المولد الكهربائي: هو جهاز يحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، باستخدام الحث الكهرومغناطيسي قد يكون مصدر الطاقة الميكانيكية عبارةً عن محرك بخاري ترددي أو توربيني أو ماء يسقط من خلال توربين أو عجلة مائية أو محرك احتراق داخلي أو توربينات رياح أو كرنك يدوي أو أي مصدر آخر للطاقة الميكانيكية.
اليوم، تُستخدم المولدات في العديد من الآلات المختلفة وأدّت إلى العديد من التطورات الحديثة، في المستقبل، قد نرى مولدات كهربائية تصبح أصغر مع نواتج أكبر، ومع ذلك في مرحلة ماقد تصبح قديمة إذا تمّ توليد الطاقة الكهربائية مباشرة من مصدر طاقة بديل.
ما هي قصة اختراع المولد الكهربائي؟
في (1831م – 1832م)، اكتشف مايكل فاراداي أنّ فرق الجهد ينشأ بين نهايات موصل كهربائي يتحرك بشكل عمودي على مجال مغناطيسي، كما قام ببناء أول مولد كهرومغناطيسي يسمّى “قرص فاراداي”، وهو نوع من المولدات أحادية القطب، باستخدام قرص نحاسي يدور بين أقطاب مغناطيس، أنتجت جهدًا صغيرًا للتيار المستمر وكميات كبيرة من التيار، كان (Dynamo) أول مولد كهربائي قادر على توفير الطاقة للصناعة، يستخدم الدينامو المبادئ الكهرومغناطيسية لتحويل الدوران الميكانيكي إلى تيار كهربائي متناوب.
تتكون آلة الدينامو من هيكل ثابت يولد مجالًا مغناطيسيًا قويًا ومجموعة من اللفات الدوارة التي تدور داخل هذا المجال، في الآلات الصغيرة، يمكن توفير المجال المغناطيسي بواسطة مغناطيس دائم؛ تمتلك الآلات الأكبر مجالًا مغناطيسيًا تمّ إنشاؤه بواسطة المغناطيسات الكهربائية، تمّ بناء أول دينامو على أساس مبادئ فاراداي في عام 1832م بواسطة (Hippolyte Pixii)، صانع آلات فرنسي، تستخدم مغناطيسًا دائمًا يتم تدويره بواسطة كرنك، تمّ وضع المغناطيس الدوار بحيث يمر قطبه الشمالي والجنوبي بقطعة من الحديد ملفوفة بسلك.
وجد (Pixii) أنّ مغناطيس الغزل ينتج نبضة تيار في السلك في كل مرة يمر فيها قطب بالملف، علاوةً على ذلك فإنّ القطبين الشمالي والجنوبي للمغناطيس يسببان تيارات في اتجاهين متعاكسين، عن طريق إضافة المبدل، تمكن (Pixii) من تحويل التيار المتردد إلى تيار مباشر، على عكس قرص فاراداي، يمكن استخدام العديد من لفات الأسلاك المتصلة في سلسلة في اللفات المتحركة للدينامو، هذا يسمح للجهد الطرفي للآلة أن يكون أعلى مما يمكن أن ينتج عن القرص، بحيث يمكن توصيل الطاقة الكهربائية بجهد مناسب.
تمّ اكتشاف مبادئ مولد المحرك الكهربائي عندما وجد أنّ أحد الدينامو يمكن أن يتسبب في دوران دينامو ثانٍ مترابط إذا تمّ تغذية التيار من خلاله، في عام 1827م، بدأ (Anyos Jedlik) بتجربة الأجهزة الدوارة الكهرومغناطيسية والتي أطلق عليها اسم الدوارات الذاتية الكهرومغناطيسية، في النموذج الأولي للمبدئ الكهربائي أحادي القطب كان كل من الأجزاء الثابتة والدوارة كهرومغناطيسية، لقد صاغ مفهوم الدينامو قبل 6 سنوات على الأقل من سيمنز وويتستون، وهو أنّه بدلاً من المغناطيس الدائم، فإنّ مغناطيسين كهربائيين متعاكسين مع بعضهما البعض يحفزان المجال المغناطيسي حول الدوار.
عانى كلا التصميمين من مشكلة مماثلة، فقد أحدثا “طفرات” للتيار لا شيء على الإطلاق، قام العالم الإيطالي أنطونيو باكينوتي بإصلاح ذلك عن طريق استبدال ملف الغزل بآخر حلقي، والذي صنعه بلف حلقة حديدية، هذا يعني أنّ جزءًا من الملف كان يمر باستمرار بالمغناطيس، أعاد (Zénobe Gramme) ابتكار هذا التصميم بعد بضع سنوات عند تصميم أول محطات طاقة تجارية، والتي كانت تعمل في باريس في سبعينيات القرن التاسع عشر، يُعرف تصميمه الآن باسم (Gramme dynamo)، تمّ إجراء العديد من الإصدارات والتحسينات منذ ذلك الحين، ولكن المفهوم الأساسي للحلقة الدوارة اللانهائية من الأسلاك لا تزال في قلب جميع الديناميات الحديثة.
معلومات مهمة عن المولد الكهربائي:
يحرك المولد تيارًا كهربائيًا، لكنه لا ينتج شحنة كهربائية موجودة بالفعل في السلك الموصل لملفاته، إنّه مشابه إلى حد ما لمضخة المياه، التي تخلق تدفقًا للماء ولكنها لا تخلق الماء نفسه، توجد أنواع أخرى من المولدات الكهربائية، بناءً على ظواهر كهربائية أخرى مثل الكهرباء الانضغاطية والديناميكا المائية المغناطيسية، يشبه بناء الدينامو هيكل المحرك الكهربائي، ويمكن أن تعمل جميع أنواع الدينامو الشائعة كمحركات.
يمكن التعبير عن أجزاء الدينامو أو المعدات ذات الصلة إمّا بمصطلحات ميكانيكية أو كهربائية، على الرغم من أنّهما منفصلتان بشكل واضح، فإنّ هاتين المجموعتين من المصطلحات تستخدمان في كثير من الأحيان بالتبادل أو في مجموعات تتضمن مصطلحًا ميكانيكيًا واحدًا ومصطلحًا كهربائيًا واحدًا، يتسبب هذا في حدوث ارتباك كبير عند العمل مع الأجهزة المركبة مثل المولد أو عند التحدث مع الأشخاص الذين اعتادوا العمل على جهاز تمّ تكوينه بشكل مختلف عن الأجهزة التي يستخدمها مكبر الصوت.
جزء الدينامو المعبر عنه بمصطلح ميكانيكي يتكون من جزأين:
- الجزء الدوار: الجزء الدوار من مولد التيار المتردد أو المولد أو الدينامو أو المحرك.
- الجزء الثابت: الجزء الثابت من مولد التيار المتردد أو المولد أو الدينامو أو المحرك.
جزء الدينامو المعبر عنه بمصطلح كهربائي يتكون من مكونين هما:
- مكون التسليح: مكون إنتاج الطاقة لمولد التيار المتردد أو المولد أو الدينامو أو المحرك، يمكن أن يكون المحرك على العضو الدوار أو الجزء الثابت.
- مكون المجال: مكون المجال المغناطيسي لمولد أو دينامو أو محرك. يمكن أن يكون المجال على الدوار أو الجزء الثابت ويمكن أن يكون إما مغناطيسًا كهربائيًا أو مغناطيسًا دائمًا.
تنطبق نظرية القدرة القصوى على المولدات مثلما تنطبق على أي مصدر للطاقة الكهربائية، تنص هذه النظرية على أنّه يمكن الحصول على الطاقة القصوى من المولد بجعل مقاومة الحمل مساوية لمقاومة المولد، ومع ذلك في ظل هذه الحالة تكون كفاءة نقل الطاقة 50 في المائة فقط، مما يعني أنّ نصف الطاقة المولدة تضيع كحرارة داخل المولد، لهذا السبب لا يتم تصميم المولدات العملية عادةً للعمل بأقصى خرج للطاقة، ولكن عند خرج طاقة أقل تكون الكفاءة أكبر.
تميل السيارات القديمة إلى استخدام مولدات التيار المستمر مع منظمات كهروميكانيكية، لم تكن هذه موثوقة أو فعالة بشكل خاص وتمّ استبدالها الآن بمولدات مدمجة، تعمل هذه الأنظمة على تشغيل الأنظمة الكهربائية في السيارة وإعادة شحن البطارية بعد بدء التشغيل، سيكون الناتج المقدر عادةً في النطاق (50 – 100) أمبير عند 12 فولت، اعتمادًا على الحمل الكهربائي المصمم داخل السيارة، تحتوي بعض السيارات الآن على مساعدة في التوجيه تعمل بالطاقة الكهربائية وتكييف الهواء، ممّا يضع حمولة عالية على النظام الكهربائي.
من المرجح أن تستخدم المركبات التجارية 24 فولت لإعطاء طاقة كافية عند بدء تشغيل المحرك لتشغيل محرك ديزل كبير دون الحاجة إلى كابلات سميكة بشكل غير معقول، لا تستخدم مولدات المركبات عادةً مغناطيس دائم؛ ويمكنها تحقيق كفاءات تصل إلى 90 في المائة على نطاق سرعة واسع من خلال التحكم في جهد المجال، غالبًا ما تستخدم مولدات الدراجات النارية ثوابت مغناطيسية دائمة مصنوعة من مغناطيسات أرضية نادرة، حيث يمكن جعلها أصغر وأخف وزنًا من الأنواع الأخرى.
تُستخدم بعض أصغر المولدات الموجودة عادةً لتشغيل أضواء الدراجات، هذه تميل إلى أن تكون 0.5 أمبير من مولدات مغناطيسية دائمة، تزود (3-6) واط عند 6 فولت أو 12 فولت، قد تشتمل على مغناطيسات أرضية نادرة ومصممة ومع ذلك، فإنّ الكفاءة القصوى هي حوالي 60 بالمائة فقط لأفضل هذه المولدات، بسبب استخدام المغناطيس الدائم، ستكون هناك حاجة لبطارية من أجل استخدام مجال كهرومغناطيسي يمكن التحكم فيه بدلاً من ذلك، وهذا غير مقبول بسبب وزنها وحجمها.
المولد المحرك:
قد تستخدم اليخوت الشراعية مولدًا يعمل بالطاقة المائية أو الرياح لشحن البطاريات، يتم توصيل مروحة صغيرة أو توربينات الرياح أو المكره بمولد تيار متردد منخفض الطاقة ومقوم لتزويد التيارات حتى 12 أمبير بسرعات إبحار نموذجية، من المصطلحات المهمة جدًا وهي مولد المحرك وهو مزيج من مولد كهربائي ومحرك مركب معًا لتشكيل قطعة واحدة من المعدات، يسمّى هذا المزيج أيضًا مجموعة مولد المحرك أو مجموعة المولدات، في العديد من السياقات، يعتبر المحرك أمرًا مفروغًا منه وتسمّى الوحدة المدمجة ببساطة مولد.
بالإضافة إلى المحرك والمولد، تشتمل مولدات المحرك عمومًا على خزان وقود ومنظم سرعة المحرك ومنظم جهد المولد، تمّ تجهيز العديد من الوحدات ببطارية وبادئ تشغيل كهربائي، غالبًا ما تشتمل وحدات توليد الطاقة الاحتياطية على نظام بدء تلقائي ومفتاح تحويل لفصل الحمل عن مصدر طاقة المرافق وتوصيله بالمولد، تنتج مولدات المحرك طاقة تيار متردد تُستخدم كبديل للطاقة التي يمكن شراؤها بطريقة أخرى من محطة طاقة المرافق، يتم تحديد تصنيفات جهد المولد (فولت) والتردد (هرتز) والطاقة (وات) لتناسب الحمل الذي سيتم توصيله، يتوفر كل من النماذج أحادية الطور وثلاثية الطور.
معظم الوحدات المحمولة المتاحة هي طاقة أحادية الطور فقط ومعظم المولدات ثلاثية الطور المصنعة هي مولدات كبيرة الحجم، مولدات المحرك متوفرة في مجموعة واسعة من تصنيفات الطاقة، وتشمل هذه الوحدات الصغيرة المحمولة باليد التي يمكن أن تزود عدة مئات من واط من الطاقة، ووحدات محمولة على عربة، والتي يمكن أن تزود عدة آلاف من الواط والوحدات الثابتة أو المثبتة على المقطورة التي يمكنها توفير أكثر من مليون واط، تميل الوحدات الأصغر إلى استخدام البنزين كوقود، والأكبر منها لها أنواع مختلفة من الوقود، بما في ذلك الديزل والغاز الطبيعي والبروبان (سائل أو غاز).
عند استخدام مولدات المحرك، يجب أن تكون على دراية بجودة الموجة الكهربائية التي يخرجها، هذا مهم بشكل خاص عند تشغيل المعدات الإلكترونية الحساسة، يمكن لمكيف الطاقة أن يأخذ الموجات المربعة الناتجة عن العديد من مولدات المحرك ويسهلها عن طريق تشغيلها من خلال بطارية في منتصف الدائرة،غالبًا ما تستخدم مولدات المحرك لتزويد الطاقة الكهربائية في الأماكن التي لا تتوفر فيها طاقة المرافق وفي المواقف التي تكون فيها الطاقة مطلوبة بشكل مؤقت فقط، تستخدم المولدات الصغيرة أحيانًا لتزويد أدوات الطاقة في مواقع البناء.
