تحكم في سرعة المحرك الكهربائي المباشر: التحكم بمقاومة الأرماتور وتحكم في تدفق المجال

المحرك الكهربائي ذو التيار المستمر هو جهاز يقوم بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية ذات تيار مستمر. من أبرز خصائص المحرك الكهربائي ذو التيار المستمر قدرته على ضبط سرعته بسهولة وفقًا لمتطلبات معينة باستخدام طرق بسيطة. هذا المستوى من التحكم السهل في السرعة ليس سهل المنال بنفس القدر مع المحركات الكهربائية ذات التيار المتردد.

مفهوم تنظيم السرعة ومفهوم التحكم في السرعة مختلفان. في حالة تنظيم السرعة، تتغير سرعة المحرك بشكل تلقائي استجابة لظروف التشغيل المختلفة. بينما في المحرك الكهربائي ذو التيار المستمر، يتم بدء تغييرات السرعة بشكل متعمد إما يدويًا بواسطة المشغل أو آليًا عبر أجهزة التحكم. تتحدد سرعة المحرك الكهربائي ذو التيار المستمر بالعلاقة التالية:

توضح المعادلة (1) أن سرعة المحرك الكهربائي ذو التيار المستمر تعتمد على ثلاثة عوامل رئيسية: الجهد الم alimentado V، مقاومة دارة الأرماتور Ra، والمجال المغناطيسي ϕ الذي يُنتج بواسطة التيار المغناطيسي.

• عند الحديث عن التحكم في سرعة المحرك الكهربائي ذو التيار المستمر، فإن التلاعب بالجهد والمقاومة الدارة للمغناطيسية والأرماتور هم اعتبارات حاسمة. هناك ثلاث تقنيات رئيسية لتحقيق التحكم في سرعة المحرك الكهربائي ذو التيار المستمر، وهي كما يلي:

• تغيير مقاومة دارة الأرماتور (تحكم مقاومة الأرماتور أو التحكم الرهستاتي)

• تغيير المجال المغناطيسي (تحكم المجال المغناطيسي)

• تغيير الجهد المطبق (تحكم جهد الأرماتور)

يتم تقديم استكشاف أكثر عمقًا لكل من هذه الطرق للتحكم في السرعة لاحقًا.
تحكم مقاومة الأرماتور في المحرك الكهربائي ذو التيار المستمر (المحرك الموازي)
يظهر مخطط الاتصال لتنفيذ التحكم في مقاومة الأرماتور للمحرك الموازي أدناه. في هذا النهج، يتم إدخال مقاومة متغيرة Re في دائرة الأرماتور. من الجدير بالذكر أن تغيير قيمة هذه المقاومة المتغيرة لا يؤثر على المجال المغناطيسي لأن ملف التغذية متصل مباشرة بشبكة التغذية.

يظهر خصائص التيار والسرعة للمحرك الموازي أدناه.

المحرك المتسلسل
لنفحص الآن مخطط الاتصال لتحكم في سرعة المحرك الكهربائي ذو التيار المستمر المتسلسل باستخدام طريقة التحكم في مقاومة الأرماتور.

عندما يتم ضبط مقاومة دارة الأرماتور، فإنه يؤثر في نفس الوقت على التيار المتدفق عبر الدائرة والحقل المغناطيسي داخل المحرك. يؤدي الانخفاض في الجهد عبر المقاومة المتغيرة إلى تقليل الجهد المتاح للأرماتور. وبالتالي، يؤدي هذا الانخفاض في الجهد المطبق على الأرماتور إلى انخفاض في سرعة دوران المحرك.

يظهر منحنى خصائص السرعة والتيار للمحرك المتسلسل، الذي يوضح العلاقة بين سرعة المحرك والتيار المار خلاله، في الشكل أدناه.

عند زيادة قيمة المقاومة المتغيرة Re، يعمل المحرك بسرعة دوران أقل. نظرًا لأن المقاومة المتغيرة تنقل كامل تيار الأرماتور، يجب تصميمها بحيث يمكنها التعامل باستمرار مع التيار الأقصى للأرماتور دون ارتفاع درجة الحرارة أو الفشل.

عيوب طريقة التحكم في مقاومة الأرماتور

• يتم تبديد كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية كحرارة داخل المقاومة الخارجية Re، مما يؤدي إلى عدم كفاءة وإهدار الطاقة.

• تعتبر هذه الطريقة من التحكم في مقاومة الأرماتور محدودة في خفض سرعة المحرك تحت سرعته العادية للتشغيل؛ فهي لا تسمح بزيادة السرعة فوق المستوى الطبيعي.

• بالنسبة لأي قيمة محددة للمقاومة المتغيرة، فإن درجة خفض السرعة ليست ثابتة بل تتقلب اعتمادًا على الحمل المطبق على المحرك، مما يجعل تحقيق التنظيم الدقيق للسرعة صعبًا.

• نظرًا لعدم كفاءتها وتقييداتها، تعتبر هذه الطريقة من التحكم في السرعة مناسبة عادةً فقط للمحركات الصغيرة الحجم.

طريقة التحكم في المجال المغناطيسي للمحرك الكهربائي ذو التيار المستمر

يتم إنتاج المجال المغناطيسي داخل المحرك الكهربائي ذو التيار المستمر بواسطة التيار المغناطيسي. لذلك، يتم تحقيق التحكم في السرعة باستخدام هذه الطريقة من خلال ضبط مقدار التيار المغناطيسي.

المحرك الموازي

في المحرك الموازي، يتم ربط مقاومة متغيرة RC بالتوازي مع ملفات المجال الموازي، كما هو موضح في الشكل أدناه. غالبًا ما يشار إلى هذه المقاومة المتغيرة باسم منظم المجال الموازي، حيث تلعب دورًا حاسمًا في تعديل تيار المجال وبالتالي المجال المغناطيسي للمحرك.

يتم تحديد تيار المجال الموازي بالمعادلة التالية:

عند إدخال المقاومة المتغيرة RC في دارة المجال، فإنها تحد من تدفق تيار المجال. نتيجة لذلك، ينخفض المجال المغناطيسي الذي يُنتج بواسطة ملفات المجال. يؤدي هذا الانخفاض في المجال المغناطيسي إلى زيادة سرعة المحرك. وبالتالي، يعمل المحرك بسرعة دوران تتجاوز سرعته العادية غير المعدلة.

هذه الخاصية الفريدة تجعل طريقة التحكم في المجال المغناطيسي مفيدة للغاية لأغراضين رئيسيتين. أولاً، تمكن المحرك من تحقيق سرعات أعلى من سرعته العادية للتشغيل، مما يوفر مرونة في التطبيقات التي تتطلب معدلات دوران مرتفعة. ثانيًا، يمكن استخدامها للتغلب على الانخفاض الطبيعي في السرعة الذي يحدث عندما يكون المحرك تحت الحمل، مما يحافظ على سرعة أكثر استقرارًا تحت ظروف الحمل المتغيرة.

يظهر منحنى السرعة والعزوم للمحرك الموازي، والذي يوضح العلاقة بين سرعة دوران المحرك والعزم الذي يمكنه إنتاجه، أدناه. يقدم هذا المنحنى رؤى قيمة حول خصائص أداء المحرك تحت سيناريوهات تشغيل مختلفة عند تطبيق طريقة التحكم في المجال المغناطيسي.

المحرك المتسلسل

في حالة المحرك المتسلسل، يمكن تحقيق تغيير تيار المجال بأحد طريقتين: إما باستخدام موزع أو من خلال التحكم في المجال بتوصيلات متعددة.

باستخدام موزع

كما هو موضح في الشكل أدناه، يتم ربط مقاومة متغيرة Rd بالتوازي مع ملفات المجال المتسلسل. تسمح هذه التكوين بتلاعب بتوزيع التيار داخل الدائرة، مما يؤثر على قوة المجال المغناطيسي الذي يُنتج بواسطة ملفات المجال المتسلسل.

يُعرف المقاومة المتوازية في هذا التكوين بموزع. عند ربط الموزع بمقاومة متغيرة Rd، فإنه يصرف جزءًا من التيار الرئيسي بعيدًا عن ملفات المجال المتسلسل. وبالتالي، الوظيفة الرئيسية للموزع هي تقليل مقدار التيار المار عبر ملفات المجال. مع تقليل تيار المجال، ينخفض المجال المغناطيسي الذي يُنتج أيضًا. يؤدي هذا الانخفاض في المجال المغناطيسي إلى زيادة سرعة دوران المحرك. التحكم في المجال بتوصيلات متعددة. الطريقة الثانية لتغيير تيار المجال في المحرك المتسلسل هي من خلال التحكم في المجال بتوصيلات متعددة. يتم تقديم مخطط الاتصال المقابل، الذي يوضح الاتصالات الكهربائية المحددة والمكونات المعنية بهذه الطريقة، أدناه.

في طريقة التحكم في المجال بتوصيلات متعددة، يتم تعديل عدد الأمبير-اللفات بتغيير عدد اللفات النشطة. يعتبر هذا التكوين مفيدًا بشكل خاص في أنظمة الجر الكهربائي. من خلال التلاعب بعدد اللفات، يتم تغيير المجال المغناطيسي الذي يُنتج بواسطة ملفات المجال للمحرك، مما يمكّن من التحكم الدقيق في سرعة المحرك.

يظهر منحنى خصائص السرعة والعزم للمحرك المتسلسل، والذي يوضح العلاقة بين سرعة دوران المحرك والعزم الذي يمكنه إنتاجه تحت ظروف تشغيل مختلفة، أدناه. يقدم هذا المنحنى رؤى قيمة حول قدرات أداء المحرك عند استخدام طريقة التحكم في المجال بتوصيلات متعددة، مما يساعد المهندسين والفنيين على فهم كيفية استجابة المحرك لتغييرات الحمل والإعدادات السرعة.

مزايا التحكم في المجال المغناطيسي
تقدم طريقة التحكم في المجال المغناطيسي العديد من المزايا الهامة، كما يلي:

• سهولة الاستخدام: تعد هذه الطريقة بسيطة وسهلة الاستخدام، مما يسهل التنفيذ والتشغيل.

• خسارة قليلة للطاقة: نظرًا لأن المجال الموازي عادةً ما يتطلب تيارًا صغيرًا نسبيًا، فإن الطاقة المنبعثة داخل المجال الموازي تبقى صغيرة، مما يساهم في تحسين الكفاءة العامة.

• آلية زيادة السرعة: بسبب التشبع في القلب المغناطيسي في الدائرة المغناطيسية، عادةً ما لا يمكن زيادة المجال المغناطيسي فوق قيمته العادية. وبالتالي، يركز التحكم في المجال المغناطيسي بشكل أساسي على تقليل المجال، مما يؤدي إلى زيادة سرعة دوران المحرك.

• نطاق التطبيق المحدود: ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن هذه الطريقة صالحة فقط ضمن نطاق محدود. يمكن أن يؤدي تقليل المجال المغناطيسي بشكل مفرط إلى عدم استقرار في تشغيل المحرك، مما يحد من استخدامه لسيناريوهات معينة تتطلب التحكم الدقيق والاستقرار.