درس حول المولدات الكهربائية.

المولدات الكهربائية عند السد توفر كمياتهائلة من القدرة الكهربائية. وتدير التوربينات المائية تلك المولدات.ويشير المهندسون عادة إلى الجهاز الميكانيكي الذي يدير المولدبالمحركالأساسي.
المولِّد الكهربائي آلة لإنتاج الكهرباء.تنتج المولدات معظم الكهرباء التي يستخدمها الناس. فهي توفر القدرةالكهربائية التي تدير الآلات في المصانع، وتضيء المصابيح، وتشغِّل الأدواتالمنزلية الكهربائية. وقد أطلق على المولد لفظ الدينامو اختصارًا للديناموالكهربائي.
والمولد يمكن أن يكون صغير الحجم، بحيثيُمْسَك بيد واحدة. وتُستخدَم هذه المولدات الصغيرة في بعض الأجهزةالعلمية لتوليد كهرباء تكفي لتحريك مؤشِّر على قرص مدرَّج. وقد يكون حجمالمولد أكبر من حجم منزل، ويستطيع تزويد أكثر من مليون منزل بالقدرةالكهربائية.
ويُقاس حجم المولدات الكبيرة عادةبالكيلوواط حيث يساوي الكيلو واط الواحد 1,000 واط. وتستطيع المولداتالكبيرة إنتاج أكثر من مليون كيلوواط من الكهرباء. انظر: الكيلو واط.
وهناك نوعان رئيسيان من المولدات: مولداتالتيار المستمر التي تنتج تياراً كهربائياً مستمرًا يسري في اتجاه واحد،ومولدات التيار المتناوب وتنتج تياراً كهربائياً يعكس اتجاهه مرات عديدةفي كل ثانية. وكلا النوعين من المولدات تعمل بالمبادئ العلمية نفسها،ولكنهما يختلفان في كيفية التركيب والاستخدام.
كيف يعمل المولد
المباديء الأساسية. لا يَستحدِث المولدطاقة، ولكنه يحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، ولذا فإن كل مولديديره توربين أو محرك ديزل أو أي آلة تنتج طاقة ميكانيكية. فمولد السيارةمثلاً، يدار من المحرك نفسه الذي يدفع السيارة.
ويشير المهندسون عادة إلى الأداةالميكانيكية التي تدير المولد بالمحرك الأساسي. ولكي نحصل على طاقةكهربائية إضافية من المولد يلزم للمحرك الأساسي أن يبذل طاقة ميكانيكيةإضافية. فإذا كان المحرك الأساسي توربينًا بخاريًا، على سبيل المثال، يلزمزيادة سريان البخار في التوربين للحصول على كهرباء بكمية أكبر.
وفي عام 1831م اكتشف عالمان عمِلامنفردين ـ وهما مايكل فارادي من إنجلترا وهنري جوزيف من الولايات المتحدةـ الأسس التي تحدد إنتاج الكهرباء من المولد الكهربائي؛ حيث وجدا أنه منالممكن توليد كهرباء في ملف من سلك نحاسي بوساطة تحريك الملف بالقرب منمغنطيس أو تحريك المغنطيس بالقرب من الملف. ويطلق على هذه العملية الحث(التأثير) الكهرومغنطيسي. انظر : الكهرومغنطيسية. ويُعرف الجهد أو القوةالدافعة الكهربائية المنتجة بالجهد المستحث أو القوة الدافعة الكهربائيةالمستحثة. انظر: القوة الدافعة الكهربائية. وعندما يكون السلك جزءاً مندائرة مغلقة من الأسلاك، فإن الجهد المستحث يسبب مرور تيار كهربائي فيالدائرة. انظر: الدائرة الكهربائية.


المولد البسيط. يتكون من مغنطيس على شكل uولفة واحدة من السلك تسمى ملفًا. وتعرف المنطقة المحيطة بالمغنطيس، والتييستشعر فيها بقوته بالمجال المغنطيسي. وللمساعدة في وصف المجال المغنطيسيعلينا أن نتخيل بأن هناك خطوطاً من القوى خارجة من القطب الشماليللمغنطيس، ثم تعود للمغنطيس خلال القطب الجنوبي. وتزداد خطوط القوى بزيادةقوة المغنطيس. فلو أدرت حلقة من السلك بين قطبي المغنطيس فإن جانبي الحلقةستقطعان خطوط القوى المغنطيسية فَتُحَثُّ (تتولد) الكهرباء في الحلقة.
وفي نصف الدورة الأول يقطع جانب من سلكالحلقة خطوط القوى في الاتجاه إلى أعلى، بينما يقطعها الجانب الآخر فيالاتجاه إلى أسفل، فتسري الكهرباء في اتجاه واحد خلال الحلقة. وفي منتصفالدورة تدور الحلقة موازية لخطوط القوى فلا تقطعها ولا تتولد الكهرباء.وفي النصف الآخر من الدورة فإن الجانب من سلك الحلقة الذي قطع خطوط القوىفي الاتجاه إلى أعلى سابقاً يقطعها إلى أسفل هذه المرة، والجانب الآخريقطعها إلى أعلى فتسري الكهرباء المُسْتَحثة في اتجاه معاكس للنصف الأولمن الدورة. وفي نهاية الدورة تدور الحلقة مرة أخرى موازية لخطوط القوى فلاتتولد الكهرباء. ولذا ففي كل دورة كاملة يكون سريان اتجاه الجهد والتيارالمولدين في نصف الدورة معاكسين للاتجاه في النصف الآخر. ويطلق على الجهدوالتيار الجهد المتناوب (الفولتية المتناوبة) والتيار المتناوب. ويمكنزيادة الجهد المتناوب الذي ينتجه المولد بزيادة 1- قوة المجال المغنطيسي(عدد خطوط القوى) 2- السرعة التي يدور بها الملف 3- عدد لفات السلك التيتقطع المجال المغنطيسي.
ويطلق على دورة كاملة من الملف خلال خطوطالقوى الدورة. ويطلق على عدد الدورات في الثانية تردد الجهد، أو ترددالتيار، وتقاس بوحدات تسمى الهرتز، وتساوي وحدة الهرتز دورة واحدة فيالثانية. والتيار الكهربائي في معظم أنحاء العالَم تردده 50 هرتز ولكن بعضالبلدان تستخدم 60 هرتز.
الكهرومغنطيسية.عند دوران حلقة من السلك بين قطبي مغنطيس يحدث تأثير كهرومغنطيسي مهمبالإضافة لتوليد الكهرباء. فعندما يحمل سلك الحلقة تيارًا، فإن التيارينتج مجالاً مغنطيسيا حول السلك. ويعمل هذا المجال المغنطيسي ضد المجالالمغنطيسي للمغنطيس، ويجعل دوران الحلقة صعبًا. وبزيادة الكهرباء المستحثةيزداد المجال المغنطيسي قوة، ويصعب عندئذ دوران الملف. ولهذا السبب فإنالمحرك الأساسي الذي يدير المولد يلزمه زيادة الطاقة الميكانيكية لزيادةالتيار الخارج من المولد. وتسبب هذه القوة المغنطيسية المتولدة في الملفدوران المحركات الكهربائية. ويمكن أن تعمل المولدات محركات والمحركاتمولدات في حالة توافر ظروف ملائمة. انظر: المحرك الكهربائي.
أجزاء المولد. يتكونالمولد من جزءين رئيسيين هما الحافظة (غلاف الأرماتور)، وبنية المجال.وتحتوي الحافظة على ملفات من الأسلاك تستحث الكهرباء. وتقوم الحافظةبالأداء نفسه كالملف في المولد البسيط. أما بنية المجال فتقوم بالأداءنفسه كالمغنطيس في المولد البسيط حيث تنتج خطوط القوى المغنطيسية. وينتجالمغنطيس الكهربائي خطوط القوى في معظم المولدات. انظر: المغنطيسالكهربائي.
ويوجد في بعض المولدات الصغيرة مغنطيسدائم. ويطلق على هذا النوع من المولدات المغنيط أو المولد ذا المغنطيسالدائم. وملفات الحافظة وبنية المجال أسلاك معزولة من النحاس وملفوفة حولقلوب حديدية. وهذه القلوب الحديدية تقوي المجالات المغنطيسية.

وتتولد الكهرباء إما بجعل الحافظة تقطعخطوط القوى، أو جعل خطوط القوى تمر خلال الحافظة، ولذا يمكن لأي منالحافظة أو بنية المجال أن يكون هو الجزء الذي يدور في المولد، ويطلق علىالجزء الذي يدور العضو الدوار والجزء الثابت العضو الساكن.
فاقد المولدات وكفاءتها. لا تتحول كلالطاقة الميكانيكية التي تدير المولدات إلى طاقة كهربائية. فبعضها يتحولإلى حرارة نتيجة للاحتكاك في كُرسي تحميل الجزء الدوار في المولد، وبعضهاالآخر يفقد في مقاومة التيار في الملفات النحاسية وفي مقاومة خطوط القوىالمغنطيسية في القلب الحديدي. ولذلك يلزم تبريد المولدات إما بدفع الهواءإلى داخلها أو بتمرير سائل بارد أو غاز حول الملفات والقلب الحديدي وكراسيالتحميل. وتشير فعالية المولد إلى كفاءته في تحويل الطاقة الميكانيكية إلىطاقة كهربائية. وتعني كفاءة قدرها 90% أن 90% من الطاقة الميكانيكيةالداخلة قد تحولت إلى طاقة كهربائية و 10% من الطاقة المتبقية قد تحولتإلى حرارة، ويلزم التخلص منها بنظام تبريد. ويمكن أن تصل كفاءة المولداتالكبيرة إلى 97%. أما كفاءة المولدات الصغيرة فتقل عن هذا بكثير.
مولدات التيار المتناوب
كيف تتولد الكهرباء يمكن أن يتكون المولدالبسيط من حلقة سلكية تدور في مجال مغنطيسي، ويتكون المجال المغنطيسي منسريان خطـوط القوى من القطب الشمالي إلى القطـب الجنـوبي للمغنطيس. وعندمايـدار السلك بين القطـبين يقطـع خطـوط القـوى ويتـولد التيـار الكهربائيفي الحلقة. ويسري هذا التيار، على سبيل المثال، عند توصيل بصيلة بالنقطتينأ و ب.
يُنتج المولد البسيط الذي سبق ذكرهتياراً متناوبًا في حلقة السلك. ولكونه مولد تيار متناوب فإنه يحتاج إلىطريقة ما ليرسل التيار الذي ينتجه إلى الجهاز. وهذا يتم بوساطة حلقاتتجميع أو حلقات انزلاق وقطع ثابتة من الكربون تسمى الفُرش. ويتصل طرفانهاية كل ملف من الأسلاك بحلقة تدور مع دوران ملف الأسلاك. وتلامس الفرشاةكل حلقة ثم تنقل الكهرباء من الفرشاة بسلك يتصل بالأجهزة التي تستخدمالكهرباء. وبالتالي فالتيار الذي ينتج في ملف الأسلاك يسري إلى داخلالمولد وخارجه خلال الحلقات والفرش.
كيف تعمل مولدات التيار المتناوب.
تختلف مولدات التيار المتناوب العملية عنمولدات التيار المتناوب البسيطة في عدة أوجه. فالمولدات العملية مزودةبمولد إضافي يعرف بالمستثير. ويمد المستثير تياراً مستمراً للمغنطيسالكهربائي الذي يستخدم لإحداث مجال مغنطيسي في داخل مولد التيار المتناوب.وتتكون حافظة مولد التيار المتناوب من أسلاك من النحاس ملفوفة على شكلمئات من الملفات حول شقوق محفورة في قلب حديدي. ويتكون المغنطيس الكهربائيمن قضبان نحاسية ملفوفة حول قلوب حديدية.
وفي معظم مولدات التيار المتناوب تكونالحافظة هي العضو الساكن، وبنية المجال هي العضو الدوار. ومعنى ذلك أنالمغنطيس الكهربائي الذي ينتج بنية المجال، يدور لكي يقطع المجالالمغنطيسي ملفات الحافظة. في تلك المولدات تستخدم حلقات الانزلاق لنقلالتيار المستمر من المولد المستثير إلى المغنطيس الكهربائي في بنية المجال.

وتتصل ملفات الحافظة مباشرة بأسلاكخارجية لنقل التيار المتناوب المتولد. وقد وجد المهندسون أنه من الأسهلاتباع تلك الطريقة في توصيل التيار المنخفض نسبيا من المستثير بوساطةحلقات الانزلاق وأخذ التيار العالي المتولد مباشرة من الحافظة. ويطلق علىهذا النوع من مولدات التيار المتناوب المولدات المتزامنة، لأنها تنتججهداً له ذبذبة متناسبة أو متزامنة مع سرعة العضو الدوار.
وقد يكون لبنية المجال في مولدات التيارالمتناوب مغنطيس كهربائي واحد، ولكن، غالباً، يكون لها مغنطيسان أو ثلاثةأو أربعة أو أكثر من ذلك. وهذا يعني أن المجال المغنطيسي المنتج بوساطةبنية المجال يكون له اثنان أو أربعة أو ستة أو ثمانية أو أكثر من ذلك منالأقطاب ـ أي قطبان لكل مغنطيس كهربائي. وينتج المولد دورة واحدة متكاملةمن التيار عندما يقطع زوجان من الأقطاب ملف الحافظة، بدلاً من دورة واحدةلكل دورة متكاملة من بنية المجال. وتبعًا لعدد المغنطيسات الكهربائية، فإنتلك المولدات تستطيع أن تنتج دورة، أو اثنتين، أو ثلاثًا، أو أربعًا أوأكثر لكل لفة من بنية المجال، أو الحافظة. فمولِّد التيار المتناوب ذوالقطبين يلزمه أن يلف 3,000 لفة في الدقيقة ليولد تياراً تردده 50 هرتز أويلف 3,600 لفة في الدقيقة ليولد تيارًا تردده 60 هرتز.
أنواع مولدات التيار المتناوب.يطلق على بعض مولدات التيار المتناوب أحادية الطور ويكون لحافظتها مجموعةمن الملفات مماثلة لعدد الأقطاب في بنية المجال. ولكن غالبية مولداتالتيار المتناوب لها ثلاث مجاميع من ملفات الحافظة لكل قطب، ولذا فهي تنتجثلاثة تيارات في الوقت نفسه. وتعرف تلك الأنواع من المولدات بالمولداتثلاثية الطور، وتنتج تلك المولدات قدرة أكبر من التي تنتجها المولداتأحادية الطور، كما أنها تحسن نقل القدرة الكهربائية واستخدامها.
استخدمات مولدات التيار المتناوب.المولدات الرئيسية في معظم محطات القدرة الكهربائية مولدات تيار متناوب،لسهولة رفع الجهد للتيار المتناوب أو خفضه باستخدام جهاز كهرومغنطيسي بسيطيعرف بالمحول. انظر: المحول. ويصمم المهندسون مولدات التيار المتناوبلتوليد تيار بجهد محدد. ويصل هذا الجهد في كثير من المولدات الضخمة إلى18,000 أو 22,000 فولت. ويستعان بمحول رافع ليمكن رفع الجهد إلى 345,000أو 765,000 فولت، لدفع التيار إلى مسافات طويلة. ويتم خفض الجهد بعديد منمحولات الخفض إلى جهد يمكن استخدامه في المناطق التي تستخدم فيهاالكهرباء. وعلى سبيل المثال تستخدم الأجهزة الكهربائية في المنازلبأستراليا وأوروبا 240 فولتًا، بينما تستخدم في الولايات المتحدة 115فولتًا. أما في بعض المكاتب والمصانع فيلزمها مابين 480 فولتًا و 4,000فولت.
وفي عام 1884م، صمم نيقولا تسلا ـ وهومهندس صربي عاش في الولايات المتحدة الأمريكية ـ أول مولد تيار متناوبعديد الأطوار له أكثر من طور واحد. وصمم كذلك المحرك الكهربائي الذي يدوربالتيار المتناوب، وكذلك تمكن من تصميم أنظمة المحولات لتغيير جهد التيارالمتناوب. وقد جعلت اختراعات تسلا أنه من الممكن اقتصاديا توليد التيار فيأماكن بعيدة عن أماكن استخدامه.
مولدات التيار المستمر
لتغيير المولد البسيط إلى مولد للتيارالمستمر يلزم عمل شيئين: 1- يجب توصيل التيارمن حلقة السلك الدوارة 2-يلزم جعل التيار يسير في اتجاه واحد فقط. ويمكن لجهاز يسمى المبدل القيامبالعملين السابقين.
كيف تعمل مولدات التيار المستمر.يدور المبدل مع حلقة السلك كماتفعل تماماً حلقة الانزلاق مع العضو الدوارلمولد التيار المتناوب. ويقسم المبدل إلى فلقتين معزولتين، تسمى كل واحدةمنهما فلقة المبدل، ويكون كل منهما معزولاً عن الآخر. وتوصل نهايتا حلقةالسلك الدوارة بفلقتي المبدل، وتتلامس فرشتان كربونيتان متصلتان بالدائرةالخارجية، مع فلقتي المبدل. وتوصل إحدى الفرشتين التيار إلى خارج المولد،بينما تغذي الأخرى داخله. ولقد صمم المبدل بحيث تكون فلقة المبدل التيتحتوي على التيار الخارج دائما ملامسة للفرشاة الخارجة في الوقت المناسب،مهما تغير اتجاه التيار في داخل الحلقة. وفي مولد التيار المستمر الكبيريكون للحافظة العديد من ملفات الأسلاك وفلقات المبدل. وقد وجد المهندسون،بسبب المبدل، أنه من الضروري جعل الحافظة تعمل كعضو دوار بينما تعمل بنيةالمجال كعضو ساكن.
أنواع مولدات التيار المستمر.في بعض مولدات التيار المستمر، يأتي التيار المستمر اللازم للمغنطيسالكهربائي الذي يكوِّن بنية المجال من مصدر خارجي كما في معظم مولداتالتيار المتناوب. ويطلق على هذا النوع من مولدات التيار المستمر مولداتالاستثارة المنفصلة. ويستخدم العديد من مولدات التيار المستمرجزءاً منالتيار المستمر المنتج لتشغيل المغنطيسات الكهربائية اللازمة لها. وتعرفتلك المولدات بالمولدات ذاتية الاستثارة، ويعتمد مولد التيار المستمر ذاتيالاستثارة على المغنطيسية المتبقية، وهي جزء صغير من المغنطيسية يتبقى فيالمغنطيس الكهربائي بعد توقف المولد. ولولا وجود تلك المغنطيسية لكان منالمحال تشغيل المولد ذاتي الاستثارة بعد توقفه.
ويمكن الحصول على التيار المستمر الذيتحتاجه المغنطيسات الكهربائية للمولدات ذاتية الاستثارة عن طريق ثلاثتوصيلات مختلفة: 1- التوازي أو 2- التوالي أو 3- المركّب (وهي تركيبة منالتوصيلات على التوازي والتوالي معاً).
ويعتمد نوع المولد المستخدم في أداء عملمعين على درجة التحكم في الجهد المطلوب. فالمولد الذي يستخدم في شحنالبطاريات مثلاً، يحتاج إلى تحكم بسيط في الجهد، ولهذا يمكن استخدام مولدمتصل على التوازي، بينما يحتاج المولد الذي يغذي المصعد إلى تحكم أكثرتعقيداً في الجهد، ولذا يستخدم مولد منفصل الاستثارة.
استخدامات مولدات التيار المستمر.يدار العديد من مولدات التيار المستمر بوساطة محرك تيار متناوب، ويطلق علىالمجموعة مجموعة المحرك والمولد. وهذه واحدة من طرق تغيير التيار المتناوبإلى التيار المستمر. وتحتاج المصانع التي تقوم بالطلاء بالكهرباء أو تنتجالألومنيوم أو الكلور أو أي مواد صناعية أخرى، وكذلك القاطرات والسفن التيتدار بمحرك ديزل ـ كهربائي، إلى كميات كبيرة من التيار المستمر، وتستخدملذلك مولدات للتيار المستمر. ونظرًا لأن المبدل معقد ومكلف، فقد استبدلبكثير من مولدات التيار المستمر مولدات التيار المتناوب المزودة بمقوماتإلكترونية. والمقوم الإلكتروني جهاز يسمح بسريان التيار في اتجاه واحد فقط.
.[/center]
[/size][/center]
[/center]

عمل المعروف يدوم
و الجميل دائما محفوظ
لا تفكروا في يوم أنسى
أنكم وقفتم مع طلاب العلوم
عجزت الكلمات تعبر
عن مدى الجميل و العرفان
الذي بدر منكم تجاه طلاب غرداية
كل الجميل للعمل الذي
ما أظن ينساه إنسان
فبارك الله فيكم
وفي عملكم الموزون
دمتم بطيب النسيم
وعبق الرحيق المختوم
شكرا لكم