مبدأ عمل محرك التيار المستمر

تشير آلة التيار المباشر (آلة DC) إلى محرك دوار قادر على تحويل الطاقة الكهربائية من التيار المباشر إلى طاقة ميكانيكية (كمحرك DC) أو تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية بتيار مباشر (كمولد DC). هو نوع من المحركات يسهل التحويل المتبادل بين الطاقة الكهربائية والميكانيكية. عندما يعمل كمحرك، فإنه يعمل كمحرك DC، حيث يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية؛ عند تشغيله كمولد، فإنه يعمل كمولد تيار مستمر، حيث يقوم بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.

 

هيكل التكوين

يجب أن يتكون هيكل محرك التيار المستمر من جزأين رئيسيين: الجزء الثابت والدوار. يسمى الجزء الثابت من محرك DC أثناء التشغيل بالجزء الثابت. تتمثل الوظيفة الرئيسية للجزء الثابت في توليد مجال مغناطيسي، يتكون من قاعدة المحرك، والأقطاب المغناطيسية الرئيسية، والأقطاب العكسية، والأغطية الطرفية، والمحامل، وأجهزة الفرشاة. الجزء الذي يدور أثناء التشغيل يسمى الدوار، والذي يولد بشكل أساسي عزم الدوران الكهرومغناطيسي والقوة الدافعة الكهربائية المستحثة. إنه مركز تحويل الطاقة في محركات التيار المستمر، لذلك يطلق عليه عادةً عضو الإنتاج، ويتكون من عمود، وقلب عضو الإنتاج، ولف عضو الإنتاج، ومبدل التيار، والمروحة.

 

القطب المغناطيسي الرئيسي

وظيفة القطب المغناطيسي الرئيسي هي توليد مجال مغناطيسي بفجوة هوائية. يتكون القطب المغناطيسي الرئيسي من جزأين: النواة الحديدية للقطب المغناطيسي الرئيسي ولف الإثارة. يتكون قلب الحديد عمومًا من صفائح فولاذية من السيليكون بسمك 0.5 مم إلى 1.5 مم، والتي يتم ضغطها وتثبيتها معًا. وهي مقسمة إلى قسمين: جسم العمود وأحذية العمود. يسمى الجزء الموجود أعلى ملف الإثارة بجسم القطب، والجزء السفلي المتسع يسمى حذاء القطب. أحذية القطب أعرض من جسم القطب، والتي يمكنها ضبط توزيع المجال المغناطيسي في فجوة الهواء وتسهيل تثبيت ملف الإثارة. يتكون ملف الإثارة من سلك نحاسي معزول وملفوف حول قلب القطب المغناطيسي الرئيسي. يتم تثبيت القطب المغناطيسي الرئيسي بالكامل على قاعدة الماكينة بمسامير،

عكس القطب

تتمثل وظيفة عمود الانعكاس في تحسين التخفيف وتقليل شرارات التبديل المحتملة بين الفرشاة الكهربائية والمبدل أثناء تشغيل المحرك. يتم تثبيته بشكل عام بين قطبين مغناطيسيين رئيسيين متجاورين ويتكون من قلب حديدي لقطب عكسي ولف قطب عكسي. يتكون لف القطب العكسي من أسلاك معزولة ملفوفة حول قلب حديد القطب العكسي، وعدد أقطاب العكس يساوي الأقطاب المغناطيسية الرئيسية.

 

قاعدة الآلة

يُطلق على الغلاف الخارجي للجزء الثابت للمحرك اسم القاعدة. وظيفة قاعدة الآلة ذات شقين:

يتم استخدام أحدهما لإصلاح القطب المغناطيسي الرئيسي، وعكس القطب، والغطاء النهائي، ودعم وإصلاح المحرك بأكمله؛

ثانيًا، قاعدة الآلة نفسها هي أيضًا جزء من الدائرة المغناطيسية، التي تشكل المسار المغناطيسي بين القطبين المغناطيسيين. الجزء الذي يمر من خلاله التدفق المغناطيسي يسمى النير المغناطيسي. لضمان أن قاعدة الماكينة تتمتع بقوة ميكانيكية كافية وموصلية مغناطيسية جيدة، فهي مصنوعة بشكل عام من الفولاذ المصبوب أو ملحومة من ألواح الصلب.

 

جهاز الفرشاة الكهربائية

يستخدم جهاز الفرشاة الكهربائية لإدخال أو استخراج جهد التيار المستمر والتيار المستمر. يتكون جهاز الفرشاة الكهربائية من فرشاة كهربائية، وحامل فرشاة، وقضيب فرشاة، وحامل قضيب فرشاة. يتم وضع الفرشاة الكهربائية في حامل الفرشاة ويتم ضغطها بزنبرك لضمان اتصال انزلاقي جيد بين الفرشاة والمبدل. يتم تثبيت حامل الفرشاة على قضيب الفرشاة المثبت على مقعد قضيب الفرشاة الدائري ويجب عزله عن بعضه البعض. يتم تثبيت مقعد قضيب الفرشاة على الغطاء النهائي أو الغطاء الداخلي للمحمل، ويمكن تعديل الوضع المحيطي. بعد التعديل يتم تثبيته.

 

(1) حديد التسليح الأساسية

قلب عضو الإنتاج هو الجزء الرئيسي من الدائرة المغناطيسية الرئيسية ويستخدم لتضمين ملف عضو الإنتاج. يتكون قلب حديد المحرك العام من صفائح فولاذية من السيليكون بسمك 0.5 مم مثقوبة ومغلفة لتقليل خسائر التيار الدوامي والتباطؤ المتولدة في قلب حديد المحرك أثناء تشغيل المحرك. يتم تثبيت قلب الحديد المكدس على العمود أو قوس الدوار. تحتوي الدائرة الخارجية للنواة الحديدية على فتحات حديد التسليح، حيث يتم تضمين اللفات حديد التسليح.

(2) لف المحرك

تتمثل وظيفة ملف عضو الإنتاج في توليد عزم دوران كهرومغناطيسي وقوة دافعة كهربائية مستحثة، وهو مكون رئيسي لتحويل الطاقة في محركات التيار المستمر، لذلك يطلق عليه اسم عضو الإنتاج. وهي تتألف من العديد من الملفات (المشار إليها فيما بعد بالمكونات) المتصلة وفقًا لقواعد معينة. يتم لف الملفات بسلك مطلي بالمينا عالي القوة- أو سلك نحاسي مسطح مغلف بالألياف الزجاجية. تنقسم حواف الملف للملفات المختلفة إلى طبقات علوية وسفلية ويتم دمجها في فتحة عضو الإنتاج. يجب الحفاظ بشكل صحيح على العزل بين الملف والقلب الحديدي، وكذلك بين حواف الملف العلوية والسفلية. لمنع قوة الطرد المركزي من رمي حافة الملف خارج الفتحة، يتم تثبيت الفتحة باستخدام أسافين الفتحة. يتم ربط جزء التوصيل النهائي للملف الممتد خارج الفتحة بشريط زجاجي منسوج غير متصلب بالحرارة.

 

(3) العاكس

في محرك التيار المستمر، تم تجهيز العاكس بفرش كهربائية، والتي يمكنها تحويل طاقة التيار المستمر الخارجية إلى تيار متردد في ملف المحرك، مع الحفاظ على اتجاه عزم الدوران الكهرومغناطيسي ثابتًا؛ في مولد التيار المستمر، يتم تجهيز عاكس التيار بفرش كهربائية، يمكنها تحويل القوة الدافعة الكهربائية المتناوبة المستحثة في ملف المحرك إلى قوة دافعة كهربائية مباشرة مستمدة من الفرش الكهربائية الموجبة والسالبة. المقوم هو جسم أسطواني يتكون من العديد من أجزاء المبدل، والتي تكون معزولة بصفائح الميكا فيما بينها.

 

(4) رمح الدورية

يلعب العمود دورًا داعمًا في دوران الدوار ويتطلب درجة معينة من القوة الميكانيكية والصلابة. تتم معالجتها بشكل عام من الفولاذ المستدير

الفئات الرئيسية

 

(5) مولد العاصمة

مولد التيار المستمر هو آلة تقوم بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية تعمل بالتيار المستمر. يتم استخدامه بشكل أساسي كمصدر طاقة الإثارة لمحركات التيار المستمر، والتحليل الكهربائي، والطلاء الكهربائي، والصهر الكهربائي، والشحن، ومولدات التيار المتردد. على الرغم من أن مكونات مقوم الطاقة تستخدم أيضًا في الأماكن التي يكون فيها التيار المباشر ضروريًا لتحويل التيار المتردد إلى تيار مباشر، فيما يتعلق ببعض جوانب الأداء، لا يمكن لمصادر طاقة مقوم التيار المتردد أن تحل محل مولدات التيار المباشر تمامًا.

(6) محرك بتيار مستمر

جهاز دوار يحول الطاقة الحالية المباشرة إلى طاقة ميكانيكية. يوفر الجزء الثابت للمحرك الكهربائي مجالًا مغناطيسيًا، ويوفر مصدر طاقة التيار المستمر تيارًا لملف الدوار، ويحافظ العاكس على اتجاه تيار الدوار وعزم الدوران الناتج عن ثابت المجال المغناطيسي. يمكن تقسيم محركات التيار المستمر إلى فئتين بناءً على ما إذا كانت مجهزة بمبدلات فرشاة شائعة الاستخدام، بما في ذلك محركات التيار المستمر ذات الفرشاة ومحركات التيار المستمر بدون فرش.

يعد محرك DC بدون فرشات نوعًا جديدًا من محركات التيار المستمر التي تم تطويرها في السنوات الأخيرة مع تطور تكنولوجيا المعالجات الدقيقة، وتطبيق أجهزة إلكترونية جديدة للطاقة ذات تردد تحويل عالي واستهلاك منخفض للطاقة، بالإضافة إلى تحسين طرق التحكم وظهور مواد مغناطيسية دائمة منخفضة التكلفة ومستوى طاقة مغناطيسي مرتفع.

(7) مبدأ التحكم

مبدأ التحكم في محرك DC بدون فرش هو أنه من أجل جعل المحرك يدور، يجب على وحدة التحكم أولاً تحديد موضع دوار المحرك الذي يستشعره مستشعر القاعة، ثم تحديد ترتيب تشغيل (أو إيقاف تشغيل) ترانزستورات الطاقة في العاكس وفقًا لملف الجزء الثابت. إن AH، BH، CH (تسمى ترانزستورات الطاقة ذات الذراع العلوي) و AL، BL، CL (وتسمى هذه ترانزستورات الطاقة ذات الذراع السفلية) في العاكس تجعل التدفق الحالي عبر ملف المحرك بالتسلسل لتوليد مجال مغناطيسي دوار للأمام (أو للخلف)، ويتفاعل مع مغناطيس الدوار، وذلك لجعل المحرك يدور في اتجاه عقارب الساعة/عكس اتجاه عقارب الساعة. عندما يدور دوار المحرك إلى الموضع الذي يستشعر فيه مستشعر القاعة مجموعة أخرى من الإشارات، تقوم وحدة التحكم بتشغيل المجموعة التالية من ترانزستورات الطاقة، بحيث يمكن للمحرك الدوري الاستمرار في الدوران في نفس الاتجاه حتى تقرر وحدة التحكم إيقاف دوار المحرك وإيقاف تشغيل ترانزستورات الطاقة (أو تشغيل ترانزستورات الطاقة الموجودة أسفل الذراع فقط)؛ إذا كان سيتم عكس دوار المحرك، فسيتم عكس ترتيب تنشيط ترانزستور الطاقة.

 

بشكل أساسي، يمكن تمثيل طريقة فتح ترانزستورات الطاقة على النحو التالي: AH، مجموعة BL → AH، مجموعة CL → BH، مجموعة CL → BH، مجموعة AL → CH، مجموعة AL → CH، مجموعة BL، ولكن لا يجب فتحها كـ AH، AL أو BH، BL أو CH، CL. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن المكونات الإلكترونية تحتوي دائمًا على وقت استجابة للمفتاح، فيجب أخذ وقت استجابة ترانزستور الطاقة في الاعتبار عند إيقاف التشغيل وتشغيله. بخلاف ذلك، عندما لا يتم إيقاف تشغيل الذراع العلوي (أو الذراع السفلي) تمامًا، سيتم تشغيل الذراع السفلي (أو الذراع العلوي) بالفعل، مما يؤدي إلى حدوث ماس كهربائي بين الذراعين العلوي والسفلي واحتراق ترانزستور الطاقة.

 

عندما يدور المحرك، ستقوم وحدة التحكم بمقارنة الأمر المكون من السرعة ومعدل التسارع/التباطؤ الذي حدده السائق مع سرعة تغيير إشارة مستشعر القاعة (أو المحسوبة بواسطة البرنامج) لتحديد ما إذا كان يجب تشغيل المجموعة التالية من المفاتيح (AH أو BL أو AH أو CL أو BH أو CL أو...) ومدة وقت التشغيل. إذا كانت السرعة غير كافية، سيتم تمديدها؛ إذا كانت السرعة عالية جدًا، فسيتم تقصيرها. تم الانتهاء من هذا الجزء من العمل بواسطة PWM. PWM هي الطريقة لتحديد ما إذا كانت سرعة المحرك سريعة أم بطيئة، وكيفية إنشاء PWM هذه هي الأساس لتحقيق تحكم أكثر دقة في السرعة.

 

يجب أن يأخذ التحكم في السرعة العالية- في الاعتبار ما إذا كانت دقة CLOCK للنظام كافية لاستيعاب وقت معالجة تعليمات البرنامج. بالإضافة إلى ذلك، تؤثر طريقة الوصول إلى البيانات الخاصة بتغييرات إشارة مستشعر القاعة أيضًا على أداء المعالج ودقة الحكم والأداء في الوقت الفعلي-. أما بالنسبة للتحكم في السرعة المنخفضة-، وخاصة سرعة البدء- المنخفضة، فإن التغييرات في إشارة مستشعر القاعة التي يتم إرجاعها تصبح أبطأ. من المهم جدًا استخراج الإشارة ومعالجتها في الوقت المناسب وتكوين قيم معلمات التحكم بشكل مناسب وفقًا لخصائص المحرك. وبدلاً من ذلك، يمكن تعديل استجابة السرعة بناءً على تغييرات التشفير لزيادة دقة الإشارة من أجل تحكم أفضل. يمكن للمحرك أن يعمل بسلاسة ويستجيب بشكل جيد، ولا يمكن تجاهل مدى ملاءمة التحكم PID. كما ذكرنا سابقًا، فإن محرك التيار المستمر بدون فرش عبارة عن حلقة تحكم- مغلقة، وبالتالي فإن إشارة التغذية المرتدة تعادل إخبار قسم التحكم بمدى اختلاف سرعة المحرك عن السرعة المستهدفة، وهو الخطأ. إن معرفة الخطأ بشكل طبيعي يتطلب التعويض، وهو ما يمكن تحقيقه من خلال الضوابط الهندسية التقليدية مثل التحكم PID. ومع ذلك، فإن حالة وبيئة التحكم معقدة في الواقع ومتغيرة باستمرار. لتحقيق تحكم قوي ودائم، قد لا يتم التحكم في العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار بشكل كامل من خلال التحكم الهندسي التقليدي. لذلك، سيتم أيضًا تضمين التحكم الغامض والأنظمة المتخصصة والشبكات العصبية كنظريات مهمة للتحكم الذكي في PID.