المولدات

المولدات هي أجهزة تحوّل أشكال الطاقة الأخرى إلى طاقة كهربائية. في عام ١٨٣٢، اخترع الفرنسي بيكسي المولد.

يتكون المولد من دوار وثابت. يقع الدوار في التجويف المركزي للثابت. يتميز بأقطاب مغناطيسية على الدوار لتوليد مجال مغناطيسي. عندما يدفع المحرك الرئيسي الدوار للدوران، تنتقل الطاقة الميكانيكية. تدور الأقطاب المغناطيسية للدوار بسرعة عالية مع الدوار، مما يتسبب في تفاعل المجال المغناطيسي مع لفات الجزء الثابت. يؤدي هذا التفاعل إلى قطع المجال المغناطيسي لموصلات لفات الجزء الثابت، مولدًا قوة دافعة كهربائية مستحثة، وبالتالي تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. تنقسم المولدات إلى مولدات تيار مستمر ومولدات تيار متردد، وهي تُستخدم على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي والزراعي، والدفاع الوطني، والعلوم والتكنولوجيا، والحياة اليومية.

المعلمات الهيكلية

تتكون المولدات عادة من الجزء الثابت والدوار وأغطية النهاية والمحامل.

يتكون الجزء الثابت من قلب الجزء الثابت، ولفائف الأسلاك، والإطار، وأجزاء هيكلية أخرى تثبت هذه الأجزاء.

يتكون الدوار من لف قلب الدوار (أو القطب المغناطيسي، الاختناق المغناطيسي)، وحلقة الحراسة، والحلقة المركزية، وحلقة الانزلاق، والمروحة وعمود الدوار والمكونات الأخرى.

يتم ربط وتجميع الجزء الثابت والدوار للمولد بواسطة المحامل وأغطية النهاية، بحيث يمكن للدوار أن يدور في الجزء الثابت ويقوم بحركة قطع الخطوط المغناطيسية للقوة، وبالتالي توليد الجهد الكهربائي المستحث، والذي يتم إخراجه من خلال المحطات وتوصيله بالدائرة، ثم يتم توليد التيار الكهربائي.

الميزات الوظيفية

يتميز أداء المولدات المتزامنة بشكل رئيسي بخصائص التشغيل بدون حمل وتحت الحمل. تُعدّ هذه الخصائص أساسًا هامًا لاختيار المولدات.

توصيف عدم التحميل:عندما يعمل المولد بدون حمل، يكون تيار المحرك صفرًا، وهي حالة تُعرف باسم التشغيل في الدائرة المفتوحة. في هذه الحالة، لا يمتلك الملف ثلاثي الأطوار للجزء الثابت للمحرك سوى القوة الدافعة الكهربائية اللاحملية E0 (تناظر ثلاثي الأطوار) المُستحثة بواسطة تيار الإثارة If، وتزداد قيمتها بزيادة If. مع ذلك، لا يتناسب التياران لأن قلب الدائرة المغناطيسية للمحرك مُشبع. يُسمى المنحنى الذي يعكس العلاقة بين القوة الدافعة الكهربائية اللاحملية E0 وتيار الإثارة If بخاصية اللاحمل للمولد المتزامن.

تفاعل المحرك:عند توصيل مولد بحمل متماثل، يُولّد التيار ثلاثي الطور في ملفّ المحرك مجالًا مغناطيسيًا دوارًا آخر، يُسمى مجال رد فعل المحرك. وسرعته مساوية لسرعة الدوار، ويدوران معًا بشكل متزامن.

يمكن تقريب مجال تفاعل المحرك وحقل إثارة الدوار في المولدات المتزامنة، حيث يتوزع كلاهما وفقًا لقانون جيبي. يعتمد فرق الطور المكاني لهما على فرق الطور الزمني بين القوة الدافعة الكهربائية اللاحملية E0 وتيار المحرك I. بالإضافة إلى ذلك، يرتبط مجال تفاعل المحرك أيضًا بظروف الحمل. عندما يكون حمل المولد حثيًا، يكون لحقل تفاعل المحرك تأثير إزالة المغناطيسية، مما يؤدي إلى انخفاض جهد المولد. وعلى العكس، عندما يكون الحمل سعويًا، يكون لحقل تفاعل المحرك تأثير مغناطيسي، مما يزيد من جهد خرج المولد.

خصائص عملية التحميل:يشير هذا المصطلح بشكل رئيسي إلى الخصائص الخارجية وخصائص الضبط. تصف الخاصية الخارجية العلاقة بين جهد طرف المولد U وتيار الحمل I، عند ثبات السرعة المقدرة وتيار الإثارة ومعامل قدرة الحمل. تصف خاصية الضبط العلاقة بين تيار الإثارة If وتيار الحمل I، عند ثبات السرعة المقدرة والجهد الطرفي ومعامل قدرة الحمل.

يتراوح معدل تغير الجهد في المولدات المتزامنة بين 20% و40% تقريبًا. تتطلب الأحمال الصناعية والمنزلية النموذجية جهدًا ثابتًا نسبيًا. لذلك، يجب تعديل تيار الإثارة تبعًا لذلك مع زيادة تيار الحمل. مع أن اتجاه تغير خاصية التنظيم معاكس للخاصية الخارجية، إلا أنه يزداد في الأحمال الحثية والمقاومة البحتة، بينما يتناقص عمومًا في الأحمال السعوية.

مبدأ العمل

مولد ديزل

يُشغّل محرك الديزل مولدًا كهربائيًا، محولًا طاقة وقود الديزل إلى طاقة كهربائية. داخل أسطوانة محرك الديزل، يمتزج الهواء النقي، المُرشّح بواسطة فلتر الهواء، تمامًا مع وقود الديزل المُرشّح عالي الضغط الذي يُحقن بواسطة حاقن الوقود. عندما يتحرك المكبس لأعلى، ضاغطًا الخليط، ينخفض ​​حجمه وترتفع درجة حرارته بسرعة حتى يصل إلى نقطة اشتعال وقود الديزل. يؤدي هذا إلى اشتعال وقود الديزل، مما يؤدي إلى احتراق الخليط بعنف. يدفع التمدد السريع للغازات المكبس لأسفل، وهي عملية تُعرف باسم "الشغل".

مولد البنزين

يُشغّل محرك البنزين مولّدًا كهربائيًا، محولًا الطاقة الكيميائية للبنزين إلى طاقة كهربائية. داخل أسطوانة محرك البنزين، يحترق خليط من الوقود والهواء بسرعة، مما يُؤدي إلى تمدد سريع في الحجم يدفع المكبس للأسفل، مُنجزًا شغلًا.

في كلٍّ من مولدات الديزل والبنزين، تعمل كل أسطوانة بالتتابع وبترتيب محدد. تُحوَّل القوة المؤثرة على المكبس بواسطة ذراع التوصيل إلى قوة دورانية تُشغِّل عمود المرفق. يسمح مولد تيار متردد متزامن بدون فرش، مُثبَّت محوريًا مع عمود مرفق محرك الطاقة، لدوران المحرك بتحريك دوار المولد. واستنادًا إلى مبدأ الحث الكهرومغناطيسي، يُولِّد المولد قوة دافعة كهربائية مُستحثة، مُولِّدًا تيارًا عبر دائرة حمل مغلقة.