محرك-مولد

المولد الكهربائي ( مجموعة المولدات الكهربائية ) هو جهاز لتحويل الطاقة الكهربائية إلى شكل آخر. تُستخدم مجموعات المولدات الكهربائية لتحويل التردد أو الجهد أو طور الطاقة. كما يمكن استخدامها لعزل الأحمال الكهربائية عن خط إمداد الطاقة. كانت المولدات الكهربائية الكبيرة تُستخدم على نطاق واسع لتحويل كميات الطاقة الصناعية، بينما كانت المولدات الكهربائية الأصغر (مثل الموضحة في الصورة) تُستخدم لتحويل طاقة البطاريات إلى جهود تيار مستمر أعلى.

بينما قد تتكون مجموعة المحرك والمولد من محرك ومولد منفصلين متصلين معًا، فإن وحدة الديناموموتور (اختصارًا لـ "دينامو -موتور") تحتوي على ملفات المحرك وملفات المولد ملفوفة حول دوار واحد؛ وبالتالي، يشترك كل من المحرك والمولد في نفس ملفات المجال الخارجي أو المغناطيس. ^{[ 1 ]} عادةً ما يتم تشغيل ملفات المحرك بواسطة مبدل في أحد طرفي العمود، بينما توفر ملفات المولد خرجًا إلى مبدل آخر في الطرف الآخر من العمود. إن مجموعة الدوار والعمود بأكملها أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأقل تكلفة من زوج من الآلات، ولا تتطلب أعمدة إدارة مكشوفة.

لم تستخدم الأجهزة الاستهلاكية منخفضة الطاقة المصنعة قبل عام 1933، مثل أجهزة استقبال الراديو للسيارات التي تعمل بأنابيب التفريغ ، مولدات كهربائية باهظة الثمن ومزعجة وكبيرة الحجم. بدلاً من ذلك، استخدمت دائرة عاكسة تتكون من مهتز (مرحل ذاتي الإثارة) ومحول لإنتاج الفولتيات الأعلى المطلوبة لأنابيب التفريغ من بطارية السيارة التي تبلغ 6 أو 12 فولت. ^{[ 2 ]}

في سياق توليد الطاقة الكهربائية وأنظمة الطاقة الكهربائية الثابتة الكبيرة، يتكون المولد الكهربائي من محرك كهربائي موصول ميكانيكيًا بمولد كهربائي (أو مولد تيار متردد ). يعمل المحرك بتيار الإدخال الكهربائي بينما يُنتج المولد تيار الإخراج الكهربائي، وتتدفق الطاقة بين الجهازين على شكل عزم دوران ميكانيكي ؛ وهذا يوفر عزلًا كهربائيًا وبعض التخزين المؤقت للطاقة بين النظامين الكهربائيين.

يتمثل أحد استخداماته في القضاء على الارتفاعات والتغيرات في "الطاقة غير النظيفة" ( تكييف الطاقة ) أو لتوفير مطابقة الطور بين الأنظمة الكهربائية المختلفة.

يمكن استخدام المولدات الكهربائية في عمليات تحويل متنوعة، بما في ذلك:

• تحويل التيار المتردد (AC) إلى تيار مستمر (DC)
• التيار المستمر إلى التيار المتردد
• تحويل التيار المستمر من جهد معين إلى جهد آخر. (يُسمى أيضاً ديناموتور، اختصاراً لكلمة دينامو-موتور)
• إنشاء أو موازنة نظام تيار مستمر ثلاثي الأسلاك .
• التيار المتردد بتردد معين إلى التيار المتردد بتردد آخر ذي صلة توافقية
• تحويل التيار المتردد ذي الجهد الثابت إلى التيار المتردد ذي الجهد المتغير
• تحويل التيار المتردد أحادي الطور إلى تيار متردد ثلاثي الأطوار

قبل توفر أنظمة تنظيم الجهد المتردد الإلكترونية أو انخفاض تكلفتها، كانت تُستخدم مجموعات المولدات الكهربائية لتوفير جهد متردد متغير. وكان يتم تغيير جهد التيار المستمر الموجه إلى عضو التدوير في المولد يدويًا أو إلكترونيًا للتحكم في جهد الخرج. وعند استخدامها بهذه الطريقة، تُعادل مجموعة المولدات الكهربائية محولًا متغيرًا معزولًا.

مولد ألكسندرسون هو مولد تيار متردد عالي التردد يعمل بمحرك كهربائي، ويوفر طاقة ترددات الراديو . في بدايات الاتصالات اللاسلكية، كان لا بد من إنتاج الموجة الحاملة عالية التردد ميكانيكيًا باستخدام مولد تيار متردد متعدد الأقطاب يعمل بسرعات عالية. أنتجت مولدات ألكسندرسون ترددات راديو تصل إلى 600 كيلوهرتز، وكانت الوحدات الكبيرة قادرة على إنتاج طاقة تصل  إلى 500 كيلوواط. وبينما كانت المحولات الكهروميكانيكية تُستخدم بانتظام في عمليات الإرسال بالموجات الطويلة خلال العقود الثلاثة الأولى من القرن العشرين، فقد برزت الحاجة إلى تقنيات إلكترونية عند الترددات الأعلى. وقد حلّت مذبذبات الصمامات المفرغة محل مولد ألكسندرسون إلى حد كبير في عشرينيات القرن العشرين. 

استُخدمت المولدات الكهربائية حتى في الحالات التي يكون فيها تيار الدخل وتيار الخرج متطابقين تقريبًا. في هذه الحالة، يُستغل القصور الذاتي الميكانيكي للمولد الكهربائي لتصفية التغيرات المفاجئة في طاقة الدخل. يمكن أن يكون تيار الخرج الكهربائي نقيًا جدًا (خاليًا من التشويش) وقادرًا على تحمل انقطاعات التيار الكهربائي القصيرة والتغيرات المفاجئة في مدخل المولد الكهربائي. وهذا قد يُتيح، على سبيل المثال، الانتقال السلس من التيار الكهربائي الرئيسي إلى التيار المتردد المُزوَّد بواسطة مولد ديزل .

قد تحتوي مجموعة المحرك والمولد على دولاب موازنة كبير لتحسين استقرارها؛ ومع ذلك، يجب مراعاة ذلك في هذا التطبيق، حيث سيفقد المحرك والمولد سرعته وقد يسحب تيارًا عاليًا عند عودة التيار الكهربائي أو إعادة إغلاق قاطع الدائرة. إذا كان فقدان السرعة مفرطًا (انقطاع التيار الكهربائي طويل جدًا)، فسيتسبب تيار إعادة الإغلاق في فصل قواطع الدائرة، مما يؤدي إلى إيقاف التشغيل. يعتمد تيار البدء أثناء إعادة الإغلاق على العديد من العوامل. على سبيل المثال، سيحتاج محرك ومولد بقدرة 250 كيلو فولت أمبير يعمل بتيار حمل كامل 300 أمبير إلى 1550 أمبير من تيار البدء أثناء إعادة الإغلاق بعد خمس ثوانٍ. استخدم هذا المثال دولاب موازنة مثبتًا بشكل ثابت مصممًا لتحقيق معدل دوران 0.5 هرتز  في الثانية . كان المحرك والمولد من النوع الرأسي ذي محملين مع محامل مغمورة بالزيت .

يمكن ربط المحركات والمولدات بواسطة عمود غير موصل في المنشآت التي تحتاج إلى التحكم عن كثب في الإشعاع الكهرومغناطيسي، ^{[ 4 ]} أو حيث يلزم عزل عالي عن الفولتية العابرة.

استُبدلت مجموعات المولدات الكهربائية بأجهزة أشباه الموصلات في بعض التطبيقات. في الماضي، كان استخدام مجموعات المولدات الكهربائية شائعًا في المصاعد . ونظرًا لضرورة التحكم الدقيق في سرعة آلة الرفع، فإن صعوبة تغيير التردد لمحرك تيار متردد عالي القدرة جعلت استخدام مجموعة مولدات كهربائية مع محرك رفع يعمل بالتيار المستمر حلاً شبه قياسي في الصناعة. وقد حلت إلكترونيات محركات التيار المتردد الحديثة ذات التردد المتغير والمتوافقة مع المحركات محل تركيبات المصاعد التقليدية التي تعمل بالمولدات الكهربائية، نظرًا لأن محركات التيار المتردد الإلكترونية عادةً ما تكون أكثر كفاءة بنسبة 50% أو أكثر من الآلات التي تعمل بالمولدات الكهربائية والتي تعمل بالتيار المستمر. ^{[ 5 ]}

استُخدمت مجموعات MG أيضًا في المنطقة الجنوبية من السكك الحديدية البريطانية . حيث كانت تُستخدم لتحويل جهد خط التغذية المستمر من 600 إلى 850 فولت تيار مستمر من السكة الثالثة إلى 70 فولت تيار مستمر لتشغيل أنظمة التحكم في قطارات EMU المستخدمة. وقد استُبدلت هذه المجموعات لاحقًا بمحولات الحالة الصلبة في عربات القطارات الجديدة. ^{[ 6 ]} كما شاع استخدام قاطرات MG في نقل الحركة في قطارات الديزل لمسافات طويلة حول العالم، نظرًا لمشاكل الموثوقية والتآكل في أنظمة النقل الميكانيكية والسائلة، ولكن يجري استبدالها عمومًا بمحركات أصغر مزودة بنظام نقل حركة تقليدي أو MG في كل عربة. وكانت قاطرات المسافات الطويلة الكهربائية ذات التغذية العلوية عالية الجهد تستخدم نظام نقل حركة MG، ولكن يجري استبدالها عمومًا بمحركات موزعة في كل عربة مع تحكم إلكتروني في الطاقة وتحويلها. ^{[ 7 ]}

وبالمثل، استُخدمت مجموعات MG في عربات الترام PCC لإنتاج خرج تيار مستمر بجهد 36 فولت من مصدر الجر بجهد 600 فولت. ويقوم خرج الجهد المنخفض بشحن بطاريات الترام وتزويد التيار الكهربائي لأجهزة التحكم والمعدات المساعدة (بما في ذلك المصابيح الأمامية، وأجهزة جرس الإنذار، ومحركات الأبواب، وفرامل السكة الكهرومغناطيسية).

كانت مجموعات المحركات والمولدات تستخدم في كثير من الأحيان لتوفير طاقة التيار المستمر عالية التيار لمصابيح القوس الكربوني في أجهزة عرض الأفلام الكبيرة في حقبة الخمسينيات والستينيات، قبل استبدال ضوء القوس ذي القطب الكربوني بأنظمة عرض مصابيح قوس الزينون الحديثة (بدءًا من عام 1963 في الولايات المتحدة).

في البيئات الصناعية التي تتطلب إلغاء التوافقيات، أو تحويل التردد، أو عزل الخطوط، تظل مجموعات المحركات المولدة حلاً شائعاً. ومن الميزات المفيدة لهذه المحركات قدرتها على التعامل مع الأحمال الزائدة الكبيرة قصيرة الأجل بكفاءة أعلى من أجهزة أشباه الموصلات ذات نفس متوسط ​​الحمل. فعلى سبيل المثال، تتكون مكونات العاكس شبه الموصل الكبير، ذات التيار المحدود حرارياً، من مفاتيح الحالة الصلبة التي لا يتجاوز وزنها بضعة غرامات، ولها ثابت زمني حراري لمشتتات الحرارة قد يتجاوز 100 مللي ثانية، بينما تتكون مكونات المحرك المولد، ذات التيار المحدود حرارياً، من ملفات نحاسية قد يصل وزنها إلى مئات الكيلوغرامات، وهي مرتبطة بكتلة حرارية كبيرة خاصة بها. كما تتميز هذه المحركات بمقاومة ممتازة للتفريغ الكهروستاتيكي .