الفصل
التاسع

















المحركات الكهربائية
ELECTRIC MOTORS
الهدف من المولد هو تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، بينما الغرض من المحرك الكهربائي هو تحويل الطاقة الكهربية إلى طاقة ميكانيكية، ومن ناحية التصميم الميكانيكي ليس هناك اختلاف أساسي بين محرك التيار المستمر البسيط وبين المولد فلكل منهما عضو إنتاج يدور في مجال مغناطيسي. في المولد يتم إدارة عضو الإنتاج بقوة ميكانيكية خارجية، وتتولد الكهرباء في ملفات عضو الإنتاج. وفي محرك التيار المستمر البسيط يكون عضو الإنتاج عبارة عن مغناطيس كهربي، يقطع خطوط القوى الناتجة عن مغناطيس كهربي آخر يعمل كمولد للمجال، وحين يوصل التيار الكهربي إلى المحرك ، يتولد مجالان مغناطيسيان، أحدهما في عضو الإنتاج والآخر في مغناطيس المجال، والتفاعل يبين هذين المجالين هو الذي يسبب دوران المحرك.
أسس عمل المحرك
PRINCIPLES OF MOTOR OPERATION
حين يوضع موصل يحمل تياراً كهربياً في مجال مغناطيسي بين قطبين متعارضين كما في شكل، يتفاعل المجالان المغناطيسيين ويسببان حركة الموصل. في جانب الموصل الذي يكون فيه اتجاه المجالين المغناطيسين واحداً، تتزاحم خطوط القوى معاً، لتقوي المجال على هذا الجانب وتضعفه على الجانب الآخر، وتحاول خطوط القوى في الجانب القوى المجال، دفع الموصل إلى الجانب الضعيف ويعتمد تشغيل المحرك على هذه القاعدة، أن موصلاً يحمل تياراً في مجال مغناطيس يميل إلى الحركة في اتجاه عمودي على هذا المجال.
قاعدة اليد اليمنى للمحركات: RIGHT HAND RULE FOR MOTORS
هناك علاقة محددة بين اتجاه خطوط القوى في مجال مغناطيسي، واتجاه مرور التيار في الموصل، وبين اتجاه الحركة الذي يميل الموصل إلى التحرك فيه. وقاعدة اليد اليمنى للمحركات هي وسيلة مفيدة للتذكير بهذه العلاقة، ابسط اصبعك الابهام والسبابة والوسطى كل عمودياً على الآخر، وجه السبابة في اتجاه الحقل المغناطيسي، والوسطى إلى اتجاه محور التيار، هنا يشير الابهام إلى حركة الموصل كما بالشكل.
التجاذب والتنافر: ATTRACTION AND REPULSION
إذا ربطنا مغناطيساً كهربياً في محور معين بحيث يكون حراً في الدوران بين أقطاب مغناطيس كما بالشكل، سوف تنجذب اقطاب المغناطيس الدوار (عضو الإنتاج) إلى الأقطاب المعاكسة لها في المغناطيس الدائم، مسببة دوران عضو الإنتاج ARMATURE في اتجاه عكس عقرب الساعة.
حين تكون مجموعتان من الأقطاب المتعاكسة قريبة من بعضها، فإن العضو الدوار سوف يتوقف عن الدوران لولا وجود طاقة القصور الذاتي التي تدفع الأقطاب لمسافة قصيرة بعد أقطاب المغناطيس الدائم، وإذا عكسنا اتجاه التيار في المغناطيس الدوار في نفس لحظة مروره بأقطاب المغناطيس الدائم، تنشأ من جديد حالة الأقطاب المتشابهة التي تتنافر مع بعضها كما ترى على يمين الشكل.
وتستمر الأقطاب الثابتة في دفع المغناطيس الكهربي الدوار للدوران لمسافة 180 درجة جديدة عكس عقرب الساعة من خلال التجاذب والتنافر مع أقطاب المغناطيس الكهربي.

[image]
[image]



















العزم Torque
لكي نفهم قواعد عمل المحركات بشكل أفضل. لابد أن تأخذ في الاعتبار قوة أخرى – العزم، أو قوة الإدارة turning force والعزم ، هو استطاعة العضو الدوار في المحرك الكهربائي أن يحرك الحمل الملقي عليه، ويعتمد على قوى التجاذب والتنافر للأقطاب المتعاكسة والمتشابهة وعلى تأثير المجال المغناطيسي على الموصل الذي يحمل تياراً.
يوضح الشكل ميل الموصل الذي يحمل تياراً داخل مجال مغناطيس إلى الحركة عمودياً على المجال، في الرسم الموجود على يمين الشكل نجد موصلاً على شكل حلقة يحمل تياراً في مجال مغناطيس، اتجاه سريان التيار عادة يبين كالتالي: النقطة dot تمثل تياراً يسري في اتجاه المشاهد، والعلاقة (+) تمثل تياراً يبتعد عن المشاهد.
ولهذا نري على يمين الشكل مجال الموصل المقترن بمجال الأقطاب يدفع الجانب الأيسر من الحلقة إلى أعلى ويدفع الجانب الأيمن إلى أسفل، وتدور الحلقة. وحين تدور الحلقة 180º ينعكس اتجاه التيار وتستمر حركة الدوران.
يبين الرسم الموجود على يسار الشكل عضو إنتاج يحتوي على العديد من اللفات، يتولد عزم الدوران في هذا العضو الدوار بنفس الطريقة تقريباً التي يتولد بها في الحلقة الموجودة على اليمين، حيث يتغير اتجاه التيار في كل حلقة في اللحظة التي يتوقف فيها الدفع الذي يشكله المجال المغناطيسي، ويتناسب عزم الدوران torque المسلط على موصل يحمل تيارا في مجال مغناطيس طردياً مع قوة المجال، وطول عدد اللفات في القطب الدوار وشدة التيار المار في الموصل.

[image]
[image]










القوة الدافعة الكهربية العكسية back emf
حين يقطع موصل خطوط القوى، يتولد فيه جهد كهربي وحين يدور عضو إنتاج محرك ملفوف wound motor سواء AC أو DC في مجال مغناطيسي فإنه يحتاج إلى جهد كهربي ليولد عزم دوران. بالإضافة إلى هذا تتولد فيه قوة دافعة عكسية نتيجة حركته في المجال المغناطيسي. وهذه القوة معاكسة في الاتجاه بالنسبة للقوة الدافعة التي تسبب دوران المحرك، وتسمى القوة الدافعة العكسية وتتناسب القوة الدافعة العكسية مع سرعة الدوران.
حين نقوم بتوصيل المحرك، تكون القوة الدافعة العكسية مساوية للصفر، وعندما تتزايد سرعة المحرك، تزداد القوة الدافعة العكسية إلى أن تساوي تقريباً القوة الدافعة الكهربية المسلطة على المحرك فعند السرعة الكاملة للمحرك تكون قيمتها حوالي 90% من القوة الدافعة الكهربية المسلطة على المحرك.
في لحظة بدء حركة المحرك، عندما تكون القوة الدافعة العكسية تساوي صفراً، يسري تيار كبير في ملفات المحرك يسمي تيار البداية starting current ونتيجة لانخفاض مقاومة الملفات في بعض المحركات الكبيرة يتم عمل تجهيزات معينة للحد من ارتفاع تيار البداية بواسطة ربوستات بداية حركة أو مقاومات وتحد هذه المقاومة من الاندفاعة الأولى للتيار، وبعدها تخفض على مراحل مع اكتساب المحرك لسرعته وزيادة القوة الدافعة العكسية التي تحد من سريان تيار الخط خلال المحرك. عندما يصل المحرك إلى قرب سرعته الكاملة، يتم إخراج كل المقاومات من الدائرة وتتحكم القوة الدافعة العكسية في التيار الذي يسري في ملفات المحرك.
الأشكال التمثيلية للمحركات DIAGRAM SYMBOLS FOR MOTORS
نستخدم العديد من الأشكال كأشكال قياسية لتمثيل المحركات في اللوحات الخاصة بالتوصيلات الكهربية، يوضح الشكل بعض الرموز ويجب مراعاة أن هذه الأشكال لا تمثل بالضرورة الأجزاء كما توجد في مكانها في المحرك ولكنها تمثل وجودها في المحرك.
محركات التيار المستمر DC MOTORS
تنقسم المحركات الكهربائية إلى قسمين تيار تردد أو تيار مستمر AC OR DC MOTORS حسب نوع القدرة المصممة عليها. ومحركات التيار المستمر متشابهة في معظم الأمور مع مولدات التيار المستمر فهناك مجموعة من المغناطيسات الكهربائية تكون المجال المغناطيسي ومجموعة أخرى تمثل عضو الإنتاج كما توجد الفرش التي تكون ملامسة لعضو التوحيد في وضع مناسب لتوصيل الجهد والتيار إلى ملفات العضو الدوار من أجل توليد عزم دوران فيه.
توصل محركات التيار المستمر على التوالي، على التوازي أو توصيلاً مركباً، حسب الطريقة التي توصل بها ملفات المجال، ولكل نوع من التوصيل خواصه المحددة ويوضح الشكل هذه الطرق.
  1. المحركات الموصلة على التوازي: SHUNT MOTORS
وتكون ملفات المجال فيها متصلة على التوازي مع عضو الإنتاج ولهذا يكون كلاهما موصلاً على الخط، أحد صفات هذا المحرك أن سرعته ثابتة إلى حد كبير في ظل ظروف الأحمال المختلفة ولهذا تسمى كثيراً بالمحركات ذات السرعة الثابتة، ولكن بالتحكم في تيار ملفات المجال يمكن استخدامها في المجالات التي تحتاج فيها إلى سرعة متغيرة.
المحركات الموصلة على التوالي: SERIESMOTORS
في محركات التيار المستمر الموصلة على التوالي يمر تيار الخط خلال ملف عضو الإنتاج إلى ملف المجال ثم يعود إلى الخط، والنتيجة هي أن قيمة التيار في المجال وعضو الإنتاج تتساوى دائماً ولما كان التيار العالي القيمة يولد مجالاً قوياً في نفس لحظة مرور التيار تقريباً، فإن المحرك الموصل على التوالي يتمتع بعزم بداية دوران عالي جداً starting torque مما يسمح للمحرك بأن يكتسب سرعة ويولد قدرة بسرعة عالية. وإذا تم توصيل محرك التوالي على الخط دون حمل أو إذا سمح له بالدوران بعد إخلائه من الحمل فإن سرعته سوف تتزايد إلى سرعة عالية بشكل غير طبيعي يصل إلى تدمير عضو الإنتاج يفصل قوى الطرد المركزي centrifugal force.
يمكن استخدام كل من محرك التوالي ومحرك التوازي في استخدامات محددة مثل أعمال الجر، وطلمبات الطفلة mud pump في منصات الحفر التي تعمل بالتيار المستمر.
المحركات المركبة: compound motors
يجمع محرك التيار المستمر المركب ميزات كل من محرك التوالي series ومحرك التوازي shunt معاً في وحدة واحدة. ويوجد محرك التيار المستمر ذو اللف المركب في احد نوعين، النوع الفرقي differential والنوع التجميعي commulative.
المحركات المركبة الفرقية DIFFERENTIAL COMPOUND MOTORS
يوجد بمحركات اللف المركب الفرقية مجموعتان من ملفات المجال، أحدهما موصل على التوالي والآخر على التوازي مع عضو الإنتاج وهما مركبان بحيث يكون المجالان الناتجان عنهما متضادين مع بعضهما فعندما يزيد الحمل على المحرك، يزداد التيار المار في عضو الإنتاج وكذلك في ملف التوالي، ونتيجة لأن المجال في ملف التوالي يعاكس المجال في ملف التوازي فإن التغيير في المجال يكون قليلاً بحيث لا تتغير السرعة كثيراً مع تغير الأحمال على المحرك. وبشكل عام، فنتيجة لتضاد مجال ملف التوالي مع مجال ملف التوازي لا يكون عزم الدوران في بداية الحركة كبيراً.
الميزة الرئيسية لهذا النوع من المحركات هي سرعته الثابتة نسبياً كما أن سرعته لا تزيد بشكل خطيرا إذا عمل بدون حمل (عكس محرك التوالي).
المحركات المركبة التجميعية CUMUIATVE COMPOUND MOTOR
تركب ملفات المجال في محرك التيار المستمر المركب التجميعي بحيث تقوي المجالات (تكون في اتجاه واحد) ولهذا يتمتع هذا المحرك يعزم دوران كبير في بداية حركته نتيجة للتيار العالي في ملف التوالي. ولأن ملف التوازي يكون مجالاً ثابتاً فإن المحرك لا تزداد سرعته بشكل خطير (run away) عند رفع الحمل عنه.
هذا النوع من المحركات تتغير سرعته بشكل ملموس مع تغير الحمل، ولكنه يستعمل غالباً عندما نحتاج إلى عزم إدارة كبيرة في بدء الحركة. يتم تصميم بعض محركات اللف المركب في المصنع بحيث تتمتع بعلاقة محددة بين السرعة وعزم الدوران لأداء وظيفة محددة، ولكن هذه المحركات أكثر تكلفة.
حدود استخدام محركات التيار المستمر: LIMITATIONS OF DC MOTORS
كما أوضحنا فيما سبق، تتشابه محركات التيار المستمر ومولدات التيار المستمر في التركيب، ولهذا يحتوي محرك التيار المستمر على نفس الأجزاء القابلة للتآكل مثل الفرش، حوامل الفرش، وأعضاء التوحيد، وهذه الأجزاء يجب عمل الصيانة لها كثيراً، وتتطلب محركات التيار المستمر صيانة أكبر من محركات التيار المتردد وهي أكثر تكلفة أيضاً وتحتاج إلى نظم لإمدادها بالتيار المستمر، وهي نظم ليست شائعة الاستخدام في حقول البترول والصناعة إلا في حالات الاحتياج إلى سرعة متغيرة وإلى تحكم دقيق في السرعة. واستخدام محركات التيار المستمر نادر في عمليات ضخ البترول من الآبار.

[image]
[image]

























محركات التيار المتردد
AC MOTORS
يشيع استخدام التيار المتردد لأن من السهل الحصول على هذا النوع من التيار ونقله وتطويعه للاستخدامات المختلفة.
تنقسم محركات التيار المتردد إلى نوعين، محركات ذات وجه واحد ومحركات ذات أوجه متعددة. وتستخدم مع مصادر التيار المتردد التي تتمتع بتردد وعدد أوجه مثل التردد المقنن وعدد الأوجه الخاصة بالمحرك. وبشكل عام فإن محركات التيار المتردد أقل تكلفة من محركات التيار المستمر ويعتمد عليها أكثر وتحتاج إلى صيانة أقل كثيراً منها لأن الفرش والموحدات نادراً ما تستخدم في هذه المحركات. تناسب محركات التيار المتردد الاستخدامات التي تتطلب سرعان ثابتة وهناك بعض الأنواع ذات التصميمات الخاصة يمكن فيها تغيير السرعة في حدود معينة.
محركات التيار المتردد ذات الوجه الواحد: SINGLE-PHASE AC MOTORS
تأخذ محركات الوجه الواحد اسمها من نوع بدء الحركة المستخدم فيها، مثل الوجه المشقوق SPLIT PHASE ، المكثف ، المكثف ذو القيمتين two-value capactor، البدء التنافري repulsion start، ولهذه المحركات نقطة ضعف واحدة وهي خواصها السيئة في مرحلة بداية حركتها.
فمحرك الوجه الواحد لا يتولد به مجال دوار في بداية الحركة، ولهذا لا يتولد عزم دوران في بداية الحركة أيضاً، ومعنى هذا ضرورة وجود وسيلة خارجية لاكساب السرعة للعضو الدوار، وبالإضافة إلى هذا، فمحركات الوجه الواحد تسبب مرور تيارات عالية في الخط وتشكل احمالاً غير متوازنة عليه.
تستعمل محركات الوجه الواحد أساساً في الأحمال الصغيرة التي تقل عن واحد حصان fractional hp loads وكذلك في حالة عدم وجود مصادر تيار ثلاثية الوجه وتستخدم محركات الوجه الواحد لأحمال تصل إلى 15 حصان، وتستخدم أحياناً في عمليات ضخ الزيت من الآبار.
أكثر أنواع محرك الوجه الواحد استخداماً هي محركات الوجه المشقوق ومحركات المكثف ويبين الشكل محرك الوجه المشقوق split-phase motor الذي يتمتع بخواص دوران جيدة، ولكن عزم بدايته أضعف من عزم بداية حركة محركات المكثف capacitor motor يوضح الشكل محرك ذو مكثف يحتوي على مكثف على التوالي مع ملف بداية الحركة. من الأشكال الأخرى لهذا النوع. المحرك ذو المكثف مزدوج القيمة two-valuye capacitor ويفضل استخدام الحركات ذات المكثف في حقول البترول لتمتعها بعزم دوران عالي في بداية الحركة.
يوضح الشكل رسماً تخطيطياً لدائرة المحرك التنافري repulsion motor وتزود هذه الحركات بعضو دوار وعضو توحيد. ولهذه المحركات نفس مميزات الأداء التي تتميز بها محركات التيار المستمر بملف على التوالي. وهي سهولة بدء الحركة بالحمل مع إمكان الوصول إلى السرعة المطلوبة تدريجياً.
ويبدأ المحرك في الدوران بوضع الفرش على عضو التوحيد في وضع يجعل المحرك يبدأ في الدوران بأقل قدرة دخل p1 ممكنة، وعند وصول سرعته إلى السرعة المقننة تقوم وسيلة تعمل بالقوة الطاردة المركزية بفضل الفرش وقصر دائرة ملفات العضو الدوار، وعندئذ يدور المحرك بسرعة ثابتة لهذه المحركات مشاكلها في الصيانة من حيث تآكل الفرش وحوامل الفرش وهكذا.. يمكن استخدامها في إدارة ضواغط الهواء الصغيرة ولكنها لا تستعمل كثيراً بسبب مشاكل صيانتها.
[image]
[image]















محركات التيار المتردد متعددة الأوجه POLYPHASE AC MOTORS
هي أكثر محركات التيار المتردد استخداماً. وأكثر أنواعها شيوعاً في الاستخدام هي المحركات المتزامنة والمحركات الحثية. وهناك تعديلات كثيرة تجري على هذين النوعين العامين (ميكانيكية أو كهربية) تجعل من الممكن إيجاد محركات تناسب جميع الأغراض تقريباً.
المحركات التزامنية SYNCHRONOUS
سميت هذه المحركات (تزامنية) لأنها تحتفظ بنفس الزمن مع تردد المصدر الكهربي بمعنى أنها تدور بنفس السرعة،وتعتمد السرعة الثابتة على تردد تيار المصدر وعلى عدد أقطاب المحرك، ولا تتأثر بالحمل إذا لم يجاوز هذا الحمل مقنن الحركة، ولا تستعمل هذه المحركات إلا في الأحمال العالية القيمة، أكثر من 200HP، وكفاءة أداء المحرك المتزامن أعلى كثيراً من كفاءة المحرك الحثي induction motor المساوي له في المقننات، وخاصة في المحركات الكبيرة ذات السرعة المنخفضة وأحد عيوب هذا النوع من المحركات هو عدم مرونتها لأنها ذات سرعة ثابتة لا تتغير وهي تتطلب أيضاً مصدراً للتيار المستمر لإثارة المجال المغناطيسي للعضو الدوار. يستخدم المحرك التزامني في بعض أعمال الضخ لخطوط الأنابيب. وفي الطلمبات الضخمة ولكنه لا يستخدم في ضخ الزيت من الآبار.
المعركة الحثية: INDUCTION MOTORS
المحركات الحثية هي أكثر أنواع المحركات استخداماً على الإطلاق وشيوعها الهائل ناتج أساساً عن بساطة تركيبها، قوة احتمالها وإمكانية الاعتماد الكبير عليها، كما أن سرعتها ثابتة طالما كان حملها في حدود المقننات.
في المحرك الحثي يولد التيار الداخل إلى ملفات العضو الثابت قوة دافعة كهربية وبالتالي تياراً مستنتجاً في ملفات العضو الدوار وعلى هذا يقوم التيار المستنتج في ملفات العضو الدوار بتكوين اقطاب مغناطيسية فيه، تتفاعل هذه الأقطاب مع أقطاب العضو الثابت مولدة عزم دوران للمحرك واستخدام التيار الثلاثي الأوجه في العضو الثابت يكون مجالاً مغناطيسياً دواراً، يعطي العضو الدوار للمحرك الحثي خواصاً جيدة في بدء الحركة وفي تقبل الأحمال.
في المحرك الحثي ذو العضو الدوار الملفوف wounde-rotor induction motor
في الشكل تتكون ملفات العضو الدوار من ملفات معزولة مجمعة مع بعضها بحيث تعطي مساحات قطبية معينة polar areas لها نفس عدد أقطاب العضو الثابت.ومن خلال حلقات الانزلاق توصل مقاومة خارجية متغيرة إلى العضو الدوار لزيادة مقاومة دائرته عند بداية الحركة ولهذا السبب يسمى هذا المحرك أحياناً بالمحرك ذو الحلقات المنزلقة slip ning motorعندما يصل المحرك إلى سرعته القصوى يتم قصر حلقات الانزلاق short – circuited ويعمل المحرك بنفس طريقة المحرك ذو القفص السنجابي الذي سنشرحه فيما بعد.
نتيجة لعيوب الصيانة الموجودة في هذه المحركات (الفرش وحوامل الفرش) ولأن كفاءتها لا تبرر ارتفاع تكلفتها فقد حل محلها في معظم الأحيان المحركات ذات القفص السنجابي.
المحرك الحثي ذو القفص السنجابي SQUIRREL-CAGE INDUCTION MOTOR
هو أكثر أنواع المحركات الحثية شيوعاً، وسمي بهذا الاسم لتشابه شكل ملفات العضو الدوار مع شكل القفص الذي كان يستخدم قديماً لتدريب السنجاب الصغير. لا يستخدم في هذا المحرك ملفات من السلك ولا حلقات انزلاق في العضو الدوار، كما أنه ليس هناك اتصال بين العضو الدوار والخط الكهربائي. يسري تيار الخط في ملفات المجال فقط ويولد التيار في العضو الدوار.
والمحرك المرسوم تخطيطيا في الشكل ذو دائرة عضو دوار ثابتة، يتم حساب مقاومة ملفاته وحثها عند تصميم المحرك، ولا يمكن تغييرها، وكفاءة هذا المحرك جيدة جداً، ويستخدم عموما للأحمال التي تتطلب عزم دوران متغيرا وسرعة ثابتة تقريباً مع كفاءة عالية عند الحمل الكامل، مثل طلمبات الطرد المركزي، مجموعات المولد – محرك، وآلات التشغيل المختلفة machine-tools، ويستعمل كثيراً في ضخ الزيت من الآبار.

[image]
[image]


موصلات ذات مقطع دائري.