محرك بتيار مستمر

تم اختراع محرك التيار المستمر قبل أنواع أخرى من الآلات التي تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. على الرغم من أن محركات التيار المتردد أصبحت الأكثر شيوعًا مؤخرًا ، إلا أن هناك تطبيقات لا يوجد فيها بديل لمحركات التيار المستمر.

محرك DC و AC

تاريخ الاختراع

محرك كهربائي جاكوبي.

لفهم مبدأ تشغيل محركات التيار المستمر (DC Motors) ، ننتقل إلى تاريخ إنشائها. لذلك ، أوضح مايكل فاراداي أول دليل تجريبي على إمكانية تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. في عام 1821 ، أجرى تجربة مع موصل تم إنزاله في وعاء مليء بالزئبق ، وفي قاعه يوجد مغناطيس دائم. بعد تطبيق الكهرباء على الموصل ، بدأ في الدوران حول المغناطيس ، مما يدل على رد فعله على المجال المغناطيسي الموجود في الوعاء. لم تجد تجربة فاراداي تطبيقًا عمليًا ، لكنها أثبتت إمكانية إنشاء آلات كهربائية ، وأدت إلى تطوير الميكانيكا الكهروميكانيكية.

تم إنشاء أول محرك كهربائي يعمل بالتيار المستمر ، والذي كان قائمًا على مبدأ دوران الجزء المتحرك (الدوار) ، بواسطة الفيزيائي الميكانيكي الروسي بوريس سيمينوفيتش جاكوبي في عام 1834. عمل هذا الجهاز على النحو التالي:


تم استخدام المبدأ الموصوف في محرك قام جاكوبي بتثبيته في قارب يقل 12 راكبًا في عام 1839. كانت السفينة تتحرك بسرعة 3 كم / ساعة مقابل التيار (وفقًا لمصادر أخرى - 4.5 كم / ساعة) ، لكنها نجحت في عبور النهر وهبطت الركاب على الشاطئ. تم استخدام بطارية بها 320 خلية كلفانية كمصدر للطاقة ، وتم تنفيذ الحركة باستخدام عجلات مجداف.

أدت الدراسة الإضافية للقضية إلى قيام الباحثين بحل مجموعة من الأسئلة المتعلقة بمصادر الطاقة الأفضل للاستخدام ، وكيفية تحسين أدائها وتحسين أبعادها.

في عام 1886 ، صمم فرانك جوليان سبراج لأول مرة محركًا كهربائيًا يعمل بالتيار المباشر ، مشابهًا في التصميم لتلك المستخدمة حاليًا. نفذت مبدأ الإثارة الذاتية ومبدأ انعكاس الآلة الكهربائية. بحلول هذا الوقت ، تحولت جميع المحركات من هذا النوع إلى الطاقة من مصدر أكثر ملاءمة - مولد التيار المستمر.

توفر مجموعة جامع الفرشاة التوصيل الكهربائي لدائرة الدوار مع الدوائر الموجودة في الجزء الثابت من الماكينة

الجهاز ومبدأ العملية

في DPTs الحديثة ، يتم استخدام نفس مبدأ تفاعل موصل مشحون مع مجال مغناطيسي. مع تحسين التكنولوجيا ، يتم استكمال الجهاز ببعض العناصر التي تعمل على تحسين الأداء. على سبيل المثال ، يتم استخدام المغناطيس الدائم في الوقت الحاضر فقط في المحركات منخفضة الطاقة ، لأنه في الآلات الكبيرة قد يشغل مساحة كبيرة جدًا.

المبدأ الأساسي

كانت النماذج الأولية للمحركات من هذا النوع أبسط بشكل ملحوظ من الأجهزة الحديثة. تضمنت أجهزتهم البدائية فقط الجزء الثابت المكون من مغناطيسين ومُحرك مع لفات تم تطبيق التيار عليها. بعد دراسة مبدأ تفاعل المجالات المغناطيسية ، حدد المصممون خوارزمية تشغيل المحرك التالية:

  1. يخلق مصدر الطاقة مجالًا كهرومغناطيسيًا على ملفات المحرك.
  2. يتم صد أقطاب المجال الكهرومغناطيسي من نفس أقطاب مجال المغناطيس الدائم.
  3. يدور المحرك ، جنبًا إلى جنب مع العمود الذي يتم توصيله به ، وفقًا لمجال التنافر للملف.

عملت هذه الخوارزمية بشكل مثالي من الناحية النظرية ، ولكن من الناحية العملية ، واجه مبتكرو المحركات الأولى مشاكل محددة حالت دون تشغيل الآلة:

  • الوضع الميت الذي لا يمكن بدء تشغيل المحرك منه - عندما يتم توجيه القطبين تمامًا أمام بعضهما البعض.
  • عدم القدرة على البدء بسبب المقاومة القوية أو ضعف تنافر القطبين.
  • يتوقف الدوار بعد دورة واحدة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه بعد اجتياز نصف الدائرة ، فإن جاذبية المغناطيس لم تتسارع ، ولكنها أبطأت دوران الدوار.

تم العثور على حل المشكلة الأولى بسرعة كبيرة - لذلك تم اقتراح استخدام أكثر من مغناطيسين. في وقت لاحق ، تم تضمين العديد من اللفات ومجموعة فرشاة التجميع في جهاز المحرك ، والذي يوفر الطاقة لزوج واحد فقط من اللفات في وقت معين.

يحل نظام الإمداد الحالي لفرشاة المجمع أيضًا مشكلة فرملة الدوار - يحدث تبديل القطبية حتى اللحظة التي يبدأ فيها دوران الدوار في التباطؤ. هذا يعني أنه خلال دورة واحدة للمحرك يوجد على الأقل انعكاسان للقطبية.

تتم مناقشة مشكلة التيارات المنخفضة التدفق أدناه في قسم منفصل.

تصميم

لذلك ، يتم تثبيت مغناطيس دائم على غلاف المحرك ، مكونًا معه الجزء الثابت ، والذي يوجد داخله الدوار. بعد تطبيق الطاقة على ملف المحرك ، ينشأ مجال كهرومغناطيسي يتفاعل مع المجال المغناطيسي للجزء الثابت ، وهذا يؤدي إلى دوران الجزء المتحرك ، والذي يتم تثبيته بشكل صارم على العمود. لنقل التيار الكهربائي من المصدر إلى المحرك ، يكون المحرك مزودًا بمجموعة فرشاة مجمعة تتكون من:

  1. جامع. إنه عبارة عن حلقة تجميع تيار من عدة أقسام مفصولة بمادة عازلة ، متصلة بملفات المحرك ومثبتة مباشرة على عمود المحرك.
  2. فرش الجرافيت. يقومون بإغلاق الدائرة بين المجمع ومصدر الطاقة باستخدام الفرش التي يتم ضغطها على وسادات التلامس للمجمع بواسطة نوابض الضغط.

ترتبط ملفات المحرك في أحد طرفيها ببعضها البعض ، وفي الطرف الآخر بأقسام المجمع ، وبالتالي تشكل دائرة يتدفق فيها التيار على طول المسار التالي: فرشاة الإدخال -> لف الدوار -> فرشاة الإخراج.

يوضح مخطط الدائرة المعطى (الشكل 3) مبدأ تشغيل محرك DC البدائي بمجمع من قسمين:

  1. في هذا المثال ، سننظر في موضع بداية الدوار كما هو موضح في الرسم التخطيطي. لذلك ، بعد توفير الطاقة للفرشاة السفلية ، المميزة بعلامة "+" ، يتدفق التيار عبر الملف ويخلق مجالًا كهرومغناطيسيًا حوله.
  2. وفقًا لقاعدة المثقاب ، يتشكل القطب الشمالي للمرساة في الجزء الأيسر السفلي ، ويتشكل القطب الجنوبي في أعلى اليمين. كونها تقع بالقرب من أقطاب الجزء الثابت التي تحمل نفس الاسم ، فإنها تبدأ في التنافر ، وبالتالي يتم ضبط الجزء المتحرك في الحركة ، والذي يستمر حتى يصبح القطبان المتعاكسان على مسافة لا تقل عن بعضهما البعض ، أي أنهما يصلان إلى الموضع النهائي (الشكل. 1).
  3. سينتج عن تصميم المجمع في هذه المرحلة انعكاس قطبية على لفات المحرك. نتيجة لذلك ، ستكون أقطاب الحقول المغناطيسية على مسافة قريبة مرة أخرى وتبدأ في التنافر.
  4. يقوم الدوار بعمل ثورة كاملة ، ويقوم المجمع بعكس القطبية مرة أخرى ، لمواصلة حركته.

أجزاء محرك DC

هنا ، كما لوحظ بالفعل ، يتم توضيح مبدأ تشغيل النموذج الأولي البدائي. تستخدم المحركات الحقيقية أكثر من مغناطيسين ، ويتكون المبدل من المزيد من وسادات التلامس ، مما يضمن الدوران السلس.

في المحركات عالية الطاقة ، لا يمكن استخدام المغناطيس الدائم بسبب حجمها الكبير. البديل بالنسبة لهم هو نظام من عدة قضبان موصلة ، لكل منها ملف خاص به متصل بقضبان توصيل الإمداد. يتم تضمين الأقطاب التي تحمل الاسم نفسه في الشبكة في سلسلة. يمكن أن يوجد من 1 إلى 4 أزواج من الأعمدة على الجسم ، ويجب أن يتوافق عددها مع عدد فرش التجميع الحالية على المجمع.

تمتلك المحركات الكهربائية المصممة للطاقة العالية عددًا من المزايا الوظيفية على مثيلاتها "الأخف وزناً". على سبيل المثال ، يقوم الترتيب المحلي لفرش تجميع التيار بتدويرها بزاوية معينة بالنسبة للعمود للتعويض عن فرملة العمود ، والتي تسمى "تفاعل المحرك".

بدء التيارات

إن التجهيز التدريجي لدوار المحرك بعناصر إضافية تضمن تشغيله دون انقطاع واستبعاد الكبح القطاعي ، تنشأ مشكلة بدء تشغيله. لكن كل هذا يزيد من وزن الدوار - مع مراعاة مقاومة العمود ، يصبح دفعه من مكانه أكثر صعوبة. قد يكون الحل الأول لهذه المشكلة الذي يتبادر إلى الذهن هو زيادة التيار المزود في البداية ، ولكن هذا يمكن أن يؤدي إلى عواقب غير سارة:

  • قاطع الدائرة للخط لن يصمد أمام التيار وسوف ينطفئ ؛
  • الأسلاك المتعرجة سوف تحترق من الحمل الزائد ؛
  • سيتم لحام قطاعات التبديل على المجمع من ارتفاع درجة الحرارة.

لذلك ، يمكن تسمية مثل هذا القرار بأنه نصف تدبير محفوف بالمخاطر.

بشكل عام ، هذه المشكلة هي العيب الرئيسي لمحركات التيار المستمر ، ولكنها تتضمن ميزتها الرئيسية ، والتي لا غنى عنها في بعض المناطق. تكمن هذه الميزة في النقل المباشر لعزم الدوران فور بدء التشغيل - حيث يدور العمود (إذا بدأ في التحرك) مع أي حمل. محركات التيار المتردد ليست قادرة على ذلك.

حتى الآن ، لم يتم حل هذه المشكلة بالكامل. حتى الآن ، لبدء تشغيل هذه المحركات ، يتم استخدام مشغل تلقائي ، يشبه مبدأ تشغيله علبة تروس السيارات:

  1. أولاً ، يرتفع التيار تدريجياً إلى قيمة البداية.
  2. بعد "التحول" من المكان ، تنخفض القيمة الحالية بشكل حاد وترتفع مرة أخرى بسلاسة "تعديل دوران العمود".
  3. بعد الارتفاع إلى القيمة المحددة ، تنخفض القوة الحالية مرة أخرى و "تتكيف".

تتكرر هذه الدورة 3-5 مرات (الشكل 4) وتحل الحاجة إلى بدء تشغيل المحرك دون حدوث أحمال حرجة في الشبكة. في الواقع ، لا يوجد حتى الآن بداية "ناعمة" ، ولكن المعدات تعمل بأمان ، ويتم الحفاظ على الميزة الرئيسية لمحرك التيار المستمر - عزم الدوران -.

مخططات الأسلاك

يعد توصيل محرك DC أكثر صعوبة إلى حد ما من المحركات ذات مواصفات التيار المتردد.

المحركات ذات الطاقة العالية والمتوسطة ، كقاعدة عامة ، لها لف مجال خاص (OB) وملامسات حديدية موضوعة في صندوق الأطراف. في أغلب الأحيان ، يتم تطبيق جهد الخرج للمصدر على المحرك ، ويتم تطبيق التيار ، كقاعدة عامة ، الذي يتم ضبطه بواسطة مقاومة متغيرة ، على OB. تعتمد سرعة دوران المحرك بشكل مباشر على قوة التيار المطبق على ملف الإثارة.

هناك ثلاثة مخططات رئيسية لتشغيل المحرك ولف الإثارة لمحركات التيار المستمر:

  1. تُستخدم الإثارة المتسلسلة في المحركات التي تتطلب تيارًا كبيرًا في البداية (السيارات الكهربائية ، المعدات المستأجرة ، إلخ). يوفر هذا المخطط التوصيل التسلسلي لـ OF وحديد التسليح بالمصدر. بعد تطبيق الجهد ، تمر التيارات بنفس الحجم عبر لفات المحرك و OB. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن تقليل الحمل على العمود حتى بمقدار الربع مع الإثارة المتسلسلة سيؤدي إلى زيادة حادة في السرعة ، مما قد يؤدي إلى انهيار المحرك ، لذلك يتم استخدام هذه الدائرة في ظل ظروف الحمل المستمر.
  2. يتم استخدام الإثارة الموازية في المحركات التي تضمن تشغيل الأدوات الآلية والمراوح وغيرها من المعدات التي لا تحمل حمولة عالية على العمود في وقت بدء التشغيل. في هذه الدائرة ، يتم استخدام ملف مستقل لإثارة OF ، والذي يتم تنظيمه غالبًا بواسطة مقاومة متغيرة.
  3. الإثارة المستقلة تشبه إلى حد كبير الإثارة الموازية ، ولكن في هذه الحالة ، يتم استخدام مصدر مستقل لتزويد الطاقة لـ OB ، مما يلغي ظهور اتصال كهربائي بين المحرك ولف الإثارة.

في المحركات الكهربائية الحديثة التي تعمل بالتيار المستمر ، يمكن استخدام الدوائر المختلطة بناءً على الثلاثة الموصوفة.

تعديل سرعة الدوران

تعتمد طريقة تنظيم سرعة DPT على مخطط اتصالها:

  1. في المحركات ذات الإثارة المتوازية ، يمكن إجراء انخفاض في السرعة بالنسبة إلى القيمة الاسمية عن طريق تغيير جهد المحرك ، وزيادة عن طريق إضعاف تدفق الإثارة. لزيادة السرعة (لا تزيد عن 4 مرات بالنسبة إلى القيمة الاسمية) ، تتم إضافة مقاومة متغيرة إلى دائرة OB.
  2. مع الإثارة التسلسلية ، يمكن إجراء الضبط بسهولة بواسطة مقاومة متغيرة في دائرة حديد التسليح. صحيح ، هذه الطريقة مناسبة فقط لتقليل السرعة وفقط بنسب 1: 3 أو 1: 2 (بالإضافة إلى ذلك ، يؤدي هذا إلى خسائر كبيرة في مقاومة متغيرة). تتم الزيادة باستخدام ضبط مقاومة متغيرة في دائرة OB.

نادرًا ما تُستخدم هذه الدوائر في المعدات الحديثة ذات التقنية العالية ، نظرًا لأن لها نطاق ضبط ضيق وعيوب أخرى. في الوقت الحاضر ، يتم إنشاء دوائر التحكم الإلكترونية بشكل متزايد لهذه الأغراض.

عكس

من أجل عكس (عكس) دوران محرك DC ، يجب عليك:

  • مع الإثارة التسلسلية - فقط قم بتغيير قطبية جهات اتصال الإدخال ؛
  • مع الإثارة المختلطة والمتوازية - من الضروري تغيير اتجاه التيار في ملف المحرك ؛ يمكن أن يؤدي تمزق OF إلى زيادة حرجة في القوة الدافعة الكهربائية المحقونة وانهيار عزل السلك.

نطاق التطبيق

كما فهمت بالفعل ، يُنصح باستخدام محركات التيار المستمر في الظروف التي يكون فيها الاتصال الدائم المستمر بالشبكة غير ممكن. وخير مثال هنا هو مشغل السيارة الذي يدفع محرك الاحتراق الداخلي "من مكان ما" ، أو لعب الأطفال بمحرك. في هذه الحالات ، يتم استخدام البطاريات لبدء تشغيل المحرك. للأغراض الصناعية ، تستخدم DPTs في مصانع الدرفلة.

المجال الرئيسي لتطبيق DPT هو النقل الكهربائي. تتمتع القوارب البخارية والقاطرات الكهربائية والترام وحافلات الترولي وغيرها من الحافلات المماثلة بمقاومة بدء كبيرة جدًا ، والتي لا يمكن التغلب عليها إلا بمساعدة محركات التيار المستمر بخصائصها اللينة وحدودها العريضة لتنظيم الدوران. نظرًا للتطور السريع والترويج لتقنيات النقل البيئي ، فإن نطاق DPT آخذ في الازدياد فقط.

أبسط تجميع لمجمع الفرشاة

المميزات والعيوب

تلخيصًا لكل ما سبق ، من الممكن وصف المزايا والعيوب التي تتميز بها محركات التيار المستمر مقارنةً بنظيراتها المصممة للعمل على التيار المتردد.

المزايا الرئيسية:

  • لا غنى عن DCTs في المواقف التي تتطلب عزم دوران قوي ؛
  • سرعة دوران المحرك قابل للتعديل بسهولة ؛
  • محرك التيار المستمر هو آلة كهربائية عالمية ، أي يمكن استخدامه كمولد.

العيوب الرئيسية:

  • DPTs لها تكلفة إنتاج عالية ؛
  • يؤدي استخدام مجموعة مجمعات الفرشاة إلى الحاجة إلى الصيانة والإصلاح المتكررين ؛
  • يتطلب مصدر طاقة تيار مستمر أو مقومات للعمل.

بطبيعة الحال ، تفقد محركات التيار المستمر الكهربائية نظيراتها "المتغيرة" من حيث التكلفة والموثوقية ، ومع ذلك ، يتم استخدامها وسيتم استخدامها ، نظرًا لأن مزايا استخدامها في مناطق معينة تتخطى بشكل قاطع جميع العيوب.

نوصي بالقراءة