محرك كهربائي يعمل بالتيار المستمر ذو فرشاة

في الدينامو الحقيقي، لا يكون المجال منتظمًا تمامًا أبدًا. بدلاً من ذلك، عندما يدور الدوار، فإنه يُحدث تأثيرات مجال تسحب وتشوه الخطوط المغناطيسية للجزء الثابت الخارجي غير الدوار.

كلما زادت سرعة دوران الدوّار، زاد تشوّه المجال المغناطيسي. ولأن الدينامو يعمل بكفاءة عالية عندما يكون مجال الدوّار متعامدًا مع مجال الجزء الثابت، فمن الضروري إما تأخير أو تقديم موضع الفرشاة لوضع مجال الدوّار في الوضع الصحيح ليكون متعامدًا مع المجال المشوّه.

تنعكس هذه التأثيرات الميدانية عند عكس اتجاه الدوران. ولذلك، يصعب بناء دينامو تبديل عكسي فعال، إذ يتطلب الحصول على أعلى شدة للمجال تحريك الفرش إلى الجانب المقابل للمستوى المحايد الطبيعي.

يمكن اعتبار هذا التأثير مشابهاً إلى حد ما لتوقيت الإشعال في محرك الاحتراق الداخلي. عموماً، يكون الدينامو المصمم للعمل بسرعة ثابتة معينة مزوداً بفرشات مثبتة بشكل دائم لضبط المجال الكهربائي لتحقيق أعلى كفاءة عند تلك السرعة. ^{[ 1 ]}

تعوض آلات التيار المستمر ذات الملفات الثابتة التشوه باستخدام ملفات المجال المبدلة وملفات التعويض .

تُصنع محركات التيار المستمر ذات الفرش من دوارات ملفوفة وأجزاء ثابتة إما ملفوفة أو ذات مغناطيس دائم.

لقد كانت ملفات المجال موجودة تقليديًا في أربعة أشكال أساسية: ملفات ذات إثارة منفصلة ( sepex )، وملفات ملفوفة على التوالي ، وملفات ملفوفة بالتوازي ، ومزيج من الاثنين الأخيرين، وهو الملفات المركبة .

في المحرك ذي الملفات المتصلة على التوالي ، تُوصل ملفات المجال كهربائيًا على التوالي مع ملفات العضو الدوار (عبر الفرش). أما في المحرك ذي الملفات المتصلة على التوازي، فتُوصل ملفات المجال على التوازي مع ملفات العضو الدوار. وفي المحرك ذي الإثارة المنفصلة (سيبكس)، تُغذى ملفات المجال من مصدر مستقل، مثل مولد كهربائي ، ولا يتأثر تيار المجال بتغيرات تيار العضو الدوار. وقد استُخدم نظام سيبكس أحيانًا في محركات الجر ذات التيار المستمر لتسهيل التحكم في انزلاق العجلات .

تتمتع أنواع المغناطيس الدائم ببعض مزايا الأداء مقارنةً بأنواع التيار المستمر المتزامنة ، وقد أصبحت سائدة في تطبيقات القدرة الكسرية. فهي أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأكثر كفاءة وموثوقية من الآلات الكهربائية الأخرى ذات التغذية الفردية . ^{[ 2 ]}

في الأصل، كانت جميع محركات التيار المستمر الصناعية الكبيرة تستخدم مغناطيسات ملفوفة في المجال أو الدوار. وكانت المغناطيسات الدائمة تُستخدم تقليديًا فقط في المحركات الصغيرة لصعوبة إيجاد مادة قادرة على الاحتفاظ بمجال مغناطيسي قوي. ومع التطورات الحديثة في تكنولوجيا المواد، أصبح من الممكن ابتكار مغناطيسات دائمة عالية الكثافة، مثل مغناطيسات النيوديميوم ، مما أتاح تطوير محركات صغيرة الحجم وعالية القدرة دون الحاجة إلى حجم إضافي لملفات المجال ووسائل الإثارة. ولكن مع ازدياد استخدام هذه المغناطيسات الدائمة عالية الأداء في أنظمة المحركات والمولدات الكهربائية، ظهرت مشاكل أخرى (انظر: مولد متزامن بمغناطيس دائم ).

تقليديًا، يُطبَّق المجال المغناطيسي شعاعيًا - داخل محور دوران المحرك وبعيدًا عنه. مع ذلك، في بعض التصاميم، يتدفق المجال على طول محور المحرك، حيث يقطع الدوّار خطوط المجال أثناء دورانه. يسمح هذا بتوليد مجالات مغناطيسية أقوى بكثير، خاصةً عند استخدام مصفوفات هالباخ . وهذا بدوره يُعطي المحرك طاقة عند السرعات المنخفضة. مع ذلك، لا يمكن لكثافة التدفق المركّز أن تتجاوز كثافة التدفق المتبقي المحدودة للمغناطيس الدائم، على الرغم من الإكراه العالي، وكما هو الحال في جميع الآلات الكهربائية، تُعدّ كثافة التدفق عند تشبّع القلب المغناطيسي قيدًا أساسيًا في التصميم.

كان التحكم التسلسلي المتوازي هو الطريقة القياسية للتحكم في محركات جر السكك الحديدية قبل ظهور إلكترونيات الطاقة . عادةً ما تحتوي القاطرة أو القطار الكهربائي على أربعة محركات يمكن تجميعها بثلاث طرق مختلفة:

• جميع المحركات الأربعة موصولة على التوالي (يتلقى كل محرك ربع جهد الخط)، بأقل سرعة
• مجموعتان متوازيتان من محركين موصولتين على التوالي (يتلقى كل محرك نصف جهد الخط).
• جميع المحركات الأربعة موصولة على التوازي (يتلقى كل محرك جهد الخط الكامل)، بأعلى سرعة

وفر هذا النظام ثلاث سرعات تشغيل مع أدنى حد من فقدان المقاومة. وللبدء والتسارع، تم توفير تحكم إضافي بواسطة المقاومات. وقد تم استبدال هذا النظام بأنظمة تحكم إلكترونية.

يمكن زيادة سرعة محرك التيار المستمر عن طريق إضعاف المجال المغناطيسي. ويتم تقليل شدة المجال بإضافة مقاومة على التوالي مع ملف المجال الموصول على التوازي، أو بإضافة مقاومات حول ملف المجال الموصول على التوالي، لتقليل التيار المار فيه. عند إضعاف المجال، تقل القوة الدافعة الكهربائية العكسية، مما يسمح بمرور تيار أكبر عبر ملف العضو الدوار، وبالتالي زيادة السرعة. لا يُستخدم إضعاف المجال بمفرده، بل يُستخدم بالتزامن مع طرق أخرى، مثل التحكم المتسلسل-المتوازي.

في دائرة تُعرف باسم "المُقطِّع" ، يتغير متوسط ​​الجهد المُطبَّق على المحرك عن طريق التبديل السريع لجهد التغذية. ومع تغيير نسبة التشغيل إلى الإيقاف لتغيير متوسط ​​الجهد المُطبَّق، تتغير سرعة المحرك. حاصل ضرب نسبة وقت التشغيل في جهد التغذية يُعطي متوسط ​​الجهد المُطبَّق على المحرك. لذلك، مع جهد تغذية 100 فولت ونسبة تشغيل  25% ، سيكون متوسط ​​الجهد عند المحرك 25 فولت. خلال فترة الإيقاف ، يتسبب حثّ العضو الدوّار في استمرار مرور التيار عبر ثنائي يُسمى ثنائي الارتداد ، الموصول بالتوازي مع المحرك. عند هذه النقطة من الدورة، يكون تيار التغذية صفرًا، وبالتالي يكون متوسط ​​تيار المحرك دائمًا أعلى من تيار التغذية ما لم تكن نسبة وقت التشغيل 100%. عند 100% من وقت التشغيل، يتساوى تيار التغذية مع تيار المحرك. يُهدر التبديل السريع طاقة أقل من المقاومات المتصلة على التوالي. تُسمى هذه الطريقة أيضًا بتعديل عرض النبضة (PWM) وغالبًا ما يتم التحكم بها بواسطة معالج دقيق. يتم أحيانًا تركيب مرشح خرج لتنعيم متوسط ​​الجهد المطبق على المحرك وتقليل ضوضاء المحرك. 

نظرًا لأن محرك التيار المستمر ذو الملفات المتسلسلة يُنتج أعلى عزم دوران له عند السرعات المنخفضة، فإنه يُستخدم غالبًا في تطبيقات الجر مثل القاطرات الكهربائية والترام . ومن تطبيقاته الأخرى محركات بدء التشغيل لمحركات البنزين ومحركات الديزل الصغيرة. يجب عدم استخدام المحركات المتسلسلة مطلقًا في التطبيقات التي قد يتعطل فيها نظام الدفع (مثل أنظمة الدفع بالسيور). مع تسارع المحرك، يقل تيار العضو الدوار (وبالتالي تيار المجال). يؤدي انخفاض المجال إلى زيادة سرعة المحرك، وفي الحالات القصوى، قد يتلف المحرك نفسه، على الرغم من أن هذه المشكلة أقل شيوعًا في المحركات المبردة بالمراوح (ذاتية التشغيل). قد يُشكل هذا مشكلة في محركات السكك الحديدية في حالة فقدان التماسك، لأنه ما لم يتم التحكم بها بسرعة، فقد تصل المحركات إلى سرعات أعلى بكثير من سرعاتها في الظروف العادية. لا يقتصر تأثير ذلك على مشاكل المحركات والتروس فحسب، بل قد يتسبب أيضًا، نظرًا لاختلاف السرعة بين القضبان والعجلات، في أضرار جسيمة للقضبان ومداسات العجلات نتيجة التسخين والتبريد السريع. يُستخدم إضعاف المجال في بعض أنظمة التحكم الإلكترونية لزيادة السرعة القصوى للمركبات الكهربائية. أبسط أشكال هذه التقنية يعتمد على مُلامِس ومقاومة إضعاف المجال؛ حيث يراقب نظام التحكم الإلكتروني تيار المحرك ويُفعّل مقاومة إضعاف المجال عندما ينخفض ​​تيار المحرك عن قيمة مُحددة مُسبقًا (وذلك عندما يكون المحرك عند سرعته التصميمية الكاملة). بمجرد تفعيل المقاومة، تزداد سرعة المحرك عن سرعته الطبيعية عند جهده المُقنن. وعندما يزداد تيار المحرك، يفصل نظام التحكم المقاومة، مما يُتيح عزم دوران عند السرعات المنخفضة.

تُستخدم دائرة تحكم وارد ليونارد عادةً للتحكم في محرك تيار مستمر ذي ملفات متوازية أو مركبة، وقد طُوّرت كوسيلة لتوفير محرك ذي سرعة مُتحكّم بها من مصدر تيار متردد، على الرغم من مزاياها في أنظمة التيار المستمر. يُستخدم مصدر التيار المتردد لتشغيل محرك تيار متردد، عادةً ما يكون محركًا حثيًا يُشغّل مولد تيار مستمر أو دينامو . يتم توصيل خرج التيار المستمر من العضو الدوار مباشرةً بالعضو الدوار لمحرك التيار المستمر (أحيانًا، ولكن ليس دائمًا، يكونان متطابقين في التصميم). يتم تحفيز ملفات المجال المتوازية لكلا محركي التيار المستمر بشكل مستقل عبر مقاومات متغيرة. يمكن الحصول على تحكم دقيق للغاية في السرعة من حالة السكون إلى السرعة القصوى، وعزم دوران ثابت، عن طريق تغيير تيار مجال المولد و/أو المحرك. كانت هذه الطريقة هي الطريقة المُعتمدة منذ تطويرها حتى تم استبدالها بأنظمة الثايرستور ذات الحالة الصلبة . وقد وُجدت هذه الطريقة في جميع البيئات تقريبًا التي تتطلب تحكمًا دقيقًا في السرعة، بدءًا من مصاعد الركاب وصولًا إلى معدات لف رؤوس مناجم الفحم الكبيرة، وحتى آلات العمليات الصناعية والرافعات الكهربائية. كان عيبها الرئيسي هو الحاجة إلى ثلاث آلات لتنفيذ نظام واحد (خمس آلات في المنشآت الكبيرة جدًا، حيث كانت آلات التيار المستمر تُضاعف غالبًا وتُتحكم بها بواسطة مقاومة متغيرة مزدوجة). في العديد من التطبيقات، كان يُترك مولد المحرك يعمل باستمرار لتجنب التأخيرات التي قد تنجم عن تشغيله عند الحاجة. على الرغم من أن وحدات التحكم الإلكترونية (الثايرستور) قد حلت محل معظم أنظمة وارد-ليونارد الصغيرة والمتوسطة، إلا أن بعض الأنظمة الكبيرة جدًا (بآلاف الأحصنة) لا تزال قيد الاستخدام. تيارات المجال أقل بكثير من تيارات المحرك، مما يسمح لوحدة ثايرستور متوسطة الحجم بالتحكم في محرك أكبر بكثير مما يمكنها التحكم فيه مباشرة. على سبيل المثال، في إحدى المنشآت، تتحكم وحدة ثايرستور بقدرة 300 أمبير في مجال المولد. يتجاوز تيار خرج المولد 15000 أمبير، وهو ما سيكون مكلفًا للغاية (وغير فعال) للتحكم فيه مباشرة باستخدام الثايرستورات.

يُعرِّف

• E _b ، القوة الدافعة الكهربائية المعاكسة ( V )
• I _a ، تيار المحرك ( A )
• k _b ، ثابت معادلة القوة الدافعة الكهربائية المعاكسة
• ثابت معادلة السرعة k _n
• k _T ، ثابت معادلة العزم
• ن ، تردد المحرك ( دورة في الدقيقة )
• R _m ، مقاومة المحرك ( Ω )
• عزم دوران المحرك ( نيوتن متر ) T
• V _m ، جهد دخل المحرك (V)
• Φ ، التدفق الإجمالي للآلة ( Wb )
• معامل كارتر ( kC ₎ هو معلمة تستخدم غالبًا لتقدير خطوة الفتحة الفعالة في عضو المحرك ذي ^{الفتحات} المفتوحة (أو شبه المغلقة). ^{[ 6} ]

القوة الدافعة الكهربائية المعاكسة لمحرك التيار المستمر تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب قوة التدفق الكلي للمحرك وسرعة المحرك الدوار:

E _b = k _b Φ n ^{[ 7 ]}

يجب أن يتغلب جهد دخل محرك التيار المستمر على القوة الدافعة الكهربائية المعاكسة بالإضافة إلى انخفاض الجهد الناتج عن تيار المحرك عبر مقاومة المحرك، أي المقاومة الكلية عبر الفرش، وملفات المحرك، وملفات المجال المتصلة على التوالي، إن وجدت:

V _m = E _b + R _m I _a ^{[ 8 ] [ 9 ]}

عزم دوران محرك التيار المستمر يتناسب مع حاصل ضرب تيار المحرك وقوة التدفق الكلي للآلة: ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}T&={\frac {1}{2\pi }}k_{b}I_{a}\Phi \\&=k_{T}I_{a}\Phi \end{aligned}}}$

أين

k _T = ⁠ k _b / 2π ⁠

منذ

n = ⁠ E _b / k _b Φ ⁠ و

V _m = E _b + R _m I _a

لدينا ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}n&={\frac {V_{m}-R_{m}I_{a}}{k_{b}\Phi }}\\&=k_{n}{\frac {V_{m}-R_{m}I_{a}}{\Phi }}\end{aligned}}}$

أين

k _n = 1 / k _b​​

مع توصيل ملفات المجال عالية المقاومة للمحرك ذي الملفات المتوازية بالتوازي مع العضو الدوار، تكون قيم V_{_m} و R_{_m} و Ø ثابتة، بحيث نادرًا ما يتجاوز تنظيم السرعة من حالة اللاحمل إلى الحمل الكامل 5%. ^{[ 16 ]} يتم التحكم في السرعة بثلاث طرق: ^{[ 17 ]}

• تغيير جهد المجال
• إضعاف المجال
• مقاومة متغيرة في دائرة المجال.

يستجيب المحرك ذو الملفات المتسلسلة لزيادة الحمل بالتباطؤ؛ حيث يزداد التيار ويرتفع عزم الدوران بما يتناسب مع مربع التيار، نظرًا لأن التيار نفسه يمر في كل من ملفات العضو الدوار وملفات المجال. في حالة توقف المحرك، يكون التيار محدودًا فقط بالمقاومة الكلية للملفات، ويمكن أن يكون عزم الدوران مرتفعًا جدًا، ولكن هناك خطر ارتفاع درجة حرارة الملفات. كانت المحركات ذات الملفات المتسلسلة تُستخدم على نطاق واسع كمحركات جر في النقل بالسكك الحديدية ^{[ 18 ]} بجميع أنواعه، ولكن يجري التخلص منها تدريجيًا لصالح محركات الحث التيار المتردد التي تعمل بمحولات الطاقة . تساعد القوة الدافعة الكهربائية المعاكسة مقاومة العضو الدوار على الحد من التيار المار فيه. عند توصيل الطاقة بالمحرك لأول مرة، لا يدور العضو الدوار، وتكون القوة الدافعة الكهربائية المعاكسة صفرًا، والعامل الوحيد الذي يحد من تيار العضو الدوار هو مقاومته. ^{[ 19 ]} نظرًا لأن التيار المتوقع مروره عبر العضو الدوار كبير جدًا، تبرز الحاجة إلى مقاومة إضافية موصولة على التوالي مع العضو الدوار للحد من التيار حتى يتمكن دوران المحرك من توليد القوة الدافعة الكهربائية المعاكسة. مع ازدياد سرعة دوران المحرك، يتم تقليل المقاومة تدريجياً.

أبرز ما يميز محرك التيار المستمر ذو الملفات المتسلسلة هو أن سرعته تعتمد بشكل شبه كامل على عزم الدوران اللازم لتشغيل الحمل. وهذا يناسب الأحمال الكبيرة ذات القصور الذاتي العالي، حيث يتسارع المحرك من أقصى عزم دوران، ويتناقص عزم الدوران تدريجياً مع ازدياد السرعة.

نظراً لأن سرعة المحرك التسلسلي قد تكون عالية بشكل خطير، فغالباً ما يتم توصيل المحركات التسلسلية بالحمل عن طريق التروس أو توصيلها مباشرة به. ^{[ 20 ]}

يتميز محرك التيار المستمر ذو المغناطيس الدائم بعلاقة خطية بين عزم التوقف، عندما يكون العزم في أقصى حالاته مع توقف العمود، وسرعة اللاحمل، عندما لا يكون هناك عزم دوران مطبق على العمود وأقصى سرعة خرج. وتوجد علاقة أسية تربيعية بين هاتين النقطتين على محور السرعة. ^{[ 21 ]}

عندما طُوّرت تكنولوجيا المحركات الكهربائية ومحركات التيار المستمر لأول مرة، كان معظم المعدات يُدار باستمرار بواسطة مشغل مُدرّب على إدارة أنظمة المحركات. وكانت أنظمة إدارة المحركات الأولى يدوية بالكامل تقريبًا، حيث كان يقوم عامل بتشغيل المحركات وإيقافها، وتنظيف المعدات، وإصلاح أي أعطال ميكانيكية، وما إلى ذلك.

كانت أولى مشغلات محركات التيار المستمر يدوية بالكامل، كما هو موضح في هذه الصورة. عادةً ما كان المشغل يستغرق حوالي عشر ثوانٍ لتحريك المقاومة المتغيرة ببطء عبر نقاط التلامس لزيادة الطاقة الداخلة تدريجيًا حتى الوصول إلى سرعة التشغيل. كان هناك نوعان مختلفان من هذه المقاومات المتغيرة، أحدهما يُستخدم للتشغيل فقط، والآخر للتشغيل وتنظيم السرعة. كانت مقاومة التشغيل أقل تكلفة، ولكنها تحتوي على عناصر مقاومة أصغر قد تحترق إذا طُلب منها تشغيل المحرك بسرعة منخفضة ثابتة.

يشتمل هذا المُشغِّل على خاصية تثبيت مغناطيسي عند انقطاع التيار، مما يؤدي إلى إيقاف تشغيل المُقاوِم المُتغير تلقائيًا في حال انقطاع التيار، حتى لا يُحاول المُحرك إعادة التشغيل لاحقًا في وضع الجهد الكامل. كما أنه مزود بحماية من التيار الزائد تُفعِّل وضع الإيقاف في حال اكتشاف تيار زائد يتجاوز قيمة مُحددة. ^{[ 27 ]}

يُطلق على سلكي الطاقة الداخلين اسم L1 وL2. وكما يوحي الاسم، لا يوجد سوى ثلاثة توصيلات للمُشغِّل: واحد للطاقة الداخلة، وواحد للعضو الدوار، وواحد للمجال. تُسمى التوصيلات بالعضو الدوار A1 وA2. ويُطلق على طرفي ملف المجال (الإثارة) اسم F1 وF2. وللتحكم في السرعة، يتم توصيل مقاومة متغيرة للمجال على التوالي مع ملف المجال المتوازي. يتم توصيل أحد طرفي الخط بذراع المُشغِّل. الذراع مزود بنابض، لذا سيعود إلى وضع "إيقاف التشغيل" عندما لا يكون مثبتًا في أي وضع آخر.

• في الخطوة الأولى من تشغيل الذراع، يتم تطبيق جهد الخط الكامل على ملف المجال المتوازي. وبما أن مقاومة ملف المجال مضبوطة عادةً على الحد الأدنى، فلن تكون سرعة المحرك مفرطة؛ بالإضافة إلى ذلك، سيولد المحرك عزم دوران بدء تشغيل كبير.
• يقوم المُشغِّل أيضًا بتوصيل مغناطيس كهربائي على التوالي مع مجال التحويلة. وسيثبت الذراع في مكانه عندما يلامس الذراع المغناطيس.
• وفي الوقت نفسه، يتم تطبيق هذا الجهد على مجال التوازي، وتحد مقاومة البدء من التيار المتجه إلى المحرك.
• مع ازدياد سرعة المحرك، تتولد قوة دافعة كهربائية معاكسة؛ ويتم تحريك الذراع ببطء لتقصير الدائرة.

يُزيل نظام التشغيل رباعي النقاط عيب نظام التشغيل ثلاثي النقاط. فبالإضافة إلى النقاط الثلاث نفسها المستخدمة في نظام التشغيل ثلاثي النقاط، تُصبح النقطة الرابعة، L1، هي الطرف الآخر من الخط، وتُوصل بالمحرك عند تحريك الذراع من وضع "إيقاف التشغيل". ويتم توصيل ملف المغناطيس المُثبِّت عبر هذا الخط. ويعمل كل من المغناطيس المُثبِّت ومقاومات التشغيل بنفس طريقة عملهما في نظام التشغيل ثلاثي النقاط.

• إن احتمال فتح دائرة المجال عن طريق الخطأ ضئيل للغاية. يوفر بادئ التشغيل رباعي النقاط حماية للمحرك من انقطاع التيار الكهربائي. في حال انقطاع التيار، يتم فصل المحرك عن الشبكة.