أساسيات المحركات - نظرية وقوانين تصميم المحرك

هل تساءلت يومًا كيف يدور المحرك؟ ما هي الأساسيات التي ينطوي عليها؟ كيف يتم التحكم فيها؟ كانت المحركات المصقولة بالتيار المستمر موجودة في السوق منذ فترة طويلة وهي تدور بسهولة على بطارية / مصدر تيار مستمر فقط بينما تشتمل المحركات الحثية والمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم على إلكترونيات معقدة ونظرية تحكم لتدويرها بكفاءة. قبل أن نصل حتى إلى ما هو محرك DC أو أنواع المحركات الأخرى ، من المهم أن نفهم عمل المحرك الخطي - المحرك الأساسي. سيساعدنا هذا على فهم الأساسيات الكامنة وراء دوران المحرك.

أنا مهندس إلكترونيات الطاقة والتحكم في المحركات وستكون المدونة التالية حول التحكم في المحركات. ولكن هناك بعض الموضوعات التي يجب فهمها قبل الخوض في عمق التحكم في المحركات وسنغطيها في هذه المقالة.

1. تشغيل محرك خطي
2. أنواع المحركات وتاريخها
3. البروز
4. تفاعل التدفق بين الجزء الثابت والدوار

تشغيل محرك خطي

كوني مهندس إلكترونيات طاقة ، لم أكن أعرف الكثير عن تشغيل المحركات. قرأت العديد من الملاحظات والكتب ومقاطع الفيديو المرجعية. لقد واجهت صعوبة في فهم بعض المحركات والتحكم فيها بشكل عميق حتى أشرت مرة أخرى إلى قوانين تحويل الطاقة الكهروميكانيكية الأساسية - قوانين Faraday و Lorentz Force. سنقضي بعض الوقت في فهم هذه القوانين. قد يعرف البعض منكم ذلك بالفعل ، لكن من الجيد مراجعته مرة أخرى. قد تتعلم شيئًا جديدًا.

قانون فاراداي

ينص قانون فاراداي للحث على العلاقة بين تدفق ملف من الأسلاك والجهد المستحث فيه.

ه (ر) = -دφ / دت… (1)

حيث تمثل Φ التدفق في الملف. هذه إحدى المعادلات الأساسية المستخدمة لاشتقاق النموذج الكهربائي للمحرك. لا يحدث هذا الموقف في المحركات العملية لأن الملف سيتكون من عدد من الدورات ، موزعة في الفضاء وعلينا حساب التدفق خلال كل من هذه المنعطفات. يمثل مصطلح ارتباط التدفق (λ) التدفق الكلي المرتبط بجميع الملفات ويتم إعطاؤه بواسطة المعادلة التالية

Φ _ن يمثل تدفق مرتبطة ب N ^عشر لفائف وN هو عدد اللفات. يمكن وصفه بأن الملف يتكون من N لفات مفردة في تكوين سلسلة. وهكذا ،

λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

عادة ما تُنسب علامة الطرح إلى قانون لينز.

ينص قانون لينز على ما يلي: يتم إحداث EMF (القوة الدافعة الكهربائية) في ملف من الأسلاك إذا تغير التدفق المرتبط به. إن قطبية EMF هي أنه إذا تم تحويل المقاوم عبره ، فإن التيار المتدفق فيه سيعارض التغيير في التدفق الذي تسبب في ذلك EMF.

دعونا نفهم قانون لينز من خلال موصل (قضيب) يوضع في مجال مغناطيسي (B̅) ويشير إلى أسفل في مستوى الورقة كما هو موضح أعلاه. القوة F _{المطبقة} تحرك القضيب أفقيًا ولكن القضيب دائمًا على اتصال مع الموصلات الأفقية. يستخدم المقاوم الخارجي R كتحويل للسماح للتيار بالتدفق. لذلك ، يعمل الترتيب كدائرة كهربائية بسيطة بمصدر جهد (EMF المستحث) ومقاوم. يتغير التدفق المرتبط بهذه الحلقة مع زيادة المنطقة المرتبطة بـ B̅. يؤدي هذا إلى إحداث EMF في الدائرة وفقًا لقانون فاراداي (يتم تحديد الحجم بمدى سرعة تغير التدفق) وقانون لينز (يتم تحديد القطبية بحيث يعارض التيار المستحث تغيير التدفق).

ستساعدنا قاعدة إبهام اليد اليمنى في معرفة اتجاه التيار. إذا قمنا بلف أصابعنا في اتجاه التيار المستحث ، فسيعطي الإبهام اتجاه المجال المتولد بواسطة هذا التيار المستحث. في هذه الحالة ، لمقاومة التدفق المتزايد بسبب المجال B̅ ، نحتاج إلى تطوير حقل خارج مستوى الورقة ، وبالتالي ، سيتدفق التيار في اتجاه عكس اتجاه عقارب الساعة. نتيجة لذلك ، تكون المحطة A أكثر إيجابية من المحطة B. من وجهة نظر التحميل ، يتم تطوير EMF موجب مع زيادة التدفق ، وبالتالي سنكتب المعادلة على أنها

ه (ر) = د λ / دينارا

لاحظ أننا تجاهلنا الإشارة السالبة لأننا نكتب هذه المعادلة من وجهة نظر الحمل. (ستظهر حالة مماثلة عندما نبدأ في التعامل مع المحركات). ستأخذ الدائرة الكهربائية النهائية الشكل على النحو التالي. على الرغم من أن الحالة التي تمت مناقشتها تتعلق بمولد ، فقد استخدمنا اصطلاح الإشارة من وجهة نظر المحرك والقطبية الموضحة في الشكل أدناه صحيحة. (سيصبح واضحًا عندما ننتقل إلى تشغيل المحرك).

يمكننا حساب EMF المستحثة على النحو التالي. ملف من دورة واحدة (موصل في هذه الحالة) سينتج ارتباط تدفق من:

حيث تمثل A مساحة الحلقة ، و l طول الموصل ، و v هي السرعة التي يتحرك بها القضيب بسبب القوة المطبقة.

بالنظر إلى المعادلة أعلاه ، يمكننا القول أن حجم EMF يتناسب مع سرعة الموصل ومستقل عن المقاوم الخارجي. لكن المقاوم الخارجي سيحدد مقدار القوة المطلوبة للحفاظ على السرعة (وبالتالي التيار). يستمر هذا النقاش إلى الأمام في شكل قانون لورنتز.

قانون لورنتز

سوف نتحقق من المعادلة أولاً ثم نحاول فهمها.

و = ف. (E + Vc x B)

تنص على أنه عندما يتحرك جسيم شحنة q بسرعة v _c في مجال كهرومغناطيسي ، فإنه يواجه قوة. في المحرك ، المجال الكهربائي E غير ذي صلة. وهكذا ،

و = ف. Vc. ب

إذا كان المجال ثابتًا بمرور الوقت على طول الموصل وعمودي عليه ، فيمكننا كتابة المعادلات أعلاه على النحو التالي:

و = ف. DX / دينارا. ب = دق / دينارا. x. B = il B = B. i. ل

يظهر أن القوة المؤثرة على الشحنة تتناسب طرديًا مع التيار.

بالعودة إلى الشكل الأول ، فقد رأينا أن القوة الخارجية المطبقة تحفز EMF الذي يحفز التيار في المقاوم. كل الطاقة تبدد كحرارة في المقاوم. يجب استيفاء قانون الحفاظ على الطاقة ومن ثم نحصل على:

F. ت = ه. أنا

تمثل هذه المعادلة كيفية تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. هذا الترتيب يسمى المولد الخطي.

يمكننا أخيرًا التحقق من كيفية تشغيل المحرك ، أي كيفية تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. في الشكل أدناه ، استبدلنا المقاوم الخارجي بمقاومة مجمعة للدائرة والآن يوجد مصدر جهد خارجي يمد التيار. في هذه الحالة، فإننا سوف نلاحظ قوة المتقدمة (F _{المتقدمة النمو}) التي قدمها قانون لورنتز. يمكن تحديد اتجاه القوة بواسطة قاعدة اليد اليمنى الموضحة أدناه

هذه هي الطريقة التي يعمل بها المحرك الخطي. جميع المحركات مشتقة من هذه المبادئ الأساسية. هناك العديد من المقالات ومقاطع الفيديو التفصيلية التي ستجدها تصف تشغيل محرك DC المصقول ، والمحركات التي لا تحتوي على فرش ، ومحركات PMSM ، والمحركات الحثية ، وما إلى ذلك. لذا ، ليس من المنطقي عمل مقال آخر يصف العملية. إليك رابط بعض مقاطع الفيديو التعليمية الجيدة حول أنواع مختلفة من المحركات وتشغيلها.

تاريخ المحركات

• تاريخياً ، كان هناك ثلاثة أنواع من المحركات التي تم استخدامها على نطاق واسع - عاكس الفرشاة DC ، والمحركات المتزامنة والحثية. تتطلب العديد من التطبيقات سرعة متفاوتة وقد تم استخدام محركات التيار المستمر على نطاق واسع. لكن إدخال الثايرستور حوالي عام 1958 وتكنولوجيا الترانزستور غيرت المشهد.
• تم تطوير المحولات التي ساعدت في تطبيق فعال للتحكم في السرعة. يمكن تشغيل وإيقاف أجهزة الترانزستور حسب الرغبة ويسمح بتشغيل PWM. أنظمة التحكم الأساسية التي تم تطويرها سابقًا كانت محركات V / f لآلات الحث.
• في موازاة ذلك ، بدأت المغناطيسات الدائمة في استبدال ملفات المجال لتحسين الكفاءة. وقد سمح استخدام العاكس إلى جانب آلات المغناطيس الدائم الجيبية بإزالة الفرشاة لتحسين عمر وموثوقية المحرك.
• كانت الخطوة الرئيسية التالية هي التحكم في هذه الآلات بدون فرش. تم تقديم نظرية التفاعل الثنائي (أو نظرية dq) بواسطة Andre Blondel في فرنسا قبل عام 1900. وقد تم دمجها مع متجهات فضائية معقدة سمحت بنمذجة آلة بدقة في حالة عابرة وثابتة. لأول مرة ، يمكن أن ترتبط الكميات الكهربائية والميكانيكية ببعضها البعض.
• لم تشهد المحركات الحثية تغيرات كثيرة حتى عام 1960. قام ألمانيان - Blaschke و Hasse ببعض الابتكارات الرئيسية التي أدت إلى التحكم المتجه الشهير لمحركات الحث. يتعامل التحكم في القوة الموجهة مع النموذج العابر للمحرك التعريفي بدلاً من الحالة المستقرة. إلى جانب التحكم في سعة الجهد إلى نسبة التردد ، فإنه يتحكم أيضًا في الطور. ساعد هذا المحرك التعريفي في التحكم في السرعة وتطبيقات المؤازرة ذات الديناميكيات العالية.
• كانت الخوارزمية غير المحسّسة هي الخطوة الكبيرة التالية للتحكم في هذه المحركات. يتطلب التحكم في القوة الموجهة (أو التحكم الميداني) معرفة موضع الدوار. تم استخدام أجهزة استشعار المواقف باهظة الثمن في وقت سابق. سمحت القدرة على تقدير موضع الدوار بناءً على نموذج المحرك للمحركات بالعمل بدون أي أجهزة استشعار.
• كانت هناك تغييرات قليلة جدًا منذ ذلك الحين. يظل تصميم المحرك والتحكم فيه كما هو إلى حد ما.

لقد تطورت المحركات منذ القرن الماضي. وقد ساعدت الإلكترونيات على استخدامها في تطبيقات مختلفة. غالبية الكهرباء المستخدمة في هذا العالم تستهلكها المحركات!

أنواع المحركات المختلفة

يمكن تصنيف المحركات بعدة طرق مختلفة. سوف ننظر في بعض التصنيفات.

هذا هو التصنيف الأكثر عمومية. كان هناك الكثير من الالتباس فيما يتعلق بمحركات التيار المتردد والتيار المستمر ومن المهم التمييز بينهما. دعونا نلتزم بالاتفاقية التالية: المحركات التي تتطلب مصدر تيار متردد "عند أطرافها" تسمى محرك التيار المتردد والتي يمكن تشغيلها على مصدر تيار مستمر "في أطرافها" تسمى محرك التيار المستمر. يعد "في أطرافه" أمرًا مهمًا لأنه يلغي نوع الإلكترونيات المستخدمة لتشغيل المحرك. على سبيل المثال: لا يمكن تشغيل محرك التيار المستمر بدون فرش مباشرة على مصدر التيار المستمر ويتطلب دائرة إلكترونية.

يمكن تصنيف المحرك بناءً على مصدر الطاقة وعلى أساس التبديل - الفرشاة أو بدون فرش ، كما هو موضح أدناه

على الرغم من أنني لا أتعمق في تصميم المحرك لأي من المحركات المذكورة أعلاه - هناك موضوعان مهمان أود التعامل معه - الملوحة والتفاعل بين تدفق الدوار مع تدفق الجزء الثابت.

البروز

تتأثر جوانب معلمات الماكينة مثل إنتاج عزم الدوران والحث بالهيكل المغناطيسي للآلة (في آلات المغناطيس الدائم). وأبسط هذا الجانب هو البروز. البروز هو مقياس التغير في الإحجام مع موضع الدوار. وطالما أن هذا التردد ثابت مع كل موضع للدوار ، فإن الآلة تسمى غير بارزة. إذا تغير التردد مع وضع الدوار ، فإن الآلة تسمى البارز.

لماذا البروز مهم لفهمه؟ لأن المحرك البارز يمكن أن يكون له الآن طريقتان لإنتاج عزم الدوران. يمكننا الاستفادة من اختلاف الممانعة في المحرك لإنتاج عزم دوران ممانعة مع عزم الدوران المغناطيسي (الناتج عن المغناطيس). كما هو موضح في الشكل أدناه ، يمكننا تحقيق مستويات عزم أعلى لنفس التيار مع إضافة عزم دوران ممانعة. سيكون هذا هو الحال مع محركات IPM (المغناطيس الداخلي الدائم). (هناك محركات تعمل بحتة على تأثير الممانعة ولكننا لن نناقشها هنا.) سيساعدك الموضوع التالي على فهم ارتباط التدفق والتميز بشكل أفضل.

(ملاحظة: يشير Angle Advance في الشكل أدناه إلى فرق الطور بين تيار الجزء الثابت وتدفق فجوة الهواء.)

تفاعل التدفق بين الدوار والجزء الثابت

ينتقل التدفق في المحرك من الدوار عبر فجوة الهواء إلى الجزء الثابت ويعود مرة أخرى عبر فجوة الهواء إلى الجزء المتحرك لإكمال الحلقة الميدانية. في هذا المسار ، يرى التدفق ترددات مختلفة (مقاومة مغناطيسية). تتمتع التصفيح (الصلب) بمقاومة منخفضة للغاية بسبب ارتفاع μ _r (النفاذية النسبية للصلب في حدود الآلاف) في حين أن الفجوة الهوائية لها مقاومة عالية جدًا (μ _r تساوي تقريبًا 1).

إن MMF (القوة الدافعة المغناطيسية) التي تم تطويرها عبر الفولاذ أقل بكثير حيث أنها ذات تردد ضئيل مقارنة بفجوة الهواء. (التناظرية للدائرة الكهربائية سيكون: مصدر الجهد (المغناطيس) يقود التيار (التدفق) من خلال المقاوم (ممانعة فجوة الهواء) الموصلات (الصلب) المتصلة بالمقاوم لها مقاومة منخفضة جدًا ويمكننا تجاهل انخفاض الجهد (انخفاض MMF) عبره). وبالتالي فإن هيكل الجزء الثابت والصلب الدوار لهما تأثير ضئيل ويتم تطوير MMF بالكامل عبر ممانعة فجوة الهواء الفعالة (تعتبر أي مادة غير حديدية في مسار التدفق لها نفاذية نسبية مساوية لتلك الخاصة بفجوة الهواء). إن طول فجوة الهواء لا يكاد يذكر مقارنة بقطر الجزء المتحرك ويمكن الافتراض بأمان أن التدفق من الجزء المتحرك متعامد مع الجزء الثابت.هناك تأثيرات تهديبية وغير خطية أخرى بسبب الفتحات والأسنان ولكن يتم تجاهلها بشكل عام في نمذجة الماكينة. (لا يمكنك تجاهلها عند تصميم الجهاز). لكن التدفق في فجوة الهواء لا يتم الحصول عليه فقط من خلال تدفق الدوار (المغناطيس في حالة آلة المغناطيس الدائم). يساهم التيار الموجود في الملف الثابت أيضًا في التدفق. إن تفاعل هذين التدفقين هو الذي سيحدد عزم الدوران الذي يعمل على المحرك. والمصطلح الذي يصفه يسمى ارتباط تدفق فجوة الهواء الفعال. لا تكمن الفكرة في الخوض في الرياضيات واشتقاق المعادلات بل إزالة نقطتين:لكن التدفق في فجوة الهواء لا يتم الحصول عليه فقط من خلال تدفق الدوار (المغناطيس في حالة آلة المغناطيس الدائم). يساهم التيار الموجود في الملف الثابت أيضًا في التدفق. إن تفاعل هذين التدفقين هو الذي سيحدد عزم الدوران الذي يعمل على المحرك. والمصطلح الذي يصفه يسمى ارتباط تدفق فجوة الهواء الفعال. لا تكمن الفكرة في الخوض في الرياضيات واشتقاق المعادلات بل إزالة نقطتين:لكن التدفق في فجوة الهواء لا يتم الحصول عليه فقط من خلال تدفق الدوار (المغناطيس في حالة آلة المغناطيس الدائم). يساهم التيار الموجود في الملف الثابت أيضًا في التدفق. إن تفاعل هذين التدفقين هو الذي سيحدد عزم الدوران الذي يعمل على المحرك. والمصطلح الذي يصفه يسمى ارتباط تدفق فجوة الهواء الفعال. لا تكمن الفكرة في الخوض في الرياضيات واشتقاق المعادلات بل إزالة نقطتين:

• نحن مهتمون فقط بالتدفق في فجوة الهواء حيث يتم تطوير MMF بالكامل عبرها.
• يرجع ارتباط التدفق الفعال في فجوة الهواء إلى كل من تيار الجزء الثابت وتدفق الجزء المتحرك (المغناطيس) والتفاعل بينهما ينتج عزم دوران.

يوضح الشكل أعلاه الدوار والجزء الثابت لأنواع مختلفة من المحركات. سيكون من المثير للاهتمام معرفة أي منها بارز وأيها ليس كذلك؟

ملحوظة: في كل من هذه المحركات ، تم وضع علامة على محورين - D و Q. (Q- المحور هو المحور المغناطيسي والمحور D متعامد كهربائيًا عليه) سنعود إلى محوري D و Q في المقالات المستقبلية. ليس من المهم بالنسبة للسؤال أعلاه.

إجابة:

A ، B ، C - غير بارز ، D ، E ، F ، G ، H - بارز (المغناطيسات تؤثر على التردد في موضع دوار مختلف ، انظر الشكل أدناه ، في J ، K- كل من الدوار والجزء الثابت غير بارزين.

سننهي هذا المقال في هذه المرحلة. كان من الممكن مناقشة الكثير من الرياضيات والنمذجة الآلية ولكنها ستصبح معقدة للغاية هنا. لقد غطينا معظم الموضوعات اللازمة لفهم التحكم في المحرك. ستنتقل السلسلة التالية من المقالات مباشرةً إلى التحكم الموجه للميدان (FOC) ، وتعديل ناقل الفضاء (SVM) ، وإضعاف التدفق ، وجميع جوانب الأجهزة والبرامج العملية حيث من المحتمل أن تتعطل بمجرد بدء تصميم وحدة التحكم.