كما تستخدم مولدات التيار المستمر أيضا في محطات توليد الطاقة الكهربائية وذلك لتغذية المجال لمولدات التيار المتردد. وعلى الرغم من استخدام التيار المتردد الآن في التوليد والنقل والتوزيع إلا أنه لا تزال آلات التيار المستمر تستخدم في كثير من الصناعات. وتعتمد فكرة عمل المولدات على تجربة فاراداي الشهيرة.
مبدأ عمل مولد التيار المستمر
تعمل مولدات التيار المستمر على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، ولهذا فإن مولدات التيار المستمر تحتاج إلى مصدر قدرة ميكانيكية (Prime Mover) محرك ديزل، توربينه غازية أو بخارية أو مائية. |
| مبدأ عمل مولد التيار المستمر |
ويعتمد عمل المولد أساسا على قانون "فاراداي" للحث المغناطيسي والذي ينص على " تتولد قوة دافعة الكهربائية علي طرفي موصل عندما يقطع هذا الموصل خطوط مجال مغناطيسي ثابت"
أي تتولد قوة دافعة الكهربائية عندما توجد حركة نسبية بين الموصل وخطوط الفيض المغناطيسي وتتناسب هذه القوة الدافعة الكهربائية مع معدل قطع الموصل لخطوط الفيض المغناطيسي. ولتوضيح كيفية توليد جهد نتيجة حركة موصل في مجال مغناطيسي، نفرض أن لدينا مولدا بسيطا مكوناً من ملف واحد موضوع بحيث يمكنه الدوران داخل مجال مغناطيسي ثابت كما في الشكل السابق فعندما يبدأ
الملف في الدوران سيتقاطع مع المجال المغناطيسي الثابت وبالتالي تتولد قوة دافعة كهربائية على أطراف الملف الموصل بحلقات الانزلاق والفرش الكربونية.
 |
| القوة الدافعة المتولدة نتيجة دوران ملف في مجال مغناطيسي |
ويوضح الشكل السابق المراحل التي مر بها الملف وقيمة الجهد المتولد في كل مرحلة. فلنفرض أن الملف موضوع مبدئيا كما في شكل (مبدأ عمل مولد التيار المستمر) وبالتالي فإن الجهد في هذه اللحظة يكون مساويا للصفر لأن الملف متعامد مع اتجاه المجال وجانبية (الموصل الأحمر (الجانب العلوى) والأسود (الجانب السفلي)) موازية لخطوط المجال ولا تتقاطع معها ولذلك ففي هذا الوضع تكون القوة الدافعة المتولدة على أطراف الملف مساوية للصفر سواء أكان الملف متحركا أو ساكنا، عندما يبدأ في الدوران مع عقارب الساعة من الوضع A زاوية °0 في الشكل السابق إلي الوضع B زاوية °90 يتقاطع الملف مع خطوط الفيض بمعدل متزايد حتى يصل أعلى معدل للقطع عند الوضع B ، ونتيجة لذلك فإن القوة الدافعة المتولدة تزداد في هذه الفترة من صفر إلى أعلى قيمة لها عند الوضع B ويوضح ذلك جهاز القياس الموصل في الدائرة، ويمكن ملاحظة أن أحد الموصلين يقطع خطوط الفيض متجها لأعلى بينما يقطع الآخر متجها لأسفل بمعني أن القوة الدافعة المتولدة بين أطراف الملف هي مجموع القوة الدافعة المتولدة في الموصلين.
عندما يبدأ الملف في الدوران من الوضع B عند زاوية °90 إلى الوضع C عند زاوية °180 يبدأ معدل القطع لخطوط الفيض في التناقص تدريجيا حتى يصل إلى الصفر عند الوضع C ، وكنتيجة لذلك فإن القوة الدافعة المتولدة تبدأ في التناقص من قيمة عظمى عد
B إلى الصفر عند الوضع C يمكن ملاحظة أن جانبي الملف يدوران حتى الآن في نفس الاتجاه ولذلك فان القوة الدافعة المتولدة لها نفس الاتجاه في كل جانب من جوانب الملف.
عند دوران الملف من الوضع C عند زاوية °180 إلى الوضع D عند زاوية °270 وحتى عودته إلى وضعه الأصلي فإن اتجاه قطع الموصلات للمجال يكون عكس اتجاه القطع في النصف الأول وبالتالي فإن اتجاه القوة الدافعة المتولدة يكون عكس الاتجاه الأول كما هو موضح في الشكل السابق.
ويلاحظ أن القوة الدافعة الكهربائية المتولدة هي قوة دافعة ذات شكل جيبي (Sine wave) ، متغيرة القيمة والاتجاه (جهد متردد) وللحصول على قوة دافعة الكهربائية موحدة الاتجاه (DC) يجب أن يتم توحيد الموجة الجيبية قبل خروجها واستخدامها.
يتم ذلك باستبدال حلقتي الانزلاق بحلقة انزلاق مكونة من قطعتين معزولتين (أسطوانة مشطورة إلى جزئين بينهما عازل) كما في شكل التالي.
عندما يبدأ الملف في الدوران من الوضع B عند زاوية °90 إلى الوضع C عند زاوية °180 يبدأ معدل القطع لخطوط الفيض في التناقص تدريجيا حتى يصل إلى الصفر عند الوضع C ، وكنتيجة لذلك فإن القوة الدافعة المتولدة تبدأ في التناقص من قيمة عظمى عد
B إلى الصفر عند الوضع C يمكن ملاحظة أن جانبي الملف يدوران حتى الآن في نفس الاتجاه ولذلك فان القوة الدافعة المتولدة لها نفس الاتجاه في كل جانب من جوانب الملف.
عند دوران الملف من الوضع C عند زاوية °180 إلى الوضع D عند زاوية °270 وحتى عودته إلى وضعه الأصلي فإن اتجاه قطع الموصلات للمجال يكون عكس اتجاه القطع في النصف الأول وبالتالي فإن اتجاه القوة الدافعة المتولدة يكون عكس الاتجاه الأول كما هو موضح في الشكل السابق.
ويلاحظ أن القوة الدافعة الكهربائية المتولدة هي قوة دافعة ذات شكل جيبي (Sine wave) ، متغيرة القيمة والاتجاه (جهد متردد) وللحصول على قوة دافعة الكهربائية موحدة الاتجاه (DC) يجب أن يتم توحيد الموجة الجيبية قبل خروجها واستخدامها.
يتم ذلك باستبدال حلقتي الانزلاق بحلقة انزلاق مكونة من قطعتين معزولتين (أسطوانة مشطورة إلى جزئين بينهما عازل) كما في شكل التالي.
 |
| توحيد الجهد باستخدام أسطوانة مشطورة |
بحيث تكون الفرشة الموجبة A ملامسة لحلقة الانزلاق حيث يدخل منها التيار إلى الملف ويخرج من الفرشة السالبة B كما في الشكل السابق (أ) ، وبعد دوران اللفة (abcd) 180درجة،كما في الشكل السابق (ب) تكون الفرشة الموجبة A ملامسة لحلقة الانزلاق بحيث يدخل منها التيار بغض النظر عن تغير حلقة الانزلاق وجانب الملف ويخرج أيضا من الفرشة السالبة B ، ويوضح الشكل التالي
 |
| توحيد الجهد الناتج من مولد التيار المستمر باستخدام الموحد |
أن نصف الموجة الموجب هو من صفر إلى 180 درجة، بينما نصف الموجة السالب من 180 درجة إلى 360 درجة قد انعكس واصبح موجبا نتيجة وجود الحلقة المشطورة والتي تعمل كعضو توحيد بدلا من حلقتين منفصلتين. وبهذه الكيفية يتم الحصول على جهد موحد الاتجاه (مستمر) ولكن قيمته غير ثابتة.
وللحصول على جهد ثابت القيمة يمكن استخدام أكثر من لفة وتوزيعها على محيط الآلة. وهذه الطريقة لتوليد الجهد تم بناء عليها تصميم آلة التيار المستمر.
المصدر : كتاب آلات التيار المستمر والمحولات (مناهج التعليم الفني السعودي)