مولد كهربائي

اكتشف مايكل فاراداي مبدأ عمل المولدات الكهرومغناطيسية في الفترة ما بين عامي 1831 و1832 . ويُعرف هذا المبدأ، الذي سُمي لاحقاً بقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي ، بأنه توليد قوة دافعة كهربائية في موصل كهربائي يحيط بتدفق مغناطيسي متغير .

كما قام فاراداي ببناء أول مولد كهرومغناطيسي، والذي يسمى قرص فاراداي ؛ وهو نوع من المولدات أحادية القطب ، باستخدام قرص نحاسي يدور بين قطبي مغناطيس على شكل حدوة حصان. وقد أنتج هذا المولد جهدًا كهربائيًا مستمرًا صغيرًا .

كان هذا التصميم غير فعال، بسبب التدفقات المعاكسة للتيار التي تلغي بعضها بعضًا في مناطق القرص التي لم تكن تحت تأثير المجال المغناطيسي. فبينما كان التيار يتولد مباشرة أسفل المغناطيس، كان التيار يدور عكسيًا في المناطق التي تقع خارج نطاق تأثير المجال المغناطيسي. وقد حدّ هذا التدفق المعاكس من الطاقة المُخرجة إلى أسلاك الاستقبال، وتسبب في تسخين زائد للقرص النحاسي. لاحقًا، حلت المولدات أحادية القطب هذه المشكلة باستخدام مصفوفة من المغناطيسات مُرتبة حول محيط القرص للحفاظ على تأثير مجال ثابت في اتجاه واحد لتدفق التيار.

من عيوبها الأخرى انخفاض جهد الخرج بشكل كبير، نتيجةً لمسار التيار الوحيد عبر التدفق المغناطيسي. وقد وجد الباحثون أن استخدام لفات متعددة من السلك في ملف يمكن أن ينتج جهودًا أعلى وأكثر فائدة. وبما أن جهد الخرج يتناسب طرديًا مع عدد اللفات، فقد أمكن تصميم المولدات بسهولة لإنتاج أي جهد مطلوب عن طريق تغيير عدد اللفات. وأصبحت اللفات السلكية سمة أساسية في جميع تصميمات المولدات اللاحقة.

بشكل مستقل عن فاراداي، بدأ أنيوس جيدليك تجاربه عام 1827 على الأجهزة الدوارة الكهرومغناطيسية التي أطلق عليها اسم " الدوارات الذاتية الكهرومغناطيسية" . في النموذج الأولي للمُشغِّل الكهربائي أحادي القطب (الذي أُنجز بين عامي 1852 و1854)، كان كل من الجزء الثابت والجزء الدوار كهرومغناطيسيًا. كما شهد هذا الاكتشاف مبدأ الإثارة الذاتية للدينامو ، ^{[ 3 ]} الذي حل محل تصميمات المغناطيس الدائم. يُحتمل أيضًا أنه صاغ مفهوم الدينامو عام 1861 (قبل سيمنز وويتستون ) ، لكنه لم يُسجّل براءة اختراع له لاعتقاده أنه لم يكن أول من أدرك ذلك. ^{[ 4 ]}

ينتج عن دوران ملف سلكي في مجال مغناطيسي تيار كهربائي يغير اتجاهه مع كل دورة كاملة (180 درجة)، وهو تيار متردد (AC). مع ذلك، تطلبت العديد من الاستخدامات المبكرة للكهرباء تيارًا مستمرًا (DC). في أولى المولدات الكهربائية العملية، والتي تُسمى الدينامو ، كان التيار المتردد يُحوّل إلى تيار مستمر باستخدام مُبدِّل ، وهو عبارة عن مجموعة من نقاط التلامس الدوارة على عمود العضو الدوار. كان المُبدِّل يعكس توصيل ملف العضو الدوار بالدائرة الكهربائية مع كل دورة كاملة (180 درجة) للعمود، مما يُنتج تيارًا مستمرًا نابضًا. وقد بُني أحد أوائل الدينامو على يد هيبوليت بيكسي عام 1832.

كان الدينامو أول مولد كهربائي قادر على توفير الطاقة للصناعة. يُعد مولد وولريتش الكهربائي لعام 1844، الموجود الآن في متحف ثينك تانك للعلوم في برمنغهام ، أقدم مولد كهربائي استُخدم في عملية صناعية. ^{[ 5 ]} وقد استخدمته شركة إلكينغتونز في عمليات الطلاء الكهربائي التجارية . ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

تم اختراع الدينامو الحديث، المناسب للاستخدام في التطبيقات الصناعية، بشكل مستقل من قبل السير تشارلز ويتستون ، وفيرنر فون سيمنز، وصموئيل ألفريد فارلي . حصل فارلي على براءة اختراع في 24 ديسمبر 1866، بينما أعلن كل من سيمنز وويتستون عن اكتشافاتهما في 17 يناير 1867 من خلال تقديم أوراق بحثية في الجمعية الملكية . ^{[ 9 ] [ 10 ]}

استخدمت "الآلة الكهرومغناطيسية" ملفات مجال كهرومغناطيسي ذاتية التغذية بدلاً من المغناطيس الدائم لتوليد مجال الجزء الثابت. ^{[ 11 ]} كان تصميم ويتستون مشابهًا لتصميم سيمنز، مع اختلاف أن المغناطيسات الكهربائية في الجزء الثابت كانت موصولة على التوالي مع الجزء الدوار في تصميم سيمنز، بينما كانت موصولة على التوازي في تصميم ويتستون. ^{[ 9 ] [ 10 ]} أدى استخدام المغناطيسات الكهربائية بدلاً من المغناطيس الدائم إلى زيادة كبيرة في قدرة الدينامو، ومكّن من توليد طاقة عالية لأول مرة. أدى هذا الاختراع مباشرةً إلى أولى الاستخدامات الصناعية الرئيسية للكهرباء. على سبيل المثال، في سبعينيات القرن التاسع عشر، استخدم سيمنز الديناموهات الكهرومغناطيسية لتشغيل أفران القوس الكهربائي لإنتاج المعادن ومواد أخرى.

تتألف آلة الدينامو التي طُوّرت من هيكل ثابت يُولّد المجال المغناطيسي، ومجموعة من الملفات الدوارة التي تدور داخل هذا المجال. أما في الآلات الأكبر حجماً، فيُوفّر المجال المغناطيسي الثابت بواسطة مغناطيس كهربائي واحد أو أكثر، تُعرف عادةً باسم ملفات المجال.

نادرًا ما تُرى مولدات الطاقة الكبيرة اليوم نظرًا للاستخدام شبه العالمي للتيار المتردد في توزيع الطاقة. قبل اعتماد التيار المتردد، كانت مولدات التيار المستمر الضخمة الوسيلة الوحيدة لتوليد وتوزيع الطاقة. وقد هيمن التيار المتردد على السوق لقدرته على التحويل بسهولة من وإلى الفولتيات العالية جدًا، مما يسمح بفقدان منخفض للطاقة عبر مسافات طويلة.

من خلال سلسلة من الاكتشافات، أعقب الدينامو العديد من الاختراعات اللاحقة، ولا سيما مولد التيار المتردد ، القادر على توليد التيار المتردد . ويُعرف هذا النوع من المولدات باسم المولدات التزامنية. تُوصل المولدات التزامنية مباشرةً بالشبكة الكهربائية، وتحتاج إلى مزامنة دقيقة أثناء بدء التشغيل. ^{[ 12 ]} علاوة على ذلك، تُغذى هذه المولدات بنظام تحكم خاص لتعزيز استقرار نظام الطاقة. ^{[ 13 ]}

كانت أنظمة توليد التيار المتردد معروفة بأشكالها البسيطة منذ اكتشاف مايكل فاراداي الأصلي للحث المغناطيسي للتيار الكهربائي . وقد بنى فاراداي نفسه مولدًا مبكرًا للتيار المتردد. كانت آلته عبارة عن "مستطيل دوار"، وكان تشغيلها غير متجانس الأقطاب : حيث يمر كل موصل نشط بالتتابع عبر مناطق يكون فيها المجال المغناطيسي في اتجاهين متعاكسين. ^{[ 14 ]}

قام كهربائي بريطاني، جيه إي إتش جوردون ، ببناء مولدات تيار متردد ثنائية الطور كبيرة الحجم في عام 1882. وقدم ويليام ستانلي جونيور ، وهو موظف في شركة وستنجهاوس إلكتريك، أول عرض عام لـ "نظام المولد" في عام 1886. ^{[ 15 ]}

أسس سيباستيان زياني دي فيرانتي شركة فيرانتي، تومسون وإنس عام 1882 لتسويق مولد فيرانتي-تومسون ، الذي اخترعه بمساعدة الفيزيائي الشهير اللورد كلفن . ^{[ 16 ]} أنتجت مولداته الأولى ترددات تتراوح بين 100 و300 هرتز . ثم صمم فيرانتي محطة ديبتفورد لتوليد الطاقة لصالح شركة لندن لتزويد الكهرباء عام 1887 باستخدام نظام التيار المتردد. عند اكتمالها عام 1891، كانت أول محطة توليد طاقة حديثة حقًا، حيث كانت تزود الطاقة بتيار متردد عالي الجهد، ثم يتم تخفيضه للاستخدام المنزلي في كل شارع. ولا يزال هذا النظام الأساسي مستخدمًا حتى اليوم في جميع أنحاء العالم.

بعد عام 1891، تم إدخال مولدات التيار المتردد متعددة الأطوار لتوفير تيارات ذات أطوار متعددة ومختلفة. ^{[ 17 ]} صُممت مولدات التيار المتردد اللاحقة لترددات تيار متردد متغيرة تتراوح بين 16 و100 هرتز تقريبًا، لاستخدامها مع إضاءة القوس الكهربائي والإضاءة المتوهجة والمحركات الكهربائية. ^{[ 18 ]}

مع ازدياد متطلبات توليد الطاقة على نطاق أوسع، برز قيد جديد: المجالات المغناطيسية المتاحة من المغناطيس الدائم. وقد مكّن توجيه جزء صغير من الطاقة المولدة من المولد إلى ملف مجال كهرومغناطيسي مثبت على الدوار المولد من إنتاج طاقة أكبر بكثير. عُرف هذا المفهوم باسم الإثارة الذاتية .

تُوصَّل ملفات المجال على التوالي أو التوازي مع ملفات المحرك. عند بدء دوران المولد، تُولِّد كمية ضئيلة من المغناطيسية المتبقية في القلب الحديدي مجالًا مغناطيسيًا لبدء التشغيل، مما يُولِّد تيارًا صغيرًا في المحرك. يتدفق هذا التيار عبر ملفات المجال، مُكوِّنًا مجالًا مغناطيسيًا أكبر يُولِّد بدوره تيارًا أكبر في المحرك. تستمر هذه العملية حتى يستقر المجال المغناطيسي في القلب نتيجة التشبع ، ويصل المولد إلى حالة خرج طاقة ثابتة.

تستخدم مولدات محطات الطاقة الضخمة غالبًا مولدًا أصغر منفصلًا لتشغيل ملفات المجال للمولد الأكبر. في حال حدوث انقطاع واسع النطاق للتيار الكهربائي ، حيث تنفصل محطات الطاقة عن بعضها، قد تحتاج هذه المحطات إلى إعادة تشغيل كاملة لتنشيط ملفات المجال لأكبر مولداتها، وذلك لاستعادة خدمة الكهرباء للمستهلكين.

محطة توليد الطاقة ، والمعروفة أيضًا باسم محطة توليد الكهرباء أو محطة توليد الطاقة الكهربائية ، هي منشأة صناعية تُستخدم لتوليد الكهرباء . تحتوي معظم محطات توليد الطاقة على مولد واحد أو أكثر، وهي عبارة عن آلات دوارة تحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية ثلاثية الأطوار . تُولد الحركة النسبية بين مجال مغناطيسي وموصل تيارًا كهربائيًا . تختلف مصادر الطاقة المستخدمة لتشغيل المولدات اختلافًا كبيرًا. تعتمد معظم محطات توليد الطاقة في العالم على حرق الوقود الأحفوري مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي لتوليد الكهرباء. وتشمل المصادر الأنظف الطاقة النووية ، وتعتمد بشكل متزايد على مصادر الطاقة المتجددة مثل الشمس والرياح والأمواج والمياه الجارية .

المولد الكهربائي هو عبارة عن مزيج من مولد كهربائي ومحرك ( محرك رئيسي ) مُثبّتين معًا لتشكيل جهاز واحد متكامل. عادةً ما تكون المحركات المستخدمة من نوع محركات المكابس، ولكن يمكن أيضًا استخدام التوربينات الغازية، بل وتوجد وحدات هجينة تعمل بالديزل والغاز، تُسمى وحدات الوقود المزدوج. تتوفر العديد من الإصدارات المختلفة للمولدات الكهربائية، بدءًا من مجموعات صغيرة محمولة تعمل بالبنزين وصولًا إلى منشآت توربينية كبيرة. الميزة الأساسية للمولدات الكهربائية هي قدرتها على توفير الكهرباء بشكل مستقل، مما يسمح لها بالعمل كمصادر طاقة احتياطية. ^{[ 22 ]}

يمكن أيضًا تشغيل المولد بواسطة قوة العضلات البشرية (على سبيل المثال، في معدات محطات الراديو الميدانية).

تتوفر مولدات كهربائية تعمل بالطاقة البشرية تجاريًا، وقد قام بعض هواة الأعمال اليدوية بتصميمها . تُشغَّل هذه المولدات عادةً باستخدام قوة الدواسة، أو جهاز تدريب دراجات مُعدَّل، أو مضخة قدم، ويمكن استخدامها عمليًا لشحن البطاريات، وفي بعض الحالات تُصمَّم بمحول تيار مدمج. يستطيع الإنسان السليم إنتاج 75 واط (0.1 حصان) بشكل ثابت لمدة ثماني ساعات كاملة، بينما يستطيع رياضي محترف إنتاج حوالي 298 واط (0.4 حصان) لفترة مماثلة، وبعدها يحتاج إلى فترة راحة واستشفاء غير محددة. عند 298 واط، يُصاب الإنسان السليم بالإرهاق في غضون 10 دقائق. ^{[ 24 ]} تكون الطاقة الكهربائية الصافية المُنتَجة أقل بسبب انخفاض كفاءة المولد. تُصنَّع أجهزة استقبال راديو محمولة مزودة بذراع تدوير لتقليل الحاجة إلى شراء البطاريات؛ انظر راديو الساعة الميكانيكية . خلال منتصف القرن العشرين، تم استخدام أجهزة الراديو التي تعمل بالدواسات في جميع أنحاء المناطق النائية الأسترالية ، لتوفير التعليم ( مدرسة الهواء ) والخدمات الطبية وغيرها من الاحتياجات في المحطات والبلدات النائية.

مولد التاكو هو جهاز كهروميكانيكي يُنتج جهدًا كهربائيًا يتناسب طرديًا مع سرعة دوران عموده. يُستخدم كمؤشر للسرعة أو في نظام تحكم بالسرعة. تُستخدم مولدات التاكو بكثرة لتشغيل عدادات السرعة لقياس سرعات المحركات الكهربائية، والمحركات، والمعدات التي تُشغلها. تُولد المولدات جهدًا يتناسب تقريبًا مع سرعة دوران عمودها. وبفضل التصميم والبناء الدقيقين، يُمكن تصنيع المولدات لإنتاج جهود كهربائية دقيقة للغاية ضمن نطاقات محددة من سرعات دوران عمودها.