显示标签为“Rockwell”的博文。显示所有博文
显示标签为“Rockwell”的博文。显示所有博文

2012年9月10日星期一

V5-J integration energy-saving control cabinet




V5-J integration energy-saving control cabinet
    
V5-J energy-saving control cabinet, has the following characteristics:
◆ Based on high performance sensorless vector control platform.
◆ High energy saving rate, high return on investment to meet the injection moulding machine, air compressor, central air conditioning and other energy-saving project needs.
◆ Perfect stand-alone duct design, the latter part, at the top of the fan can be easily dismantled for easy maintenance; dust, corrosion, environmental adaptability.
◆ With superior load capacity, the frequency stability without tripping operation at any time and any impact deceleration load conditions, high efficiency.
◆ Can be achieved power frequency and convert frequency switching.
◆ Frequency operation when the switch to Support Y-△ starting.
Application:
Knitting Machine, compressor, extruding machine, injection machine, motor, braiding machine, pressure fan, forced draught blower, blower, blowing machine, blow molding machine, root's blower, film blowing machine, cutter bar, cut-off machine, slitter, Cutting machine, conveyor, pump, grinder, cluster, glazing machine, polisher, polishing machine, laundry-drier, drying machine, ball crusher, ball grinding mill, drawing machine
VTdrive EMI Filter & Reactor suit for Branding as follows:
ABB, SIEMENS, DANFOSS, VACON, SEW, LENZE, PETER ELECTRONIC, LEISTER, WATT DRIVE, KEB, BONFIGLIOLI, NORD, CAG ELECTRIC MACHINERY, INTECNO, SYCOTEC, KB ELECTRONICS,  TDE MACNO SPA, GEFRAN, CONTROL TECHNIQUES, PEPPERL FUCHS, GRUNDFOS, VEM MOTORS, BR INDUSTRI-ELEKTRONIK, RK ROSE+KRIEGER, CARLO GAVAZZI, LEROY SOMER, VERLINDE, TRANSTECNO, STAHL CRANE SYSTEMS GMBH, MIYACHI, DEMAG CRANES COMPONENTS, ABM, ROSSI, COGNITO QUAM, GE, AIRTECNICS, Delta, Teco, Toshiba, Mitsubishi, fuji, Yaskawa, Hitachi, Omron, Panasonic, HYUNDAI, LS/LG
Key Words / Main Products:
frequency inverter, AC Drives, frequency converters, frequency changers, adjustable speed drives (ASD), adjustable frequency drives (AFD), variable frequency drives (VFD), variable speed drives (VSD), Soft Starters, Soft Stop, Soft Starters for AC Motor, Motor Starters,  Motor Soft Starters, EMI filter, Input EMI Filters, Output EMI Filters, AC Choke, AC Reactor, Input AC Choke, Output AC Choke, Input AC Reactor, Output AC Reactor, DC Choke, DC Reactor, Input DC Choke, Output DC Reactor, Input DC Reactor, HMI, Human Machine Interface,PLC,Programmable Logic Controller, Servo Drive, Servo Motor, Servo Motor & Drive, Servo Motor & Drive System

V5-H high performance vector control inverter




V5-H high performance vector control inverter
    
V5 series inverter base on high performance vector control technology platform.
 ◆Vector Control 1:
 Offering excellent vector control performance and insensitive to motor parameters.
 Startup torque: 0.50Hz 180% rated torque
 Speed adjustment range: 1:100
 Speed stabilization precision: ± 0.5%
 0.50Hz controlble motor stable operation with 150% rated torque.
 ◆Vector Control 2 (Without Encoder Speed Feedback):
 Precise speed sensorless vector control technology realizes AC motor decoupling, enabling the DC motorization of operation control.
 Startup torque: 0.25Hz 180% rated torque
 Speed adjustment range: 1:200
 Speed stabilization precision: ± 0.2%
  0.25Hz controllable motor stable operation with 150% rated torque.
Application:
Knitting Machine, compressor, extruding machine, injection machine, motor, braiding machine, pressure fan, forced draught blower, blower, blowing machine, blow molding machine, root's blower, film blowing machine, cutter bar, cut-off machine, slitter, Cutting machine, conveyor, pump, grinder, cluster, glazing machine, polisher, polishing machine, laundry-drier, drying machine, ball crusher, ball grinding mill, drawing machine
VTdrive EMI Filter & Reactor suit for Branding as follows:
ABB, SIEMENS, DANFOSS, VACON, SEW, LENZE, PETER ELECTRONIC, LEISTER, WATT DRIVE, KEB, BONFIGLIOLI, NORD, CAG ELECTRIC MACHINERY, INTECNO, SYCOTEC, KB ELECTRONICS,  TDE MACNO SPA, GEFRAN, CONTROL TECHNIQUES, PEPPERL FUCHS, GRUNDFOS, VEM MOTORS, BR INDUSTRI-ELEKTRONIK, RK ROSE+KRIEGER, CARLO GAVAZZI, LEROY SOMER, VERLINDE, TRANSTECNO, STAHL CRANE SYSTEMS GMBH, MIYACHI, DEMAG CRANES COMPONENTS, ABM, ROSSI, COGNITO QUAM, GE, AIRTECNICS, Delta, Teco, Toshiba, Mitsubishi, fuji, Yaskawa, Hitachi, Omron, Panasonic, HYUNDAI, LS/LG
Key Words / Main Products:
frequency inverter, AC Drives, frequency converters, frequency changers, adjustable speed drives (ASD), adjustable frequency drives (AFD), variable frequency drives (VFD), variable speed drives (VSD), Soft Starters, Soft Stop, Soft Starters for AC Motor, Motor Starters,  Motor Soft Starters, EMI filter, Input EMI Filters, Output EMI Filters, AC Choke, AC Reactor, Input AC Choke, Output AC Choke, Input AC Reactor, Output AC Reactor, DC Choke, DC Reactor, Input DC Choke, Output DC Reactor, Input DC Reactor, HMI, Human Machine Interface,PLC,Programmable Logic Controller, Servo Drive, Servo Motor, Servo Motor & Drive, Servo Motor & Drive System

2012年9月9日星期日

Drives & Controls - VSD saves energy in hydraulic systems


Hydraulic systems waste much of their energy as the fluid circulates at a constant  pressure, regardless of the amount of work carried out. Despite this, drives are not widely used in hydraulic installations, perhaps because the very impressive savings normally achievable in standard pump applications are not possible with the type of pump used in hydraulics. However, when Corus Colors on Deeside looked closely at the issue, the company found significant energy savings could be achieved
When an ABB industrial drive was installed on a hydraulic pump, steel manufacturer Corus Colors on Deeside recorded a 70% energy saving.
A trial was carried out by a graduate engineer at the company, Rob Chew, and Phil Tomkinson of Radway Control Systems. The aim of the study was to establish whether the drive would be a viable option for controlling energy consumption in hydraulic systems.
The hydraulic system used during the trial is located on a production line used for retreating and inspecting strip material, driving actuators and web guiding systems in a 24-hour process.
"As drives can be used to accurately control the speed of most motor driven machinery, hydraulic pumps should be no exception in this respect," says Chew. "Hydraulic systems waste much of the energy used, because fluid circulates continuously, although actuation is only required for very short periods of time."
The energy used by the pump can be controlled by intelligently modulating the speed of the motor. The particular function used in this trial was the PID control, built into the ABB drive, which helps keep external values, like pressure, within certain limits. Pressure feedback is returned to the drive from a transducer. The drive automatically adjusts pump speed to maintain the system pressure.
Pump design reduces saving potentialDrives tend not to be used much on hydraulic systems, usually because the pressure is normally provided by a positive displacement pump, a type of pump that, theoretically, offers far less energy saving potential than the more common centrifugal pump.
Unlike a centrifugal pump, which uses centrifugal force to throw fluid out through the discharge end of the pump, the positive displacement pump uses an internal mechanism that presses the fluid out. This means the output will be the same regardless of the resistance on the discharge side. The internal mechanism can be some type of gear or an arrangement with vanes. The installation at Corus Colors uses a positive displacement vane pump, driven by two 37 kW motors, one duty and one stand-by.
Producing flow under pressure
Positive displacement pumps are used in hydraulic systems because this type of pump can produce high pressure despite high system resistance. A centrifugal pump is far less effective working against a high system pressure. Its actual capacity can be anything from 0 to 100% of full capacity, depending on the resistance produced by the system pressure. Because the pressure in a hydraulic system is very high, a centrifugal pump would not be able to pump much at all against this resistance. A positive displacement pump, in contrast, only shows a very small change of flow when the pressure goes up or down.
However, the energy consumption of the positive displacement pump is not reduced when the system resistance drops. For this reason, it does not offer the same energy saving potential as centrifugal pumps at reduced speed. While the centrifugal pump offers energy savings equal to the cube of the speed reduction, a change in flow by the positive displacement pump produces a linear change in power usage.
But despite using a positive displacement pump, Corus Colors achieved significant energy savings by retrofitting the existing system with a drive. The pump speed was greatly reduced both when the system was in neutral and during actuation of the cylinders.
Optimising speedChew's trial aimed to establish whether system pressure could be maintained with reduced average motor speed, using a drive, with pressure data fed back to the PID control of the ABB drive from a pressure transducer. The installation was commissioned on a downshift as other maintenance was carried out on the production line.
Vane pumps start losing their efficiency below 400 rpm, as the vanes are held in position by centrifugal force, so the pump efficiency had to be monitored throughout the trial as the optimum speed was sought. This was eventually established to be 450 rpm.
Chew had concluded that leaving the drive just running in PID control would cause some unwanted side effects. The main issue was that a drop in pressure would be followed by an increase in motor speed in response to the pressure drop.
The desired system pressure is 90 bar, while the maximum is 93 bar at full speed. As in many hydraulic systems, the on-load times are short. After actuation of the cylinders, the hydraulic system quickly settles back into neutral again. As the drive will have increased the motor speed rapidly to meet the drop in pressure, it is likely that it would overshoot the target of reaching a pressure of 90 bar, with the PID control having been set very high for a fast response.
The system relief valve is activated at 93 bar so the system pressure will never get higher that this. As the drive only sees a small error in pressure of 3 bar, it may be slow to react. This means there will be a long transient time before the drive settles down to the required speed to maintain 90 bar in neutral and this will cause unnecessary waste of energy, sending excessive fluid back to the sump while the hydraulics are in neutral.
Dual mode controlThe solution was to operate the drive in two modes, PID control and single-speed mode. The switching between the modes is controlled by the transistor output of the pressure transducer. When the hydraulic system is in neutral and the pressure is at the desired level, the drive runs at a single speed of 450 rpm, the optimum speed established through the trial.
When the system is operated and the pressure drops, the transducer switches the drive into PID control. The desired pressure set in the PID is 93 bar, the maximum pressure for the system, and the proportional control is set very high to ensure a rapid response from the drive. Once the pressure increases to 90 bar, the transducer will switch the drive back to single speed mode. This will prevent any overshoot in speed and reduce energy waste.
The drive's hysterisis control is used to stop rapid switching which could wear out components and pulse the motor excessively.
Significant energy savingOnce Chew had established the optimum speed, wired up the transducer and programmed the PID control, the installation was monitored for two days to compare the energy consumption between under drive control with direct-on-line operation. Energy consumption was measured before and after using an energy meter.
When in neutral, power consumption was around 9 kW with direct-on-line operation. Under drive control, power consumption was reduced to 2 kW, a reduction of 77%. With the system under load, power consumption was reduced from 22 kW to 12 kW, a saving of 48%. As the on-load duty time for the system is 16%, the average energy saving over time was 70%.
"The reduction in energy consumption under load initially surprised me, as it should take the same amount of energy to move a hydraulic cylinder a given distance regardless of whether a drive or direct-on-line operation is used," says Chew.
Reduced peak power An experiment was set up to test the hydraulics on direct-on-line operation and under drive control with a single actuation on the largest cylinder. To record the readings, the drive's internal recorder was used with the DriveWindow software from ABB. This gave high sample rates over a short period of recording time. The drive was set up to run at a single speed of 1470 rpm to the mimic direct-on-line operation. The recording was then started and the cylinder actuated five times, once every five seconds. The procedure was then repeated with the drive in the dual mode setup with PID and single speed.
The readings showed a similar performance between the two tests but a vast difference in energy consumption, the drive peaking at 20 kW while the system in direct-on-line mode peaked at 34 kW.
"The test showed that the drive used a lower motor speed to achieve the required pressure," says Chew. "The flow rate will be lower, but the drive is still fully capable of matching the response times of a direct-on-line configuration."
The reduced energy consumption will allow a payback time of just 18 months and reduce the company's carbon footprint by 33 tonnes of CO2 annually.

Trifazių AC variklių sūkių reguliatoriai (dažnio keitikliai)


   SKct COMMANDER SK
Dažnio keitikliai tai elektroniniai valdymo prietaisai skirti asinchroninių trifazių variklių sūkių ir momento reguliavimui. Standartinio asinchroninio variklio sūkiai maitinant jį iš 50Hz trifazio tinklo yra fiksuoti ir priklauso tik nuo variklio konstrukcijos ( 1000 aps/min; 1500 aps/min; 3000 aps/min) ir apkrovos. Taigi reguliuoti variklio sūkių be papildomos įrangos neįmanoma. O dažnio keitikliai ir yra ta įranga leidžianti sklandžiai bei tolygiai reguliuoti standartinio trifazio variklio sūkius praktiškai nuo 0 iki maksimalių variklių sūkių išlaikant optimalų variklio sukimo momentą.
Pritaikymas
Ventiliatorių valdymas. Ventiliatorių valdymas pagal išorinį slėgio, srauto ar temperatūros daviklio signalą (0/4...20mA; 0...10V) . Taip pat su integruotu vidiniu dažnio keitiklio PID reguliatoriumi , galima sukurti tikslią slėgio, srauto ar temperatūros palaikymo sistemą. O vykdant reguliavimą plačiame sūkių diapazone, pasiekiama ženkli elektros energijos ekonomija, lyginant su reguliavimu sklendėmis, taigi dažnio keitiklio panaudojimas yra finansiškai atsiperkanti investicija.
Elektros energijos ekonomijos skaičiuotė excel
siurbliai
Siublių valdymas. Siurblių valdymas pagal išorinį slėgio daviklio signalą (0/4...20mA; 0...10V).  Taip pat su integruotu vidiniu dažnio keitiklio PID reguliatoriumi, galima sukurti tikslią slėgio palaikymo sistemą. Išcentrinių siurblių valdymo atveju, vykdant reguliavimą plačiame sūkių diapazone, pasiekiama ženkli elektros energijos ekonomija, lyginant su reguliavimu sklendėmis, taigi dažnio keitiklio panaudojimas yra finansiškai atsiperkanti investicija.
Elektros energijos ekonomijos skaičiuotė excel
transporteriai
Transporterių valdymas. Reguliuojamas (0...1600s) ir sklandus paleidimo laikų valdymas užtikrina puikias transporterių darbo sąlygas ir sumažina transportuojamų produktų sugadinimus transportavimo metu dėl didelių START/STOP pagreičių. Panaudojant dažnio keitiklius taip pat atsiranda galimybė reguliuoti transporterių greičius, todėl galima tiksliai suderinti skirtingų transporterių judėjimo greičius taip sukuriant automatizuotas transportavimo linijas.
maisykle
Maišyklių valdymas. Reguliuojamas (0...1600s) ir sklandus paleidimo laikų valdymas, paprastas sūkių reguliavimas (potenciometru, mygtukais, perjungikliais ar analoginiais/skaitmeniniais signalais), leidžia sukurti paprastas automatizuotas maišyklių ir centrifūgų valdymo sistemas, su skirtingomis programomis skirtingams darbo režimams.
lygiagreciai
Lygiagrečiai sujungtų variklių valdymas. Commander SK dažnio keitiklio pritaikyme numatytas lygiagrečiai sujungtų variklių valdymas. Tokiame režime dirbantys standartiniai asinchroniniai varikliai sukasi sąlyginai sinchroniškai ir šis pritaikymas dažniausiai sutinkamas įrengimuose kuriuose keli varikliai privalo arba gali suktis vienodais greičiais. Taip pat lygiagrečiai sujungtų variklių valdymas vienu dažnio keitikliu yra ir ekonomiškai naudingas sprendimas, nes įrengti vieną galingesnį dažnio keitiklį, dažnai yra pigiau negu įrengti dažnio keitiklius kiekvienam varikliui.
presas
Presų valdymas. Sukimo momento reguliavimo režimas, leidžia COMMANDER SK dažnio keitiklius panaudoti presų ir štampavimo mašinų automatizavimui. Panaudojant dažnio keitiklius gali būti sukuriamos automatizuotos reguliuojamo slėgio presavimo mašinos, su visapisiška elektros variklio apsauga.
vyniojimas
Vyniojimo proceso valdymas. Sukimo momento reguliavimo režimas, greičio reguliavimo režimas, enkoderio prijungimas tiksliam sūkių palaikymui ir integruotas PLC leidžia COMMANDER SK dažnio keitiklius panaudoti daugelyje vyniojimo procesų, tuo būdu panaikinant būtinybę naudoti brangias servo sistemas.
































 Pagrindinės COMMANDER SK dažnio keitiklių savybės
Valdymas:
  • Atviro kontūro vektorinis valdymas 
  • Greičio ir sukimo momento valdymas
  • Enkoderio prijungimo galimybė
  • Greičio reguliavimo įėjimai: 0-10V, 0-20mA, 4-20mA, (-10 iki +10V su SM-I/O Lite priedu)
  • 4 skaitmeniniai įėjimai - (įjungti valdymą, sukti į kairę, sukti į dešinę, vietinis/distancinis valdymas)
  • Komutacijos dažnis: 3 (gamyklinis nustatymas) – 6 – 12– 18 kHz
  • Išėjimo dažnis 0 to 1500Hz
  • Paleidimo ir stabdymo laikų valdymas (tiesinis arba “S” tipo)
  • Nuoseklus ryšys - Modbus RTU RS485 per RJ45 jungtį - 4800, 9600, 19200 arba 38400 bits/s
  • Stabdymo nuolatine įtampa galimybė
  • Dinaminis variklio V/Hz valdymas energijos taupymo funkcijai
  • V/Hz optimizacija siurblių ir ventiliatorių valdymui
Pagrindinės charakteristikos:
  • Maksimalus perkrovimas 150% darbinės srovės 60s laikotarpiui
  • Intelektulaus temperatūrinių režimų valdymas, keičiant komutavimo dažnį
  • 8 nustatyti dažniai
  • Besisukančio variklio paleidimas
  • Automatinis dažnio keitiklio suderinimas, greitam programavimui
  • Visų programavimo parametrų prieinamumas iš dažnio keitiklio pultelio
Aplinka
  • Apsaugos klasė IP20
  • Aplinkos temperatūra -10 to +40°C @ 3kHz switching
  • Maksimalus aplinkos drėgnumas 95% (be kondensacijos)
  • Elektromagnetinis atsparumas atitinka EN61800-3 and EN61000-6-3 and 4 stan dartus
  • Elektromagnetinių triukšmų emisija atitinka EN61800-3. Atitinka EN61000-6-3 (gyvenamoji aplinka) ir EN61000-6-4 (pramoninė aplinka) standartus su papildomu EMC filtru.
Integruota apsauga nuo:
  • Per mažos įėjimo įtampos
  • Per didelių maitinimo grandinės įtampų, fazės dingimo, dažnio keitiklio perkrovimo, ilgalaikio perkrovimo pagal srovę, trumpojo jungimo išėjime, per didelės aplinkos temperatūros, variklio perkaitimo.
prijungimas
CommanderSK galingumų lentelė
Galia, KW
Max išėjimo srovė, A
Maitinimo įtampa, V AC
Gabaritai, PxAxG, mm
Užsakymo kodas
Gabaritas
0,25
1,7
1f. 220
75x140x145
SKA1200025
A
0,37
2,2
1f. 220
75x140x145
SKA1200037
A
0,55
3,0
1f. 220
75x140x145
SKA1200055
A
0,75
4,0
1f. 220
75x140x145
SKA1200075
A
1,10
5,2
1f. 220
85x190x156
SKBD200110
B
1,50
7,0
1f. 220
85x190x156
SKBD200150
B
2,20
9,6
1f. 220
100x240x173
SKCD200220
C
0,37
1,3
3f. 380VAC
85x190x156
SKB3400037
B
0,55
1,7
3f. 380VAC
85x190x156
SKB3400055
B
0,75
2,1
3f. 380VAC
85x190x156
SKB3400075
B
1,10
2,8
3f. 380VAC
85x190x156
SKB3400110
B
1,50
3,8
3f. 380VAC
85x190x156
SKB3400150
B
2,20
5,1
3f. 380VAC
100x240x173
SKC3400220
C
3,00
7,2
3f. 380VAC
100x240x173
SKC3400300
C
4,00
9,0
3f. 380VAC
100x240x173
SKC3400400
C
5,50
13,0
3f. 380VAC
155x368x219
SK2401
2
7,50
16,5
3f. 380VAC
155x368x219
SK2402
2
11,0
25,0
3f. 380VAC
155x368x219
SK2403
2
15,0
32,0
3f. 380VAC
250x368x260
SK3401
3
18,5
40,0
3f. 380VAC
250x368x260
SK3402
3
22,0
46,0
3f. 380VAC
250x368x260
SK3403
3
30,0
60,0
3f. 380VAC
310x510x298
SK4401
4
37,0
74,0
3f. 380VAC
310x510x298
SK4402
4
45,0
96,0
3f. 380VAC
310x510x298
SK4403
4
* Didesnių galingumų ( iki 132KW) dažnio keitiklių informacijos taip pat išsamesnių techninių duomenų ir kainų apie dominamus dažnio keitiklius užklaustielektroniniu paštu - www.vtdrive.tk
Commander SK dažnio keitiklių lankstinukas reader
Gabaritai
gabaritai

Dažnio keitikliai Vacon


Vacon NXL


The compact Vacon NXL range offers cabinet-mounted units for lower motor powers in industrial and residential applications from 0.37 to 2.2 kW. 
The...

Vacon 50X

Vacon's new X series is a rugged family of variable speed AC drives, built and designed for harsh industrial environments. 
From simple applications to...

Vacon NXL

The Vacon NXL is a powerful, multipurpose AC drive for industrial and residential purposes in the power range from 0.75 to 30 kW. The...

Vacon 500X

Vacon's new X series is a rugged family of variable speed AC drives, built and designed for harsh industrial environments. 
From simple applications to...

Air-cooled Vacon NXP


The Vacon NXP is a state-of-art variable speed AC drive for use in all applications where robustness, dynamic performance, precision and power are required...

Enclosed Vacon NXC


The enclosed Vacon NXC variable speed AC drive is compact and well tested, fully utilizing the flexibility of the Vacon NXP AC drive in the power range from...

Vacon NX products for common DC bus systems


Vacon offers a comprehensive range of common DC bus drive products. The product family covers a number of front-end units, inverter units and brake chopper units...

Vacon 100 HVAC - the smarter way to reduce CO2 emissions

The Vacon 100 HVAC is an AC drive in the power range of 1.1-30 kW and for supply voltages of 380-480 V, dedicated to heating, ventilation and air conditioning. The...

The Vacon SE1 NEMA 12/IP55 AC drive

Designed for fast and easy commissioning, Vacon's compact SE1 AC drive is simple to operate, economical to use and offer basic features for general applications in the...

آلات وأنظمة الطاقة الكهربائية



إن من أعظم الاختراعات التي اخترعها البشر على مدى تاريخهم هو اختراعهم للمولد الكهربائي حيث يقوم هذا الجهاز العجيب بتحويل مختلف أشكال الطاقة إلى شكل جديد لها لم يعهده البشر من قبل ألا وهي الطاقة الكهربائية. إن للطاقة الكهربائية خصائص غاية في العجب إلا أن عجب الناس بها قد زال مع مر السنين لطول إيلافهم إياها. فهذه الطاقة لا يمكن للبشر أن يدركوها بحواسهم أبدا ولا يمكن الكشف عن وجودها إلا من خلال الأجهزة التي تقيسها أو الأجهزة التي تعمل على تشغيلها. ولو قدر لأحد أن يقول لشخص لا علم له بوجود الكهرباء أبدا أن سلكا رفيعا ومعرى موصول بمصدر للطاقة الكهربائية سيقتله إذا ما لمسه بيده فإن هذا الشخص لا بد وأن يسخر منه فكيف يمكن لهذا السلك الساكن الذي لا حول له ولا قوة أن يقتله! ومن عجائب الطاقة الكهربائية أنه يمكن نقلها من خلال سلكين معدنيين لا يتجاوز قطر الواحد منها عدة ملليمترات ولأي مسافة نريدها من مصدر توليدها. أما سرعة نقل هذه الطاقة فتبلغ قريبا من سرعة الضوء أي ثلاثمائة ألف كيلومتر في الثانية فعلى سبيل المثال فعندما يقوم الشخص بكبس زر لتشغيل جهاز ما في بيته يعمل بالطاقة الكهربائية المتولدة من محطة توليد تقع على بعد ثلاثمائة كيلومتر فإن المولد الكهربائي سيحس بوجود حمل جديد عليه بعد مرور مللي ثانية تقريبا فيعمل على الفور بتوليد كمية الطاقة المطلوبة تماما وستصل هذه الطاقة لجهاز الشخص بعد مرور مللي ثانية أخرى. وفي المقابل نجد أن جميع أشكال الطاقة الأخرى غير الكهرباء تحتاج لوسائل نقل مختلفة وبسرعات نقل بطيئة وذلك لنقلها من أماكن توفرها إلى أماكن استهلاكها وعند وصولها تحتاج لأماكن لتخزينها بينما لا تحتاج الطاقة الكهربائية للتخزين بل تصل في لمح البصر حين تطلبها. ومن ميزات الطاقة الكهربائية أيضا إمكانية إنشاء المحطات الكهربائية حيث تتوفر مصادر الطاقة المختلفة وخاصة تلك التي لا يمكن نقل طاقتها إلى أماكن استخدامها كالطاقة الحركية في مياه الأنهار وطاقة المد والجزر والطاقة الحرارية في جوف الأرض وطاقة الرياح. وحتى في الأنواع التي يمكن نقلها كالفحم الحجري والبترول والغاز فإن كلفة نقلها بعد تحويلها إلى طاقة كهربائية قد تكون أقل من كلفة نقلها بشكلها الأصلي والذي يتطلب إنشاء شبكات طرق أو سكك حديدية أو مد أنابيب معدنية وكذلك توفير أعداد كبيرة من القطارات والشاحنات والصهاريج ومحطات الضخ إلى جانب توفير مستودعات ضخمة لتخزينها. أما المحطات الكهربائية التي تعمل على الطاقة الذرية فمن المفضل إقامتها في مناطق بعيدة عن التجمعات السكنية لتفادي خطر الإشعاعات المنبعثة من المفاعلات في حالة تعرضها للحوادث وبحيث تكون قريبة من مصادر المياه لحاجتها إليه في عمليات التبريد. ومن ميزات الطاقة الكهربائية أنه يمكن تحويلها إلى مختلف أشكال الطاقة الأخرى كالطاقة الضوئية لإنارة البيوت والمكاتب والشوارع واالطاقة الحرارية للتدفئة وتسخين المياه والطبخ والطاقة الحركية لتشغيل مختلف أنواع الأجهزة والمعدات في البيوت والمصانع والمكاتب وحتى القاطرات والمركبات والطاقة الكيميائية كما في شحن البطاريات والطاقة الكهرومغناطيسية لتوليد مختلف أنواع الترددات في الطيف الكهرومغناطيسي لاستخدامها في نقل ومعالجة وتخزين مختلف أشكال المعلومات.
ومن ميزات مولدات الطاقة الكهربائية أنها لا تولد الطاقة إلا بالقدر الذي يحتاجه المستخدمون مضافا إليه بالطبع الطاقة المفقودة في خطوط النقل وهذا يعني أنه عندما يقوم المستهلك بكبس زر أحد مصابيح الإضاءة فإن المولدات تحس بهذا الحمل وتقوم بإرسال كمية الطاقة المطلوبة دون زيادة أو نقصان. ويتم تحويل الطاقة الكهربائية عند أماكن استهلاكها إلى مختلف أشكال الطاقة الأخرى باستخدام مختلف أنواع الأجهزة الكهربائية. ففي أنظمة الإنارة يتم استخدام أنواع مختلفة من المصابيح الكهربائية لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية باستخدام مصابيح التنجستون ذات الكفاءة المتدنية ومصابيح الغاز ذات الكفاءة المتوسطة ومصابيح توفير الطاقة ذات الكفاءة العالية. وفي أنظمة تسخين المياه وتدفئة المنازل والمكاتب يتم استخدام المقاومات الكهربائية لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية بكفاءة تصل إلى مائة بالمائة. ويتم تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية عند شحن البطاريات القابلة للشحن حيث تستخدم هذه البطاريات في مجالات مختلفة كما في المركبات والراديوات والمسجلات والهواتف الخلوية والحواسيب المحمولة وغيرها. وباستخدام الأجهزة الإلكترونية يتم تحويل الطاقة الكهربائية إلى موجات كهرومغناطيسية تمتد على نطاق واسع من الترددات والتي تستخدم في مختلف أنظمة الاتصالات والحواسيب والتحكم والرادارات والليزرات وفي تشخيص ومعالجة الأمراض باستخدام مختلف أنواع الأجهزة الطبية. وباستخدام الملفات الكهربائية يتم تحويلها إلى مجالات مغناطيسية تلزم لتشغيل كثير من الأجهزة والمعدات كما في التلفزيونات وراسمات الذبذبات والمسارعات والمغناطيسات الكهربائية التي تستخدم في تطبيقات لا حصر لها كما في الرافعات والصمامات والكوابح والمصاعد والقطارات المغناطيسية.


المولدات الكهربائية (Electric Generators) 



يعود الفضل في استغلال الكهرباء لصالح البشر للفيزيائي والكيميائي الإنكليزي ميشيل فارادي (Michael Faraday) (1791-1867م) الذي قام باختراع المولد الكهربائي في عام 1831م والذي يقوم بتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية. فقبل اختراع المولد الكهربائي كانت البطارية التي اخترعها فولتا في عام 1800م هي المصدر الوحيد للطاقة الكهربائية المستمرة حيث تقوم بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية ولكن بكميات قليلة. أما المولد الكهربائي فإن بإمكانه توليد كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية بسبب توفر الطاقة الميكانيكية بكثرة في الطبيعة كما في طاقة المياه والرياح أو من خلال المحركات الميكانيكية التي تعمل بشتى أنواع الوقود. لقد برز في ذهن فارادي سؤال بالغ الأهمية وهو إذا كان بإمكان التيار الكهربائي إنتاج مجال مغناطيسي حوله كما اكتشف ذلك أورستد في عام 1820م فلما لا يكون بالإمكان إنتاج تيار كهربائي من المجال المغناطيسي. وفي عام 1831م تمكن فارادي من اكتشاف أشهر قوانين الكهربائية وهو قانون الحث الكهرومغناطيسي أو ما يسمى بقانون فارادي والذي ينص على أن القوة الدافعة الكهربائية المتولدة في أي دائرة كهربائية مغلقة مقاسة بالفولت تساوي معدل تغير الفيض المغناطيسي الذي يقطع تلك الدائرة مع الزمن. لقد توصل فارادي إلى هذا القانون من خلال التجربة فقد تبين له أنه عند تحريك قضيب مغناطيسي داخل ملف كهربائي فإن فرقا في الجهد يتولد بين طرفي السلك ووجدكذلك أنه عند تحريك سلك معدني أمام قضيب مغناطيسي فإن فرقا في الجهد يتولد بين طرفي السلك حيث يتناسب فرق الجهد المتولد طرديا مع شدة المجال المغناطيسي وسرعة حركة السلك في الاتجاه العامودي على اتجاه خطوط المجال المغناطيسي وكذلك طول السلك. وفي نفس العام تمكن فارادي من بناء أول نموذج مبسط للمولد الكهربائي سمي بقرص فارادي (Faraday Disk) وهو عبارة عن قرص دوار من النحاس مثبت بين قطبي مغناطيس طبيعي وعند تدوير القرص يدويا يتولد جهدا كهربائيا بين حافتيه ويتم تسليط هذا الجهد على دائرة خارجية من خلال سلكان يلامسان وينزلقان على حافتي القرص. لقد أثبت فارادي بهذه المولد البسيط إمكانية تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية ولكن أداء هذا المولد البسيط كان سيئا جدا لأن معظم الطاقة الكهربائية المولدة تضيع على شكل حرارة في القرص بسبب ما يسمى بالتيارات الدوامه (eddy currents). وفي عام 1832م قام الفرنسي هبولايت بيكسي (Hippolyte Pixii) بتصنيع مولد تيار كهربائي متغير مبسط من خلال تحريك قطبي مغناطيس يدويا امام ملفين كهربائيين. وتوالت بعد ذلك المحاولات في كل من أوروبا وأميركا لتصنيع مولدات كهربائية عملية ولكنها لم تتكلل بالنجاح إلا بعد مرور أربعين عاما على اختراع المولد. وقد كان سبب هذا التأخير أن جهد العلماء والمهندسين قد انصب على تصنيع مولدات كهربائية تنتج تيارا مباشرا أو مستمرا (Direct Current) كالذي تنتجه البطارية وبما أن طبيعة التيار المتولد في داخل الملفات هو من النوع المتغير أو المتناوب)ِ Alternating Current) كان من اللازم اختراع طريقة لتحويل التيار المتناوب إلى تيار ثابت وهذا الجهاز يسمى المبدل (commutator) هذا بالإضافة إلى مشاكل فنية كثيرة كان يلزم تخطيها لتصنيع مولد كهربائي بكفاءة عالية. وفي عام 1871م تمكن المهندس الكهربائي البلجيكي زينوب جرامي (Zénobe Gramme) من تصنيع مولد كهربائي مزود بمبدل لتوليد التيار المستمر وبكفاءة مقبوله بحيث بدأ التفكير في استخدام المولدات الكهربائية للأغراض التجارية. ولقد اكتشف جرامي بالصدفة أن مولده الكهربائي هذا يمكن أن يعمل كمحرك كهربائي من خلال تسليط جهد كهربائي بتيار مباشر عليه فانتشر استخدام هذه الآلة كمولد كهربائي وكمحرك كهربائي. ولقد تم استخدام المغناطيس الكهربائي بدلا من المغناطيس الطبيعي في المولدات والمحركات الكهربائية الكبيرة فيما بعد ويعزى الفضل في هذه الفكرة إلى المخترع الهنغاري أنيوس جدلك (Ányos Jedlik). وبعد اختراع المصباح الكهربائي (electric lamp) على يد رجل الأعمال والمخترع الأمريكي الشهيرتوماس أديسون (Thomas Alva Edison) في عام 1879م وتأسيسه لشركة لتوليد وتوزيع الكهرباء لأغراض الإنارة في عام 1880م طرأت تحسينات كثيرة على المولدات الكهربائية لرفع كفاءتها. وخلال سنوات قليلة أنشأت شركة أديسون مئات الشبكات في المدن الأمريكية لتزويدهم بالكهرباء ذات التيار المباشر لأغراض الإنارة ولكن كانت هذه الشبكات تعاني من مشكلة كبيرة جدا وهي أن المسافة القصوى لخطوط النقل لا تتجاوز عدة كيلومترات بسبب أن الجهد الكهربائي ينخفض بشكل كبير إلى قيم لا يمكنها تشغيل المصابيح الكهربائية. وبعد أن اقترح المهندس الكهربائي المشهور الصربي المولد والأمريكي المنشأ نيكولا تسلا (Nikola Tesla) (1856-1943م) استخدام التيار المتناوب بدلا من التيار المباشر في توليد وتقل الطاقة الكهربائية بدأ الاهتمام بتصنيع مولدات التيار المتناوب والتي تبين أنها أبسط تركيبا من مولدات التيار المباشر لعدم حاجتها للمبدلات المعقدة. وفي غضون سنوات قليلة تمكن المخترعون في أوروبا وأمريكا من تصنيع عدة مولدات عملية لتوليد التيار المتناوب منهم المهندس الإنكليزي سيبستيان فيرناتي (Sebastiani de Ferranti) والمهندس الألماني الشهير إيرنست سيمنز(Earnst Siemens). وفي عام 1886م قام رجل الأعمال والمخترع الأمريكي جورج وستنقهاوس (George Westinghouse) بإنشاء شبكة لتوليد وتوزيع الكهرباء ذات التيار المتناوب وقد تم استخدام المحولات الكهربائية لرفع الجهد الذي يولده المولد من خمسمائة فولت إلى ثلاثة آلاف فولت ونقله لمسافات بعيدة ومن ثم تخفيضه لمائة فولت عند المستهلك لتشغيل المصابيح الكهربائية وبهذا تغلب على مشكلة النقل التي تعاني منها أنظمة التيار المباشر التي تبناها أديسون والتي لا يمكن فيها استخدام المحولات لرفع الجهد. وفي هذه الفترة بدأت منافسة شديدة بين شركتي أديسون ووستنقهاوس وظهر بينهم ما يسمى بحرب التيارات (War of currents) وذلك لإثبات أي النظامين أفضل لتبنيه في أنظمة توليد ونقل الطاقة الكهربائية. وكان النصر بعد عدة سنوات لصالح وستنقهاوس وذلك بفضل المهندس الكهربائي المشهور نيكولا تسلا (Nikola Tesla) والذي تمكن في عام 1883م من اختراع محرك يعمل بالتيار المتناوب كبديل عن محرك التيار المباشر وهو محرك الحث (induction motor). وقد تمكنت شركة وستنقهاوس بمساعدة تسلا واختراعاته الكثيرة والتي قامت بشراء معظمها من بناء أول محطة توليد كهرومائية على شلالات نياغرا في عام 1889م ونقل طاقتها باستخدام نظام النقل متعدد الأطوار (poly phase) لمسافة أربعين كيلومتر إلى مدينة بافالو. وبعد هذا النصر الكبير لوستنقهاوس اضطر أديسون للتحول لأنظمة توليد ونقل التيار المتناوب بعد أن دمج شركته في شركة (General Electric) المعروفة وقد تم اعتماد تردد التيار في هذه الأنظمة ليكون ستين هيرتز في أميركا وخمسين هيرتز في أوروبا. وفي عام 1888م تمكن المهندس الروسي ميخائيل دوبروفولسكي (Mikhail Dolivo-Dobrovolsky) من اختراع المولدات وكذلك المحركات ثلاثية الأطوار. 
يقوم عمل المولد الكهربائي على مبدأ بسيط وهو أنه عند تحريك سلك معدني وعادة ما يكون من النحاس في مجال مغناطيسي ثابت فإنه سيتولد عند طرفي السلك قوة دافعة كهربائية تتناسب قيمتها مع سرعة حركة السلك وطوله المعرض للمجال وكذلك شدة المجال المغناطيسي. ويمكن أن نحصل على نفس مقدار القوة الدافعة الكهربائية إذا ما تم تثبيت السلك وتحريك مغناطيس دائم أمامه بنفس السرعة. وبناءا على هذا المبدأ فإن تركيب المولد الكهربائي يأتي على شكلين لا ثالث لهما ففي الشكل الأول يتم لف السلك النحاسي الذي يتولد فيه الجهد على شكل ملفات كهربائية داخل أخاديد محفورة في السطح الداخلي لأسطوانة حديدية ساكنة تسمى العضو الساكن (stator) ووضع عدد من المغناطيسات الطبيعية أو الكهربائية على السطح الخارجي لأسطوانة حديدية تسمى العضو الدوار (rotator) بحيث يكون عدد الملفات مساويا لعدد الأقطاب المغناطيسية أو من مضاعفاتها ويتم وضع الجزء الدوار داخل الاسطوانات الثابتة بعد تثبيته على محاور دوارانه. أما الشكل الثاني فهو على عكس الشكل الأول حيث يتم وضع السلك النحاسي الذي يتولد فيه الجهد في الجزء الدوار والمغناطيسات الدائمة أو الكهربائية في الجزء الساكن. وعند تدوير الجزء الدوار بمحرك ميكانيكي وبسرعة ثابتة فإن مرور المجال المغناطيسي أمام الملفات النحاسية أو العكس سيولد جهدا كهربائيا بين أطراف الملفات طبقا لقانون فارادي المشهور. إن الشكل الأول للمولد الكهربائي هو الأسهل في التصميم والأكفأ في الأداء من الشكل الثاني وذلك بسبب وجود الملفات المولدة للطاقة الكهربائية في الجزء الساكن وعليه فمن السهل وضع عدد كبير من هذه الملفات المكونة من أسلاك طويلة لتوليد فرق الجهد المطلوب وذات مقاطع كبيرة لتقليل مقاومتها وبالتالي تفليل كمية الحرارة المتولدة من التيارات الكبيرة التي تحملها وكذلك سهولة تبريدها وسهولة أخذ الطاقة الكهربائية المتولدة منها. ولهذه الأسباب فإن هذا الشكل هو المستخدم بدون استثناء في مولدات التيار المتناوب أما الشكل الثاني فعلى الرغم من صعوبة تصميمة وتدني كفاءته إلا أنه يستخدم في مولدات التيار المباشر وذلك لأن طريقة عمل المبدل الذي يقوم بتحويل التيار المتناوب الذي تولده الملفات إلى تيار مباشر تتطلب وجوده ووجود الملفات على العضو الدوار. وفي الشكل الأول يتم تزويد المغناطيسات الكهربائية الموجودة على العضو الدوار بالتيار المباشر اللازم من خلال حلقات الإنزلاق (slip rings) والفحمات المثبتة عليها. ويوجد نوعين من مولدات التيار المتناوب الدارجة من حيث عدد الأطوار وهي أحادية الطور (single phase) وفيها يتساوى عدد الملفات الكهربائية المثبتة على العضو الساكن مع عدد الأقطاب المغناطيسية المثبتة على العضو الدوار وثلاثية الأطوار (three phase) وفيها يبلغ عدد الملفات الكهربائية المثبتة على العضو الساكن ثلاثة أضعاف عدد الأقطاب المغناطيسية المثبتة على العضو الدوار. ويتم تحديد عدد الأقطاب المغناطيسية في المولدات المتناوبة بناءا على التردد المستخدم والسرعة المراد تدوير العضو الدوار عليها فعلى سبيل المثال فلتوليد جهد بتردد خمسين هيرتز يلزم أن تكون سرعة الدوران 3000 دورة في الدقيقة في حالة القطبين و1500 دورة في الدقيقة في حالة أربعة أقطاب و 1000 دورة في الدقيقة في حالة ستة أقطاب وهكذا يمكن تقليل سرعة الدوران من خلال زيادة عدد الأقطاب لتتوافق سرعة المولد مع سرعة المحرك الميكانيكي الذي يديره.


المحركات الكهربائية (Electric Motors)




إن من أهم ميزات الطاقة الكهربائية هو سهولة تحويلها إلى مختلف أشكال الطاقة وعلى الوجه الخصوص الطاقة الميكانيكية والتي هي أكثر أشكال الطاقة التي يحتاجها الإنسان لإنجاز أعماله المختلفة. إن الجهاز الذي يقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية هو المحرك الكهربائي. لقد أحدثت المحركات الكهربائية ثورة في مختلف مجالات الحياة لا تقل بل تزيد عن الثورة التي أحدثتها المحركات الميكانيكية وخاصة محرك الاحتراق الداخلي (internal combustion engine) وذلك بسبب ميزاته المتعددة بالمقارنة معه. تتميز المحركات الكهربائية بإمكانية تصنيعها بأحجام وقدرات تتراوح من الصغيرة جدا والتي يمكن وضعها في الساعات إلى الكبيرة جدا والتي تستخدم كمحركات في القطارات والسفن والرافعات العملاقة وفي الصناعات بمختلف أنواعها. وتتميز كذلك بإمكانية تصنيعها لتدور بسرعات غاية في التفاوت وكذلك بإمكانية التحكم بسرعة دورانها بدقة عالية جدا مما أدى إلى تجنب استخدام أنظمة التروس المعقدة المستخدمة في المحركات الميكانيكية. وتتميز أيضا بكفاءتها التحويلية العالية التي تزيد في معظم أنواعها عن التسعين بالمائة وهذه الميزة لا تقلل فقط كمية الطاقة الكهربائية المستهلكة بل تقلل من كمية الحرارة المتولدة فيها مما يشجع على وضعها في مختلف أنواع الأجهزة والمصانع دون الخوف من تسببها في إحداث الحرائق. ومن ميزاتها الأخرى طول عمرها التشغيلي وانخفاض ضجيجها وقلة الحاجة لصيانتها وعدم خروج أية عوادم منها. وقد ظهرت للوجود مع اختراع المحرك الكهربائي أجهزة ومعدات لا حصر لعدد أنواعها وما كان للمهندسين أن يفكروا في اختراع مثل هذه الأجهزة بدون وجود المحرك الكهربائي. ففي المنازل تم استخدام المحرك الكهربائي في الثلاجات والغسالات والمكانس والجلايات والخلاطات والشوايات ومجهزات الطعام فقللت بذلك الجهد البدني الذي كانت تبذله ربات البيوت للقيام بمثل هذه المهمات. وتم كذلك استخدامه في البيوت والمكاتب والمصانع لتوفير الأجواء المناسبة والمريحة داخلها من خلال تشغيل المكيفات والمدفئات والمراوح والشفاطات ومضخات المياه. وبسبب استخدامه كمحرك في المصاعد الكهربائية توجه البشر لبناء البنايات متعددة الطبقات التي وفرت عليهم مساحات واسعة من الأراضي وأصبح بالإمكان بناء ناطحات السحاب التي قد يزيد عدد طوابقها عن المائة وارتفاعها عن الخمسمائة متر. وباستخدام المحرك الكهربائي تم استغلال ما تحت سطح الأرض في المدن الكبرى لإنشاء شبكات كبيرة من الأنفاق الأرضية لنقل الركاب باستخدام القطارات الكهربائية ولو استخدمت محركات الاحتراق الداخلي بدلا منها لاختنق الركاب من استنشاق عوادمها. ونتيجة للتلوث الكبير لأجواء المدن من عوادم السيارات والمركبات التي تسير في شوارعها بأعداد ضخمة فإن الأمل معقود على السيارات الكهربائية للتخلص من هذه المشكلة. وسيكون المحرك الكهربائي بديلا لمحرك الاحتراق الداخلي في السيارات والمركبات عاجلا أما آجلا وذلك بسبب الارتفاع المضطرد لأسعار المشتقات البترولية نتيجة لتناقص احتياطات البترول في العالم وذلك بسبب كفاءته العالية. ولقد عمل المحرك الكهربائي على تحويل مختلف أنواع المصانع إلى مصانع آلية تعمل على مدار اليوم حيث حلت هذه المحركات الصغيرة محل الإنسان أو المحركات الميكانيكية الكبيرة الحجم فتعددت مهام هذه المصانع وتقلصت أحجامها وزادت كميات إنتاجها. وبفضل المحركات الكهربائية أصبحت السيارات والمركبات أكثر رفاهية حيث تستخدم الأزرار في التحكم بكثير من أجزائها كالأبواب والشبابيك والمرايا والمقاعد والهوائيات وغيرها. وقد تم استخدام المحركات الكهربائية في تشغيل مختلف أنواع الأجهزة والمعدات الحديثة التي ظهرت مع ظهور هذه المحركات كالمسجلات السمعية والمرئية ومحركات أقراص الحواسيب المغناطيسية والضوئية والطابعات بمختلف أنواعها والروبوتات الصناعية والعادية والألعاب.
إن مبدأ عمل المحرك الكهربائي هو على العكس من مبدأ عمل المولد الكهربائي فعند تمرير تيار كهربائي في سلك موجود في مجال مغناطيسي ثابت فإن قوة ميكانيكية ستؤثر على السلك فتدفعه للحركة وبهذا فإنه بالإمكان تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية. وقد تم إثبات مبدأ عمل المحرك الكهربائي في عام 1821م وذلك على يد الفيزيائي الإنكليزي ميشيل فارادي حيث قام ببناء محرك بسيط وهو عبارة عن سلك نحاسي مدلى ومغموس في وعاء مملوء بالزئبق ( يمكن استخدام محلول الملح بدلا من الزئبق) وفي وسط الوعاء يوجد مغناطيس دائم وعند تمرير تيار كهربائي في الدائرة المكونة من السلك والزئبق فإن السلك يبدأ بالدوران حول المغناطيس. وفي عام 1828م تمكن المخترع الهنغاري أنيوس جدلك (Ányos Jedlik)من تصنيع محرك كهربائي أقرب في الشكل للمحركات الحديثة واستخدم فيه المغناطيس الكهربائي بدلا من المغناطيس الدائم. وفي عام 1832م تمكن الفيزيائي الإنكليزي وليم ستيرجن (William Sturgeon) والذي سبق له ان اخترع المغناطيس الكهربائي من تصنيع أول محرك كهربائي عملي مزود بمبدل (commutator). وبسبب عدم توفر طاقة كهربائية كافية لتشغيل مثل هذه المحركات الكهربائية حيث لم يتم تصنيع المولدات الكهربائية بعد فقد قل الاهتمام بتطوير المحركات الكهربائية لفترة طويلة من الزمن. ولقد تجدد الاهتمام بها في عام 1871م بعد أن تمكن المهندس الكهربائي البلجيكي زينوب جرامي (Zénobe Théophile Gramme) من تصنيع مولد كهربائي عملي ولقد اكتشف جرامي بالصدفة في عام 1873م أن مولده الكهربائي الذي يولد التيار المباشر يمكن أن يعمل كمحرك كهربائي من خلال تسليط جهد كهربائي بتيار مباشر عليه فانتشر استخدام هذه الآلة كمولد كهربائي وكمحرك كهربائي. وفي عام 1883م تمكن المهندس الكهربائي الصربي المولد والأمريكي المنشأ نيكولا تسلا (Nikola Tesla) من اختراع محرك يعمل بالتيار المتناوب كبديل عن محرك التيار المباشر وهو محرك الحث (induction motor). وفي عام 1888م أيضا تمكن المهندس الروسي ميخائيل دوبروفولسكي (Mikhail Dolivo-Dobrovolsky) من اختراع المحركات الكهربائية ثلاثية الأطوار (three-phase motors).
لا يختلف تركيب المحرك الكهربائي كثيرا عن تركيب المولد الكهربائي فهو مكون من عضو ساكن (stator) وآخر دوار (rotator) ويتم وضع الملفات التي تولد المجال المغناطيسي وتلك التي يمرر فيها التيار في أخاديد محفورة في السطح الداخلي للعضو الساكن وفي السطح الخارجي للعضو الدوار وذلك حسب نوع المحرك. ففي محركات التيار المباشر يتم وضع ملفات المغناطيس الكهربائي أو المغناطيسات الدائمة في العضو الساكن بينما توضع الملفات الحاملة للتيار في العضو الدوار ويتم تغذية ملفات العضو الدوار من خلال مبدل وفراشي فحمية مثبتة عليه. وتتميز محركات التيار المباشر بسهولة التحكم بسرعتها على مدى واسع من السرعات وذلك من خلال التحكم بالتيار المار في ملفات المغناطيس الكهربائي ولذلك تستخدم في التطبيقات التي تحتاج لسرعات متغيرة. وتتميز كذلك بسهولة تدويرها في الاتجاهين وقوة عزمها وسهولة المقايضة بين السرعة والعزم من خلال اختيار طريقة توصيل ملفات المجال. ومن سيئاتها تعقيد تركيبها وحاجة المبدلات والفراشي الفحمية للصيانة المتكررة وكذلك التشويش على الأجهزة الكهربائية من حولها بسبب الشرارات الكهربائية التي يطلقها المبدل والفحمات. أما محركات التيار المتناوب فهي على العكس من ذلك حيث يتم وضع الملفات الحاملة للتيار المتناوب في العضو الساكن بينما يتم وضع ملفات المغناطيس الكهربائي أو المغناطيسات الدائمة في العضو الدوار ويتم تغذية ملفات العضو الدوار من خلال حلقات الإنزلاق والفراشي الكربونية. وتنقسم محركات التيار المتناوب إلى نوعين رئيسين وهما المحركات المتزامنة (synchronous motors) ومحركات الحث (induction motors) وكلاهما يحتاج لكي يدور إلى ما يسمى بالمجال المغناطيسي الدوار (rotating magnetic field) كما اكتشف ذلك تسلا في عام 1883م. ويمكن الحصول على مجال مغناطيسي دوار من خلال مجموعتين أو أكثر من الملفات المثبتة على العضو الساكن يتم تغذيتها بتيارات ذات أطوار مختلفة. وفي المحركات المتزامنة يوجد على العضو الدوار ملفات يتم تغذيتها بالتيار المباشر من خلال حلقات الإنزلاق والفراشي الكربونية لتوليد مغناطيسات كهربائية بعدد أقطاب يماثل عدد الملفات في العضو الساكن. ولا يمكن للمحركات المتزامنة أن تبدأ الدوران من تلقاء نفسها بل تحتاج إلى محرك خارجي لتدويرها وما أن تصل سرعة دورانها إلى سرعة الدوران التزامنية (synchronous speed) فإنها تبقى تدور بسرعة ثابتة بغض النظر عن الحمل المسلط عليها وذلك ضمن حدود قدرة المحرك. أما محركات الحث فإن العضو الدوار يحتوي على ملفات مغلقة لا تغذى بأي تيار كهربائي وبمجرد تسليط التيارات المتناوبة على ملفات العضو الساكن وتولد المجال المغناطيسي الدوار فيه فإن مجالا مغناطيسيا دوارا آخر سيتولد بالحث في ملفات العضو الدوار وعند تفاعل المجاليين الدواريين في العضوين يبدأ العضو الدوار بالدوران بسرعة تساوي سرعة دوران المجال المغناطيسي الدوار للعضو الساكن. ولتخفيض كلفة محرك الحث يتم في العادة استبدال ملفات العضو الدوار المغلقة بقضبان نحاسية بمقاطع كبيرة توضع بدون عزل في أخاديد على سطح العضو الدوار ويتم وصل أطراف هذه القضبان بحلقتين نحاسيتين مثبتتين عند طرفي جسم العضو الدوار ليكون شكل القضبان مع الحلقتين على شكل قفص السنجاب (squirrel cage). وعلى العكس من المحرك المتزامن فإن سرعة دوران محرك الحث يمكن أن تقل عن سرعة التزامن كلما زاد الحمل المسلط عليه. إن المجالات الدوارة لا تتولد كما ذكرنا آنفا إلا بواسطة ملفين أو أكثر يحملان تيارات بأطوار مختلفة ولهذا فإن الأصل أن محركات الحث لا تعمل إلا من خلال مصادر تيار متناوب ثنائية أو ثلاثية الأطوار ولكن من خلال تعديلات بسيطة في تركيب المحرك يمكن تصنيع محركات حث تعمل على مصادر أحادية الطور. وفي هذه الحالة يلزم لتوليد مجال مغناطيسي دوار من مصدر أحادي الطور وجود ملف آخر مع الملف الرئيسي على العضو الساكن ومن خلال وصل مكثف على التوالي مع الملف الثانوي فإن طور التيار في الملف الثانوي سيكون مختلف عن ذلك الذي في الملف الرئيسي رغم أن الجهد المسلط عليهما واحد ويسمى هذا النوع من محركات الحث أحادية الطور بمحرك الحث منشطر الطور (split-phase induction motor). وغالبا ما يتم فصل الملف الثانوي بمجرد دوران المحرك وذلك بواسطة مفتاح ميكانيكي يعمل بالطرد المركزي وذلك لتوفير الطاقة. تتميز محركات التيار المتناوب وخاصة محركات الحث بسهولة تركيبها ورخص أثمانها بالمقارنة مع محركات التيار المباشر إلا أن عيبها الأكبر هو صعوبة التحكم في سرعة دورانها في التطبيقات التي تحتاج لمثل هذا التحكم. تتحدد سرعة دوران هذه المحركات من تردد مصدر التيار المتناوب الذي يغذيها وعدد الأقطاب المغناطيسية حيث تتناسب طرديا مع التردد وعكسيا مع عدد الأقطاب وهي ثابتة تماما في المحركات المتزامنة وتقل قليلا عن سرعة التزامن في محركات الحث وذلك حسب الحمل الذي يديره المحرك. ويوجد عدة آليات للتغلب عل مشكلة التحكم في سرعة هذه المحركات منها استخدام مصدر تغذية بتردد يمكن التحكم به وبالتالي التحكم بسرعة المحرك ويتم الحصول على مصدر تيار بتردد متغير من مصدر تيار بتردد ثابت من خلال استخدام أجهزة إلكترونية تسمى محولات التردد (variable-frequency drive). وإلى جانب هذه الأنواع الرئيسية من المحركات يوجد أنواع خاصة من المحركات تصمم لتلبي حاجة بعض التطبيقات ومن أهمها ما يسمى بالمحركات الخطوية (stepper motors) والتي يمكن من خلالها تحريك العضو الدوار بشكل متقطع وعلى شكل خطوات أو قفزات تكون فيها الخطوة أقل بكثير من الدورة الكاملة . ويتكون المحرك الخطوي من عضو ساكن بعدد معين من الملفات ومن عضو متحرك قد يحتوي على عدد من المغناطيسات الدائمة أو بقلب حديدي مسنن بدون مغناطيسات ويمكن تحريك المحرك على شكل خطوات من خلال تغذية ملفات العضو الساكم بنبضات كهربائية بترتيب معين بحيث يغذى ملف واحد فقط من هذه الملفات في الوقت الواحد وغالبا ما يتم هذا من خلال المتحكمات الرقمية والحواسيب. وتستخدم مثل هذه المحركات في معظم خطوط الإنتاج في المصانع وفي مشغلات الأقراص في الحواسيب والرادارات وأنظمة التوجيه وغيرها الكثير.


المحولات الكهربائية (Electric Transformers)



المحول الكهربائي هو جهاز يقوم بنقل الطاقة الكهربائية من دائرة كهربائية إلى دائرة كهربائية أخرى تكونان في الغالب مفصولتان عن بعضهما كهربائيا حيث تتم عملية نقل الطاقة من خلال المجال المغناطيسي الذي يربط بينهما. إن مبدأ عمل المحول الكهربائي يعتمد على قانون فارادي فالتيار المتغير في الدائرة الكهربائية الأولى عند تمريره في ملف كهربائي ينتج حوله مجالا مغناطيسيا متغييرا وإذا ما قطعت خطوط هذا المجال ملف آخر في دائرة كهربائية أخرى فإن قوة دافعة كهربائية سستتولد فيها طبقا لقانون فارادي. ولكي نضمن أن جميع خطوط المجال المغناطيسي الذي ينتجه ملف الدائرة الأولى أو الملف الإبتدائي ستقطع ملف الدائرة الثانية أو الملف الثانوي فإنه يلزم لف كلا الملفين على قلب حديدي مشترك وذلك لقدرته على حصر جميع خطوط المجال في داخله بسبب نفاذيته المغناطيسية العالية. لقد استخدم فارادي في عام 1831م شكل مبسط للمحول الكهربائي لإثبات قانون الحث الكهرومغناطيسي الذي اكتشفه ولكنه لم يهتم بتطويره وذلك بسبب أن مجالات استخداماته لم تتضح بعد. وفي عام 1836م اخترع العالم الإيرلندي (Nicholas Callan) ما يسمى بملف الحث (Induction Coil) بعد أن اكتشف أحد أهم قوانين المحول وهو أن نسبة الجهد المتولد في الملف الثانوي إلى الجهد المسلط على الملف الإبتدائي يساوي نسبة عدد لفات الملف الثانوي إلى عدد لفات الملف الثانوي وهذا يعني إمكانية الحصول على جهد عالي جدا من جهد منخفض من خلال زيادة نسبة عدد اللفات. ولذا فقد تم استخدام ملف الحث للحصول على جهود كهربائية عالية جدا لأغراض مختلفة كان أهمها توليد الشرارات الكهربائية لإشعال الغازات القابلة للإشتعال وفي بعض أنواع المصابيح الكهربائية وفي أنظمة إشعال المركبات وفي توليد الموجات الراديوية قبل اختراع الصمام الإلكتروني. وبما أن المحول الكهربائي لا يعمل إلا بالتيارات المتغيرة ولا يعمل أبدا بالتيارات الثابتة وبسبب غياب مصادر التيار المتغير في تلك الفترة فقد تم اللجوء إلى فتح وإغلاق دائرة الملف الإبتدائي بطريقة ميكانيكية لتحويل تيار البطارية إلى تيار متغيير. وفي عام 1881م تمكن الفرنسي لوسين جولارد (Lucien Gaulard) والبريطاني جون جبس (John Dixon Gibbs) من بناء محولات بقلب حديدي مفتوح لأغراض رفع وخفض الجهد في أنظمة التيار المتناوب التي بدأت بالظهور بعد اختراع مولدات التيار المتناوب. وقد قام عدد كبير من المهندسين في أميركا وأوروبا أمثال تسلا وستانلي بإجراء تحسينات كثيرة على هذا المحول وذلك لاستخدامه في أنظمة توليد ونقل الطاقة الكهربائية باستخدام التيار المتناوب كاستخدام القلوب الحديدية المغلقة والشرائح الحديدية المعزولة (laminated iron core) لبناء القلب وذلك لتقليل تأثير التيارات الدوامة (eddy currents). وكان للمحول الدور الأكبر في حسم حرب التيارات لصالح التيار المتناوب بدلا من التيار المباشر في أنظمة توليد ونقل الطاقة الكهربائية. وفي عام 1889م تمكن المهندس الروسي ميخائيل دوبروفولسكي (Mikhail Dolivo-Dobrovolsky) من اختراع المحول ثلاثي الأطوار وهو أول من اقترح الطريقتين التي يتم بها توصيل الملفات الثلاثة في المولدات والمحركات والمحولات ثلاثية الأطوار وهما توصيلة المثلث (delta connection) وتوصيلة النجمة (star connection). 
تبنى المحولات الحديثة وخاصة المستخدمة في أنظمة نقل الطاقة الكهربائية من قلوب حديدية (iron core) مغلقة وغالبا ما يستخدم فولاذ السيلكون (silicon steel) أو ما يطلق عليه الفولاذ الكهربائي وذلك لكثرة استخدامه في قلوب المولدات والمحركات والمحولات. ويتميز الفولاذ الكهربائي بمقاومته الكهربائية العالية والتي تعمل على تقليل الفقد الناتج عن التيارات الدوامة وكذلك بصغر مساحة عروة التخلفية المغناطيسية (hysteresis loop) مما يقلل من الفقد الناتج عن هذه الظاهرة. وعادة ما يتم لف الملفين الإبتدائي والثانوي على نفس الذراع لضمان أي تسرب لخطوط المجال المغناطيسي خارج الملف الثانوي. وتتحدد مساحة مقطع القلب الحديدي وبالتالي حجمه من مقدار القدرة الكهربائية التي يتعامل معها المحول ويجب أن يتم اختيار مساحة المقطع بحيث لا تصل كثافة الفيض المغناطيسي إلى حد التشبع (saturation). ويستخدم عند تحديد مساحة المقطع المعادلة العامة للمحول والتي تنص على أن القوة الدافعة الكهربائية الذي يولدها الملف للإشارات الجيبية تتناسب طرديا مع حاصل ضرب التردد ومساحة المقطع وعدد اللفات وكثافة الفيض المغناطيسي ويبلغ ثابت التناسب 4.44. ومن الواضح من هذه المعادلة أن حجم المحول المصمم لنفس مقدار القدرة يمكت تقليله من خلال زيادة التردد ولهذا السبب فإن المحولات المستخدمة في الطائرات تعمل على ترددات تصل لعدة مئات من الهيرتز وليس على 50 أو 60 هيرتز وذلك للتخفيف من وزن الطائرة. واستنادا لقانون حفظ الطاقة فإن القدرة التي يسحبها الملف الإبتدائي من مصدر الطاقة تساوي القدرة التي يسلمها الملف الثانوي للحمل (Load) الموصول عليه هذا على افتراض محول مثالي لا فقد فيه. وبما أن القدرة تتناسب مع حاصل ضرب الجهد في التيار فإن أي رفع في الجهد الثانوي بالنسبة للجهد الإبتدائي سيقابله خفض بنفس نسبة الرفع للتيار الثانوي مقابل التيارالإبتدائي. وفي المحولات الحقيقية فإن جزءا من الطاقة سيضيع كحرارة في جسم المحول وذلك نتيجة لعدد من أنواع الفقد أهمها الفقد في أسلاك الملفات نتيجة مرور التيار فيها والفقد الناتج عن التيارات الدوامة التي تتولد في قلب المحول الحديدي. وإذا ما تم تصميم المحولات بشكل جيد فإن هذا الفقد لا يتجاوز واحد بالمائة من القدرة الكلية إلا أن هذه النسبة المتدنية للفقد تعتبر معضلة كبيرة للمهندسين خاصة في المحولات الكبيرة حيث يلزم التخلص من الحرارة المتولدة وإلا أدت لاحتراق المحولات ولذا يستخدم انواع مختلفة من طرق التبريد في هذه المحولات كالتبريد بالزيت. 
تعتبر المحولات الكهربائية من أكثر الأجهزة الكهربائية استخداما فلا يكاد يخلو جهاز كهربائي منها وتستخدم في تطبيقات لا حصر لها وتتراوح أحجامها من تلك التي بحجم حبة الحمص كما في أجهزة استقبال الراديو والتلفزيون وتلك التي تزن مئات الأطنان كما في محطات تحويل الطاقة الكهربائية . ففي أنظمة نقل الطاقة الكهربائية تستخدم المحولات لرفع وخفض الجهد الكهربائي لجهود تتراوح بين عدة عشرات من الفولتات إلى ما يقرب من مليون فولت وبأحجام تعتمد على مقدار القدرة الكهربائية التي تعالجها والتي قد تصل إلى مئات الميغاواط . وفي أجهزة الاتصالات تستخدم المحولات لموائمة الدوائر الكهربائية والإلكترونية وكذلك خطوط النقل ذات المعاوقات المختلفة عند وصلها ببعضها البعض لضمان إنسياب الإشارات بينها بشكل جيد. وتستخدم المحولات في مضخمات القدرة (power amplifiers) للحصول على كفاءات قدرة عالية بأقل كلفة كما في تلك المستخدمة في السماعات ومحطات البث الراديوية والتلفزيونية والرادارات. وتستخدم المحولات في أجهزة تحويل التيار المتناوب إلى التيار المباشر (AC/DC converters) وأجهزة تحويل التيار المباشر إلى التيار المتناوب (DC/AC inverters). وتستخدم كذلك في أنواع كثيرة من المصابيح الكهربائية كمصابيح التفريغ الغازية لبدء عملية التفريغ الكهربائي فيها وفي معدات اللحام الكهربائية لإنتاج تيارات عالية في الملف الثانوي وفي أجهزة قياس التيار والجهد وفي كثير من الأجهزة والمعدات في المختبرات ومراكز الأبحاث.