الآلات الكهربائية (التيار المستمر)

الات كهرباييه (تيار مستمر)

Direct current machines - Machines à courant continu

الآلات الكهربائية

آلات التيار المستمر

عبد المطلب أبو سيف

آلات التيار المستمر

الآلات الكهربائية electrical machines هي تجهيزات تقوم بتحويل الطاقة من طاقة ميكانيكية إلى طاقة كهربائية فتسمى عندئذٍ بالمولّدات الكهربائية electrical generators، أو تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية فتسمى بالمحرِّكات الكهربائية electrical motors. وتقوم بعض الآلات الكهربائية بتحويل الطاقة الكهربائية من طاقة ذات مواصفات محددة إلى طاقة كهربائية ذات مواصفات أخرى. وتسمى هذه الآلات بالمحوّلات transformers. وتُصنّف أحياناً الآلات الكهربائية ضمن مجموعتين: الآلات الدوّارة rotating machines التي تشمل جميع أنواع المولّدات والمحرّكات الكهربائية والآلات الساكنة التي تضم مختلف أنواع المحوّلات. يجب في ضوء ما سبق التفريق بين مصطلح الآلة الكهربائية، وبين المعدّات الكهربائية الأخرى بما تشمله من أجهزة apparatus وعُدَدٍ instruments وأدوات كهربائية gadgets.

آلات التيار المستمر

تعدّ آلات التيار المستمر direct current machines من أقدم أنواع الآلات الكهربائية، ففي المراحل الأولى لاستخدام الطاقة الكهربائية لم يكن التيار المتناوب معروفاً؛ واقتصرت التطبيقات على استخدام التيار المستمر فقط، لذلك كانت آلات التيار المستمر هي السائدة في تلك المرحلة. واستُخدمت هذه الآلات إما مولّدات للتيار المستمر
DC generators؛ وإما محرّكات تيار مستمر DC motors.

1 -مولّدات التيار المستمر:

يبين الشكل(1) البنية المبدئية المبسطة لمولد التيار المستمر، حيث يتكون هذا المولد في أبسط أشكاله من مغنطيس دائم (NS) permanent magnet الذي يكون ثابتاً وساكناً عن الحركة؛ والوشيعة AD) coil) القابلة للدوران في التجويف الموجود بين القطبين N وS بسرعة دوران محددة بالاتجاه المبيّن على الشكل. ويمكن للوشيعة A D أن تضم لفة واحدة أو عدداً معيناً من اللفات. يرتبط طرفا الوشيعة A وD بحلقة تسمى المجمّع commutator تدور مع الوشيعة بسرعة دورانها ذاتها ما بين مسفرتين brushes ثابتتين مصنوعتين من فحم الغرافيت ذي الناقلية العالية للتيار الكهربائي. وتُربط المسفرتان من طرفيهما الآخرين بزوج من النواقل الكهربائية إلى الحمل load المغذى من المولد.

يعمل المولد على مبدأ التحريض induction وفق قانون فاراداي الذي ينص على أنه إذا تحرك ناقل كهربائي طوله ℓ متراً ضمن حقل مغنطيسي كثافته B تسلا بسرعة ν مقيسة بالمتر في الثانية؛ تتولد في هذا الناقل عن طريق التحريض قوة محركة كهربائية
electromotive force (emf) مقدرة بالفولط تساوي جداء طول الناقل ℓ بالسرعة ν بشدة الحقل المغنطيسي B، أي:

.

وبالعودة إلى الشكل (1) فإنه عند تدوير وشيعة المولد ضمن الحقل المغنطيسي المؤثر ما بين القطبين N وS تتولد بين طرفيها A وD قوة محركة كهربائية E تحسب قيمتها من العلاقة (1). وعند ربط خرج المولد- المتمثل بالمسفرتين y وx بحملٍ كهربائي يمر تحت تأثير القوة المحركة الكهربائية E تيار كهربائي من المولد إلى الحمل لتزويده بالطاقة الكهربائية المطلوبة.

إن القوة المحركة الكهربائية (التوتر) المتولدة عند دوران وشيعة المولد ضمن الحقل المغنطيسي هي توتر مستمر، وذلك بفضل دور المجمّع. والمجمّع المبيّن في الشكل (1) هو حلقة من النحاس ذات سطح أملس شديد النعومة تنزلق بسهولة ما بين المسفرتين. وتُجزّأ حلقة المجمّع إلى نصفين تفصل بينهما طبقة عازلة لا تمرّر التيار الكهربائي. إن هذه البنية لحلقة المجمّع تجعله يقوم بدور المقوِّم rectifier لموجة التوتر التي تتولد في الأصل متناوبة ثم يقوم المجمّع بتحويلها إلى توتر مستمر. فالجزء العلوي من حلقة المجمع المرتبط بالناقل A والمسفرة x يكون واقعاً مقابل القطب N ويتولد فيه توتر موجب. أما الناقل D الموجود مقابل القطب S والمرتبط بالمسفرة y عبر النصف السفلي لحلقة المجمع فيتولد فيه توتر سالب. وعندما تدور الوشيعة نصف دورة يصبح الناقل D مقابل القطب N ويتولد فيه توتر موجب، في حين ينتقل الناقل A إلى مقابل القطب S ويصبح توتره سالباً. وهكذا مهما كانت وضعية نواقل الوشيعة تبقى قطبية التوتر في النقطة (المسفرة) x موجبة، وقطبية توتر المسفرة y سالبة وذلك بفضل وظيفة المجمّع التقويمية.

في مولد التيار المستمر الحقيقي يُستخدم لتوليد الطاقة الكهربائية مكوِّنٌ رئيسي بدلاً من الوشيعة الدوارة يسمى المتحرض أو المنتِج armature (الشكل 2). ويمثل هذا المكوِّن وملحقاته الجزء الدوار rotor من الآلة. يتكون هذا المكوِّن من جسم أسطواني مشكل من رقائق الفولاذ المغنطيسي العالي الجودة، ويحتوي هذا الجسم الأسطواني من الخارج على أخاديد تدعى بالمجاري slots مخصصة لتركيب الوشائع coils الناقلة بداخلها. ويشكّل الجزء الأخير من أسطوانة المتحرض ما يدعى بالمجمع الذي يتكون من عدد من القطاعات النحاسية الناقلة المفصولة بعضها عن بعض بفواصل عازلة. ويكون عدد قطاعات المجمع مساوياً لعدد وشائع المتحرض، حيث يتصل جانبا كل وشيعة بزوج من قطاعات المجمع. وتُركّب كتلة المتحرض مع الوشائع والمجمع على محور الدوران shaft الذي يسمح بدوران المتحرض بأقل احتكاك ممكن.

أما مهمة العضو المولّد للحقل المغنطيسي في مولّد التيار المستمر الحقيقي فيقوم به ما يدعى بالعضو المحرِّض inductor أو الثابت stator (الشكل3). وهو أسطوانة مفرَّغة من الداخل ومشكَّلة من رقائق الفولاذ المغنطيسي العالي الجودة . تركب على الوجه الداخلي لأسطوانة الثابت الأقطاب poles التي يتعلق عددها باستطاعة الآلة وسرعة دورانها، ويُلَف على هذه الأقطاب ملف تسلسلي يغذى بالتيار المستمر من أجل أن يشكِّل الحقل المغنطيسي اللازم لعمل المولد، وتتم عملية اللف بحيث يتم الحصول على مجموعة من الأقطاب المتعاكسة بالقطبية كما هو مبين في الشكل (3).

عندما يجري تدوير المتحرض حتى سرعة دورانه الاسمية بوساطة محرّك أولي ما؛ يتولد في خرج المولد توتر مستمر يحسب بالعلاقة:

حيث:

عدد النواقل الكلي لوشائع المتحرض، السيالة (التدفق) المغنطيسية المتولّدة ما بين قطبين متجاورين من أقطاب الثابت مقيسة بالويبر،سرعة دوران المتحرِّض مقدَّرة بالدورة/دقيقة.

ينتج من العلاقة (2) أن قيمة التوتر الذي يمكن الحصول عليه في مولد التيار المستمر يتناسب طرداً مع كل من: سرعة دورانه، وعدد نواقل المتحرض، والسيالة المغنطيسية. ومن جهة أخرى تتعلق سرعة دوران المولد بالاستطاعة المقدَّمة إليه من المحرِّك الأولي prime mover التي يجري تحويلها من النمط الميكانيكي إلى النمط الكهربائي. ويمكن أن يكون المحرِّك الأولي أي آلة تستطيع تزويد المولد بالطاقة الميكانيكية؛ كمحرِّك الديزل أو العنفة البخارية أو الغازية وغيرها.

أما السيالة المغنطيسية فتتعلق بعلاقة غير خطية بالتيار المغذي لوشائع الأقطاب الذي يسمى بتيار التهييج excitation current. فكلما ازداد تيار التهييج ازدادت قيمة السيالة؛ ولكن زيادة غير طردية. ويمكن الحصول على تيار التهييج (الإثارة) من منبع مستقل عن المولد، فيسمى عندئذٍ بمولد التيار المستمر ذي التهييج المستقل separately excited DC generator، كما يمكن أحياناً الحصول على هذا التيار من متحرض المولد نفسه حيث يربط ملف التهييج على التوازي مع الحمل، فيسمى المولد عندئذٍ بمولد التيار المستمر ذي التهييج التفرعي shunt DC generator.

تُستخدم مولّدات التيار المستمر في الوقت الحاضر على نطاق ضيق، وتُصنَع بتوترات واستطاعات اسمية محدودة لا تتجاوز بضعة ميغاواط. ويعود ذلك إلى جملة المشكلات الفنية المصادفة عند استثمار هذه الآلات، فالمشكلة الرئيسية لآلات التيار المستمر ناجمة عن استخدام المجمع والفحمات في هذه الآلات التي تتسبب بحدوث الشرر حول هذه العناصر من المتحرّض. ويؤدي الشرر إلى تأكل الفحمات وقطاعات المجمّع، وهذا يقتضي الاستبدال الدائم لهذه العناصر بعد مراحل غير طويلة من الاستخدام. وتتفاقم مشكلة الشرر مع ازدياد التوتر وشدة التيار في آلة التيار المستمر إلى درجةٍ أوجبت تصنيع هذه الآلات بتوترات واستطاعات محدودة. ومما أدى إلى تراجع استخدام مولدات التيار المستمر في الوقت الحاضر التطورُ الكبير الذي لاقته القالبات (المبدلات) الإلكترونية الحديثة التي تقوم بتحويل التيار المتناوب إلى تيار مستمر بالاستطاعات المطلوبة.

2 - محرّكات التيار المستمر DC motors: لها بنية مولّدات التيار المستمر نفسها والمذكورة آنفاً، لكن وظيفة المحرك - بعكس وظيفة المولد- تتمثل بتحويل الاستطاعة الكهربائية المقدَّمة للمحرك إلى استطاعة ميكانيكية لازمة لتشغيل آلة معينة كالمراوح والروافع والمضخات وما شابه ذلك. فعند تطبيق التوتر المستمر V على مرابط المحرك؛ يمر التيار I بملفات المتحرض مؤدياً إلى تولّد قوة محركة كهربائية E0 تُحسب بالعلاقة 2 نفسها المذكورة آنفاً، لكن هذه القوة المحركة تعاكس بالاتجاه التوتر المطبق، وتبقى عند حالة العمل الاسمية أصغر منه بقليل. يُحسب تيار محرّك التيار المستمر بالعلاقة:

.

يتضح من هذه العلاقة أن تيار المحرّك يتعلق بقيمة E₀ التي تتناسب طرداً مع سرعة الدوران. ففي اللحظة الأولى لتطبيق التوتر على المحرّك- عندما يكون متوقفاً- تكون E₀ معدومة، ويكون التيار مساوياً

.

ولما كانت قيمة مقاومة المتحرض R_A ضئيلة؛ فإن قيمة التيار في اللحظة الأولى لدوران المحرك- الذي يسمى تيار الإقلاع- تكون كبيرة جداً، ويمكن أن تزيد بنحو 10 إلى 20 ضعفاً عن التيار الاسمي، لذلك لابد من اتخاذ إجراءات محدّدة لتصغير تيار الإقلاع إلى حدود مقبولة بما لا يزيد على ضعف التيار الاسمي لضمان عملية إقلاع سليمة لا تتسبب بأضرار للمحرّك أو الدارة المغذّية له. وبعد أن يقلع المحرك ويصل إلى سرعة الدوران الاسمية تزداد قيمة E₀ لتصبح قريبة من قيمة توتر التغذية V، وهذا ما يقود إلى انخفاض التيار I حتى قيمته الاسمية.

من أجل توفير عمل محرك التيار المستمر لا بد من توفير منبع تغذية لملفات التهييج المولِّدة للحقل المغنطيسي . ولتبسيط بنية محرك التيار المستمر تجري تغذية كل من المتحرِّض وملف التهييج من المنبع ذاته، فإذا رُبط ملفا المتحرِّض والتهييج على التفرع؛ سمي المحرك بمحرك التيار المستمر ذي التهييج التفرعي shunt DC motor، أما إذا رُبط هذان الملفان على التسلسل فيسمى المحرك بمحرك التيار المستمر ذي التهييج التسلسلي series DC motor. ولتحسين أداء محرك التيار المستمر يُزوّد في بعض الأحيان بملفي تهييج؛ أحدهما تفرعي والآخر تسلسلي، فيسمى عندئذٍ بمحرك التيار المستمر ذي التهييج المركّب (المختلط) compound DC motor.

يبيّن الشكل (4) بعض المكوّنات الرئيسية لمحرّك التيار المستمر التي تشمل: المتحرض أو الدوّار rotor، والجزء الثابت مع ملفات التهييج wound stator، ومحور الدوران، والغلاف الخارجي frame وغيرها.

تتميز محركات التيار المستمر- على عكس المولّدات المذكورة آنفاً- بأنها بقيت محافظة على الكثير من أهميتها بين أنواع المحركات الكهربائية الأخرى حتى الآن، وذلك بفضل بعض الميزات التي تستأثر بها، ومن أهمها إمكانية التحكم في سرعة دورانها بنعومة فائقة وضمن مجال واسع. ومع ذلك فقدت هذه المحركات الكثير من مكانتها مع التطور الكبير لدارات التحكم الإلكترونية التي سمحت بالتحكم في سرعة دوران الأنواع الأخرى من المحركات الكهربائية بسهولة أكبر.

3 - بعض الأنواع الخاصة لمحركات التيار المستمر: تُستخدم في الوقت الحاضر أنواع عدة من محركات التيار المستمر ذات التصميم الخاص المختلف إلى حد ما عن البنية التقليدية لمحركات التيار المستمر المذكورة آنفاً. وتتميز معظم الأنواع الخاصة لمحركات التيار المستمر باستطاعتها الصغيرة التي لا تتجاوز عشرات أو مئات الواطات، لذلك تُستخدم هذه المحرّكات في التطبيقات الحساسة كجُمل التحكم ووسائط النقل والتجهيزات الدقيقة. وتتميز الأنواع الخاصة لمحركات التيار المستمر من المحرّكات التقليدية بخصائص تمكّنها من اكتساب سعة الاستخدام في تطبيقات كثيرة. ومن أهم الأنواع الخاصة لمحرّكات التيار المستمر يأتي محرك التيار المستمر ذو المغانط الدائمة ومحرك التيار المستمر العديم المسفرات.

محرك التيار المستمر ذو المغانط الدائمة permanent magnet DC motor: يتميز هذا المحرّك من محرك التيار المستمر العادي بعدم وجود ملف تهييج يحتاج إلى منبع تيار مستمر، ويستعاض عنه بمغنطيسات دائمة (الشكل 5).

يظهر من الشكل(5) أن محرك التيار المستمر ذا المغانط الدائمة يتكون من العضو الدوار الذي يقوم بدور المتحرِّض، كما يشتمل هذا العضو على المجمّع commutator وملفات الدّوار. ويجري إيصال التغذية إلى هذه الملفات من منبع التيار المستمر عن طريق المسفرات. أما الثابت في هذا المحرك فهو على شكل مغانط دائمة stator magnets. يتميّز هذا المحرّك من محرك التيار المستمر العادي بأنه أبسط من حيث البنية وأعلى موثوقية، لكنه أعلى كلفة بسبب الكلفة العالية للمغانط الدائمة العالية الجودة.

محرّك التيار المستمر العديم المسفرات brushless DC motor: تتمثل الميزة الرئيسية لهذا المحرّك (الشكل6) بعدم وجود المسفرات والمجمّع في تكوينه، ومن ثَمَّ عدم وجود مشكلة الشرر في أثناء عمله. فمحرك التيار المستمر العديم المسفرات يتكون من عضو دوار أسطواني الشكل مصنوع من مادة مغنطيسية ثابتة، أي إن الدوّار يمثل في هذا المحرك مغنطيساً دائماً، أما الجزء الثابت فيحتوي على عدد من الوشائع الموزّعة بانتظام على محيطه.

يجري تشغيل المحرك عن طريق تغذية وشائع الثابت بنبضات من التيار المستمر بشكل متناوب فيولِّد حقلاً مغنطيسياً يحرّك معه الدوّار بسرعة دوران معينة تبعاً لتواتر نبضات التغذية. وبفضل هذه البنية الخاصة لمحرّك التيار المستمر التي تغيب فيها المسفرات والمجمع يكتسب المحرّك ميزات ممتازة تجعله أكثر موثوقية وأقل أعطالاً وأطول عمراً للخدمة. كما يتميز هذا المحرّك بإمكانية تشغيله بسرعة دوران مختلفة يمكن أن تصل إلى عشرات آلاف الدورات في الدقيقة، بيد أن العنصر الرئيسي الذي يحقق وظيفة هذا المحرك هو دارة التحكم الإلكترونية التي تقوم بتوليد نبضات التغذية المطلوبة.

وإضافة إلى أنواع المحوِّلات المذكورة آنفاً ثمة أنواع خاصة أخرى من المحوّلات أقل انتشاراً كالمحوِّلات المغيّرة لفرق الصفحة (الطور) phase shifting transformers، ومحوّلات التأريض، والمحوِّلات المغيرة لعدد الأطوار، ومحولات العزل وغيرها.

التصنيف : الهندسة الكهربائية

النوع : الهندسة الكهربائية

المجلد: المجلد الثالث

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية