مولد أحادي الطور

يعتمد تصميم مولدات المحرك الدوار على وجود جزء المحرك على الدوار وجزء المجال المغناطيسي على الجزء الثابت . ويُعرف التصميم الأساسي، المسمى بالمولد الأولي ، ^{[ 3 ]} بأنه محرك حلقي مستطيل الشكل يقطع خطوط المجال المغناطيسي بين القطبين الشمالي والجنوبي. وبقطع خطوط المجال المغناطيسي عن طريق الدوران، يُنتج تيارًا كهربائيًا. يُرسل التيار من وحدة المولد عبر مجموعتين من حلقات الانزلاق والفرش ، تُستخدم واحدة لكل طرف من طرفي المحرك. في هذا التصميم ثنائي الأقطاب، يُولد المحرك دورة واحدة من التيار المتردد أحادي الطور عند دورانه دورة كاملة . ولتوليد خرج تيار متردد، يُدار المحرك بسرعة ثابتة بعدد دورات في الثانية يُطابق التردد المطلوب (بالهرتز) لخرج التيار المتردد.

يمكن ملاحظة العلاقة بين دوران المحرك الكهربائي وخرج التيار المتردد في هذه السلسلة من الصور. نتيجةً للحركة الدائرية للمحرك في اتجاه خطوط القوة المستقيمة، يتم قطع عدد متغير من خطوط القوة حتى عند ثبات سرعة الحركة. عند زاوية صفر، لا يقطع ذراع المحرك المستطيل أي خطوط قوة، مما ينتج عنه خرج جهد صفري. مع دوران ذراع المحرك بسرعة ثابتة نحو زاوية 90 درجة، يتم قطع المزيد من الخطوط. يصل قطع خطوط القوة إلى أقصى حد له عندما يكون المحرك عند زاوية 90 درجة، مما ينتج عنه أعلى تيار في اتجاه واحد. عند دورانه نحو زاوية 180 درجة، يقل عدد خطوط القوة المقطوعة، مما ينتج عنه جهد أقل حتى يصبح صفرًا مرة أخرى عند زاوية 180 درجة. يبدأ الجهد في الارتفاع مجددًا عندما يتجه المحرك نحو القطب المقابل عند زاوية 270 درجة. عند هذه الزاوية، يتولد التيار في الاتجاه المعاكس، مما ينتج عنه أعلى جهد على الجانب الآخر. ينخفض ​​الجهد مرة أخرى عند اكتمال الدوران. في دورة واحدة، يتم إنتاج خرج التيار المتردد بدورة كاملة واحدة كما هو ممثل في الموجة الجيبية .

يمكن إضافة المزيد من الأقطاب إلى مولد أحادي الطور للسماح بدورة واحدة بإنتاج أكثر من دورة واحدة من التيار المتردد. في المثال الموضح على اليسار، أُعيد تصميم الجزء الثابت (الساكن) ليحتوي على 4 أقطاب متساوية التباعد، حيث يقع القطب الشمالي بجوار القطبين الجنوبيين. كما تم تغيير شكل الجزء الدوار (العضو المتحرك)، فلم يعد مستطيلاً مسطحاً، بل تم ثني ذراعه بزاوية 90 درجة. يسمح هذا لأحد جانبي العضو المتحرك بالتفاعل مع القطب الشمالي، بينما يتفاعل الجانب الآخر مع القطب الجنوبي، على غرار تصميم القطبين. ويستمر التيار بالتدفق عبر مجموعتي حلقات الانزلاق والفرش بنفس طريقة تصميم القطبين. الفرق هو أنه يمكن إكمال دورة واحدة من التيار المتردد بعد دوران العضو المتحرك بزاوية 180 درجة، أي دورتين في دورة واحدة، مما يزيد من تردد خرج المولد. يمكن إضافة المزيد من الأقطاب لتحقيق تردد أعلى عند نفس سرعة دوران المولد، أو نفس تردد الإخراج عند سرعة دوران أقل للمولد حسب التطبيقات.

يُتيح لنا هذا التصميم أيضًا زيادة جهد الخرج بتعديل شكل العضو الدوار. يُمكننا إضافة المزيد من الحلقات المستطيلة إلى العضو الدوار كما هو موضح في الصورة على اليمين. تُوصل الحلقات الإضافية على ذراع العضو الدوار على التوالي، وهي في الواقع لفائف إضافية من نفس سلك الموصل لتشكيل ملف مستطيل الشكل. في هذا المثال، يوجد 4 لفائف في الملف. نظرًا لأن أشكال جميع اللفائف متطابقة، فإن عدد خطوط المجال المغناطيسي سيُقطع بنفس المقدار وفي نفس الاتجاه وفي نفس الوقت في جميع اللفائف. ينتج عن ذلك خرج تيار متردد متوافق الطور لهذه اللفائف الأربعة. ونتيجة لذلك، يزداد جهد الخرج 4 مرات كما هو موضح في الموجة الجيبية في الرسم التخطيطي. ^{[ 4 ]}

يُصمَّم مولد المجال الدوار بحيث يكون جزء المحرك على الجزء الثابت (الساكن) وجزء المجال المغناطيسي على الجزء الدوار (الدوار). يوضح الشكل على اليمين تصميمًا أساسيًا لمولد أحادي الطور ذي مجال دوار. يوجد قطبان مغناطيسيان، شمالي وجنوبي، متصلان بالجزء الدوار، وملفان موصولان على التوالي بمسافات متساوية على الجزء الثابت. تكون لفات الملفين متعاكسة الاتجاه لضمان تدفق التيار في نفس الاتجاه، نظرًا لتفاعلهما الدائم بقطبية متعاكسة. ولأن الأقطاب والملفات متساوية المسافة، وتتطابق مواقع الأقطاب مع مواقع الملفات، فإن خطوط المجال المغناطيسي تُقطع بنفس المقدار عند أي درجة من دوران الجزء الدوار. ونتيجة لذلك، تكون الفولتية المستحثة في جميع الملفات متساوية القيمة في أي لحظة. وتكون الفولتية الناتجة من كلا الملفين متوافقة في الطور . وبالتالي، فإن جهد الخرج الكلي يساوي ضعف الفولتية المستحثة في كل ملف. في الشكل، عند نقطة التقاء القطب رقم 1 والملف رقم 1، يُنتج المولد أعلى جهد خرج في اتجاه واحد. ومع دوران الدوّار 180 درجة، يتغير جهد الخرج ليُنتج أعلى جهد في الاتجاه الآخر. ^{[ 3 ]} في هذه الحالة، يساوي تردد خرج التيار المتردد عدد دورات الدوّار في الثانية. ^{[ 1 ]}

يُتيح هذا التصميم أيضًا زيادة تردد الخرج بإضافة المزيد من الأقطاب. في المثال الموضح على اليمين، لدينا 4 ملفات موصولة على التوالي في الجزء الثابت، ويحتوي الجزء الدوار على 4 أقطاب. تتباعد الملفات والأقطاب بمسافات متساوية. لكل قطب قطبية معاكسة للأقطاب المجاورة له، والتي تشكل زاوية 90 درجة. كما أن لكل ملف اتجاه لف معاكس لأقطابه المجاورة. يسمح هذا التكوين بقطع خطوط المجال المغناطيسي عند الأقطاب الأربعة بواسطة الملفات الأربعة بنفس المقدار في كل دورة. عند كل دورة بزاوية 90 درجة، تنعكس قطبية جهد الخرج. وبالتالي، تتكون 4 دورات لخرج التيار المتردد في دورة واحدة. نظرًا لأن الملفات الأربعة موصولة على التوالي ومخارجها متوافقة في الطور، فإن خرج التيار المتردد لهذا المولد أحادي الطور سيكون أربعة أضعاف الجهد الناتج عن كل ملف على حدة. ^{[ 3 ]}

تتمثل إحدى مزايا تصميم المجال الدوار في أنه إذا كانت الأقطاب عبارة عن مغناطيسات دائمة ، فلا حاجة لاستخدام أي حلقة انزلاق وفرشاة لتوصيل الكهرباء من المولد لأن الملفات ثابتة ويمكن توصيلها مباشرة من المولد إلى الأحمال الخارجية.

في المراحل الأولى لتطوير الطاقة الكهرومائية ، لعبت المولدات أحادية الطور دورًا هامًا في إثبات فوائد التيار المتردد. ففي عام 1891، تم تركيب  مولد أحادي الطور بقدرة 100 حصان وجهد 3000 فولت وتردد 133 هرتز في محطة أميس لتوليد الطاقة الكهرومائية، وكان موصولًا بعجلة بيلتون المائية عبر سير ناقل. ونُقلت الطاقة عبر كابلات بطول 4.2 كيلومتر (2.6 ميل) لتشغيل محرك مماثل في الطاحونة. وكانت هذه المحطة الأولى التي تولد طاقة كهربائية بالتيار المتردد للتطبيقات الصناعية، وقد أثبتت كفاءة نقل التيار المتردد. وشكّل هذا سابقةً لمحطات أكبر بكثير، مثل محطة إدوارد دين آدامز لتوليد الطاقة في شلالات نياجرا، نيويورك ، عام 1895. ^{[ 12 ]} ومع ذلك، كانت المحطات الأكبر حجمًا تُشغّل باستخدام مولدات متعددة الأطوار لتحقيق كفاءة أعلى. ولذلك، اقتصر استخدام توليد الطاقة الكهرومائية أحادية الطور على حالات خاصة، مثل الأحمال الخفيفة. 

تم تطبيق مثال على استخدام التيار أحادي الطور في حالة خاصة عام 1902 في محطة سانت لويس لتوليد الطاقة الكهربائية البلدية. حيث  تم توصيل مولد أحادي الطور بقدرة 20 كيلوواط مباشرةً بعجلة مائية من نوع بيلتون لتوليد كهرباء كافية لتشغيل الأحمال الخفيفة. كان هذا بمثابة عرض مبكر للطاقة الكهرومائية داخل الأنابيب، وذلك لاستخلاص الطاقة من تدفق المياه في خط أنابيب المياه العام . لم تكن الطاقة اللازمة لخط المياه الرئيسي في هذه الحالة ناتجة عن الجاذبية، بل تم ضخ المياه بواسطة محرك بخاري أكبر في محطة ضخ لتزويد المستهلكين بالمياه. استند قرار ضخ المياه بواسطة محرك أكبر، ثم استخلاص جزء من طاقة تدفق المياه لتشغيل مولد أصغر باستخدام العجلة المائية، إلى عامل التكلفة. في ذلك الوقت، لم تكن المحركات البخارية فعالة من حيث التكلفة لنظام بقدرة 20 كيلوواط. لذلك، تم تركيب مضخة مياه بخارية لتوفير طاقة كافية للحفاظ على ضغط المياه للمستهلكين، ولتشغيل مولد صغير في الوقت نفسه. ^{[ 13 ]} 

يُستخدم توليد الطاقة الكهرومائية أحادية الطور بشكل رئيسي اليوم لتزويد شبكة جر السكك الحديدية بالطاقة. وتعتمد العديد من شبكات نقل الطاقة الكهربائية للسكك الحديدية، وخاصة في ألمانيا، على توليد ونقل الطاقة أحادية الطور، والتي لا تزال قيد الاستخدام حتى اليوم. ومن أبرز محطات توليد الطاقة محطة فالشنزي الكهرومائية في بافاريا . تستمد المحطة المياه من بحيرة فالشنزي المرتفعة لتشغيل ثمانية توربينات تُشغل بدورها المولدات. أربعة من هذه التوربينات ثلاثية الطور لتزويد شبكة الكهرباء . أما المولدات الأربعة الأخرى فهي أحادية الطور، ومتصلة بتوربينات بيلتون التي تبلغ قدرتها الإجمالية 52 ميغاواط لتزويد شبكة السكك الحديدية الألمانية بالكهرباء بجهد 15 كيلوفولت تيار متردد . ^{[ 14 ]}

تُستخدم أنظمة توليد الطاقة الكهرومائية أحادية الطور المماثلة في نوع آخر من أنظمة كهربة السكك الحديدية في الولايات المتحدة. توفر محطة توليد الطاقة في سد سيف هاربور بولاية بنسلفانيا الطاقة لكل من المرافق العامة وشركة أمتراك للسكك الحديدية. يرتبط اثنان من توربيناتها الأربعة عشر بمولدين أحاديي الطور لتزويد نظام جرّ أمتراك بتردد 25 هرتز . التوربينان من نوع كابلان بخمس شفرات، وتبلغ قدرتهما 42,500 حصان. ^{[ 15 ]}

في السنوات الأولى، استُخدمت محركات البخار كمحركات رئيسية للمولدات. وكان تركيبٌ في محطة سانت لويس لتوليد الطاقة الكهربائية البلدية في مطلع القرن العشرين مثالاً على استخدام محركات البخار مع مولدات أحادية الطور. استخدمت محطة سانت لويس محرك بخار مركب لتشغيل  مولد أحادي الطور بقدرة 100 كيلوواط، والذي أنتج تيارًا كهربائيًا بقدرة اسمية تبلغ 1150 فولتًا. ^{[ 13 ]}

استُخدمت المحركات البخارية أيضًا خلال القرن العشرين في محطات توليد الطاقة لشبكات الجر التي كانت تعتمد على توزيع الطاقة أحادي الطور لخطوط سكك حديدية محددة. وكانت مجموعة خاصة من المولدات أحادية الطور المزودة بتوربينات بخارية في محطة ووترسايد لتوليد الطاقة في مدينة نيويورك عام 1938 مثالًا على أنظمة التوليد والتوزيع هذه. وفي أواخر سبعينيات القرن العشرين، أُخرجت هذه المولدات من الخدمة نهائيًا بسبب مخاوف من تعطل أحد التوربينات في محطة أخرى. واستُبدلت المولدات بمحولين كهربائيين لخفض الطاقة من مصدر ثلاثي الأطوار إلى مصدر الطاقة أحادي الطور الموجود في نظام التغذية العلوية. وفي نهاية المطاف، استُبدلت المحولات بمحولين دوريين إلكترونيين . ^{[ 8 ]}

تُستخدم محطات الطاقة النووية عادةً كمحطات تحميل أساسية ذات قدرات عالية جدًا لتزويد الشبكات الكهربائية بالطاقة. وتُعد محطة نيكارويستهايم 1 في نيكارويستهايم محطة طاقة نووية فريدة من نوعها، إذ أنها مُجهزة بمولدات أحادية الطور عالية القدرة لتزويد خطوط السكك الحديدية الألمانية (دويتشه بان) بجهد تيار متردد محدد بتردد 16.67  هرتز. وينقل مفاعل الماء المضغوط الطاقة الحرارية إلى توربينين ومولدين بقدرة 187 ميغاواط و152 ميغاواط على التوالي. ^{[ 16 ]}