الآلات الكهربائية هو علم يدرس في هندسة القوى والالات الكهربائية , سنلقي الضوء في هذه المقالة على انواع المولدات والمحركات والمحولات.
ما المقصود بالآلات الكهربائية؟
الآلات الكهربائية هو جهاز يحول طاقة ميكانيكية الى طاقة كهربائية أو طاقة كهربائية الى طاقة ميكانيكية, عندما يحول من طاقة ميكانيكية الى طاقة كهربائية يسمى بالمولد (Generator)وعندما يحول من طاقة كهربائية الى طاقة ميكانيكية يسمى (Motor), المحول هو جهاز كهربائي يرتبط ارتباط وثيقاً بالآلات الكهربائية, يقوم على مبدأ تحويل جهد المتردد من قيمة معينة الى قيمة أخرى (أعلى أو أقل) مع ثبات القدرة, المحولات والمولدات والمحركات تعتمد في عملها على مبدأ المجال المغناطيسي.
أقسام الآلات الكهربائية
- المولدات
هناك نوعان رئيسيان من المولدات: مولدات التيار المستمر التي تنتج تياراً كهربائياً مستمراً يسري في اتجاه واحد, ومولدات التيار المتناوب وتنتج تياراً كهربائياً يعكس إتجاهه مرات عديده في كل ثانية, وكلا النوعين من المولدات تعمل بالمبادئ العلمية نفسها ولكنها يختلفان في كيفية التركيب والاستخدام.
استخدمات مولدات التيار المتناوب: المولدات الرئيسية في معظم محطات القدرة الكهربائية مولدات تيار متناوب لسهولة رفع الجهد المتناوب أو خفضه باستخدام جهاز كهرومغنطيسي بسيط يعرف بالمحول.
استخدمات المولدات التيار المستمر: تستخدم في المصانع التي تقوم بالطلاء بالكهرباء أو تنتج الألومنيوم أو الكلور أو أي مواد صناعية أخرى وكذلك القاطرات والسفن التي تدار بمحرك ديزل.
آلية عمل المولدات التيار المتناوب: يتكون المولدات التيار المتناوب من الحافظة هي العضو الساكن (Stator) وبنية المجال هي العضو الدوار(Rotor), فالمولدات العملية مزودة بمولد أضافي يعرف بالمستثير, ويمد المستثير تياراً مستمراً للمغنطيس الكهربائي الذي يستخدم لإحداث مجال مغنطيسي في داخل مولد التيار المتناوب, تتكون حافظة مولد التيار المتناوب من أسلاك من النحاس ملفوفة على شكل مئات من الملفات حول شقوق محفورة في قلب حديدي, معنى ذلك أن المغنطيس الكهربائي الذي ينتج بنية المجال يدور لكي يقطع المجال المغنطيسي ملفات الحافظة, وتتصل ملفات الحافظة مباشرة بأسلاك خارجية لنقل التيار المتناوب المولد.
آلية عمل المولدات التيار المستمر: يتركب المولد التيار المستمر من قسمين رئيسين (Stator) العضو الثابت, والعضو الدوار (Rotor) يحتوي في العضو الثابت الملفات المجال المغناطيسي بينما العضو الدوار في مولدات التيار المستمر يسمى أيضا (Armature) ويتألف من أقسام مختلفة:
- Armature core: يقوم بدعم مسار المجال مع مقاومة قليلة لكي يسمح مرور تيار من خلال Armature من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي.
- Armature Winding: الاسلاك في ملفات الروتور.
- Commutator: موحد التيار وهو قلب مولدات التيار المستمر بحيث يسهل جمع التيار.
- Brushes: توضع على جزء Commutator وينقل تيار الحمل من Armature Coil الى الدائرة الخارجية.
- المحركات
المحرك الكهربائي هو آلة تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركة دورانية لإنجاز شغل, ومبدأ عمل المحرك أساساً من مغناطيس ثابت و موصل متحرك يسمى عضو دوار, تشكل خطوط القوى بين أقطاب المغناطيس وعندما يمر تيار كهربائي خلال الموصل يصبح موصل مغناطيساً أخر, ويتنافر المجالان المغناطيسيان ويؤدي هذا التنافر إلى دوران العضو الدوار.
انواع المحركات الكهربائية:
- محرك تيار مستمر DC هو محرك كهربائي يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية يعمل فقط على انظمة تيار مستمر.
- محرك تيار متردد هو محرك كهربي يحول الطاقة الكهربية القادمة من التيار متردد الى طاقة حركية (ميكانيكية)
- المحولات
هو معدة ساكنة لا تحتوي على أجزاء متحركة تستخدم لنقل القدرة من جهة إلى جهة أخرى وذلك بتغير قيم مكونات هذه القدرة (الجهد والتيار) مع المحافظة على التردد.
الغرض من المحول:
نظراً لتوليد القدرة الكهربية في أماكن بعيدة عن المستهلكين لذلك تستخدم المحولات لنقل القدرة الكهربية بضغوط مرتفعة الى أماكن استهلاكها ثم تخفض الى ضغوط التشغيل. ونتيجة لنقل القدرة الكهربية بجهود مرتفعة تحقق عدة فوائد منها:
1)- توفير في ثمن الموصلات حيث أمكن استخدام موصلات ذات مقطع أصغر.
2)- توفير في القدرة المفقودة في الموصلات وكذلك في ثمن الطاقة الكهربية المفقودة.
3)- دفع كفاءة خطوط نقل القدرة الكهربية.
نظرية المحول:
عند تطبيق تيار متردد على ملفات الابتدائية و بإغلاق الدارة الثانوية يتكون مجال مغناطيسي متردد يقطع القلب الحديدي ليكون قوة دافعة كهربائية على كلا الملفين. عملية الاتصال بين الملفات عن طريق المجال المغناطيسي في حال فتح دائرة الملف الثانوي لا يحدث استهلاك للطاقة بسبب تكوين تيار تأثيري عكسي مساوياً ومعاكساً للتيار الأصلي فينعدم التيار الابتدائي كما في الشكل1.
الشكل 1: إجزاء الداخلية للمحول الكهربائي.
أجزاء المحول:
تشترك جميع المحولات على أنها تحتوي على ثلاث أجزاء رئيسية وهي
- الملف الابتدائي.
- الملف الثانوي.
- القلب الحديدي.
كيفية تمييز أطراف المحولات:
تميز أطراف ملفات الضغط العالي بالرمز لها بالحروف الكبيرة A,B,C وتميز أطراف ملفات الضغط المنخفض بالحروف الصغيرة a,b,c وتميز أطراف الضغط العالي بالنظر الى مساحة مقطعها حيث تكون أقل من مساحة مقطع أطراف ملفات الضغط المنخفض إذا كان محول خافض للجهد, أو بواسطة قياس مقاومة كل ملف, فالملف ذو المقاومة الأكبر هو ملف الضغط العالي إذا كان المحول خافض للجهد ويمكن أيضاً التميز عن طريق النظر إلى الجلبات Bushing بحيث أطراف الضغط العالي تكون الجلبات لها اكبر من ملفات الضغط المنخفض وتكون الجلبات مصنوعة في العادة من البورسلاين.
خسائر المحول: لكل محول خسائر وضياعات يجب أخذها بعين الاعتبار
- خسائر الملفات Copper losses
- الفيض الضائع leakage flux losses
- خسائر القلب Core losses/eddy currents/ hysteresis losses
تصنيف المحولات: تصنف المحولات حسب نوع التصنيف إلى عدة انواع ومنها:
- التصنيف حسب عدد الأطوار : محولات أحادية الطور, محولات ثلاثية.
- التصنيف من حيث نوع الخدمة: محولات القوى, محولات التوزيع, محولات الأجهزة, محولات التأريض.
يقدم معهد برادفورد الدورة التدريبية في تصميم الأنظمة الكهربائية
في الختام اتمنى من الله أن يكون محتوى المقالة قد نال إعجابكم واتمنى متابعة المزيد من مدونة برادفورد.
