محركات التيار المستمر DC Motors

محركات التيار المستمر DC Motors

dc motor

تستخدم محركات التيار المستمر في العديد من تصميمات الميكاترونيك , يسبب خواص العزم – السرعة الذي يقدم عن طريق التوصيفات الكهربية المختلفة . يمكن التحكم في سرعات محركات التيار المستمر بنعومة وفي معظم الأحوال يمكن عكس إتجاه الحركة . بما أنه في محركات التيار المستمر تكون نسبة عزم إلي قصور ذاتي العضو الدائر عالية , لذلك فالاستجابة سريعة . أيضاً , الفرملة الديناميكية حيث يتم تغذية الطاقة المتولدة في المحرك لمقاومة مستهلكة للطاقة الكهربية , وكذلك فرملة إعادة التوليد regenerative breaking , حيث يتم إرجاع الطاقة المتولدة في المحرك إلي مصدر قدرة التيار المستمر , يمكن تنفيذها في التطبيقات التي يكون فيها التوقيفات stops السريعة مطلوبة وكذلك الكفاءة العالية .

تم تصنيف محركات التيار المستمر من حيث كيفية توليد المجالات المغناطيسية للعضو الثابت فهناك أربعة أنواع هي : المغناطيس الدائم , ملفات التوازي , ملفات التوالي , الملفات المركبة . توضح الأشكال المخططات الكهربية ومنحنيات العزم – السرعة ومنحنيات التيار – العزم . يبين الشكل منحني العزم – السرعة الذي عرض عزوم محرك يمكنه أن يقدمها عند سرعات مختلفة وعند الجهد المقنن بالنسبة لعزم يعطي بواسطة المحرك , فإنه يمكن استخدام منحني التيار – العزم لتعيين مقدار التيار المطلوب عندما يسلط الجهد المقنن علي المحرك . طبقاً للقاعدة العامة لإصبع الإبهام , فإن المحركات تعطي عزوماً كبيرة عند السرعات المنخفضة , والعزوم الكبيرة معناها أن المحرك يسحب تيارات كبيرة . أقصي عزم يمكن أن ينتجه المحرك هو عزم بدء الحركة starting torque أو عزم التوقف (Ts) stall torque عند سرعة تساوي صفر , ويقترن هذا العزم مع بدء حركة المحرك أو حالة الحمل الزائد overloading . أقصي سرعة للمحرك هي سرعته عند عدم الحمل wmax . يمكن للمحرك أن يصل لهذه السرعة فقط عند عدم الحمل أو عند تسليط عزماً علي المحرك .

Mechanical actuators 10_03

 

 

Mechanical actuators 11_03

 

 

في الأشكال , فإن V هو جهد منبع التيار المستمر , IA هو التيار في ملفات العضو الدائر ( المنتج armature ) , If هو التيار المار في ملفات العضو الثابت ( ملفات المجال field windings ) , IL هو التيار الكلي للحمل المسحوب من منبع التيار المستمر .

في محركات المغناطيس الدائم permanent magnet motors يتم تقديم مجالات العضو الثابت عن طريق مغناطيسيات دائمة كما في الشكل , التي لا تحتاج إلي تغذية خارجية وبالتالي لا تكون هناك حرارة مفقودة نتيجة I2R . يتميز محرك المغناطيس الدائم PM motor بأنه أخف وزناً وأصغر حجماً من محركات التيار المستمر الأخري المكافئة لأن قوة المجال للمغناطيسيات الدائمة عالية . العرض القطري للمغناطيس الدائم النموذجي هو حوالي ربع قرينة ذو الملفات . يمكن عكس حركة محركات الـ PM بسهولة عن طريق تحويل قطبية الجهد المسلط علي المحرك , لأن أي من التيار أو المجال كل منهما يغير اتجاه حركة المحرك . محرك الـ PM يكون مثاليا في تطبيقا تحكم الكمبيوتر بسب خطية العلاقة بين عزمه وسرعته كونها خطية . دائما يكون تصميم الحاكم أسهل عندما يكون المشغل الميكانيكي actuator خطي لأن ذلك سيبسط تحليل النظام . عندما يستخدم محرك في تطبيق التحكم في الموضع أو السرعة مع حساس تغذية مرتدة إلي حاكم يشار إلي هذا المحرك بالاسم محرك سرفو servomotor . يمكن أن تكون محركات التيار المستمر ذات المغناطيس الدائم , محركات ذات فرش brushed أو محركات التوازي shunt motors : في هذه المحركات توصل ملفات المجال علي التوازي مع المنتج حيث تتغذي من نفس المنبع . تيار الحمل الكلي هو مجموع تيار المنتج وتيار المجال . تتمتع محركات التوازي بثبات سرعتها تقريباً خلال مدي كبير من التحميل وعزم بدء حركته حوالي مرة ونصف عزم التشغيل المقنن , عزم بدء حركته هو أقل عزم بدء حركته هو أقل عزم بدء في جميع أنواع محركات التيار المستمر ويمنكن تحويله إقتصادياً ليسمح بضبط السرعة عن طريق وضع بوتانشيومتر علي التوالي مع ملفات المجال .

محركات التوالي series motors : في هذه المحركات توصل ملفات المجال علي التوالي مع المنتج كما في الشكل لذلك تكون تيار المنتج وملفات المجال متساوية . تتمتع محركات التوالي بعزم بدء عالي جداً وتعتمد السرعة بشكل كبير جداً علي الحمل فالعلاقة بين السرعة والحمل علاقة عكسية أي السرعة منخفضة عند الحمل الكبير . يمكن لمحركات التوالي أن تخفق عند فصل الحمل عنها فجأة مثل ( انقطاع السير الذي ينقل الحركة من المحرك إلي الحمل ) وذلك نتيجة القوي الديناميكية عند السرعات العالية , يطلق علي هذه الحالية من الإخفاق المصطلح run-away . لكن طوال أن يكون المحرك في حالة تحميل فلا مشكلة في هذه الحالة , يأخذ منحني العزم – السرعة شكل قطع زائد hyperbolic وهذا يعني ان العلاقة بين العزم والسرعة علاقة عكسية ولكن القدرة ثابتة خلال مدي عريض .

المحركات المركبة compound motors : تشمل هذه المحركات علي ملفات مجال توالي وملفات مجال توازي مما يعطي خواص تجمع بين خواص كل من محركات التوالي ومحركات التوازي . جزء من تيار الحمل يمر خلال كل من المنتج وملفات التوالي وباقي التيار يمر خلال ملفات التوازي فقط . السرعة القصوي للمحرك المركب علي عكس محرك التوالي ولكن تنظيم السرعة لهذا المحرك غير جيد علي خلاف محرك التوازي . العزم المتولد بواسطة المحرك المركب أقل من ما ينتجه محرك التوالي الي بنفس الحجم .

سبق وأن أشرنا من قبل أنه بعكس قطبية جهد التغذية في محركات المغناطيس الدائم ينعكس إتجاه حركة المحرك , ولكن هذا لا يحدث في حالة محركات التوالي أو محركات التوازي أو المحركات المركبة بسبب أن ذلك يؤدي إلي عكس اتجاه التيار وعكس اتجاه المجال معاً وبالتالي يظل اتجاه الحركة كما هو . لكن لعكس حركة هذه المحركات فلابد من عكس إما اتجاه التيار أو عكس إتجاه المجال , بمعني أخر إما عكس اتجاه المجال , بمعني أخر إما عكس تيار العضو الثابت أو عكس تيار العضو الدائر وليس الأثنين معاً .

المعادلات الكهربية لمحركات التيار المستمر :

يمكن صياغة معوقة منتج محرك التيار المستمر علي شكل مقاومة R علي التوالي مع مجموعة توازي مكونة من محاثة (L) inductance ومقاومة أخري R1 . بمجرد دوران المنتج فإن ملفاته تقطع المجال المغناطيسي الناتج من العضو الثابت , فإنه تستنتج قوة دافعة كهربية عكسية Vemf مضادة لجهد المنبع في ملفات المنتج . يوضح الشكل الدائرة الكهربية المكافئة للمنتج تتناسب الـ emf العكسية تناسباً طردياً مع سرعة المحرك ω بوحدة rad/sec , أي أن :

Vemf = Keω

Mechanical actuators 12_03

Figure Motor armature equivalent circuit

حيث Ke ثابت التناسب ويطلق عليه الثابت الكهربي للمحرك .

تمثيل RL الفقد المقاومي resistive للدائرة الميكانيكية وعادة تكون أكبر من المقاومة R التي تمثل مقاومة ملفات المنتج ويمكن إهمالها . إذا فرض أن الجهد المسلط علي المنتج Vin وأن التيار المار خلال المنتج Iin وبفرض أن RL= 0 , فإن المعادلة الكهربية للمحرك تكون :

Mechanical actuators 13_03

المعادلة الديناميكية لمحرك التيار المستمر ذو المغناطيس الدائم :

بما أن محرك الـ PM التيار المستمر أسهل محركات التيار المستمر في الفهم و التحليل , لذا فإننا سوف نلقي نظرة تفصيلية علي المعادلات الحاكمة للمحرك نتيجة تفاعل مجال العضو الثابت مع تيار المنتج , فإن العزم المتولد بواسطة المحرك PM DC يكون متناسباً تناسباً طردياً مع تيار المنتج أي أن :

T = Kt Iin                         (9.4)

حيث Kt ثابت العزم torque constant للمحرك . الثابت الكهربي للمحرك PM هو Ke وثابت العزم Kt محددان مهمان جداً وغالباً ما تعلن عنهما الشركة المصنعة ضمن موصفات المحرك .عندما تكون ديناميكية المحرك وحمله تم اعتبارهما , فإن العزم الذي ينتجه المحرك T يعطي بالعلاقة :

Mechanical actuators 13_06

حيث JA , JL عزوم القصور الذاتي القطبية للمنتج وللحمل علي الترتيب , أما Tf عزم الاحتكاك المضاد لدوران المنتج , TL العزم الذي يستفيد به الحمل .

عند تسليط جهد علي محرك PM DC , فإن العضو الدائر يكتسب عجلة تزايدية حتي يصل حالة التشغيل المستقر . عند الاستقرار تصبح المعادلة (9.3) .

Vin = RIin + Keω                        (9.6)

لاحظ أنه عند حالة الاستقرار stealdy stste , من معادلة (9.5) فإن عزم المحرك يوازن عزمي الاحتكاك والحمل .

بحل المعادلة (9.4) للحصول علي Iin ثم التعويض في المعادلة (9.6) نحصل علي :

Mechanical actuators 13_09

ومنها يكون العزم T:

Mechanical actuators 14_03

تنبئ هذه المعادلة بعلاقة خطية بين العزم والسرعة لمحرك الـ PM DC مسلط عليه جهد ثابت .

يوضح الشكل منحني العزم – السرعة الخطي ومنحني القدرة – السرعة لمحرك PM DC مسلط عليه جهود ثابت Vin . يمكن التعبير عن العلاقة الخطية في المعادلة (9.8) أيضاً بدلالة عزم بدء الحركة (Ts) starting torque وسرعة عدم الحمل maxω كالتالي :

Mechanical actuators 14_06

بمقارنة المعادلتين (9.8) و (9.9) إذن :

Mechanical actuators 14_08

Figure Permanent magnet DC motor characteristics .

باستخدام المعادلة (9.9) , فإن القدرة التي يسجلها المحرك عند سرعات مختلفة يمكن التعبير عنها كما يلي :

Mechanical actuators 15_03

The maximum power output of the motor occurs at the speed where

Mechanical actuators 15_07

Solving for the speed gives

Mechanical actuators 15_10

إذن , فإن أفضل سرعة يعمل عندها محرك الـ PM لإخراج أقصي قدرة هي نصف سرعة عدم الحمل .

بالإضافة إلي الثبات الكهربي وثابت العزم , يحدد المصنع أيضاً قيمة مقاومة المنتج R باستخدام المعادلات (9.4) و (9.10) , فإنه يمكن تعيين تيار التوقف (I) stall current بدلالة مقاومة المنتج وجهد المنبع , أي أن :

Mechanical actuators 15_13

معادلة التيار هي صحيحة فقط عندما يكون العضو الدائر غير دائر ( متوقف ) , لكن عند دوران العضو الدائر فإن تيارة سيتأثر بالقوة الدافعة العكسية المتولدة في ملفات العضو الدائر rotor . تيار التوقف stall current هو أقصي تيار يمر خلال المحرك عند جهد منبع محدد .

نُشرت بواسطة

farahat

الــبــاجور - المـنـوفـيـة - جمهورية مصر العربية 0106331333 سهــري لتـنـقـيـح الـعـلـوم ألـذ لي من وصل غـانـيةٍ وطيـب عنـاق وصـرير أقـلامي علـى صفحـاتـهـا أحــلـــى مـن الـدّوكـاء والعـشاق وألــــذ مـن نـقـر الفـتـاة لـدفـهــا نـقـري لألـقي الـرمل عن أوراقـي وتـــمـايـلي طرباً لحـل عويصـةٍ في الدرس أشهى من مدامة ساقي وأبـــيت سـهـران الدجـى وتبيتـه نـــومــاً وتبغي بـعــد ذلـك لحاقـي

رأيان على “محركات التيار المستمر DC Motors”

أضف تعليق

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

يمكنك استخدام أكواد HTML والخصائص التالية: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>