المقارنة بين المولد الحثي والمولد المتزامن

أهمية معاينة الفرق بين المولد الحثي والمولد المتزامن:

من المعروف بأن المولد الحثي هو محرك يستخدم الحث الكهرومغناطيسي بشكل أساسي، وخاصةً عند الدوارات لتحفيز التيار في الدوار لتحقيق تحويل الطاقة الكهروميكانيكية، كما يتميز المولد الحثي بمزايا الهيكل البسيط والصلابة والحجم الصغير والوزن الخفيف والمعدات الأقل مساعدة والتشغيل والصيانة المريحة.

كما أن التشغيل المستقل لمولد الحث يجعله عملياً للغاية للمناطق الجبلية النائية أو نقص الطاقة الذي لا يمكن تغطيته عن طريق شبكة الكهرباء، خاصةً في المدن والقرى أو كمصدر احتياطي للطاقة في حالات الطوارئ، كما يُعرف أيضًا باسم “المولد غير المتزامن”، وهو مولد التيار المتردد الذي يستخدم مجالاً مغناطيسياً دواراً لفجوة هوائية بين الجزء الثابت والدوار للتفاعل مع التيار المستحث في ملف الجزء المتحرك.

أما بالنسبة الى المولدات المتزامنة؛ فهي واحدة من أكثر المولدات استخداماً في صناعة الطاقة الحديثة، بحيث يتم استخدامه على نطاق واسع في الطاقة الكهرومائية والطاقة الحرارية وتوليد الطاقة النووية وتوليد طاقة الديزل، كما يعد المحرك المتزامن الذي يعمل كمولد أحد أكثر المولدات استخداماً، وخاصةً في صناعة الطاقة الحديثة، كما يتم استخدامه على نطاق واسع في الطاقة الكهرومائية والطاقة الحرارية وتوليد الطاقة النووية ومحركات الديزل.

كيف يعمل المولد الحثي؟

ينتج مولد الحث “طاقة كهربائية” عندما يتم تشغيل الجزء الدوار منه بشكل أسرع من سرعة التزامن، وذلك بالنسبة لمحرك نموذجي رباعي الأقطاب، حيث يوجد زوجان من الأقطاب على جزء ثابت يعمل على شبكة كهربائية 60 هرتز؛ لذلك فإن سرعة التواقت هي 1800 دورة في الدقيقة.

وفي نفس المحرك “رباعي الأقطاب” الذي يعمل على تردد يبلغ 50 هرتز؛ فإنه سيكون له سرعة متزامنة تبلغ 1500 دورة في الدقيقة، وعادة ما يتحول المحرك بشكل أبطأ قليلاً من السرعة المتزامنة، حيث أن هذا هو الفرق الأساس بين السرعة المتزامنة وسرعة التشغيل.

وكما هو معلوم يسمى “الانزلاق” ويتم التعبير عنه عادةً كنسبة مئوية من سرعة التزامن، وعلى سبيل المثال، يعمل محرك بسرعة (1450) دورة في الدقيقة وسرعته المتزامنة (1500) دورة في الدقيقة عند الانزلاق + 3.3٪.

في التشغيل العادي للمحرك، يكون دوران تدفق الجزء الثابت أسرع من دوران الجزء المتحرك، كما يؤدي هذا إلى تحفيز تدفق الجزء الثابت على “التيارات الدوارة”، والتي تصنع تدفقاً دواراً بقطبية مغناطيسية معاكسة للجزء الثابت، وبهذه الطريقة، يُسحب الجزء المتحرك على طول خلف تدفق الجزء الثابت، مع تحفيز التيارات الموجودة في الجزء المتحرك عند “تردد الانزلاق”.

وفي تشغيل المولد، يقود المحرك الرئيسي أو أي نوع من المحركات الدوار فوق السرعة التزامنية “الانزلاق العكسي”، بحيث يبقى تدفق الجزء الثابت يستحث التيارات في الجزء المتحرك، ولكن بفعل تدفق الجزء المتحرك المعاكس يقوم حينها بقطع ملفات الجزء الثابت؛ فإنه يتم إنتاج تيار نشط في ملفات الجزء الثابت، ويعمل المحرك الآن كمولد، مما يؤدي إلى إعادة الطاقة إلى الشبكة الكهربائية.

كيف يعمل المولد المتزامن؟

مبدأ عمل المولد المتزامن هو نفس مولد التيار المستمر، بحيث يستخدم “قانون فاراداي” للحث الكهرومغناطيسي، وكما ينصّ هذا القانون على أنه عندما يتم تحفيز تدفق التيار داخل الموصل في مجال مغناطيسي؛ فستكون حتماً هناك حركة نسبية بين الموصل بالإضافة إلى المجال المغناطيسي.

وفي المولد المتزامن، سوف يكون المجال المغناطيسي غير متحرك وستدور الموصلات، ومع ذلك، وفي البناء العملي، سوف تكون موصلات المحرك ثابتة وستدور مغناطيسات المجال بينهما، كما يمكن تثبيت الجزء المتحرك في المولد المتزامن ميكانيكياً باتجاه العمود ليتحول بسرعة متزامنة تحت بعض القوة الميكانيكية التي تؤدي إلى قطع التدفق المغناطيسي في موصلات المحرك الثابت للجزء الثابت.

وتتبعاً لنتيجة قطع التدفق المباشر هذه، سيكون هناك (emf) وتدفق تيار مستحث في موصلات المحرك، ولكل ملف، سيكون هناك تدفق للتيار في دورة النصف الأول بعد ذلك في نصف الدورة الثانية بفارق زمني محدد قدره 120 درجة.

ما هي الاختلافات الرئيسية بين المولد الحثي والمولد المتزامن؟

الآن، وبعد معرفة عمل المولدات الحثية والمتزامنة؛ فليكن التركيز على الاختلافات الجوهرية بين نوعي المولدات المذكورة، فيما يلي ثلاثة من أهم الاختلافات بين هذين المولدين، وهي:

أولاً: في المولد المتزامن، يكون شكل موجة الجهد المتولد متزامناً ويتوافق مباشرة مع سرعة الدوار، كما يمكن إعطاء تردد الخرج كـ (f = N * P / 120 Hz) حيث (N) هي سرعة الدوار في (rpm) و (P) هي عدد الأقطاب.

وفي حالة مولدات الحث؛ فإنه يتم تنظيم تردد جهد الخرج بواسطة نظام الطاقة الذي يتصل به المولد الحثي، وخاصةً إذا كان المولد التعريفي يوفر حملاً مستقلاً؛ فسيكون عندها تردد الإخراج أقل قليلاً (بنسبة 2 أو 3٪) المحسوبة من الصيغة (f = N * P / 120).

ثانياً: مطلوب نظام إثارة (DC) منفصل في مولد التيار المتردد أو المولد المتزامن بينما يستهلك المولد الحثي الطاقة التفاعلية من نظام الطاقة لإثارة المجال، وإذا كان المولد الحثي يهدف إلى توفير حمولة مستقلة؛ فيجب توصيل بنك مكثف لتزويد الطاقة التفاعلية.

ثالثاً: يعتبر بناء مولد الحث أقل تعقيداً لأنه لا يتطلب فرش وترتيب حلقة انزلاقية، كما أن الفرشاة مطلوبة في المولد المتزامن لتزويد العضو الدوار بجهد (DC) للإثارة.

الاعتبارات الاقتصادية بين المولد الحثي والمولد المتزامن:

تتميز محطة الطاقة المجهزة بمولدات غير متزامنة بتكلفة استثمارية منخفضة بسبب عدم وجود نظام إثارة للتيار المستمر وأجهزة متزامنة، علاوة على ذلك؛ فإنه بسبب عدم وجود حلقة تجميع وفرشاة ولف إثارة دوار؛ فإن تكاليف الصيانة والتشغيل منخفضة.

كما أن دواران المولد غير المتزامن عبارة عن لف دوار مشابه للقطب المخفي والمولد غير المتزامن، لذلك تكون الكفاءة العامة أعلى من كفاءة المولد المتزامن بنفس السعة وبنفس السرعة، وتحت نفس مصدر المياه؛ فإنه يمكن للمولد غير المتزامن توليد المزيد من الطاقة.

حيث سيتم تعويض المزايا الاقتصادية المذكورة أعلاه للمولدات غير المتزامنة جزئياً عن طريق الإثارة المطلوبة أو السعة المتزامنة الإضافية أو المكثفات الإضافية للمولد غير المتزامن، كما يتناسب حجم الإثارة المطلوبة للمولد غير المتزامن عكسياً مع السرعة المقدرة للمحرك، بحيث كلما زادت السرعة، قل إثارة القيمة المستهدفة، بالإضافة الى أن مساحة محطة توليد الطاقة غير المتزامنة أصغر من مساحة محطة توليد الطاقة المتزامنة.

وأخيراً؛ فإنه المولد المتزامن يعتمد بشكل عام إثارة التيار المستمر، لذلك فعندما تعمل الآلة الفردية بشكل مستقل، يمكن ضبط جهد المولد بسهولة عن طريق ضبط تيار الإثارة، وخاصةً إذا تم دمجها في تشغيل الشبكة، عندها يتم تحديد الجهد بواسطة الشبكة ولا يمكن تغييره، وفي هذا الوقت، تكون نتيجة ضبط تيار الإثارة هو ضبط عامل القدرة والقدرة التفاعلية للمحرك.