مولد متزامن بمغناطيس دائم

المولد التزامني ذو المغناطيس الدائم هو مولد يُولّد مجال الإثارة فيه بواسطة مغناطيس دائم بدلاً من ملف. ويشير مصطلح "تزامني" هنا إلى أن الدوار والمجال المغناطيسي يدوران بنفس السرعة، لأن المجال المغناطيسي يُولّد بواسطة آلية مغناطيس دائم مثبتة على عمود ، ويُحثّ التيار في العضو الدوار الثابت.

تُعدّ المولدات التزامنية المصدر الرئيسي للطاقة الكهربائية التجارية. وتُستخدم عادةً لتحويل الطاقة الميكانيكية الناتجة عن التوربينات البخارية والغازية والمحركات الترددية والتوربينات المائية إلى طاقة كهربائية للشبكة. كما تستخدم بعض تصاميم توربينات الرياح هذا النوع من المولدات.

في معظم التصاميم، يحتوي الجزء الدوار في مركز المولد - الدوار - على المغناطيس، بينما يمثل الجزء الثابت العضو المتحرك المتصل كهربائيًا بالحمل. وكما هو موضح في الرسم التخطيطي، يؤثر المركب العمودي لمجال الجزء الثابت على عزم الدوران، بينما يؤثر المركب الموازي على الجهد. ويحدد الحمل الذي يزوده المولد الجهد. فإذا كان الحمل حثيًا، ستكون الزاوية بين مجالي الدوار والجزء الثابت أكبر من 90 درجة، مما يؤدي إلى زيادة جهد المولد. يُعرف هذا النوع من المولدات باسم المولد ذي الإثارة الزائدة. أما في حالة المولد الذي يزود حملًا سعويًا، فيُعرف باسم المولد ذي الإثارة الناقصة.

تتكون ملفات العضو الدوار في المعدات الكهربائية القياسية من ثلاثة موصلات، تشكل ثلاث مراحل لدائرة الطاقة. تُلف هذه المراحل بحيث تفصل بينها زاوية 120 درجة مكانيًا على الجزء الثابت، مما يوفر قوة أو عزم دوران منتظم على الجزء الدوار. ينشأ انتظام عزم الدوران لأن المجالات المغناطيسية الناتجة عن التيارات المستحثة في الموصلات الثلاثة لملفات العضو الدوار تتحد مكانيًا بطريقة تُحاكي المجال المغناطيسي لمغناطيس واحد دوار. يظهر هذا المجال المغناطيسي للجزء الثابت كمجال دوار ثابت، ويدور بنفس تردد دوران الجزء الدوار عندما يحتوي الجزء الدوار على مجال مغناطيسي ثنائي القطب. يتحرك المجالان بتزامن ويحافظان على موضع ثابت بالنسبة لبعضهما البعض أثناء دورانهما. ^{[ 1 ]}

تُعرف هذه المولدات بالمولدات التزامنية لأن تردد الجهد المستحث في الجزء الثابت (موصلات العضو الدوار) يتناسب طرديًا مع معدل دوران الجزء الدوار (أو سرعته الزاوية). إذا رُتبت ملفات الجزء الدوار بطريقة تُنتج تأثير أكثر من قطبين مغناطيسيين، فإن كل دورة كاملة للجزء الدوار تُؤدي إلى مرور المزيد من الأقطاب المغناطيسية أمام ملفات العضو الدوار. كل مرور لقطب شمالي وقطب جنوبي يُقابله "دورة" كاملة من تذبذب المجال المغناطيسي. لذلك، فإن ثابت التناسب هو${\displaystyle {\frac {\text{P}}{120}}}$، حيث P هو عدد أقطاب الدوار المغناطيسي (وهو دائمًا تقريبًا عدد زوجي)، ويأتي العامل 120 من 60 ثانية في الدقيقة وقطبين في مغناطيس واحد: ^{[ 2 ]}

${\displaystyle f\left({\text{Hz}}\right)=RPM{\frac {\text{P}}{120}}.}$

تعتمد القدرة في المحرك الرئيسي على عدد دورات المحرك في الدقيقة وعزم الدوران:${\displaystyle P_{m}=T_{m}\cdot RPM}$، أين${\displaystyle P_{m}}$الطاقة الميكانيكية بوحدة الواط،${\displaystyle T_{m}}$عزم الدوران بوحدات${\displaystyle {\frac {N\cdot m}{rad}}}$وRPM هي عدد الدورات في الدقيقة مضروبة في عامل${\displaystyle {\frac {2\pi }{60}}}$لإعطاء وحدات من${\displaystyle {\frac {راديان}{ثانية}}}$من خلال زيادة عزم الدوران على المحرك الرئيسي، يمكن توليد طاقة كهربائية أكبر.

في الواقع العملي، يكون الحمل النموذجي حثيًا بطبيعته. يوضح الرسم التخطيطي أعلاه مثل هذا الترتيب.${\displaystyle E_{i}}$يمثل جهد المولد،${\displaystyle V_{a}}$و${\displaystyle I_{a}}$يمثلان الجهد والتيار في الحمل على التوالي، و${\displaystyle \theta }$هي الزاوية بينهما. هنا، يمكننا أن نرى أن المقاومة، R ، والمفاعلة،${\displaystyle X_{d}}$تلعب دورًا في تحديد الزاوية${\displaystyle \delta }$يمكن استخدام هذه المعلومات لتحديد القدرة الفعالة والقدرة غير الفعالة الناتجة من المولد.

في هذا الرسم التخطيطي،${\displaystyle V_{t}}$يمثل جهد الطرف. إذا تجاهلنا المقاومة كما هو موضح أعلاه، فسنجد أنه يمكن حساب القدرة على النحو التالي: ^{[ 3 ]}

$${\displaystyle I_{a}={\frac {|E_{i}|\angle \delta -|V_{t}|}{jX_{d}}}}$$$${\displaystyle S=P+jQ=V_{t}I^{\star }={\frac {|V_{t}||E_{i}|\angle (-\delta )-|V_{t}|^{2}}{-jX_{d}}}={\frac {|V_{t}||E_{i}|(cos(\delta )-jsin(\delta ))-|V_{t}|^{2}}{-jX_{d}}}}$$

وبتقسيم القوة الظاهرية إلى قوة حقيقية وقوة رد فعل، نحصل على:

$${\displaystyle P={\frac {|V_{t}||E_{i}|}{X_{d}}}sin(\delta ),}$$$${\displaystyle Q={\frac {|V_{t}|}{X_{d}}}(|E_{i}|cos(\delta )-|V_{t}|)}$$

لا تتطلب مولدات المغناطيس الدائم (PMGs) أو المولدات المتناوبة (PMAs) مصدر تيار مستمر لدائرة الإثارة، كما أنها لا تحتوي على حلقات انزلاق أو فرش تلامس. من أبرز عيوبها عدم إمكانية التحكم في تدفق المجال المغناطيسي في الفجوة الهوائية، مما يعيق تنظيم جهدها. ويُشكل المجال المغناطيسي المستمر خطراً على السلامة أثناء التجميع والصيانة الميدانية والإصلاح. وتعاني المغناطيسات الدائمة عالية الأداء نفسها من مشاكل هيكلية وحرارية. يتحد تيار عزم الدوران والقوة الدافعة المغناطيسية (MMF) بشكل اتجاهي مع التدفق المستمر للمغناطيسات الدائمة، مما يؤدي إلى زيادة كثافة التدفق في الفجوة الهوائية، وفي النهاية إلى تشبع القلب المغناطيسي. في المولدات المتناوبة ذات المغناطيس الدائم، يتناسب جهد الخرج طردياً مع السرعة.

بالنسبة للمولدات التجريبية الصغيرة المستخدمة لقياس السرعة، قد لا يكون تنظيم الجهد مطلوبًا. أما عند استخدام مولد مغناطيسي دائم لتزويد دوار آلة أكبر على نفس المحور بتيار الإثارة، فيلزم وجود نظام تحكم خارجي للتحكم في تيار الإثارة وتنظيم جهد الآلة الرئيسية. ويمكن تحقيق ذلك باستخدام حلقات انزلاقية تربط النظام الدوار بدوائر تحكم خارجية، أو عن طريق التحكم عبر أجهزة إلكترونية للطاقة مثبتة على النظام الدوار ويتم التحكم بها خارجيًا.

• مولد التيار المتردد
• ماغنيتو
• مغناطيس الإشعال
• مغناطيس الهاتف