المقدمة:
من أشهر آلات التيار المتردد المولد الحثي الذي يعمل بمبدأ المحول الكهربائي، وله عدة مميزات من أهمها: أنه قابل لتغير السرعة ولا يلزم أن يدور بسرعة ثابتة ما دامت سرعة الدوران أعلى من السرعة التزامنية (nsys)، وتجعله هذه الميزة الخيار الأفضل لتوليد الكهرباء من تربينات الرياح حيث أن قوة الرياح غير ثابتة مما يؤدي إلى تغير السرعة الدورانية بشكل مستمر، وكما هو معلوم أنَّ المولد المتزامن يدور بسرعة ثابتة وهي السرعة التزامنية (nsys) مما يجعله لا يصلح للاستخدام في تربينات الرياح ويبقى المولد الحثي هو الخيار الأفضل، لكن المولد الحثي لا يوجد به دائرة المجال التي تزوده بالمجال المغناطيسي الذي يحتاجه.
وتنقسم المولدات الحثية من حيث نمط التشغيل إلى قسمين:
1-المولد الحثي المعزول عن الشبكة (Stand alone):
يحتاج المولد الحثي المعزول عن الشبكة لإيصاله بمصدر للقدرة غير الفعالة (Reactive power)، ويكون عبارة عن مجمع مكثفات ليغذي المولد بالقدرة غير الفعالة التي تكون المجال المغناطيسي داخل الآلة ويغذي الحمل أيضاً بالقدرة غير الفعالة التي يحتاجها، والصورة (1) تبين هذا المفهوم.
الصورة (1): المولد الحثي المعزول عن الشبكة.
ويمكن إيجاد قيمة جهد عدم الحمل عن طريق المنحنى (magnetizing curve) للجزء الثابت في الآلة(Stator) والمنحنى للعلاقة التالية: VOC=IC XC ، وفي حالة عدم الحمل يكون ال( Slip) قريب من الصفر مما يجعل دائرة الجزء الدوار(Rotor) مفتوحة فيكون IC=IM مما يجعل المعادلة تكون بهذا الشكل (VC=IM *(1/ωC حيث:
ω=2πf —-> f=np/120
وتكون العلاقة خط مستقيم والميل=1/ωC ونقطة التقاطع تكون هي قيمة الجهد، كما في الصورة (2).
الصورة (2): الجهد المتولد عند عدم الحمل.
- وتسمى أقل قيمة للمكثف يتولد عندها الجهد عند سرعة محددة (critical capacitance).
- وتسمى أقل سرعة يتولد عندها الجهد عند قيمة مكثف محددة (critical speed).
وبما أن الجهد المتولد متردد (AC) فله تردد يعتمد على السرعة الدورانية وعدد الأقطاب للآلة ويُحسب تردده بالعلاقة التالية:
F=np/120
حيث:
N=سرعة دوران الجزء الدوار(Rotor).
P=عدد أقطاب الآلة.
- عندما تبدأ الآلة بالدوران يوجد جهد قليل يتكون عن مجال مغناطيسي سابق في الآلة يسمى (residual flux) هو الذي يُنشئ التيار على المكثف ثم تزداد قيمة الجهد بعد مرور التيار على الدائرة ويزداد التيار حتى يصل للجهد النهائي، وتتم هذه العملية في وقت قصير جداً حيث أنك عند القياس لن تقرأ إلا الجهد النهائي.
- يعتمد الجهد المتولد على سرعة الدوران و الحمل المتصل بالآلة و قيمة المكثف الموصل بالآلة.
2-المولد الحثي المرتبط بالشبكة (Grid connected):
يأخذ المولد الحثي المتصل بالشبكة القدرة غير الفعالة (Reactive power) التي يحتاجها من الشبكة لينشئ المجال المغناطيسي داخل الآلة و يعطي الشبكة القدرة الفعالة (Active power)، وغالباً ما يُستخدم المولد الحثي المرتبط بالشبكة في توليد الطاقة الكهربائية في تربينات الرياح، ويستخدم في ذلك عدة أنواع من المولدات الحثية:
1-المولد الحثي ذو القفص السنجابي (Squirrel Cage Induction Generator):
يدور المولد الحثي ذو القفص السنجابي بسرعة ثابتة وذلك مما يعتبر سلبية فيه حيث أنه لا يعطي سماحية لتغير السرعة، وتبين الصورة (3) توصيل المولد ذو القفص السنجابي بالشبكة.
الصورة (3): توصيل المولد ذو القفص السنجابي بالشبكة.
2- المولد الحثي ذو الأسلاك الملفوفة (Wound Rotor Induction Generator):
يتميز هذا النوع من المولدات الحثية بوجود مقاومة متصلة بالجزء الدوار(Rotor) قابلة للتحكم فيها مما تعطي سماحية للتغير في منحنى السرعة و العزم الدوراني كما في الصورة (4)، تبين الصورة (5) توصيل المولد الحثي ذو الأسلاك الملفوفة بالشبكة.
الصورة (4): منحنى السرعة والعزم في المولد الحثي.
الصورة (5): توصيل المولد الحثي ذو الأسلاك الملفوفة بالشبكة.
3-المولد الحثي ثنائي التغذية (Doubly Fed Induction Generator):
في الأصل هو من نوع (Wound Rotor Induction Generator) لكن كما يتضح من اسمه فهو ثنائي التغذية من جهتين كما نلاحظ في الصورة (6) التي توضح المولد الحثي ثنائي التغذية وتوصيله بالشبكة أنَّ الجزئين الثابت (Stator) والدوار (Rotor) متصلين بالشبكة، و يتم توصيل نظام تحكم من إلكترونيات القدرة وهو عبارة عن (converters) أحدهما من ناحية الجزء الدوار (RSC)، والأخر من ناحية الشبكة (GSC) يحول من (AC/DC/AC) يمر من خلاله 30% من القدرة .
الصورة (6): توصيل المولد الحثي ثنائي التغذية.
- يعمل في البداية كمحرك سرعته الدورانية هي سرعة الرياح حتى تتعدى سرعته السرعة التزامنية للشبكة فيعمل كمولد.
- الجهد الناتج والتردد هما نفس الجهد والتردد للشبكة.
المراجع:
1. Electric Machinery Fundamentals 5th Edition
2.Alternating Current Machines 4th Edition
3.https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/wound-rotor-induction-generator
