مولد الحث

المولد الحثي (أو المولد غير المتزامن ) هو نوع من مولدات التيار المتردد الكهربائية التي تستخدم مبادئ المحركات الحثية لإنتاج الطاقة الكهربائية. تعمل المولدات الحثية عن طريق تدوير دواراتها ميكانيكيًا بسرعة تفوق السرعة المتزامنة. يمكن عادةً استخدام محرك حثي عادي يعمل بالتيار المتردد كمولد دون أي تعديلات داخلية. نظرًا لقدرتها على استعادة الطاقة باستخدام أدوات تحكم بسيطة نسبيًا، تُعد المولدات الحثية مفيدة في تطبيقات مثل محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة ، وتوربينات الرياح ، أو في خفض ضغط تيارات الغاز عالية الضغط.

يستمد المولد الحثي تيار الإثارة التفاعلي من مصدر خارجي. يحتوي المولد الحثي على دوار تيار متردد، ولا يمكنه بدء التشغيل الذاتي باستخدام المغنطة المتبقية لبدء تشغيل نظام توزيع كهربائي مفصول عن التيار، كما تفعل المولدات التزامنية. يمكن إضافة مكثفات تصحيح معامل القدرة خارجيًا لمعادلة كمية ثابتة من تيار الإثارة التفاعلي المتغير. بعد بدء التشغيل، يمكن للمولد الحثي استخدام مجموعة مكثفات لإنتاج تيار الإثارة التفاعلي، ولكن جهد وتردد نظام الطاقة المعزول لا ينظمان ذاتيًا، ويتعرضان لعدم الاستقرار بسهولة.

يُنتج المولد الحثي الطاقة الكهربائية عندما يدور دوّاره بسرعة أكبر من السرعة التزامنية . بالنسبة لمحرك رباعي الأقطاب (زوجان من الأقطاب على الجزء الثابت) يعمل بمصدر تردده 60  هرتز، تبلغ السرعة التزامنية 1800 دورة في الدقيقة، بينما تبلغ 1500  دورة في الدقيقة عند تشغيله بتردد 50  هرتز. يدور المحرك دائمًا بسرعة أقل قليلًا من السرعة التزامنية. يُسمى الفرق بين السرعة التزامنية وسرعة التشغيل بالانزلاق ، ويُعبّر عنه عادةً كنسبة مئوية من السرعة التزامنية. على سبيل المثال، محرك يعمل بسرعة 1450  دورة في الدقيقة وسرعته التزامنية 1500  دورة في الدقيقة، يكون انزلاقه +3.3%.

عند تشغيل المحرك، يدور تدفق الجزء الثابت بسرعة متزامنة، وهي أسرع من سرعة الجزء الدوار. يؤدي ذلك إلى تذبذب تدفق الجزء الثابت بتردد الانزلاق، مما يحث تيارًا في الجزء الدوار عبر الحث المتبادل بين الجزء الثابت والجزء الدوار. يُنشئ التيار المستحث تدفقًا مغناطيسيًا في الجزء الدوار بقطبية معاكسة لقطبية الجزء الثابت. وبهذه الطريقة، يُسحب الجزء الدوار خلف تدفق الجزء الثابت، مع حث التيارات فيه بتردد الانزلاق. يعمل المحرك بالسرعة التي يُنتج عندها تيار الجزء الدوار المستحث عزم دوران يساوي حمل العمود.

في عملية تشغيل المولد، يقوم محرك رئيسي (توربين أو محرك) بتدوير الدوار بسرعة تتجاوز السرعة التزامنية (انزلاق سلبي). يُحفز التدفق المغناطيسي للجزء الثابت تيارًا في الدوار، ولكن التدفق المغناطيسي المعاكس للدوار يقطع ملفات الجزء الثابت، مما يؤدي إلى تحفيز تيار في ملفات الجزء الثابت متأخرًا بمقدار 270 درجة عن تيار التمغنط، ومتوافقًا في الطور مع جهد التمغنط. يُزود المحرك نظام الطاقة بقدرة حقيقية (متوافقة في الطور).

الإثارة

يحتاج المحرك الحثي إلى تيار خارجي يُغذّي ملفات الجزء الثابت (الساكن) لحث تيار في الجزء الدوار (الدوار). ولأن التيار في المحث هو تكامل الجهد بالنسبة للزمن، فإن التيار في حالة موجة الجهد الجيبية يتأخر عن الجهد بمقدار 90 درجة، ويستهلك المحرك الحثي دائمًا قدرة تفاعلية ، سواءً كان يستهلك طاقة كهربائية ويُنتج قدرة ميكانيكية كمحرك، أو يستهلك قدرة ميكانيكية ويُنتج طاقة كهربائية للنظام.

لا يزال مصدر تيار الإثارة لتدفق المغنطة (القدرة التفاعلية) للجزء الثابت مطلوبًا لحث تيار الدوار. يمكن توفير هذا التيار من الشبكة الكهربائية، أو من مفاعلة سعوية بمجرد بدء توليد الطاقة. يُعد وضع التوليد في المحركات الحثية معقدًا بسبب الحاجة إلى إثارة الدوار، الذي يُحث بواسطة تيار متردد، ثم يُزال مغنطته عند الإيقاف دون وجود مغنطة متبقية لبدء التشغيل البارد. من الضروري توصيل مصدر خارجي لتيار المغنطة لبدء الإنتاج. لا يتم تنظيم تردد الطاقة وجهده ذاتيًا. يستطيع المولد توفير تيار خارج الطور مع الجهد، مما يتطلب معدات خارجية إضافية لبناء نظام طاقة معزول فعال. ينطبق الأمر نفسه على تشغيل المحرك الحثي بالتوازي مع محرك متزامن يعمل كمعوض لمعامل القدرة. من سمات وضع المولد بالتوازي مع الشبكة أن سرعة الدوار تكون أعلى منها في وضع القيادة، وبالتالي تُزود الشبكة بالطاقة الفعالة. ^{[ 1 ]} من عيوب مولد المحرك الحثي أنه يستهلك تيارًا مغناطيسيًا كبيرًا I 0 = (20-35)٪.

في المولدات الحثية، تُوفَّر القدرة التفاعلية اللازمة لتكوين التدفق المغناطيسي في الفجوة الهوائية بواسطة مجموعة مكثفات متصلة بالآلة في حالة النظام المستقل، أما في حالة الربط بالشبكة، فتستمد القدرة التفاعلية من الشبكة للحفاظ على تدفقها المغناطيسي في الفجوة الهوائية. في النظام المتصل بالشبكة، يُحدَّد التردد والجهد عند الآلة بواسطة الشبكة الكهربائية، نظرًا لصغر حجمهما مقارنةً بالنظام ككل. أما في الأنظمة المستقلة، فيُعدّ التردد والجهد دالةً معقدةً لمعاملات الآلة، وسعة المكثفات المستخدمة للإثارة، وقيمة الحمل ونوعه.

تُستخدم مولدات الحث غالبًا في توربينات الرياح وبعض محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة لقدرتها على إنتاج طاقة مفيدة بسرعات دوران متغيرة. وتتميز مولدات الحث ببساطتها الميكانيكية والكهربائية مقارنةً بأنواع المولدات الأخرى، كما أنها أكثر متانة، إذ لا تتطلب فرشًا أو مبدلات .

يمكن لمولد الحث المتصل بنظام مكثفات توليد طاقة تفاعلية كافية للعمل بشكل مستقل. عندما يتجاوز تيار الحمل قدرة المولد على توفير كل من الطاقة التفاعلية المغناطيسية وطاقة الحمل، سيتوقف المولد فورًا عن توليد الطاقة. يجب فصل الحمل وإعادة تشغيل مولد الحث إما بمحرك تيار مستمر خارجي أو، إن وجد، باستخدام المغناطيسية المتبقية في القلب الحديدي. ^{[ 2 ]}

تُعدّ المولدات الحثية مناسبةً بشكلٍ خاص لمحطات توليد طاقة الرياح، حيث تُعتبر السرعة عاملاً متغيراً دائماً. ولا يُمكن استخدام المولدات الحثية بمفردها للتحكم في تردد الشبكة الكهربائية، لأنها تعتمد على الحمل ولا تستجيب تلقائياً لانحرافات تردد الشبكة كما تفعل المولدات التزامنية.

على سبيل المثال، لنفترض استخدام محرك حثي ثلاثي الأطوار بقدرة 10  حصان، وسرعة دوران 1760  دورة في الدقيقة، وجهد 440 فولت (يُعرف أيضًا باسم آلة كهربائية حثية في نظام مولد غير متزامن) كمولد غير متزامن. يبلغ تيار الحمل الكامل للمحرك 10 أمبير، ومعامل القدرة عند الحمل الكامل 0.8.  

السعة المطلوبة لكل طور إذا تم توصيل المكثفات على شكل دلتا:

القوة الظاهرية${\displaystyle S={\sqrt {3}}EI=1.73*440*10=7612VA}$

الطاقة الفعالة${\displaystyle P=S\cos(\theta )=7612*0.8=6090W}$

القدرة التفاعلية${\displaystyle Q={\sqrt {S^{2}-P^{2}}}=4567VAR}$

لكي تعمل الآلة كمولد غير متزامن، يجب أن توفر مجموعة المكثفات ما لا يقل عن 4567 / 3 أطوار = 1523 فولت أمبير تفاعلي لكل طور. الجهد لكل مكثف هو 440  فولت لأن المكثفات موصولة على شكل دلتا.

التيار السعوي Ic = Q/E = 1523/440 = 3.46 أمبير

المفاعلة السعوية لكل طور Xc = E/Ic = 127 أوم

الحد الأدنى للسعة لكل طور:

C = 1 / (2* π *f*Xc) = 1 / (2 * 3.141 * 60 * 127) = 21 ميكروفاراد.

إذا كان الحمل يمتص أيضًا طاقة تفاعلية، فيجب زيادة حجم بنك المكثفات للتعويض.

يجب استخدام سرعة المحرك الرئيسي لتوليد تردد 60  هرتز:

عادةً، يجب أن يكون الانزلاق مشابهًا لقيمة الحمل الكامل عندما تعمل الآلة كمحرك، ولكنه سالب (عند تشغيل المولد):

إذا كانت Ns = 1800، فيمكن اختيار N = Ns + 40 دورة في الدقيقة

سرعة المحرك الرئيسي المطلوبة N = 1800 + 40 = 1840 دورة في الدقيقة.

• آلة كهربائية مزدوجة التغذية
• مولد كهربائي
• محرك حثي

• الآلات الكهربائية، والمحركات، وأنظمة الطاقة ، الطبعة الرابعة، ثيودور ويلدي، برنتيس هول، رقم ISBN 0-13-082460-7، الصفحات 311–314.

• اختبار مولد غير متزامن مستقل ومتصل بالشبكة. مؤرشف بتاريخ 2017-03-02 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .