تستطيع محركات التيار المتردد توليد الكهرباء، لكن قدرتها على توليد الكهرباء تعتمد على وضع التشغيل. محركات التيار المتردد هي في جوهرها وحدة "محرك" و"مولّد"، وتستند مبادئها الأساسية إلى قانون الحث الكهرومغناطيسي. لا يتحقق التبديل بين وظائف "الكهرباء" أو "توليد الطاقة" إلا بتغيير طريقة إدخال الطاقة (طاقة كهربائية ← طاقة ميكانيكية أو طاقة ميكانيكية ← طاقة كهربائية).
1. المبدأ الأساسي: "ثنائية الاتجاه" للحث الكهرومغناطيسي
يدور كل من "الوضع الكهربائي" و"وضع توليد الطاقة" للمحركات ذات التيار المتردد حول الحث الكهرومغناطيسي، مع كون الاختلاف الوحيد هو "اتجاه تدفق الطاقة":
الوضع الكهربائي (استهلاك الطاقة): طاقة تيار متردد خارجية المدخلة → لفائف الجزء الثابت تولد مجالًا مغناطيسيًا دوارًا → يدفع المجال المغناطيسي الدوار (موصل أو ملف) لقطع خطوط الحث المغناطيسي → يولد الدوار تيارًا مستحثًا → يتعرض التيار لقوة أمبير في المجال المغناطيسي → يدفع دوران الدوار (طاقة كهربائية → طاقة ميكانيكية).
وضع توليد الطاقة (توليد الكهرباء): قوة ميكانيكية خارجية (مثل المحرك، طاحونة الهواء، توربين مائي) تدفع الدوار للدوران → المجال المغناطيسي الذي يولده الدوار (مغناطيس دائم أو لف الإثارة) يدور مع الدوار → خط الحث المغناطيسي مقطوع ويدور بواسطة لف الجزء الثابت → يحث لف الجزء الثابت قوة دافعة كهربائية متناوبة → بعد الاتصال بالحمل، يخرج تيار متناوب (طاقة ميكانيكية → طاقة كهربائية).
2. ثلاثة شروط رئيسية لتوليد طاقة المحرك المتردد
لا تستطيع جميع محركات التيار المتردد توليد الكهرباء بمجرد تشغيلها. يجب استيفاء الشروط الأساسية الثلاثة التالية لإنتاج طاقة كهربائية فعالة:
1. يجب أن يكون هناك "مجال مغناطيسي دوار" (مصدر مغناطيسي)
لتحريض القوة الدافعة الكهربائية في لف الجزء الثابت، يلزم أولاً وجود "مجال مغناطيسي متغير" (المجال المغناطيسي الدوار هو الشكل الأكثر شيوعًا)، وتنقسم مصادر المصادر المغناطيسية إلى فئتين:
نوع المغناطيس الدائم: الدوار نفسه مغناطيس دائم (مثل محرك متزامن ذي مغناطيس دائم)، لا يتطلب مصدر طاقة إضافي، ويُولّد مباشرةً مجالًا مغناطيسيًا دوارًا أثناء الدوران. يتميز بهيكل بسيط، ويُستخدم عادةً في المولدات الصغيرة (مثل توربينات الرياح المنزلية وأجهزة توليد الطاقة المحمولة).
نوع الإثارة: الدوار هو لف شائع (مثل المحركات غير المتزامنة والمولدات المتزامنة)، والذي يتطلب "تيار إثارة" خارجي (تيار مستمر أو تيار متردد) لتوليد مجال مغناطيسي في الدوار (مشابه للمغناطيس الكهربائي).
2. يجب أن تكون هناك "قوة دفع ميكانيكية" (تتغلب على عزم الدوران العكسي)
إن جوهر توليد الطاقة هو تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، لذلك يجب أن تكون هناك قوة ميكانيكية خارجية لدفع الدوار للدوران، ويجب أن تلبي السرعة متطلبين:
أعلى من "السرعة المتزامنة" (للمحركات المتزامنة): يرتبط تردد توليد الطاقة للمحركات المتزامنة (مثل 50 هرتز) ارتباطًا وثيقًا بالسرعة (الصيغة: السرعة n = 60f / p، f هو التردد، p هو رقم القطب)، وتحتاج السرعة إلى التحكم بدقة بواسطة القوة الميكانيكية لضمان تردد الإخراج المستقر (مثل مولدات التوربينات البخارية في محطات الطاقة).
فوق السرعة الحرجة المقابلة لمعدل الانزلاق (للمحركات غير المتزامنة): عندما يقوم المحرك غير المتزامن بتوليد الكهرباء، يجب أن تكون سرعة الدوار أعلى قليلاً من سرعة المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت ("سرعة فائقة التزامن") حتى تتمكن لفائف الجزء الثابت من قطع المجال المغناطيسي وتوليد الطاقة الكهربائية (وإلا فإنها تكون مجرد "عملية كهربائية").
3. يجب أن تكون هناك "حلقة مغلقة" (تخزين الحمل أو الطاقة)
يحفز ملف الجزء الثابت "قوة دافعة كهربائية متناوبة"، والتي يجب توصيلها بدائرة مغلقة (مثل الحمل المقاوم أو البطارية أو شبكة الطاقة) لتشكيل "تيار متناوب" - إذا كانت هناك دائرة مفتوحة (بدون حمل)، توجد فقط قوة دافعة كهربائية ولكن لا يوجد خرج للطاقة الكهربائية، وقد يتلف عزل الملف بسبب الجهد العالي.