تعرف على المولد الكهربائي وكيفية توليد التيار الكهربائي

قد يهمك أيضا

مكونات المولد الكهربى

يتناول هذا الموضوع المولد الكهربائي من حيث التركيب ومنظومة التبريد للمولدات وكيف يتم توليد المجال المغناطيسي بالمولدات والعناصر المرتبطة بمنظومة ال Excitation وكيف يتم التحكم أتوماتيكيا فى قيمة الجهد المولد ذو الجهد العالى (Powerformer)

أهم عنصر فى القسام الكهربى هو بالتأكيد المولد. وهو دائما من النوع المعروف بالـ  Synchronous Generator . ويتكون Synchronous Generator من جزئين أساسيين هما Rotor and Stator ، حيث توضع ملفات الـ Field فى الجزء الدوار Rotor الذى يتصل بالتربينة مباشرة ، وهى التى تعطيه الحركة فيدور، فيقطع الفيض المتولد فيه الملفات الموجودة داخل Stator، فيتولد بها جهد كهربى ، أو بمعنى آخر تتولد القدرة الكهربية التي ينتجها المولد والتى تستخدم فى تغذية الأحمال. 

ويتم تغذية ملفات المجال ( field) بتيار مستمر (dc voltage) عن طريق منظومة الإثارة Excitation System.

والشكل التالي يمثل أهم الأجهزة المتصلة بالمولد كما يظهر فى مخططات المحطة، ويليه شكل أكثر تبسيطا. وفيه تلاحظ أن المولد يغذى المحول الرئيسي للوحدة Generator Step Up Transformer ،GSUT كما يغذى أيضا مباشرة كلا من المحول المساعد Unit Auxiliary Transformer ، UAT و يغذى كذلك محول تغذية منظومة المجال المغناطيسي Excitation transformer .

لاحظ وجود مصادر تغذية خارجية External Source مركبة على دوائر المساعدات للمولد ، لأنه فى حالة خروج المولد من الخدمة لا يمكنه أن يسترجع التشغيل دون وجود المساعدات أولا ، وهذه المساعدات تحتاج لمصادر طاقة ، وبما أن المولد لم يرجع للخدمة بعد فلذلك احتجنا لوجود هذه المصادر الخارجية ، التى قد تكون مجرد اتصال بالشبكة العامة أو اتصال بمولد طوارئ بالمحطة.

Generator SLD

وهذه بعض مواصفات للعناصر التى ظهرت فى الشكل السابق:

- Main generator: Turbo generator ، 19KV ، 0.85 pf ، 440 MVA ، 3000 rpm ، 50 Hz- 

- Main Step-Up Transformer: 19/500 KV ، 480 MVA ، two winding ، Shell Type ، ONAF- 

- Auxiliary Transformer: 19/6.6/6.6 KV ، 40 MVA ، Three winding ، Core Type ، ONAF

- Medium voltage switchgear: 6.6KV ، 2500 A ، 40KA short circuit capacity

- Isolated Phase Bus duct (IPB): that connecting Generator ، Aux Transformer and Main 

Transformer ، 19KV ، 16000A

وفيما يلى بعض التفاصيل عن مكونات المولد

العضو الثابت Stator والعضو الدوار Rotor

أما الـ stator فهو عبارة عن رقائق من الصلب السليكونى معزولة عن بعضها بمادة الميكا مكونة معا مجارى أو slots ملفات العضو الثابت كما فى الشكل التالي:

Stator

وهناك ملفات العضو الثابت Stator Windings : 

وهى الملفات التي تنشأ بداخلها القدرة لكهربية المتولدة وتتصل بالمحول الرئيسي مباشرة لنقل هذه القدرة للشبكة الكهربية الموحدة عن طريق محطة المحولات.

وأما الـ Rotor فهو أيضا عبارة عن رقائق من الصلب السليكونى معزولة عن بعضها بمادة الميكا مضغوطة ومركبة على عمود Shaft مكونة معا مجارى العضو الدوار كما فى الشكل التالي:

Rotor

وملفات المجال Field Windings : 

موجودة بالعضو الدوار وتتغذى من منظومة الإثارة Excitation System لتكوين المجال الكهربي اللازم لعملية توليد الكهرباء عن طريق Brushes ، وتتم عملية نقل الكهرباء إليها عن طريق فرش من الكربون تنقل التيار Field Current إلى الملفات الموجودة بالعضو الدوار .

منظومة التبريد للمولدات:

يحتاج المولد إلى منظومة تبريد بسبب الحرارة الناتجة عن المفاقيد الكهربية والمغناطيسية الناتجة عن مرور التيار الكهربي . ويتم التبريد عن طريق منظومتين :

منظومة الهيدروجين Hydrogen Plant .

ماء منزوع الأملاح Demi Water ضمن منظومة Stator Cooling

واستخدام الهيدروجين فى التبريد له ميزات وعيوب ، فمن ميزاته القدرة التبريدية العالية وأنه عازل جيد وأيضا له قدرة عالية على التوصيل الحرارى أكثر من أى غاز آخر ، لكن العيب الخطير أنه يشتعل وينفجر إذا اتحد مع الأكسجين حين تزيد نسبته فى الحيز المغلق عن ( 14 %) لاحظ أنه معزول تماما عن الأكسجين داخل المولد.

ومن هنا كان من أهم إجراءات السلامة عند حدوث عطل بالمولد سرعة طرد الهيدروجين من المولد وذلك بتوصيله بـ Vents عالية خارج المحطة فى الهواء الطلق وتسامى باللهجة المصرية عملية "التفنيت" ، وإلا ستنفجر الوحدة.

ودائما يكون هناك داخل محطة التوليد معمل لفصل الهيدروجين من الماء بالتحليل الكهربى ، ثم تعبئته فى اسطوانات كما فى الشكل التالي لاستخدامه إذا حدث تسريب للهيدروجين الأصلى.

اسطوانات غاز الهيدروجين بالمحطة

كيف يتم توليد المجال المغناطيسي؟

وبصفة عامة فإن الـ Generator عمليا يحتاج إلى ثلاث عناصر إضافية أخرى (سوى الـ Rotor and stator ) ليعمل بصورة صحيحة وهم :

 Exciter

 Permanent Magnet

 Automatic Voltage Regulator

العناصر المرتبطة بمنظومة ال Excitation

أما الـ Exciter ، فهو عبارة عن 3-phase generator صغير نسبيا مقارنة بالمولد الأصلى ، وهو ينتج جهد منخفض (حوالي 500 فولت)، وتيار عالي جدا (حوالي 5000 أمبير)، ويركب هذا المولد الصغير على نفس الـ Shaft الخاص بالمولد الأصلى الكبير. ووظيفته هو تغذية الـ Field الخاص بالمولد الأصلى بتيار DC ، وهو التيار الذى ينتج الفيض المغناطيسى الذى سيقطع ملفات الـ Stator لينتج فيها الكهرباء.

وهنا يبرز سؤالان:

الأول: كيف نحصل على تيار DC من داخل الـ Exciter رغم أنه مولد 3-phase ؟

الثانى : من أين يحصل المولد الصغير" Exciter " على تيار الـ Field الخاص به ؟

بالنسبة للسؤال الأول فإن التيار الـ 3-phase المولد من مغذى المجال ( الـ Exciter ) يتم عمل Rectification له لتحويله من تيار متردد إلى تيار مستمر عن طريق وحدة تحويل تركب داخل المولد.

أما بالنسبة للسؤال الثانى فإن ملفات الـ Field الخاصة بالـ Exciter فى الوضع الطبيعى تحصل على تيارها من المولد لأصلى. و لكن المولد الأصلى لم يبدأ العمل بعد انتظارا للتيار القادم من الـ Exciter ، وهو ما يشبه الفزورة القديمة :

من جاء أولا البيضة أم الدجاجة؟.

ولحل هذه المشكلة تزود المولدات بالـ 3-Phase Generator آخر قبل الـ Exciter ، وهو أصغر منه حجما (جهده حوالي 100 فولت)، لكنه يتميز بأنه مزود بمغناطيس دائم قوى Permanent Magnet ويسمى هذا المولد بالـ PMG ، حيث يولد هذا المغناطيس الدائم فيضا مغناطيسيا يكفى لبدء تشغيل PMG الذى سينتج 3-phase current يتم توحيده بواسطة دائرة توحيد مشابهة للمستخدمة مع الـ Exciter ليقوم بتغذية ملفات الـ Field الخاصة بالـ Exciter .

وبالتالي فالقصة تبدأ كما فى الشكل التالي من PMG الذى يغذى الـ Exciter الذى سينتج تيارا يتم توحيده ليكون هو تيار الـ Field للمولد الأصلى الكبير. مع ملاحظة أن التيار الناتج من المولد الأصلى سيخصص جزء منه لتغذية ملفات Field لـ Exciter بدلا من PMG الذى يتم فصله بعد مرحلة البدء . والشكل التالي يلخص هذه المراحل جميعا.

مخطط أجزاء المولد

أما الشكل الحقيقى لهذه العناصر فتظهر فى الشكل التالي:

صورة محطة توليد

كيف يتم التحكم أتوماتيكيا فى قيمة الجهد؟

أثناء التشغيل الطبيعى فإننا نحتاج إلى الـ (Automatic Voltage Regulator (AVR الذى يقوم بضبط قيم الجهد عند أطراف المولد عند حدوث أى تغيرات غير طبيعية. وهو عبارة عن لوحة إلكترونية تحتوي على دوائر لتوحيد التيار وتحويله من تيار متردد AC (قادم من ملفات العضو الثابت)، إلى تيار مستمر (DC) يتصل بنظام الـ Excitation الرئيسي للمولد حيث تستخدم بعد رفع قيمة الجهد للمولد إلى القيمة المقننة كما فى الشكل التالي.

والـ AVR يتحكم أتوماتيكيا فى نظام الـ Excitation بغرض تثبيت جهد المولد والتغلب على التغيرات المحدودةنسبيا فى قيمة الجهد.

إذا استشعر الـ AVR وجود تغير فى الفولت على أطراف المولد فإن حجم هذا التغير فى الجهد يترجم إلى تيار وإشا رة للثيرستور ويغير قيمة الـ Firing angle للثيرستور داخل الـ Exciter من أجل زيادة قيمة تيار المجال، وبذلك يزداد الفيض المغناطيسي ، ومن ثم يتم تعويض نقص جهد المولد الرئيسي كما فى الشكل التالي:

منظومة التحكم فى جهد المولد

جميع المولدات الكهربية المستخدمة فى الأنواع السابقة تصمم بحيث يكون جهد التوليد فى المحطات التقليدية فى حدود 20 kV ، أما فى محطات الطاقة الجديدة فيكون غالبا أقل من ذلك (فى محطات الرياح يصل إلى 690V فقط) .

لكن الجديد الآن أن بعض الشركات بدأت فى إنتاج مولدات الجهد العالى (High Voltage Generators) ويطلق عليها اسم Powerformers .

والمولد ذو الجهد العالى ) Powerformer ( كما فى الشكل  8 والشكل 9 ، هو أحد التقنيات الحديثة فى مجال توليد الطاقة الكهربية ، وقد تم تصميم أول Powerformer بواسطة شركة ABB بسويسرا فى الخامس والعشرين من فبراير عام 1998 . 

وتعتمد فكرة عمل الـ Powerformer على تصميم مولد لتوليد الطاقة على جهود عالية تصاااال إلى 400 كيلوفولت. ويتيح هذا التصميم توصيل الـ Powerformer على الشبكة الموحدة مباشرة دون الحاجة لاستخدام المحول الرفع للجهد (Step-up Transformer).

الشكل 8

الشكل 9

المولد ذو الجهد العالى (Powerformer)

ويستخدم هذا المولد فى ملفات الجزء الثابت (Stator) كابلات XLPE والتى تتحمل الجهود العالية كما فى الشكل (10)  بدلا من استخدام الملفات ذات المقطع المستطيل (Rectangular Conductors) والتي تستخدم فى المولدات التقليدية. أما بالنسبة للملف الدوار (Rotor) فلا يوجد أى فرق بينه وبين المولدات التقليدية من حيث التصميم.

كابلات الـ XLPE ذات الجهد العالى فى ملفات الـ Stator للـ Powerformer

وفيما يلى بعض من المميزات الناتجة من استخدام الـ Powerformer :

1. الكفاءة الكلية لمحطات التوليد التى تستخدم الـPowerformer تزيد قليلا (بنسبة 1.5 بالمئة تقريبا) عن المحطات ذات المولدات التقليدية.

2. لكن الميزة الأساسية هى أن التكلفة الكلية الثابتة ( Total Fixed Cost) لمحطات التوليد التى تعتمد على الـ Powerformer أقل بكثير من التكلفة للمحطات ذات المولدات التقليدية لنفس قدرات التوليد.

فعلى سبيل المثال فقد تم عمل دارسة على محطة مائية فى الهند إنتاجها السنوى حوالى 3200 جيجاوات ساعة. المحطة التقليدية تتكون من 4 تربينات مائية و 4 مولدات ، و 12 محول أحادى الوجه رافع للجهد (Single-phase Step-up Transformer). وتم عمل الدراسة عن طريق إستبدال المولدات والمحولات بـ 4 من الـ Powerformers مما أدى إلى توفير ما يقرب من 24 بالمئة من التكلفة الكلية الثابتة وكذلك تكلفة الصيانة للمحطة.

3. استخدام الـ Powerformer يؤدى إلى توفير القدرة الكهربية غير الفعالة التى كانت ستضيع داخل محولات رفع الجهد.

4. استخدام الكابلات ذات المقطع الدائرى فى ملفات الـ Stator بدلا من الموصلات ذات المقطع المستطيل يؤدى إلى توزيع منتظم للمجال الكهربيى على الكابلات داخل الـ Stator للمولد مما يؤدى للإستغلال الأمثل للمولد وإمكانية رفع جهود التوليد دون ظهور إجهادات زائدة على العزل للكابلات.

المصدر: كتاب هندسة القوى الكهربائية.