المولد الكهربائي

مولد كهربايي

Electrical generator - Générateur électrique

المولِّد الكهربائي

 يعدّ المولِّد الكهربائي electric generator المنبع الرئيسي للطاقة الكهربائية سواءً كانت طاقة تيار متناوب أم مستمر، ويستخدم في الوقت الحاضر أساساً للحصول على طاقة التيار المتناوب، إذ يقوم بتحويل الطاقة الميكانيكية أو الحركية ـ المتوافرة له من مصادر مختلفة ـ إلى طاقة كهربائية.

يمكن تدوير المولِّد الكهربائي ـ أي تزويده بالطاقة الحركية ـ بالاستخدام المباشر لقوة الغازات الناتجة من حرق الغاز الطبيعي أو مشتقات البترول السائلة (المازوت والبنزين) من دون حاجة إلى العنفة البخارية. ويتم ذلك باستخدام العنفات الغازية ومحركات الاحتراق الداخلي لقيادة المولِّدات الكهربائية. كما يمكن أن يعمل المولِّد الكهربائي بقوة الماء التي تصله من مصادر المياه المختلفة عبر العنفة المائية فتتحول فيه إلى طاقة كهربائية.

لمحة تاريخية

تعود فكرة اختراع المولِّد الكهربائي إلى أوائل القرن التاسع عشر، عندما لاحظ العالم الإنكليزي مايكل فارادي Michael Faraday وآخرون أن تحريك الناقل المعدني الواقع تحت تأثير الحقل المغنطيسي يؤدي إلى تولد الكهرباء في هذا الناقل. أما أول من جسّد هذه الفكرة فهو العالم والمخترع الفرنسي م. هـ. بيكسي M.H.Pixii، عندما ابتكر عام 1832 أول مولد كهرومغنطيسي دوار للتيار المستمر. يتكون هذا المولِّد من مغنطيس دائم نضوي الشكل يدور يدوياً، ومن وشيعة مركبة على أقطاب ثابتة من الحديد المغنطيسي اللين، وكانت نهاية الوشيعة موصلة إلى مجمع collector مصنوع على شكل حلقة نحاسية، وعند تدوير المغنطيس يدوياً كان هذا المولِّد يصدر سلسلة من الشرر الكهربائي في المجمع. ومع حلول عام 1850 استطاع العالم فريدريك هيل هولمز Frederick Hale Holmes أن يبتكر أول مولد للتيار المستمر باستطاعة 2.5 حصان استخدم لأغراض الإنارة المنزلية. وقد كانت النماذج الأولى للمولدات الكهربائية التي ابتكرها هولمز تدور بوساطة محركات بخارية وذات سرع لا تتجاوز 60 دورة في الدقيقة واستطاعة لا تتعدى ثلاثة أحصنة. ويعود الفضل باختراع المولِّد الكهربائي الذي استخدم فيه المغنطيس الكهربائي إلى العالم ويليام سيمنس William Siemens، الذي أثبت منذ عام 1867 أنه ليس بالضرورة استخدام المغنطيس الدائم لتحويل الطاقة الحركية إلى كهرباء. استمر تطوير المولِّدات الكهربائية بعد ذلك وابتكر مولد التيار المتناوب بفضل جهود مجموعة من العلماء أهمها تلك التي قام بها العالم كليرك مكسويل Clerk Maxwell، الذي أسس نظرية الحقل الكهرومغنطيسي المتغير.

بنية المولِّد الكهربائي

الشكل (1) مقطع شاقولي يبين البنية العامة للمولد الكهربائي متوسط الاستطاعة

يوضح (الشكل1) مخططاً للبنية التكوينية للمولد الكهربائي، الذي يمثل مقطعاً شاقولياً في مولد كهربائي نموذجي ذي تبريد هوائي واستطاعة 6000 كيلو واط ساعي kW وسرعة دوران قدرها 3000 دورة في الدقيقة. يشتمل المولِّد على الجزء الثابت stator الذي يتكون من النواة الحديدية أو المغنطيسية magnetic core والملفات المنتجة للطاقة الكهربائية windings المركبة ضمن مجاري هذه النواة. يركب ضمن تجويف الثابت العضو الدوار rotor الذي يتألف أيضاً من نواة مغنطيسية وملف كهربائي لتوليد الحقل المغنطيسي في المولِّد يسمى ملف التهييج.

تركب مجموعة الأجزاء المتحركة من المولِّد بما في ذلك العضو الدوار على محور الدوران shaft، الذي يستند إلى مدارج كروية bearings وقشور ارتكاز roller مغموسة بالزيت توفر دوران المحور بسهولة من دون احتكاك يذكر. يركب على محور الدوران نفسه المهيج exciter وهو آلة تيار مستمر تستخدم لتغذية ملف التهييج اللازم لتوليد الحقل المغنطيسي المطلوب لعمل المولِّد. ومن أجل توصيل التغذية الكهربائية من المهيج إلى ملف التهييج الذي يدور مع المحور تستخدم آلية الحلقات المنزلقة slipping rings. وهذه الآلية هي تماسات كهربائية من الغرافيت تدعى الفحمات أو المسفرات brushes توصل إلى نهايات ملف التهييج الدوار بوساطة نوابض ضاغطة مركبة داخل حوامل خاصة brush holders بها.

تستخدم آلية خاصة من أجل إخراج نهايات الملفات المنتجة للطاقة الكهربائية خارج الجزء الثابت تسمى مخارج ملف الثابت توفر استجرار التيار من داخل المولِّد إلى خارجه. ويجهز المولِّد بهيكل واق مزود بأغطية جانبية يحتوي على جميع مكوناته الداخلية ويعمل على حمايتها من مختلف العوامل الخارجية كالرطوبة والغبار، ويعزل المولِّد عزلاً تاماً عن الوسط الخارجي. يؤدي هذا الهيكل من جهة أخرى دور الوعاء الذي يحتوي على الوسيط المستخدم لتبريد المولِّد (الهواء أو الهدروجين). يثبت القلب المغنطيسي للجزء الثابت إلى الهيكل بوساطة حلقات ضاغطة pressing rings تمنع اهتزاز هذا الجزء في أثناء العمل. ويتم إحكام عزل المولِّد عن الوسط الخارجي بمجموعة من الحواجز الإضافية تقوم ـ في الوقت نفسه ـ بتنظيم سريان وسيط التبريد إلى جميع الأجزاء الداخلية للمولد وتبريدها على نحو فعال. يثبت المولِّد الكهربائي في مكانه إلى الأرض تثبيتاً وثيقاً لمنع الاهتزاز وضمان العمل المستقر. وتُستخدم لهذا الغرض ألواح تثبيت فولاذية تدمج مع الأرضية البيتونية المسلحة المصبوبة تحت المولِّد.

الشكل (2) العضو الدوار ذو الأقطاب البارزة المستخدم في المولدات التزامنية البطيئة

يُزوّد المولِّد إضافة إلى ما ورد ذكره آنفاً ـ بمجموعة من العناصر المتممة الضرورية لاستثماره استثماراً صحيحاً، وهي تشمل: آلية إطفاء الحريق، وموانع إحكام تمنع خروج الزيت من المولِّد، ومقابض لرفع المولِّد عند النقل والتركيب والصيانة. ويمكن أن تتبدل بنية المولِّد الكهربائي تبعاً لنوعه واستطاعته.

ـ بنية العضو الدوار: مولدات التيار المتناوب التزامنية synchronous generators هي الأكثر شيوعاً، وتصمم على نوعين رئيسيين هما: الآلات التزامنية ذات الأقطاب البارزة salient poles؛ والآلات التزامنية التوربينية ذات الأقطاب غير البارزة non-salient poles.

في المولِّدات ذات الأقطاب البارزة يتكون العضو الدوار من قلب مغنطيسي يحتوي على عدد من الأقطاب البارزة (الشكل2). يتحدد عدد الأقطاب بسرعة دوران المولِّد، فكلما كان هذا العدد كبيراً تنخفض سرعة المولِّد. لذلك يستخدم هذا النوع في المولِّدات البطيئة الدوران كالمولِّدات المائية التي قطر جسمها الدوار كبير ولا يسمح بالدوران بسرعات عالية لاعتبارات ميكانيكية. يتكون الجسم الدوار ذو الأقطاب البارزة من المحور أو الجذع الدوار shaft وحامل الأقطاب yoke والأعصاب أو المرابط التي تربطه مع المحور.

تركب على كل قطب pole من أقطاب الجسم الدوار وشيعة تسلسلية solenoid من وشائع ملف التهييج. وتزود الأقطاب بأقنية تهوية تساعد وسيط التبريد على النفاذ إلى عمق حديد الدوار. إضافة إلى ملف التهييج يُزوَّد المولِّد الكهربائي بملف إضافي يركب ضمن الجزء السطحي من الأقطاب يدعى ملف التخميد damping winding، الذي يتكون من مجموعة من القضبان المعدنية bars مقصورة من الطرفين بحلقات إحكام rings من المعدن نفسه الذي يكون غالباً من خلائط النحاس. يؤدي ملف التخميد دوراً فعالاً في تهدئة الاهتزازات الشديدة التي يمكن أن تنشأ في المولِّد عندما يتعرض في أثناء عمله لحالات من الاضطراب المختلفة.

الشكل (3) العضو الدوار ذو الأقطاب الأسطوانية غير البارزة المستخدم في المولدات التوربينية السريعة

لا تظهر الأقطاب بارزة على العضو الدوار في المولِّدات التزامنية ذات الأقطاب غير البارزة أو الأسطوانية، بل يكون هذا العضو ـ كما هو موضح في (الشكل3) ـ أسطوانة فولاذية محمولة على محور الدوران، وتحتوي هذه الأسطوانة على مجار عميقة لتركيب ملف التهييج ضمنها. يتميز هذا النوع من المولِّدات بالمتانة الميكانيكية للعضو الدوار، لذا يسمح بأن تكون سرعة دورانها عالية تصل حتى 3000 دورة في الدقيقة، مما يحسن من الخصائص التصميمية - الاقتصادية لهذه الآلات، إذ كلما ازدادت سرعة دوران الآلة ينخفض حجمها ووزنها وكلفة تصنيعها. يصنع العضو الدوار من رقائق الفولاذ ذي الناقلية المغنطيسية العالية. وتكون سماكة هذه الرقائق laminations أدنى ما يمكن، ويُعزل بعضها عن بعضه الآخر لتقليل أثر التيارات الإعصارية التي تُعرف بتيارات إدي Eddy currents وما ينجم عنها من ضياعات استطاعة.

الشكل (4) المنظر العام للجزء الثابت في المولد الكهربائي عالي الاستطاعة

ـ بنية الجزء الثابت: الجزء الثابت في المولِّد الكهربائي هو أسطوانة مفرغة من الداخل تحتوي على عدد محدد من المجاري الموزعة بانتظام على طول محيطها الداخلي (الشكل4). وتكون مساحة هذه المجاري وعمقها كافية لاتساع الملفات الرئيسية للآلة مع ما يلزمها من مواد عزل وتثبيت. لا يصنع الجزء الثابت على شكل كتلة مصمتة تجنباً للتأثير الضار للتيارات الإعصارية، بل يتم تكوينه ـ مثل الجزء الدوارـ من رقائق فولاذية عالية الناقلية المغنطيسية لا تتجاوز سماكتها 0.3ـ 0.5ملم. تجمع هذه الرقائق ضمن رزم packets يتخللها أقنية للتبريد موزعة بانتظام على طول الثابت لضمان وصول وسيط التبريد إلى جميع أجزائه.

تتعلق أبعاد الجزء الثابت باستطاعة المولِّد وسرعة دورانه. فكلما ازدادت سرعة الدوران تنخفض أبعاد المولِّد، وبالعكس فإن زيادة استطاعة المولِّد تُوجب زيادة أبعاده.

بعد أن يتم جمع حديد الجزء الثابت وتثبيته بالشكل المطلوب، تُركب الملفات الكهربائية الرئيسية ضمن المجاري المخصصة لها بعد أن يتم عزلها عزلاً تاماً.

تتكون الملفات في المولِّدات الكهربائية الكبيرة من ثلاثة أطوار أو ملفات متناظرة، أي إن كل ملف يكون مماثلاً تماماً للملف المجاور من حيث عدد اللفات وسطح المقطع، مُزاحاً عنه فراغياً ضمن الدائرة الداخلية للثابت بزاوية مقدارها 120 درجة. ومن أجل تحسين نوعية الكهرباء المنتجة في المولِّد الكهربائي تُتخذ مجموعة من الإجراءات في مرحلة التصميم تتعلق باختيار طريقة اللف وعدد مجاري الثابت وشكلها. فاستخدام المجاري المائلة وتقصير خطوة اللف ـ على سبيل المثال ـ يساعد على التخلص من التوافقيات العليا high harmonics في موجة توتر خرج المولِّد ويجعلها أقرب إلى الشكل الجيبي المرغوب.

تُثبت الملفات ضمن المجاري باستخدام أسافين تثبيت خاصة لضمان استقرارها في أثناء عمل الآلة، كما تُربط الأجزاء السائبة أو المعلقة للملفات بطريقة وثيقة.

 عمل المولِّد الكهربائي

يتم تدوير العضو الدوار بقوة محرك أولي كالعنفة البخارية steam turbine أو محرك الديزل إلى أن يبلغ هذا العضو سرعته الإسمية التي تدعى السرعة التزامنية synchronous speed. عند ذلك تتم تغذية ملف التهييج ـ المركب في مجاري الدوار ـ بالتيار المستمر الذي يتم الحصول عليه من منبع خاص لهذا التيار يدعى بالمهيج exciter. وتستخدم لهذا الغرض نظم تهييج مختلفة، كمولدات التيار المستمر أو المهيجات الساكنة التي تعتمد على تحويل التيار المتناوب إلى مستمر بمساعدة دارات التقويم الإلكترونية الحديثة[ر]. عند تغذية ملف التهييج بالتيار المستمر يتولد حوله حقل مغنطيسي ساكن بالنسبة إلى العضو الدوار؛ لكنه متحرك بالنسبة إلى الجزء الثابت بسرعة مساوية لسرعة دوران المولِّد. تتقاطع خطوط هذا الحقل المغنطيسي الدوار عند إغلاقه ما بين النوى الحديدية لكل من الدوار والثابت مع الملفات الكهربائية المتوضعة في مجاري الثابت، مما يؤدي إلى تولد قوى محركة كهربائية في هذه الملفات. وبما أن الحقل المغنطيسي المتولد في ملف التهييج متحرك ـ كما ذُكر آنفاً ـ بالنسبة إلى ملفات الثابت؛ لذلك تكون القوى المحركة الكهربائية المنتجة في ملفات الثابت متغيرة دورياً بالزمن، أي إن الطاقة المنتجة في هذا المولِّد هي طاقة تيار متناوب. بهذه الطريقة يتم تحويل الطاقة في المولِّد من نوعها الحركي إلى طاقة كهربائية تستجر من المولِّد تياراً كهربائياً.

الشكل (5) منظر عام للمولد الكهربائي المدار بالعنفة المائية

عند استثمار المولِّدات الكهربائية يتوجب التقيد بجملة من القواعد والمتطلبات لتحقيق الحالة الفنية المطلوبة والجدوى الاقتصادية القصوى من هذه التجهيزات. فقبل كل شي يجب ضمان أن تكون الطاقة المنتجة فيها مولدة بالتوتر النظامي المطلوب من دون زيادة أو نقصان عن الحدود المسموحة. ويتم التحكم بتوتر خرج المولِّد بتنظيم قيمة تيار التهييج بمساعدة جمل تحكم دقيقة. من ناحية أخرى يتوجب تجنب تحميل المولِّد بأحمال تفوق استطاعته الاسمية، أي استجرار استطاعة منه تفوق طاقته، لأن ذلك يمكن أن يؤدي إلى مخاطر كثيرة؛ كاختلال استقراره وتعرضه لارتفاع غير مسموح بدرجة حرارة أجزائه وخاصة النوى الحديدية والملفات. وفي الوقت ذاته لا يُفضّل تشغيل المولِّد بأحمال تقلّ كثيراً عن استطاعته الاسمية؛ لأن ذلك يخفّض مردوده والجدوى الاقتصادية من استخدامه. لذلك يُنصح بتشغيل المولِّدات بأحمال تقارب 80% من استطاعتها الاسمية، فيمكن عندئذٍ تحقيق أعلى مردود للمولد، الذي يمكن أن يتجاوز 95% في المولِّدات عالية الاستطاعة، حيث تنخفض نسبة ضياعات الاستطاعة إلى استطاعة الخرج مع ازدياد الاستطاعة الاسمية للمولد.

بعض الأنواع الأخرى للمولدات الكهربائية

إضافة إلى المولِّدات التوربينية البخارية المستخدمة في الوقت الحاضر لإنتاج الطاقة الكهربائية؛ تُستخدم أنواع أخرى من المولِّدات التي تتميز بخصائص مختلفة عن النوع السابق؛ من أهمها المولِّدات المائية (الشكل 5).

يتميز هذا المولِّد بأنه يركب شاقولياً بعكس المولِّدات العادية ذات المحور الأفقي، ويُدار بقوة العنفة المائية المبينة أسفل الشكل والمربوطة مع المحور الشاقولي للمولد. أما فيما تبقى من الأجزاء فلا يختلف هذا المولِّد في عمله عن المولِّد العادي إلا بكونه يتميز بسرعة دوران بطيئة، ففي حين تصل سرعة دوران المولِّدات التوربينية البخارية حتى 3000 دورة بالدقيقة؛ فإن سرعة دوران العنفة المائية تكون أدنى بكثير ولا تتجاوز بضع مئات من الدورات في الدقيقة. لذا يكون عدد أقطاب المولِّدات المائية أكبر بكثير من المولِّدات التوربينية.

الشكل (6) منظر عام للمولدة كهربائية مدارة بمحركات ديزل

وأخيراً تجدر الإشارة إلى نوع مهم من المولِّدات الكهربائية ينتشر بكثرة هو مولد الديزل وهو مولد للتيار المتناوب يعمل بالطاقة الحركية التي تنتجها محركات الديزل عند حرق الوقود النفطي السائل. لا تختلف بنية عمله ومبدؤه عن المولِّد التوربيني البخاري؛ إلا أن استطاعته أقل وتوتراته أدنى. وهو غالباً ما ينتج على التوتر المنخفض 380 ڤولت بعكس المولِّدات التوربينية التي يمكن أن يصل توترها حتى 20 كيلوڤولت، كما أن استطاعة مولدات الديزل محدودة لا تتجاوز بضع مئات أو آلاف الكيلوڤولت أمبير، في حين تبلغ استطاعة المولِّدات التوربينية والمائية عشرات ومئات الميغا ڤولت أمبير (الشكل 6).

  تستخدم مولدات الديزل بالدرجة الأولى منابع احتياطية محدودة الاستطاعة للطاقة الكهربائية، وهي سريعة التركيب وسهلة الاستعمال إذ تكون في بعض الأحيان متنقلة بمساعدة عربة حاملة لها. كما تُزوّد هذه المولِّدات حالياً بأغطية خارجية تقيها من العوامل الجوية مما يسمح بتركيبها حتى في العراء. ويمكن أن تؤدي هذه الأغطية دوراً مهماً في خفض ضجيج هذه المولِّدات إذا كانت من النوع الكتيم صوتياً.

إن أقدم أنواع المولِّدات الكهربائية هي آلات التيار المستمر كما أُشير في البداية. وهذه الآلات مازالت تنتج حالياً، لكن على نطاق محدود، إذ تستخدم بصورة أساسية مهيجات للمولدات التزامنية عالية الاستطاعة. يختلف مولد التيار المستمر عن مولد التيار المتناوب العادي إلى حد كبير من حيث البنية، إذ تقع الأقطاب وملف التهييج على الجزء الثابت في حين تركب الملفات الرئيسية المنتجة للطاقة الكهربائية على العضو الدوار. وتستخدم آلية الحلقات المنزلقة والمسفرات لاستجرار التيار الكهربائي من ملف الدوار. إن هذه البنية تتسبب بمشاكلات فنية كثيرة كظهور الشرر الكهربائي على مجمع الدوار، مما خفّض إلى حد كبير من انتشار هذا النوع من المولِّدات، إضافة إلى إمكانية الحصول على التيار المستمر من دارات التقويم نصف الناقلة المغذاة من مولدات التيار المتناوب.

عبد المطلب أبو سيف

ـ الآلات الكهربائية والميكروية، ترجمة عبد المطلب أبو سيف (منشورات المركز العربي للتعريب والتأليف والترجمة والنشر، دمشق 1995).

ـ عبد المطلب أبو سيف، تصميم الآلات الكهربائية (منشورات جامعة دمشق، 2005). 

- M.P.KOSTENKO, L. M. PIOTROVSKI, Electric Machines, Part-2. AC Machines. (Russia, Energy, 1973).

- A.V.IVANOV- SMOLENSKI, Electric Machines, (Moscow, Energy, 1980)

- MOHAMED E. EL- HAWARY, Principles of Electric Machines with Power Electronic Applications. (John Wiley & Sons. IEEE publications 2002).

التصنيف : التقنيات (التكنولوجية)

النوع : تقانة

المجلد: المجلد العشرون

رقم الصفحة ضمن المجلد : 91

آخر أخبار الهيئة :

معجم المصطلحات

الأطلس الجغرافي

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية