آشنایی با ماشین جریان مستقیم

ماشین جریان مستقیم یک وسیله تبدیل انرژی با کاربرد بسیار در صنعت است که توانایی تولید گشتاور و راه‌اندازی بالا و متغیر برای بارهای مورد استفاده را دارد. ماشین‌های جریان مستقیم به دلیل استفاده از نیروی الکتریکی DC در خودروها، درصد زیادی از تولید ماشین‌های الکتریکی را به خود تخصیص می‌دهند. همچنین این نوع ماشین در کاربردهای صنعتی که کنترل دقیق سرعت و گشتاور مورد نیاز است، استفاده‌های فراوان دارد.

کموتاسیون

برای تبدیل کمیت چرخان (گردش آرمیچر) به کمیت مستقیم (ولتاژ و جریان) و ساکن نگه‌داشتن نیروی محرکهٔ مغناطیسی آرمیچر به کموتاتور نیاز است. مهترین کار کموتاتور همان طور که گقته شد یکسوکردن کمیت متناوب در پیچک آرمیچر به کمیت مستقیم در جاروبک‌های یک ژنراتور می‌باشد.

نیروی محرکهٔ تولید شده در آرمیچر

ولتاژ یکسوشده به وسیلهٔ جمع‌کردن عرض موج‌های تولیدشده از پیچک‌های سری به وجود می‌آید. هرچه تعداد پیچک‌های سری افزایش یابد مقدار ولتاژ DC افزایش و تضاریس موج کاهش می‌یابد، اما به طور کلی شکل موج ولتاژ یکسوشده توسط جاروبک نمی‌تواند به شکل موج ولتاژ مستقیم تولیدشده از یک باتری برسد.

میانگین ولتاژ تولیدشده در یک پیچک با تعداد دور $N_C$ از رابطهٔ زیر به دست می‌آید:

E_C=2 N_C p n phi

که در آن $p$ تعداد قطب، $phi$ شار عبوری و $n$ سرعت چرخش روتور است.

اگر $C$ را تعداد کل پیچک‌های آرمیچر و $a$ را تعداد مسیرهای موازی بین جاروبک‌ها بدانیم تعداد پیچک‌های سری بین جاروبک‌ها $C/a$ می‌شود و با احتساب $Z$ به عنوان هادی‌های موجود در آرمیچر، نیروی محرکهٔ موجود در آرمیچر این‌گونه محاسبه می‌شود:

$E_A=frac{2 C N_C }{a}p n phi = frac{Z p n phi}{a}$

با محاسبه ضریب سیم‌پیچی $k_w$ ، که برای ماشین‌های DC معمولاً تنها از ضریب توزیع $k_d$ تشکیل شده‌است، ولتاژ القایی آرمیچر بدین‌گونه خواهد بود:

$E_A=frac{Z p n phi k_w }{a} = frac{Z p}{2 pi a} phi omega_m$

گشتاور ماشین جریان مستقیم

با توجه به برابری توان‌های تبدیل‌شده و با احتساب شرایط ایده‌آل تبدیل توان، گشتاور مکانیکی ماشین این گونه محاسبه می‌شود:

که با توجه به آن که مقادیر $Z$ ، $p$ و $a$ برای ماشین ثابت است، نشان می‌دهد که گشتاور رابطه‌ای مستقیم با تغییرات $I_a$ و $phi$ دارد. گشتاور=k*i*tفی

تحریک آرمیچر

ماشین جریان مستقیم به جز دز مواردی که از مغناطیس دائم در روتور خود استفاده می‌کند برای تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی و یا بالعکس به یک سیم پیچ تحریک که جریان مستقیم از آن عبور می‌کند، احتیاج دارد. به این سیم‌پیچ، سیم‌پیچ میدان گفته می‌شود.

تحریک جداگانه

پیچک تحریک جداگانه که از صدها دور سیم نازک تشکیل شده، به منبع خارجی یا جداگانه‌ای از آرمیچر متصل است و ولتاژ آن منبع هیچ‌گونه وابستگی با ولتاژ آرمیچر ندارد.

تحریک خودی

تحریک سیم‌پیچ میدان به وسیلهٔ آرمیچر ماشین را تحریک خودی می‌نامند. در این ماشین قطب‌های میدان باید پس‌ماند مغناطیسی داشته باشند تا هنگام چرخش آرمیچر ولتاژ پس‌ماندی در جاروبک‌ها تولید شود.

تحریک سری: سیم پیچ میدان در این نوع ماشین از سیم‌های ضخیم با دور اندک (مقاومت کم) تشکیل شده که به طور سری به آرمیچر متصل شده‌است و جریان میدان سری به جریان آرمیچر بستگی دارد.
تحریک شنت: پیچک میدان از سیم‌های نازک با تعداد دور زیاد تشکیل شده که به طور موازی به آرمیچر متصل شده‌است.
تحریک کمپوند: شامل هر دو سیم‌پیچ تحریک سری و تحریک شنت می‌باشد، البته در مواقعی به جای تحریک شنت از تحریک جداگانه استفاده می‌شود. در صورتی که شار میدان تحریک سری در جهت شار میدان تحریک شنت باشد ماشین را کمپوند اضافی و در غیر این صورت به آن ماشین کمپوند نقصانی می‌گویند.

راه‌اندازی موتور جریان مستقیم

در لحظهٔ شروع راه‌اندازی سرعت موتور صفر است و بنابرین نیروی ضد محرکه $E_a$ نیز صفر می‌باشد، در نتیجه با اعمال ولتاژ پایانه $V_t$ به دو سر ماشین جریان عبوری از آرمیچر از رابطهٔ $I_a=frac{V_t}{r_a}$ در ماشین‌های شنت و $I_a=frac{V_t}{r_a + r_s}$ در ماشینهای سری و کمپوند به دست می‌آید که در این صورت جریان ورودی زیادی وارد موتور می‌شود که نتایج زیر را دربر دارد:

۱- ایجاد جرقهٔ زیان‌آور هنگام کموتاسیون

۲- آسیب‌دیدن سیم‌پیچ آرمیچر و از بین رفتن عایق بر اثر گرمای بیش از اندازه

۳- گشتاور راه‌اندازی بالا و شتاب سریع که به قسمت‌های متحرک ماشین آسیب می‌رساند.

۴- افت زیاد ولتاژ تغذیه

بنابراین برای راه‌اندازی مناسب ماشین لازم است که جریان راه‌اندازی محدود شود، که این کار با قرار دادن مقاومت خروجی بر سر مدار آرمیچر انجام می‌شود. البته این مقاومت باید به تدریج از سر راه مدار برداشته شود، زیرا در هنگام کار عادی ماشین باعث کاهش سرعت کار ماشین و تلفات سلفی انرژی و در نتیجه کاهش بازدهی ماشین می‌شود.

از انواع راه‌اندازهای سری می‌توان راه‌اندازهای سه‌سر، راه‌اندازهای چهارسر و راه‌اندازهای اتوماتیک را نام برد.

چگونگی راه‌اندازی موتور

راه‌اندازی موتورهای جریان مستقیم با قراردادن مقاومت در مدار ارمیچر انجام می‌گیرد که این مقاومت خود از مقاومت‌های کوچک‌تری که هر کدام در بخش مجزایی هستند تشکیل می‌شود و هر کدام از این اجزا به تدریج در هنگام راه‌اندازی از مدار ماشین خارج می‌شود تا مقاومت موجود در مدار آرمیچر تنها مقاومت آرمیچر یا مقاومت سیم‌پیچ سری باشد. روش دیگری نیز وجود دارد

طراحی راه‌انداز

مقاومت راه‌انداز بین دکمه‌های مختلف یک راه‌انداز به قسمت‌های نامساوی تقسیم می‌شود تا از ضربات غیرعادی جریان به خصوص در آخرین دکمهٔ اتصالی جلوگیری شود. در این فرایند جریان ماکزیمم آرمیچر $I_{a1}$ باید به گونه‌ای باشد تا کموتاسیون خوب به وجود بیاید (جرقه‌های خطرناک هنگام کموتاسیون رخ ندهد).

تلفات

تلفات ماشینهای الکتریکی جریان مستقیم dc را می‌توان چنین تقسیم بندی نمود:

تلفات مکانیکی یا اصطکاکی
تلفات آهنی یا تلفات هسته
تلفات مسی

تلفات مکانیکی بعلت اصطکاک محور ماشین در یاتاقانها و اصطکاک جاروبک‌ها با کلکتور و مقاومت هوا به وجود می‌آید. این تلفات برای ماشین مشخصی، تابع دور محور ماشین می‌باشد و آن را با P_mech نمایش می‌دهند.

تلفات هسته از تلفات هیسترزیس و تلفات ناشی از جریانهای گردابی در هستهٔ آرمیچر تشکیل می‌شود و آن را با P_Fe نشان می‌دهند. مقدار این تلفات برای ماشین مشخص، تابع دور محور و مقدار ولتاژ القایی E_A است. تلفات مسی یا تلفات ژولی ماشین‌های dc در اثر عبور جریان از سیم پیچه‌ای تحریک آرمیچر و دیگر سیم پیچ‌های موجود در ماشین از قبیل سیم پیچهای جبرانگر و قطبهای کمکی و همچنین جاروبک‌ها بوجود می‌آید.

مجموع تلفات آهنی و مکانیکی از بی‌باری تا بار کامل تغییر چندانی ندارد.