مولد الكهرباء من حيث المفهوم ومبدأ العمل والمكونات

يوفر مولد الكهرباء الطاقة الكهربائية خلال فترة انقطاع التيار الكهربائي مما يسمح باستمرار سير الأنشطة اليومية أو العمليات التجارية. مما يجعلها ضرورية جداً نستعرض أدناه مفهومها ومكوناتها ومبدأ عملها.

مفهوم مولد الكهرباء

مولد الكهرباء أو كما يسمى دينامو عبارة عن آلة تحول الطاقة الميكانيكية إلى كهرباء تُنقَل وتُوزَّع عبر خطوط الطاقة للعملاء المحليين والتجاريين والصناعيين، كما تنتج الكهرباء للسيارات والطائرات والسفن والقطارات.

نحصل على الطاقة الميكانيكية للمولد الكهربائي من عمود دوار يساوي عزم دوران العمود مضروب بسرعة الدوران أو الزاوية. تأتي من عدة مصادر: التوربينات الهيدروليكية، الريحية، البخارية، الغازية. يختلف تركيي المولد وسرعته حسب خصائص المحرك الرئيسي الميكانيكي.

مبدأ عمل المولد الكهربائي

في الواقع مولد الكهرباء لا يولد طاقة كهربائية بل يستخدم الطاقة الميكانيكية الداخلة إليه لإجبار الشحنات الكهربائية تتدفق في سلك لفاته عبر دائرة كهربائية خارجية فينتج التيار الكهربائي. يشبه عمله عمل مضخة المياه، التي تسبب تدفق الماء ولكنها لا “تخلق” الماء المتدفق عبرها في الواقع.

تعمل المولدات الحديثة على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي الذي اكتشفه مايكل فاراداي في 1831-1832 الذي ينص على أن: يحدث تدفق الشحنات الكهربائية من خلال تحريك موصل كهربائي كسلك يحتوي شحنات كهربائية في مجال مغناطيسي. بالتّالي يحدث فرقًا في الجهد بين طرفي السلك أو الموصل الكهربائي فتتدفق الشحنات الكهربائية ويتولد التيار الكهربائي.

تعرف على الفرق بين محركات الديزل والبنزين

المكونات الرئيسية للمولد الكهربائي

يمكن تصنيف المكونات الرئيسية لمولد الكهرباء على نطاق واسع على النحو التالي:

المحرك

يشكل مصدر الطاقة الميكانيكية المدخلة للمولد، يتناسب حجمه بشكل مباشر مع الحد الأقصى من الطاقة التي يمكن للمولد توفيرها. يعتمد أداء المحرك على عدة عوامل تتجلى ب:

نوع الوقود المستخدم إذ تعمل محركات المولدات بمختلف أنواع الوقود بما يتضمن: الديزل والبنزين والبروبان أو الغاز الطبيعي. تعمل المحركات الصغيرة بالبنزين في حين تعمل المحركات الأكبر بالديزل أو البروبان السائل أو الغاز الطبيعي. كما قد تعمل بعض المحركات بالتغذية المزدوجة لكل من الديزل والغاز في وضع التشغيل ثنائي الوقود.

تختلف محركات الصمامات العلوية (OHV) عن المحركات الأخرى من خلال صمامات السحب والعادم للمحرك في رأس أسطوانة المحرك بدل من تركيبها على كتلة المحرك.

كما تتميز محركات OHV بعدة مميزات بما يتضمن: تصميم مضغوط، آلية تشغيل أبسط، متانة، سهولة الاستخدام في العمليات، انخفاض مستوى الضجيج أثناء العمليات، مستويات انبعاث منخفضة.، لكنها أكثر تكلفة من غيرها.

غلاف من الحديد الزهر (CIS) في أسطوانة المحرك يحدّ من التآكل، ويضمن متانة المحرك، لقد جهزت غالبية محركات OHV بـ CIS لذا من الضروري التحقق من وجودها في محرك المولد.

الجدير بالذكر أنه يجب استشارة الشركة المصنعة للمحرك للحصول على المواصفات الكاملة لتشغيل المحرك وجداول الصيانة.

مولد مولد الكهرباء

المولد هو جزء من مولد الكهرباء ينتج الخرج الكهربائي من المدخلات الميكانيكية القادمة من المحرك، يحتوي مجموعة من الأجزاء الثابتة والمتحركة، تعمل مع بعضها لإحداث حركة نسبية بين المجالين المغناطيسي والكهربائي والذي يولد الكهرباء. يتكون من:

الجزء الثابت

يحتوي الجزء الثابت يحتوي مجموعة من الموصلات الكهربائية ملفوفة في ملفات فوق قلب حديدي، يتألف من حلقة أسطوانية مصنوعة من الحديد لتوفير مسار سهل للتدفق المغناطيسي. إذ يحتوي الجزء الثابت ملف واحد فقط يتكون من عدد من الملفات، يوضع الجانبين في فتحات في الحديد وتوصل الأطراف مع بعضها عبر موصلات منحنية حول محيط الجزء الثابت.

عند تدوير الجزء المتحرك يحدث جهد كهربائي في ملف الجزء الثابت، ويتناسب حجم الجهد مع المعدل الذي يتغير به المجال المغناطيسي المحاط بالملف مع الزمن، أي المعدل الذي يمر به المجال المغناطيسي على جانبي الملف.

بالتّالي يكون الجهد الأقصى في اتجاه واحد عندما يدور الجزء المتحرك بزاوية 90 درجة من الموضع ويكون الحد الأقصى في الاتجاه المعاكس بمقدار 180 درجة.

الجزء الدوار (المتحرك) 

يطلق عليه اسم عضو الإنتاج يقترن العمود المركزي للدوار بالمحرك الرئيسي الميكانيكي، إذ ينتج المجال المغناطيسي عبر موصلات، أو ملفات، ملفوفة في فتحات مقطوعة في سطح الجزء الدوار الحديدي الأسطواني يطلق عليها مسمى ملف المجال. توضع بطريقة يتم توزيع المكون الموجه للخارج أو الشعاعي للمجال المغناطيسي الناتج في فجوة الهواء إلى الجزء الثابت بشكل جيبي تقريبًا حول محيط الجزء الدوار. حيث تكون قيمة كثافة المجال في فجوة الهواء هي بأقصى حد للخارج في الأعلى، وبأقصى حد للداخل في الأسفل، وصفر عند الجانبين، مما يقارب التوزيع الجيبي.

تعرف على ما هو الترانزستور ومبدأ عمله وأجزاءه | دليل شامل

ينتج مجالًا مغناطيسيًا دوارًا بعدة طرق تتجلى فيما يلي:

• عن طريق الحث فتسمى المولدات بدون فرش كما في المولدات الكبيرة.
• بواسطة المغناطيس الدائم كما في المولدات الصغيرة.
• باستخدام المثير وهو مصدر صغير للتيار المباشر (DC) ينشط الدوار عبر مجموعة من حلقات الانزلاق والفرش الموصلة.
• يولد الجزء المتحرك مجالًا مغناطيسيًا متحركًا حول الجزء الثابت، مما يؤدي إلى حدوث فرق الجهد بين ملفات الجزء الثابت فينتج خرج التيار المتردد (AC) للمولد.

يعتمد أداء مولد المولد على عدة عوامل تتجلى فيما يلي:

• الغلاف المعدني مقابل البلاستيك حيث يضمن التصميم المعدني متانة المولد، في حين تتشوه العلب البلاستيكية مع الوقت فتنكشف الأجزاء المتحركة للمولد.
• المحامل الكروية مقابل المحامل الإبرية حيث تقوم الكروية لفترة أطول.
• تصميم بدون فرش فهو يتطلب صيانة أقل وينتج طاقة أنظف.

نظام الوقود 

يتمتع خزان الوقود بسعة كافية للحفاظ على تشغيل المولد لمدة تتراوح بين 6 إلى 8 ساعات في المتوسط. إذ يكون في المولدات الصغيرة جزءًا من القاعدة المنزلقة للمولد أو يتم تركيبه أعلى إطار المولد كما هو الحال في التطبيقات التجارية.

تشمل الميزات الشائعة لنظام الوقود ما يلي:

• توصيل الأنابيب من خزان الوقود إلى المحرك من خلال خط الإمداد في حين يعيده إلى الخزان خط العودة.
• أنبوب تهوية لخزان الوقود لمنع تراكم الضغط أو الفراغ خلال فترة إعادة تعبئة الخزان وتصريفه، لذا عند إعادة ملء خزان الوقود، تأكد من تلامس المعدن بين فوهة التعبئة وخزان الوقود لتجنب حدوث شرر.
• توصيل الفائض من خزان الوقود إلى أنبوب التصريف كي لا يحدث أي فائض عند إعادة ملء الخزان في انسكاب السائل على مجموعة المولدات.
• مضخة الوقود تنقل الوقود من خزان التخزين الرئيسي إلى الخزان النهاري. 
• فلتر الوقود لتنقية الوقود من الماء والشوائب بهدف حماية المكونات الأخرى للمولد من التآكل والتلوث.
• حاقن الوقود لتفتيت الوقود السائل ورش الكمية المطلوبة من الوقود في غرفة الاحتراق بالمحرك.

منظم ضغط كهربي

لتنظيم جهد الخرج للمولد ويتكون من المكونات التالية لكل منها دور في عملية التنظيم:

• منظم الجهد: لتحويل جهد التيار المتردد إلى تيار مستمر حيث يأخذ جزءًا صغيرًا من خرج المولد من جهد التيار المتردد ويحوله إلى تيار مستمر لتغذية مجموعة من الملفات الثانوية في الجزء الثابت تسمى ملفات الحث.
• ملفات الحث: لتحويل التيار المستمر إلى متردد كما في ملفات الجزء الثابت الأولية وتولد تيارًا مترددًا صغيرًا كما ترتبط بوحدات تعرف باسم المقومات الدوارة.
• المقومات الدوارة: لتحويل التيار المتردد إلى مستمر بهدف تصحيح تيار التيار المتردد الناتج عن الملفات وتحويله إلى تيار مستمر. لتغذية الدوار / عضو الإنتاج وإنشاء مجال كهرومغناطيسي يضاف إلى المجال المغناطيسي الدوار للدوار / عضو الإنتاج.
• العضو الدوار/ عضو الإنتاج: لتحويل التيار المستمر إلى جهد تيار متردد إذ يحفز جهد تيار متردد أكبر عبر ملفات الجزء الثابت، والذي ينتجه المولد الآن كجهد تيار متردد أكبر.

تستمر تلك المراحل حتى ينتج المولد جهد خرج يساوي طاقته التشغيلية الكاملة، فكلما زاد خرج المولد ينتج منظم الجهد تيارًا مستمرًا أقل. عند الوصول إلى قدرة التشغيل الكاملة، يصل منظم الجهد إلى حالة التوازن قدر كافي من التيار المستمر للحفاظ على خرج المولد عند مستوى التشغيل الكامل.

فعند إضافة حمل إلى المولد، ينخفض جهد الخرج قليلاً فيعمل منظم الجهد وتبدأ الدورة السابقة وتستمر الدورة حتى يصل خرج المولد إلى قدرته التشغيلية الكاملة الأصلية.

نظام التبريد 

تسخن مكونات المولد نتيجة الاستخدام المستمر لذا يجب وجود نظام تبريد وتهوية لسحب الحرارة الناتجة في هذه العملية.

في المولدات الصغيرة تستخدم المياه العذبة كمبرد للمولدات، في حين يستخدم الهيدروجين كمبرد للملفات الثابتة في المولدات الكبيرة لكونه أكثر كفاءة في امتصاص الحرارة. إذ يزيل الحرارة من المولد وينقلها عبر مبادل حراري إلى دائرة تبريد ثانوية تحتوي  ماء منزوع المعادن كمبرد. 

في مختلف التطبيقات بما يتضمن السكنية أو الصناعية يتم تركيب مشعاع قياسي ومروحة على المولد ويعملان كنظام تبريد أساسي.

 يجب التحقق من مستويات سائل التبريد للمولد يومياً، وشطف نظام التبريد ومضخة المياه الخام بعد كل 600 ساعة وتنظيف المبادل الحراري بعد كل 2400 ساعة من تشغيل المولد.

الجدير بالذكر أنه يجب وضع المولد في منطقة مفتوحة وجيدة التهوية تحتوي كمية كافية من الهواء النقي. كما ينص قانون الكهرباء الوطني (NEC) على ضرورة ترك مساحة 3 أقدام على الأقل تحيط بجوانب المولد لضمان التدفق الحر لهواء التبريد.

نظام العادم

ينبعث من المولد أبخرة كما هو الحال في أي محرك تحتوي مواد كيميائية شديدة السمية، لذا يجب إدارتها بشكل صحيح مما يستدعي تركيب نظام عادم مناسب للتخلص من تلك الغازات.

تصنع أنابيب العادم من الحديد الزهر أو المطاوع أو الفولاذ، وتوصل بالمحرك عبر موصلات مرنة لتقليل الاهتزازات ومنع تلف نظام عادم المولد. 

يجب أن تكون نهاية أنبوب العادم في الخارج بعيدًا عن الأبواب والنوافذ والفتحات الأخرى المؤدية إلى المنزل أو المبنى، كما يجب التأكد من أن نظام العادم الخاص بالمولد غير متصل بأي جهاز آخر.

الجدير بالذكر أنه عليك مراجعة مسؤولي قوانين المدينة المحلية لتحديد هل يحتاج تشغيل المولد موافقة من السلطات المحلية للتأكد من امتثالك للقوانين المحلية للحماية من الغرامات وغيرها من العقوبات.

تعرف على جميع أنواع الكونتاكتور

نظام التشحيم في مولد الكهرباء 

وظيفته تشحيم الأجزاء المتحركة لضمان متانة وتشغيل مولد الكهرباء بشكل سلس لفترة طويلة من الزمن، إذ يتم تشحيم محرك المولد بالزيت المخزن في المضخة. 

الجدير بالذكر أنه من الضروري التحقق من مستوى زيت التشحيم كل 8 ساعات من تشغيل المولد، كما يجب التحقق من عدم وجود أي تسرب لزيوت التشحيم وتغيير زيت التشحيم كل 500 ساعة من تشغيل المولد.

شاحن بطارية

وظيفته تزويد بطارية مولد الكهرباء بجهد “عائم” دقيق، فلو كان الجهد العائم منخفضًا جدًا، تبقى البطارية مشحونة أقل من اللازم. أما في حال كان الجهد العائم مرتفعًا جدًا يتم تقصير عمر البطارية. عادة تصنع أجهزة شحن البطاريات من الفولاذ المقاوم للصدأ لمنع التآكل، كما أنها تلقائية بالكامل ولا تحتاج إجراء تعديلات أو تغيير أي إعدادات. 

يضبط جهد خرج التيار المستمر للشاحن على 2.33 فولت لكل خلية، وهو الجهد العائم الدقيق لبطاريات حمض الرصاص. الجدير بالذكر أنه يحتوي شاحن البطارية خرج جهد تيار مستمر معزول يتداخل مع الأداء الطبيعي للمولد.

لوحة التحكم في مولد الكهرباء

عبارة عن واجهة تضم أحكام للمنافذ الكهربائية وأدوات التحكم بما يتضمن:

• أوامر التشغيل والإيقاف التلقائي: تعمل لوحات التحكم على تشغيل المولد تلقائيًا عند انقطاع التيار الكهربائي، وتراقبه خلال فترة التشغيل، وإيقاف تشغيل الوحدة تلقائيًا عند عدم حاجتها.
• مقاييس المحرك: تشير المقاييس المختلفة إلى معلمات مهمة بما يتضمن: ضغط الزيت، درجة حرارة سائل التبريد، جهد البطارية، سرعة دوران المحرك، مدة التشغيل. مما يسمح بإيقاف تشغيل المولد عندما يتجاوز أي منها مستويات العتبة الخاصة به.
• أجهزة قياس المولدات: تحتوي عدادات لقياس تيار الخرج والجهد وتردد التشغيل.
• أدوات التحكم الأخرى بما يتضمن: مفتاح تحديد الطور، ومفتاح التردد، ومفتاح التحكم في المحرك سواء الوضع اليدوي، الوضع التلقائي وغير ذلك.

الإطار الرئيسي

تحتوي كل المولدات سواء كانت محمولة أو ثابتة، على أغلفة مخصصة تمنحها هيكل أساسي، كما تسمح بالتأريض لتحقيق السلامة.

باختصار، يمكن القول أن مولد الكهرباء عنصر أساسي لا يمكن الاستغناء عنه في غالبية طرق توليد الطاقة الكهربائية بما فيها: المائية والريحية والبخارية والغازية.

                                                 تابعونا على:  فيسبوك   ∇   إنستقرام 

تليجرام