محركات التيار المستمر

موضوع: محركات التيار المستمر 2011-02-05, 07:52

تحوِّل المحركات الكهربائية الطاقة الكهربائية إلى حركة ميكانيكية. وفي عصرنا الحالي بات استخدام المحركات الكهربائية أمراً حتمياً مع ظهورها في عدد غير محدود من التطبيقات بدءاً بالتطبيقات المنزلية (الثلاجات، الغسالات، المراوح..) والتجارية (التدفئة، التهوية، التكييف.. ) وصولاً إلى التطبيقات الصناعية (المشغلات، خطوط الإنتاج.. ).
يدرك القليل من الناس فقط العدد الحقيقي للمحركات الكهربائية الموجودة في العالم، ومدى تأثيرها على البيئة. في الحقيقة، أكثر من عشرين مليون محرك يتم تصنيعها يومياً في أنحاء العالم ! أي ما يعادل سبعة مليارات محرك جديد سنوياً ! لسوء الحظ، فإنَّ الغالبية العظمى من هذه المحركات تكون صغيرة لا تتجاوز استطاعتها بضعة كيلووات، وهذه المحركات تكون عادة ضعيفة المردود إذ يصل مردودها إلى 50% فقط، وهذا يعني أن نصف الاستطاعة المستهلكة في المحرك تتحول إلى عمل مفيد. وهذا يمثل تهديداً للبيئة وزيادة كبيرة في التكاليف، خاصةً إذا علمنا أن نصف الطاقة المستهلكة في العالم تبتلعها المحركات الكهربائية. ومن هنا كان من الضروري تطوير نظريات جديدة للتحكم بالمحركات الكهربائية، فظهرت نظريات التحكم الشعاعي Vector Control التي تتيح تشغيل المحرك بأداءٍ عالٍ عند السرعات والعزوم المختلفة وبأقل قدر ممكن من الطاقة.
مبدأ عمل المحرك الكهربائي :

إن الاكتشاف الذي قاد إلى ثورة المحركات والمولدات الكهربائية هو ببساطة مبدأ التحريك الذي قام بتفسيره كل من العالمين لابلاس (Pierre-Simon Laplace) ولورينتز (Hendrik Lorentz).
مبدأ التحريك :

إنَّ مرور تيار كهربائي في ناقل متوضع ضمن حقل مغناطيسي يولد قوة محركة تؤدي إلى تحريك الناقل.
يمكن أن يكون الناقل أي معدن (حديد، نحاس، ألمنيوم، أو غيرها) أما جهة القوة المحركة الناتجة فتعتمد على كل من الحقل المغناطيسي والتيار المار في الناقل.

الشكل 1: مبدأ التحريك
ويمكن حساب مطال هذه القوة بالعلاقة :

محركات التيار المستمر Eq1

F القوة المطبقة على الناقل [Newton]
I التيار المار ضمن الناقل [Ampere]
B كثافة التدفق المغناطيسي [Gauss]
L طول الناقل [Meter]θ الزاوية بين شعاع الحقل المغناطيسي وشعاع التيار [Radian]
البنية العامة للمحرك الكهربائي :

بشكل عام يتألف المحرك الكهربائي من الأجزاء التالية: الدوار - الثابت – الهيكل - المحور – المجمع - المسفرات - الموصلات الكهربائية.

الدوار: هو الجزء الدائر في المحرك ويكون متوازناً بإحكام ضد الاهتزازات ومطلياً بمواد خاصة لحماية الملفات، كما يسمى بالمتحرِّض (Armature).
الثابت: وهو الجزء الثابت من المحرك ويمكن أن يكون كل من الثابت أو الدوار مغانط دائمة أو ملفات كهربائية.
الهيكل: هو الجسم المعدني الذي يحيط بملفات الثابت ويحمي المحرك من العوامل الخارجية.المحور: هو الجزء الذي ينقل الحركة الميكانيكية إلى الحمولة.
المجمع: حلقة مشطورة مثبتة على محور الدوران تدور معه، ومهمتها تغيير اتجاه التيار المار في ملفات المحرك أي تحويل التيار من مستمر إلى متناوب.
المسفرات (الفحمات): وهي الموصلات الكهربائية إلى المجمع، وتكون إما نحاسية أو كربونية مثبتة بنوابض للضغط على المجمع. يوجد المجمع والمسفرات فقط في محركات التيار المستمر.
الموصلات الكهربائية: وتستخدم لتوصيل التيار الكهربائي إلى المحرك.

الشكل 2: الأجزاء العامة للمحرك الكهربائي

الشكل 3: أهم أنواع المحركات الكهربائية

محركات التيار المستمر

تؤمن محركات التيار المستمر إمكانية التحكم بالسرعة بشكل مرن وديناميكي أكثر من محركات التيار المتناوب، وهذا يعني إمكانية تغيير السرعة والعزم وحتى اتجاه دوران المحرك بحسب تغيرات الحمل ومتطلبات العمل وذلك بآليات سهلة وبسيطة.محركات التيار المستمر شائعة الاستخدام وخاصة الصغيرة منها والتي تعمل على جهود منخفضة (12V مثلا) حيث يكون نظام التحكم بها بسيطاً وذا تكلفة منخفضة.
مبدأ العمل

يسخِّر المحرك الكهربائي القوة المحركة المتولدة عن مبدأ التحريك لتسبب حركة دورانية. الأمر الذي يمكن تحقيقه بجعل الناقل (الذي سيسمى بالملف) على شكل حلقة متوضعة ضمن الحقل المغناطيسي كما يبين الشكل 4، وهذه الحلقة بإمكانها الدوران حول المحور الموضح ضمن الشكل، عندئذ تسمى الحلقات بملفات المتحرض، ويحقق كل من المجمع والمسفرات آلية لنقل التيار إلى تلك الملفات وتسمح لها بالدوران بنفس الوقت. ولفهم آلية عمل محركات التيار المستمر نعود للشكل 4، إذ نلاحظ في الحالة (a) أن القسمين A و B من الملف يخضعان لنفس الحقل المغناطيسي، ولكن جهتي التيار المار خلالهما متعاكستان، الأمر الذي ينتج قوتين متعاكستين بالجهة تشكلان مزدوجة حركية تعمل على تدوير الملف حول المحور وبجهة الدوران التي توضحها الأسهم (بجهة عقارب الساعة في حالتنا هذه)، كما يظهر الشكل (b) نفس الحالة ولكن بعد دوران الملف بزاوية 90° تقريباً، حيث نلاحظ انعكاس جهة التيار في كل من الجزأين A و B نتيجة لدوران الملف الذي يؤدي بدوره إلى انعكاس تماسات المجمع مع المسفرات الثابتة، ومن جديد يخضع الملف لمزدوجة القوى التي تعمل على دورانه باستمرار وبهذا نحصل على الحركة الدورانية.

الشكل 4: شكل مبسط يوضح يوضح مبدأ عمل محرك التيار المشتمر
أما بالنسبة للعزم والذي يعبر عنه بالقوة الدورانية التي يقدمها المحرك، فنلاحظ أن قيمته تكون عظمى عندما يكون الملف أفقياً، وتكون صغرى عندما يكون الملف شاقولياً. ولعكس جهة الدوران يتم عكس قطبية الجهد المطبق على المجمع، الأمر الذي يؤدي إلى عكس اتجاه مزدوجة القوى وبالتالي عكس جهة دوران المحرك.يظهر الشكل 5 الجزء المتحرِّض (الدوار) لمحرك حقيقي، حيث تظهر عدة ملفات يخضع كل منها للقوى المذكورة سابقاً، والتي تشكل بمجموعها العزم الكلي للمحرك. يكون كل ملف من الملفات المذكورة متصلاً إلى زوج مستقل من قطع المجمع، وذلك يسمح بتبديل جهة التيار في الوقت المناسب لكل ملف، ونتيجة لذلك سنحصل على نفس العزم من أجل جميع أوضاع المتحرض.

الشكل 5: بنية المتحرض في محرك التيار المستمر
يعد العزم Torque من أهم خصائص التشغيل للمحركات، والعزم في المحرك الكهربائي يتناسب مع القوة المطبقة على المتحرض، نلاحظ من المعادلة (1) أن هذه القوة تتناسب مع الحقل المغناطيسي والتيار (وليس الجهد). بجمع الثوابت الميكانيكية للمحرك ( كعدد الأقطاب مثلاً ) بثابت واحد K، يمكن أن نعبر عن عزم المحرك الكهربائي بالعلاقة التالية :

محركات التيار المستمر Eq2

T عزم المحرك [N.m]
KT ثابت يتعلق ببنية المحرك
IA تيار المتحرض [Ampere]
Φ التدفق المغناطيسي [Weber]
حتى الآن اطلعنا على عملية تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية ضمن المحرك، ولكن اتضح أن العملية المعاكسة (أي تحويل الطاقة الميكانيكية إلى كهربائية) ممكنة وباستخدام البنية الميكانيكية نفسها تقريباً (المحرك) والتي ستسمى حينئذ بالمولد Generator. ففي الشكل 4 مثلاً، إذا كان ملف المتحرض يدور ضمن الحقل المغناطيسي نتيجة تطبيق قوة خارجية عليه، فإننا سنحصل على الجهد (والذي يدعى حينئذ بالقوة المحركة الكهربائية Electromotive Force - EMF على قطبي المجمع.
تعطى القوة المحركة الكهربائية EMF بالمعادلة التالية:

محركات التيار المستمر Eq3

EMF الجهد المتولد عن تدوير المحرك [Volt]
KE ثابت يتعلق ببنية المحرك
n سرعة دوران المحرك [rpm]
في الحقيقة تتولد القوة المحركة الكهربائية EMF حتى في حالة عمل المحرك الكهربائي (أي وفق مبدأ التحريك وليس التوليد)، ولكن يكون لها قطبية معاكسة لجهد الخط، وهنا تسمى بالقوة المحركة الكهربائية العكسية Counter-EMF أو CEMF، وتسبب ضياع جزء من جهد الخط، أي أن الجهد الفعلي للمتحرِّض يساوي جهد الخط مطروحة منه قيمة القوة المحركة الكهربائية العكسية أي:

محركات التيار المستمر Eq4

VA الجهد الفعلي المطبق على المتحرض [Volt]
Vin جهد تغذية المحرك [Volt]
CEMF الجهد المتولد ضمن المحرك [Volt]
لا يمكن قياس VA مباشرة بأجهزة القياس البسيطة، لأنه عبارة عن تأثير داخل المتحرض، وهناك دليل فيزيائي على وجود CEMF لأن تيار المتحرض ينقص أيضاً ما يظهر في العلاقة التالية :

محركات التيار المستمر Eq5

RA مقاومة المتحرض [Ω]
تظهر هذه المعادلة تيار المتحرض كتابع للجهد المطبق مطروحة منه قيمة القوة المحركة الكهربائية العكسية. وبما أن القوة المحركة الكهربائية العكسية تزداد بزيادة سرعة دوران المحرك، بالتالي كلما زادت السرعة سينقص التيار المار في المحرك، وبالتالي نقصان العزم، وهذا يفسر محدودية سرعة محركات التيار المستمر، فعند زيادة السرعة تزداد القوة المحركة العكسية وعند استمرارها بالزيادة سيقترب جهد الخط من الصفر وبالتالي سيقترب تيار المتحرض أيضاً من الصفر.بهذا ينتهي الجزء الأول من هذه السلسلة، وسنتحدث في الجزء الثاني إن شاء الله عن أهم أنواع محركات التيار المستمر وميزاتها المختلفة.

موضوع: رد: محركات التيار المستمر 2011-02-05, 08:00

معلومات عامة عن المحركات الكهربائية

تأليف: محرم عبد الكريم
عدد القراء: 27577

» دورة بسيطة في التيار المستمر
» محرك التيار المتناوب
» محركات البنزين ومحركات الديزل