مولد التيار المتردد

المولد الكهربائي (أو المولد التزامني ) هو مولد كهربائي يحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية على شكل تيار متردد . ^{[ 2 ]} ولأسباب تتعلق بالتكلفة والبساطة، تستخدم معظم المولدات الكهربائية مجالًا مغناطيسيًا دوارًا مع عضو ثابت . ^{[ 3 ]} يتم تحفيز ملف الدوار خارجيًا بتيار مستمر صغير، بينما يتم توليد التيار المتردد في الملفات الثابتة. في بعض الأحيان، يُستخدم مولد كهربائي خطي أو عضو دوار مع مجال مغناطيسي ثابت. على الرغم من أنه يمكن تسمية أي مولد كهربائي يعمل بالتيار المتردد بالمولد الكهربائي، إلا أن المصطلح يشير عادةً إلى الآلات الدوارة الصغيرة التي تعمل بمحركات السيارات وغيرها من محركات الاحتراق الداخلي. وينطبق المصطلح عادةً على تلك الأنواع ذات ملفات الدوار المُحفزة خارجيًا. يُطلق على المولد الكهربائي الذي يستخدم مغناطيسًا دائمًا لمجاله المغناطيسي اسم المولد المغناطيسي .

تُسمى المولدات الكهربائية في محطات توليد الطاقة التي تعمل بتوربينات بخارية بالمولدات التوربينية. وتُنتج المولدات الكبيرة ثلاثية الأطوار بتردد  50 أو 60 هرتز في محطات توليد الطاقة معظم الطاقة الكهربائية في العالم، والتي يتم توزيعها عبر شبكات الطاقة الكهربائية . ^{[ 4 ]}

كانت أنظمة توليد التيار المتردد معروفة بأشكالها البسيطة منذ اكتشاف الحث المغناطيسي للتيار الكهربائي في ثلاثينيات القرن التاسع عشر. كانت المولدات الدوارة تُنتج تيارًا مترددًا بشكل طبيعي، ولكن نظرًا لقلة استخدامها، كان يتم تحويله عادةً إلى تيار مستمر عن طريق إضافة مُبدِّل في المولد. ^{[ 8 ]} طُوِّرت الآلات الأولى على يد رواد مثل مايكل فاراداي وهيبوليت بيكسي . طوّر فاراداي "المستطيل الدوار"، الذي كان يعمل بنظام غير متجانس الأقطاب - حيث يمر كل موصل نشط تباعًا عبر مناطق يكون فيها المجال المغناطيسي في اتجاهين متعاكسين. ^{[ 9 ]} كما طوّر اللورد كلفن وسيباستيان فيرانتي مولدات تيار متردد مبكرة، تُنتج ترددات تتراوح بين 100 و300 هرتز .

شهدت أواخر سبعينيات القرن التاسع عشر ظهور أولى الأنظمة الكهربائية واسعة النطاق المزودة بمحطات توليد مركزية لتشغيل مصابيح القوس الكهربائي ، التي كانت تُستخدم لإضاءة الشوارع بأكملها، وساحات المصانع، أو داخل المستودعات الكبيرة. بعض هذه المصابيح، مثل مصابيح يابلوتشكوف القوسية التي طُرحت عام 1878، كانت تعمل بكفاءة أكبر على التيار المتردد، وتزامن تطوير هذه الأنظمة المبكرة لتوليد التيار المتردد مع الاستخدام الأول لمصطلح "المولد الكهربائي". ^{[ 10 ] [ 8 ]} في هذه الأنظمة المبكرة، كان توفير الجهد المناسب من محطات التوليد يعتمد على مهارة المهندس في "التحكم في الحمل". ^{[ 11 ]} في عام 1883، اخترعت شركة غانز مولد الجهد الثابت ^{[ 12 ]} الذي كان قادرًا على إنتاج جهد خرج محدد، بغض النظر عن قيمة الحمل الفعلي. ^{[ 13 ]} أدى ظهور المحولات الكهربائية في منتصف ثمانينيات القرن التاسع عشر إلى الاستخدام الواسع النطاق للتيار المتردد واستخدام المولدات الكهربائية اللازمة لإنتاجه. ^{[ 14 ]} بعد عام 1891، تم إدخال مولدات التيار المتردد متعددة الأطوار لتوفير تيارات ذات أطوار متعددة ومختلفة. ^{[ 15 ]} صُممت مولدات التيار المتردد اللاحقة لترددات تيار متردد مختلفة تتراوح بين 16 و100 هرتز تقريبًا لاستخدامها في إضاءة القوس الكهربائي والإضاءة المتوهجة والمحركات الكهربائية. ^{[ 16 ]} طُوّرت مولدات التيار المتردد المتخصصة بترددات الراديو، مثل مولد ألكسندرسون، كأجهزة إرسال راديوية طويلة الموجة خلال الحرب العالمية الأولى، واستُخدمت في عدد قليل من محطات التلغراف اللاسلكي عالية الطاقة قبل أن تحل محلها أجهزة الإرسال الأنبوبية المفرغة.

عندما يتحرك موصل بالنسبة لمجال مغناطيسي، تتولد فيه قوة دافعة كهربائية ( قانون فاراداي ). وتنعكس قطبية هذه القوة الدافعة الكهربائية عندما يتحرك الموصل تحت أقطاب مغناطيسية معاكسة. عادةً، يدور مغناطيس دوار، يُسمى الدوار ، داخل مجموعة ثابتة من الموصلات، تُسمى الجزء الثابت ، ملفوفة على قلب حديدي. يقطع المجال الكهربائي الموصلات، مُولِّدًا قوة دافعة كهربائية مستحثة، حيث يتسبب المدخل الميكانيكي في دوران الدوار.

يُحدث المجال المغناطيسي الدوار جهدًا متناوبًا في ملفات الجزء الثابت. وبما أن التيارات في ملفات الجزء الثابت تتغير بالتزامن مع موضع الجزء الدوار، فإن المولد الكهربائي هو مولد متزامن. ^{[ 3 ]}

يمكن توليد المجال المغناطيسي للدوار بواسطة مغناطيس دائم أو بواسطة ملف مغناطيسي كهربائي. تستخدم مولدات التيار المتردد في السيارات ملفًا دوارًا يسمح بالتحكم في الجهد الناتج عن طريق تغيير التيار في ملف المجال الدوار. تتجنب المولدات ذات المغناطيس الدائم الفقد الناتج عن تيار المغنطة في الدوار، ولكنها محدودة الحجم بسبب تكلفة مادة المغناطيس. ولأن مجال المغناطيس الدائم ثابت، فإن جهد الطرف يتناسب طرديًا مع سرعة المولد. عادةً ما تكون مولدات التيار المتردد عديمة الفرش أكبر حجمًا من تلك المستخدمة في تطبيقات السيارات.

يتحكم جهاز تحكم تلقائي بالجهد في تيار المجال للحفاظ على ثبات جهد الخرج. إذا انخفض جهد الخرج من ملفات المحرك الثابتة نتيجةً لزيادة الطلب، يتم تغذية تيار أكبر إلى ملفات المجال الدوارة عبر منظم الجهد . يؤدي ذلك إلى زيادة المجال المغناطيسي حول ملفات المجال، مما يحفز جهدًا أكبر في ملفات المحرك. وبالتالي، يعود جهد الخرج إلى قيمته الأصلية.

تتحكم المولدات المستخدمة في محطات الطاقة المركزية أيضًا في تيار المجال لتنظيم القدرة التفاعلية والمساعدة في استقرار نظام الطاقة ضد آثار الأعطال اللحظية . غالبًا ما توجد ثلاث مجموعات من ملفات الجزء الثابت، متداخلة فعليًا بحيث ينتج المجال المغناطيسي الدوار تيارًا ثلاثي الأطوار ، مزاحًا بمقدار ثلث دورة بالنسبة لبعضها البعض. ^{[ 17 ]}

تُنتج دورة واحدة من التيار المتردد في كل مرة يمر فيها زوج من أقطاب المجال فوق نقطة على الملف الثابت. العلاقة بين السرعة والتردد هي${\displaystyle N=120f/P}$، أين${\displaystyle f}$التردد بالهرتز (دورة في الثانية).${\displaystyle P}$يمثل عدد الأقطاب (2، 4، 6، ...)، و${\displaystyle N}$هي سرعة الدوران بالدورات في الدقيقة (دورة/دقيقة). ^{[ 18 ]} أحيانًا ما تُعطى الترددات في الوصف القديم لأنظمة التيار المتردد بوحدة الترددات في الدقيقة، حيث تُحسب كل نصف دورة كتردد واحد ؛ لذا فإن 12000 تردد في الدقيقة يُعادل 100  هرتز.

يعتمد تردد خرج المولد الكهربائي على عدد الأقطاب وسرعة الدوران. وتُسمى السرعة الموافقة لتردد معين بالسرعة التزامنية . يوضح الجدول ^{[ 19 ]} بعض الأمثلة:

يمكن تصنيف المولدات الكهربائية حسب طريقة الإثارة، وعدد الأطوار، ونوع الدوران، وطريقة التبريد، وتطبيقاتها. ^{[ 20 ]}

• وايت، توماس هـ.، " تطوير المولد والمرسل (1891-1920) ". EarlyRadioHistory.us.
• المولدات الكهربائية في شركة النشر المتكاملة (TPub.com)
• مولد كهربائي خشبي منخفض السرعة ، فورس فيلد، فورت كولينز، كولورادو، الولايات المتحدة الأمريكية
• فهم مولدات التيار المتردد ثلاثية الأطوار في WindStuffNow
• المولد الكهربائي، والقوس الكهربائي، والشرارة. أول أجهزة إرسال لاسلكية (الصفحة الرئيسية لـ G0UTY)