ما هو المولد الكهربائي

يعتبر المولد الكهربائي من أهم الاختراعات في التأريخ وبفضله تغيرت حياة البشرية للأبد. كل الأجهزة المنزلية من مصابيح الإضاءة والمراوح والمكيفات والثلاجات وهاتفك المحمول إلى الآلات الكبيرة في المصانع، كلها تتغذى بالتيار الكهربائي ومصدره مولد الكهرباء الموجود في محطات التوليد الكهربائية، وتم اختراع المولد الكهربائي من قِبَل العالم الإنجليزي مايكل فاراداي سنة 1831م. وفي هذا المقال تم شرح المولد الكهربائي.

تعريف المولد الكهربائي

المولد الكهربائي أو الدينامو (Electric Generator) هو آلة كهربائية يحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية ليتم استخدامها مباشرة لتغذية أحمال صغيرة أو لربطها مع الشبكة الوطنية ونقلها وتوزيعها عبر خطوط النقل إلى مراكز الأحمال. ونحصل على الطاقة الميكانيكية للمولد الكهربي من عدة مصادر مثل التوربينات البخارية أو الغازية، توربينات الرياح، التوربينات الهيدروليكية، أو من محركات البنزين والديزل. ويتصل المحرك الأولي (prim mover) للتوربين أو المحرك بعمود الدوران (shaft) للمولد ويقوم المولد بتحويل الطاقة الميكانيكية هذه إلى طاقة كهربائية.

مبدأ عمل المولد الكهربائي

من المفيد التذكير بأن المغناطيس الطبيعي يتكون من قطبين شمالي وجنوبي ويتولد مجال مغناطيسي بينهما على شكل خطوط مغناطيسية. ويمكن تحويل بعض المواد إلى مواد مغناطيسية عن طريق توصيلها بالتيار الكهربائي.

يعمل المولد على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي الذي اكتشفه مايكل فاراداي، حيث اكتشف فاراداي أنه يمكن تحفيز تدفق الشحنات الكهربائية عن طريق تحريك سلك موصل بين قطبي مغناطيس. تتولد عن هذه الحركة فرق جهد بين طرفي السلك أو الموصل الكهربائي، مما يؤدي بدوره إلى تدفق الشحنات الكهربائية عبر السلك وبالتالي توليد تيار كهربائي.

لتبسيط الفكرة يمكنك صنع مولد مبسط عن طريق احضار مغناطيس على شكل حدوة الفرس وموصل نحاسي تربط طرفيه بجهاز قياس التيار الكهربائي، عندما تقوم بتحريك السلك النحاسي داخل المغناطيس بشكل عمودي على خطوط المجال يعمل هذا على قطع خطوط المجال المغناطيسي المتولد من المغناطيس وبالتالي تتولد قوة دافعة كهربائية على أطراف الموصل ينتج عنها مرور تيار في السلك،

وبنفس المبدأ تعمل المولدات ولكن بدلًا من تحريك السلك يدويًا يتم تحريكه باستخدام طاقة ميكانيكية نحصل عليها من المياه الجارية أو الرياح أو من محركات الديزل. وتعمل المولدات وفق قاعدة اليد اليمنى لفلمنج وتنص على التالي: إذا جعلت أصابع اليد اليمنى (الإبهام والسبابة والوسطى) متعامدة على بعضها بعضا كما في الشكل أعلاه، بحيث تشير الإبهام إلى اتجاه حركة السلك، والسبابة إلى اتجاه خطوط المجال المغناطيسي ستكون الوسطى في اتجاه التيار المتولد بتأثير الحث.

يوضح الشكل أدناه مولد كهر بائي بسيط يتكون من ملف مستطيل موضوع بين قطبي مغناطيس. عند دوران الملف بفعل موثر خارجي يتغير المجال المغناطيسي الذي يخترق الملف، وبالتالي تتولد قوة دافعة كهربائية بين طرفي الملف. وتسمح حلقات الانزلاق بنقل القوة الدافعة الكهربية المتولدة بين طرفي الملف إلى الدائرة الخارجية بواسطة فرش من الكربون.

من الجدير بالذكر أن المجال المغناطيس يمكن الحصول عليه إما باستخدام مغناطيس طبيعي أو بواسطة استخدام مغناطيس كهربائي وذلك بتوصيل تيار كهربائي في لفات نحاسية مما يمنحها خواص مغناطيسية وتولد مجال مغناطيسي.

تركيب المولد الكهربائي

يتكون المولد الكهربائي بمختلف أنواعه من جزء ثابت وجزء متحرك وملفات نحاسية يتم وضعها في مجاري على الجزء الثابت والمتحرك، ومن الفرش الكربونية وحلقات معدنية.

العضو الثابت Stator: عبارة عن رقائق من الصلب السليكوني معزولة عن بعضها بمادة الميكا مكونة معًا مجاري أو slots تحمل ملفات المنتج (Armature winding) وفيه يتحول المجال المغناطيسي الدوار إلى تيار كهربائي وتتولد به القوة الدافعة الكهربائية

ملفات العضو الثابت Stator Windings: وتسمى أيضًا ملفات المنتج (Armature winding) وهي الملفات التي تنشأ بداخلها القدرة الكهربية المتولدة وتتصل بالأحمال لتزويدها بالكهرباء في حالة المولدات الصغيرة، وفي محطات التوليد تتصل بالمحول الرئيسي مباشرة لنقل هذه القدرة للشبكة الكهربائية الموحدة عن طريق محطة المحولات.

العضو الدوار Rotor: عبارة عن رقائق من الصلب السليكوني معزولة عن بعضها بمادة الميكا مضغوطة ومركبة على عمود Shaft مكونة معًا مجاري العضو الدوار، يوضع بداخلها ملفات المجال (field winding) ويغذى بتيار مستمر عن طريق حلقتي انزلاق لتوليد مجال مغناطيسي، وحيث ان التيار المار في ملفات العضو الدوار تيار مستمر لذا لا يلزم تصنيع العضو الدوار على شكل شرائح حديدية بل يصنع من حديد مصمت وذلك لعدم وجود تيارات دوامية في هذه الحالة. ويفصل العضو الدوار عن العضو الثابت الثغرة الهوائية (Air gap).

ملفات المجال Windings Field: موجودة بالعضو الدوار وتتغذى من منظومة الإثارة (Excitation System) بتيار مستمر لتكوين المجال المغناطيسي اللازم لعملية توليد الكهرباء، وتتم عملية نقل التيار إليها عن طريق فرش من الكريون Brushes تنقل التيار Field Current إلى الملفات الموجودة بالعضو الدوار .

حلقات الانزلاق: كل حلقة متصلة بطرف واحد من أطراف الملف وتتصل كهربائيًا بباقي مكونات الدائرة الخارجية بواسطة فرشاة من الكربون. تسمح الحلقتان المنزلقتان بنقل التيار المتولد بين طرفي الملف إلى الدائرة الخارجية.

الفرش الكربونية: تربط بين اطراف ملفات العضو الدوار المتمثلة بحلقات الانزلاق والدائرة الخارجية وتسمح الفرش الكربونية للحلقات بالانزلاق بدون إعاقة الدوران

في مولد التيار المتردد يوفر الجزء الثابت مجال كهرومغناطيسي ثابت. يدور الجزء المتحرك في هذا المجال، ويقطع خطوط الفيض المغناطيسي وتتولد عبر اطراف ملفاته القوة الدافعة الكهربية، يتم أخذ جهد الخرج من ملفات العضو الدوار بواسطة حلقات الانزلاق والفرش.

للمزيد اطلع على: مكونات المولد الكهربائي

أنواع مولد الكهرباء

تنقسم المولدات الكهربائية للعديد من الأنواع المختلفة بحسب التيار الذي تولده وبحسب طريقة تركيبها واستخداماتها ويمكن تصنيفها بشكل رئيسي إلى نوعين هما: مولدات التيار المستمر DC ، ومولدات التيار المتردد AC ويندرج تحت هذا التصنيف العديد من الأنواع المختلفة.

مولدات التيار المستمر: تعمل على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية ذات تيار مستمر. وتنقسم هذه المولدات إلى: مولدات تيار مستمر ذاتية التغذية، منفصلة التغذية وتشتمل التوازي والتوالي والمركب.

مولدات التيار المتردد: تعمل على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية ذات تيار متردد. وتنقسم إلى نوعين: المولدات التزامنية والمولدات الحثية. وتعد المولدات التزامنية هي الأشهر والأكثر استخدامًا لتوليد الكهرباء. ويمكن تصنيفها أيضًا إلى مولدات أحادية الطور ومولدات ثلاثية الطور.

للمزيد اقرأ: أنواع المولدات.

استخدامات المولدات الكهربائية

تعمل المولدات الكهربائية إما في شبكات الطاقة الكبيرة -مع وجود العديد منها تعمل بالتوازي لتغذية الأحمال السكنية والصناعية والتجارية بالكهرباء على مدار الساعة- توفر شبكة الطاقة الكبيرة معظم احتياجات الطاقة الكهربائية وتتكون من محطات توليد الكهرباء وخطوط النقل ومحطات التوزيع. ويمكن أن تعمل المولدات ذات القدرات الصغيرة والمتوسطة بمفردها في المناطق التي لا تصلها شبكة الكهرباء، وفي حالات الطوارئ أو انقطاع الكهرباء.