أحادي الطور إلى تيار مستمر، يمكن استخدامه بخمس طرق مختلفة: ^{[ 5 ]}

• إذا تم تدوير الملف، يمكن أخذ تيارات متناوبة من حلقات التجميع، ويسمى ذلك مولد التيار المتردد .
• إذا تم تدوير الملف، يمكن أخذ تيار مباشر من المبدل، ويسمى ذلك الدينامو .
• إذا تم تدوير الملف، يمكن سحب تيارين منفصلين من المحرك، أحدهما تيار مستمر والآخر تيار متردد. يُطلق على هذا النوع من الآلات اسم مولد التيار المزدوج .
• إذا تم تطبيق تيار مستمر على المبدل، سيبدأ الملف بالدوران كما في المحرك الكهربائي ذي المبدل ، ويمكن سحب تيار متردد من حلقات التجميع. يُسمى هذا النوع من المحولات بالمحول الدوار المعكوس (انظر: العاكس ).
• إذا تم رفع سرعة الآلة إلى السرعة التزامنية بواسطة وسائل خارجية، وكان اتجاه التيار المار في العضو الدوار متوافقًا مع اتجاه ملفات المجال، فإن الملف سيستمر في الدوران بالتزامن مع التيار المتردد كما في المحرك التزامني . ويمكن الحصول على تيار مستمر من المبدل. وعند استخدامها بهذه الطريقة، تُسمى محولًا دوارًا .

محول الطور الدوار ، ويُختصر بـ RPC ، هو آلة كهربائية تُحوّل الطاقة من نظام متعدد الأطوار إلى آخر، وذلك عبر الحركة الدورانية. عادةً، تُستخدم الطاقة الكهربائية أحادية الطور لإنتاج طاقة كهربائية ثلاثية الأطوار محليًا لتشغيل الأحمال ثلاثية الأطوار في المباني التي لا يتوفر فيها سوى الطاقة أحادية الطور. قد يُبنى هذا المحول على شكل مجموعة مولد-محرك ، حيث تعزل هذه المجموعات الحمل تمامًا عن مصدر الطاقة أحادي الطور وتُنتج خرجًا متوازنًا ثلاثي الأطوار. مع ذلك، ونظرًا لاعتبارات الوزن والتكلفة والكفاءة، فإن معظم محولات الطور الدوارة لا تُبنى بهذه الطريقة.

بدلاً من ذلك، تُصنع هذه المحولات من محرك أو مولد حثي ثلاثي الأطوار، يُسمى "المحرك الوسيط"، حيث يتم تغذية طرفين منه (مدخلات المحرك الوسيط) من خط أحادي الطور. يُنتج التدفق المغناطيسي الدوار في المحرك جهدًا على الطرف الثالث. ويتولد جهد في الطرف الثالث مُزاح طوريًا عن الجهد بين الطرفين الأولين. في محرك ثلاثي الملفات، يعمل ملفان كمحرك، بينما يعمل الملف الثالث كمولد. ولأن الطور الثالث المُركّب يُدار بشكل مختلف عن الطورين الآخرين، فقد تكون استجابته لتغيرات الحمل مختلفة، مما يؤدي إلى انخفاض جهد هذا الطور بشكل أكبر تحت الحمل. ولأن المحركات الحثية حساسة لعدم توازن الجهد، يُعد هذا عاملاً آخر في خفض قدرة المحركات التي تُدار بواسطة هذا النوع من محولات الطور. على سبيل المثال، يتطلب عدم توازن بسيط بنسبة 5% في جهد الطور خفضًا أكبر بكثير بنسبة 24% في قدرة المحرك المقدرة. ^{[ 6 ]} لذا، قد يكون ضبط دائرة محول الطور الدوار للحصول على جهود طور متساوية تحت أقصى حمل أمرًا بالغ الأهمية.

تُستخدم محولات الطور الدوارة لإنتاج تيار أحادي الطور للموصل العلوي الوحيد في خطوط السكك الحديدية الكهربائية . وقد اعتمدت خمس دول أوروبية ( ألمانيا ، النمسا ، سويسرا ، النرويج ، والسويد ) ، حيث يكون التيار الكهربائي ثلاثي الأطوار بتردد 50 هرتز ، تيارًا أحادي الطور بجهد 15 كيلوفولت وتردد 16 ± 2/3 هرتز لتزويد خطوط السكك الحديدية بالكهرباء؛ ولذلك، تُستخدم محولات الطور لتغيير كلٍ من الأطوار والتردد . في الاتحاد السوفيتي ، استُخدمت هذه المحولات في قاطرات التيار المتردد لتحويل التيار أحادي الطور بتردد 50 هرتز إلى تيار ثلاثي الأطوار لتشغيل المحركات الحثية ، ومراوح تبريد محركات الجر ، وما إلى ذلك. ^{[ 7 ]}     

اخترع تشارلز إس. برادلي المحول الدوار عام 1888. ^{[ 8 ]} كان الاستخدام الشائع لهذا النوع من محولات التيار المتردد/المستمر هو تزويد السكك الحديدية بالكهرباء ، حيث كانت الطاقة الكهربائية تُزوَّد على شكل تيار متردد. صُممت القطارات للعمل بالتيار المستمر، إذ كان من الممكن تصنيع محركات جر التيار المستمر بخصائص سرعة وعزم دوران مناسبة للدفع، مع إمكانية التحكم في سرعتها. لم يكن محرك الحث بالتيار المتردد مناسبًا للجر عند تشغيله بمصدر تردد ثابت. قبل اختراع مقومات قوس الزئبق ومقومات أشباه الموصلات عالية القدرة ، كان هذا التحويل ممكنًا فقط باستخدام مولدات المحركات أو المحولات الدوارة.

سرعان ما لبّت المحولات الدوارة الحاجة إلى استخدام جميع أنظمة توصيل الطاقة الكهربائية المتنافسة التي ظهرت في ثمانينيات وتسعينيات القرن التاسع عشر. وشملت هذه الأنظمة أنظمة التيار المتردد أحادية الطور، وأنظمة التيار المتردد متعددة الأطوار، والإضاءة المتوهجة منخفضة الجهد، والإضاءة القوسية عالية الجهد، ومحركات التيار المستمر الموجودة في المصانع وعربات الترام. ^{[ 9 ] [ 10 ]} كانت معظم الآلات والأجهزة في ذلك الوقت تعمل بطاقة التيار المستمر، والتي كانت تُوفّر على مستوى المستخدم من خلال محطات فرعية للمحولات الدوارة للاستهلاك السكني والتجاري والصناعي. وفّرت المحولات الدوارة طاقة تيار مستمر عالية للعمليات الكهروكيميائية الصناعية مثل الطلاء الكهربائي . احتاجت مصانع الصلب إلى كميات كبيرة من طاقة التيار المستمر في الموقع لمحركاتها الرئيسية لتشغيل الأسطوانات. وبالمثل، احتاجت مصانع الورق ومطابع الطباعة إلى تيار مستمر لبدء وإيقاف محركاتها بتزامن تام لمنع تمزق الورق.

• سيتكي جيولا: تقنية كهربائية مجرية ناجي ألاكجاي. (إنرجيتيكاي كيادو خت. 2005)

• "Az egyfázisú , 50 periódusú, fázisváltós vontatási rendszer újabb fejlődése" [ أحدث التطورات في أنظمة الجر أحادية الطور 50 هرتز] (PDF) (باللغة الهنغارية). 27 ديسمبر 2021.