خصائص مولدات التيار المستمر

أهمية التعرف الى خصائص مولدات التيار المستمر:

يختلف مولد التيار المباشر عن مولد التيار المتردد بالعديد من الخصائص التي تشمل التركيب الدقيق، وذلك بالإضافة الى آلية الفحص التي يتعرض لها، وذلك على خلاف ما جرت العادة في مولدات القدرة الكهربائية التي تعمل بشكل مصاحب لشبكة النقل الكهربائية طوال الوقت، لذلك سوف يتم في هذا الطرح توضيح أهم الخصائص الكهربائية وإجراءات الفحص المناسبة لهذا النوع من المولدات.

بالإضافة الى أن مولد التيار المباشر (DC) هو  عبارة عن “آلة دوارة” تزود ناتجاً كهربائياً بجهد وتيار أحادي الاتجاه، حيث أن المبادئ الأساسية للتشغيل هي نفسها للمولدات المتزامنة، كما يتم تحفيز الجهد في الملفات بمعدل تغير المجال المغناطيسي عبر الملفات أثناء دوران الآلة. هذا الجهد المستحث يتناوب بطبيعته في الشكل، وذلك لأن تدفق الملف يزداد ثم يتناقص، وبمتوسط قيمة صفرية.

ومن أجل ضمان متطلبات التصميم؛ فإنه عادةً ما يتم صناعة مولدات التيار المباشر من أربعة إلى ثمانية أقطاب مجال، وجزئياً لتقصير “الوصلات الطرفية” على ملفات الدوار وجزئياً لتقليل كمية الحديد المغناطيسي اللازمة في الجزء الثابت، وعادة ما يكون عدد الفرش الثابتة التي تحمل على المبدل الدوار مساوياً لعدد الأعمدة ولكن قد يكون اثنان فقط في بعض التصميمات.

خاصية الدائرة المفتوحة (O.C.C) (E0 / If):

تُعرف خاصية الدائرة المفتوحة أيضاً “بالخاصية المغناطيسية” أو خاصية تشبع عدم التحميل، كما توضح هذه الخاصية العلاقة بين (emf) المتولدة عند عدم وجود حمل (E0) وتيار المجال (I_f) بسرعة ثابتة معينة، كما أن منحنى (O.C.C) هو مجرد منحنى مغنطة وهو مشابه عملياً لجميع أنواع المولدات.

كما أن بيانات (O.C.C)، يتم من خلالها الحصول على المنحنى من خلال تشغيل المولد بدون حمل والحفاظ على سرعة ثابتة، بحيث يزداد “تيار المجال” تدريجياً ويتم تسجيل الجهد الطرفي المقابل، كذلك ترتيب الاتصال للحصول على (O.C.C)، وهو منحنى واضح في الشكل أدناه، وبالنسبة للمولدات المحولة أو المتسلسلة؛ فإنه يتم فصل لف الحقل عن الماكينة وتوصيله عبر مصدر خارجي.

الخصائص الداخلية أو الكلية (E / Ia):

يُظهر منحنى الخصائص الداخلية العلاقة بين (emf) المتولد عند التحميل وتيار المحرك (Ia)، كذلك دائماً ما يكون (emf- Eg) الناتج عند التحميل أقل من (E0)، وذلك بسبب تفاعل المحرك، على سبيل المثال؛ فإنه يمكن تحديده بطرح الانخفاض الناتج عن تأثير إزالة المغناطيسية لتفاعل المحرك من جهد عدم التحميل (E0)، لذلك؛ فإنه يقع منحنى الخصائص الداخلية أسفل منحنى (O.C.C).

الخاصية الخارجية (V / IL):

يوضح منحنى الخصائص الخارجية العلاقة بين الجهد الطرفي (V) وتيار الحمل (IL)، حيث أن الجهد الطرفي (V) أقل من (emf) المتولد بسبب انخفاض الجهد في دائرة المحرك، لذلك؛ فإنه يقع منحنى الخصائص الخارجية أسفل منحنى الخصائص الداخلية، حيث أن الخصائص الخارجية مهمة للغاية لتحديد مدى ملاءمة المولد لغرض معين، لذلك يُطلق على هذا النوع من الخصائص أحياناً اسم خاصية الأداء أو خاصية الحمل.

خصائص مولد التيار المستمر المستحث بشكل منفصل:

إذا لم يكن هناك تفاعل في المحرك وانخفاض جهد المحرك؛ فسيبقى الجهد ثابتاً لأي تيار حمل، وبالتالي؛ فإن الخط المستقيم (AB) في الشكل أعلاه يمثل جهد عدم التحميل مقابل تيار الحمل (IL)، وذلك نظراً لتأثير إزالة المغناطيسية لتفاعل المحرك؛ فإن (emf) الناتج عند التحميل يكون أقل من جهد عدم التحميل.

كما يمثل منحنى التيار المتردد (emf) المتولد عند التحميل مقابل تيار الحمل (IL)، أي الخاصية الداخلية مثل (Ia = IL) لمولد تيار مستمر متحمس بشكل منفصل، كذلك أيضاً يكون الجهد الطرفي أقل بسبب الانخفاض الأومي الذي يحدث في المحرك والفرش، حيث يمثل المنحنى (AD) الجهد الطرفي مقابل تيار الحمل، أي الخاصية الخارجية.

خصائص مولد التيار المباشر حسب آلية الربط:

مولد التيار المباشر المربوط على التوازي:

لتحديد خصائص الحمل الداخلي والخارجي لمولد تحويل التيار المستمر، يُسمح للآلة ببناء جهدها قبل تطبيق أي حمل خارجي، ولبناء جهد مولد التحويل؛ فإنه يتم تشغيل المولد بالسرعة المقدرة بواسطة المحرك الرئيسي، كما يتم تحفيز الجهد الأولي بسبب المغناطيسية المتبقية في أقطاب المجال.

لذلك يبني المولد جهده كما هو موضح من قبل منحنى (O.C.C)، وعندما يقوم المولد ببناء الجهد؛ فإنه يتم تحميله تدريجياً بحمل مقاوم ويتم أخذ القراءات على فترات زمنية مناسبة، كذلك ترتيب الاتصال كما هو موضح في الشكل أدناه.

على عكس مولد (DC) المستحث، وبشكل منفصل؛ فإن (IL ≠ Ia) بالنسبة لمولد التحويل (Ia = IL + If) ومن ثم، يمكن نقل الخاصية الداخلية بسهولة إلى (Eg) مقابل (IL)، وذلك عن طريق طرح القيمة الصحيحة لـ (If) من (Ia).

أثناء حالة التشغيل العادية، وعندما تنخفض مقاومة الحمل؛ فإنه يزداد تيار الحمل، ولكن مع الاستمرار في تقليل مقاومة الحمل، ينخفض الجهد الطرفي أيضاً، لذلك؛ فإنه يمكن تقليل مقاومة الحمل إلى حد معين، وبعد ذلك ينخفض الجهد الطرفي بشكل كبير بسبب تفاعل المحرك المفرط عند تيار المحرك العالي للغاية وزيادة خسائر (I2R) وبالتالي، يؤدي أي انخفاض إضافي في مقاومة الحمل إلى تقليل تيار الحمل، وبالتالي يعود منحنى الخصائص الخارجية للخلف كما هو موضح بالخط المنقط في الشكل أعلاه.

مولد التيار المباشر المربوط على التوالي:

المنحنى (AB) في الشكل أعلاه مطابق لمنحنى خاصية الدائرة المفتوحة (O.C.C)، وهذا لأنه في سلسلة “مولدات التيار المستمر”؛ فإنه يتم توصيل ملف المجال في سلسلة مع المحرك والحمل، ومن ثم؛ فإن تيار الحمل هنا يشبه تيار الحقل (أي IL = I_f).

يبين المنحنى “OC” و “OD” خاصية داخلية وخارجية على التوالي، وفي مولد سلسلة (DC)، حيث يزيد الجهد الطرفي مع تيار الحمل، وهذا لأنه مع زيادة الحمل الحالي؛ يزداد تيار الحقل أيضاً ومع ذلك، وبعد حد معين؛ فإنه يبدأ الجهد الطرفي في التناقص مع زيادة الحمل، وهذا بسبب آثار إزالة “المغناطيسية المفرطة” لتفاعل المحرك.

مولدات التيار المباشر المربوطة بشكل مدمج:

يوضح الشكل أعلاه الخصائص الخارجية لمولدات مدمج التيار المستمر، خاصةً إذا تم ضبط سلسلة لفات الأمبير بحيث تؤدي الزيادة في تيار الحمل إلى زيادة الجهد الطرفي، عندئذٍ يُطلب من المولد أن يكون أكثر من مضاعفة، حيث تظهر الخاصية الخارجية للمولد المركب من خلال المنحنى (AB) في الشكل أعلاه.

وإذا تم ضبط سلسلة لفات الأمبير المتعرجة بحيث يظل الجهد الطرفي ثابتاً حتى مع زيادة تيار الحمل، عندئذٍ يُطلق على المولد أن يكون مركباً مسطحاً تظهر الخاصية الخارجية للمولد المركب المسطح بواسطة المنحنى (AC).

وإذا كان عدد اللفات المتسلسلة يحتوي على عدد أقل من المنعطفات مما قد يكون مطلوباً ليكون مركباً مسطحاً؛ فسيتم استدعاء المولد ليكون أقل من المركب، كما يتم عرض الخصائص الخارجية للمولد المركب تحت المنحنى (AD).