هندسة الأزهر
السلام عليكم ..اهلا وسهلا بك عزيزى الزائر نورت المنتدى بزيارتك لنا ..انت غير مسجل فى منتدى كليه هندسه الازهر ..سوف تتمتع بالعديد من المميزات اذا قمت بالتسجيل وذلك بالضغط على الزر اسفله(زر التسجيل) اما اذا كنت مسجل بالفعل ..فلتسجل دخولك عن طريق الضغط على الزر اسفله(زر الدخول) اما اذا كنت تريد اخفاء هذه الرساله فاضغط على الزر اسفله (زر الاخفاء)

هندسة الأزهر

معا لنتواصل.... من أجل حياة جامعية أفضل.
 
الرئيسيةدخولالتسجيلمكتبة الصوردخول الاعضاء

شاطر | 
 

 آلات وأنظمة الطاقة الكهربائية

استعرض الموضوع السابق استعرض الموضوع التالي اذهب الى الأسفل 
كاتب الموضوعرسالة
thebest-engineer
مشرف قسم الهندسة الكهربية
مشرف قسم الهندسة الكهربية


عدد الرسائل : 916
العمر : 27
العمل/الترفيه : طالب(ولا حول ولاقوة الا بالله)
الـكـلـيـــة : : جعلتني مهندسا

مُساهمةموضوع: آلات وأنظمة الطاقة الكهربائية   السبت فبراير 05, 2011 9:04 pm

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.

_________________

الكلام الحلو ما يطلع الا ليها
مصر بلد الامان والرب حاميها
وحارس شبابها وكل مبانيها
مصر بلدنا هتفضل قويه
بيكم يا شبابها هتفضل عفيه
مايفرح فيها عدو ولا بيها
ويموت ونفسو يدوس اراضيها
ويمشى على ترابها يتمنى يرضيها
مصر عمرها اطول من كل ظالم
واللى راح قبلها كان قدامها بيتظاهر
انو عليها قدر وكان كله مظاهر


الرجوع الى أعلى الصفحة اذهب الى الأسفل
 
آلات وأنظمة الطاقة الكهربائية
استعرض الموضوع السابق استعرض الموضوع التالي الرجوع الى أعلى الصفحة 
صفحة 1 من اصل 1

صلاحيات هذا المنتدى:لاتستطيع الرد على المواضيع في هذا المنتدى
هندسة الأزهر  :: الكـلـيـة وأقـسـامــهـا :: قسم الهندسة الكهربية-
انتقل الى: