مقدمه
ماشین جریان مستقیم (DC) یک نوع ماشین الکتریکی است در آن سیستم الکتریکی از نوع DC (یکسو) می باشد. این نوع از ماشین می تواند در دو حالت موتوری و یا ژنراتوری کار کند. ماشینهای جریان مستقیم بیشتر در قالب موتورهای جریان مستقیم کار می کنند. مزیت اصلی این ماشین ها تنظیم سرعت و گشتاور آسان آنهاست. به هر حال کاربرد آنها به آسیابها، معادن و سیستم حمل و نقل ریلی محدود می شود. به عنوان مثال ترنهای برقی و متروها ممکن است از موتور DC استفاده کنند. با این حال توسعه الکترونیک قدرت استفاده از موتورها و ژنراتورهای DC را محدود کرده است. بسیاری از درایوهای جریان متناوب با کنترل الکترونیکی به تدریج جایگزین درایوهای موتور DC در کارخانه ها می شوند.
ساختار ماشین DC
ماشین DC از چهار جزء تشکیل شده است: استاتور، روتور، سیم پیچی میدان و سیم پیچی آرمیچر. در شکل 1 یک نمای گرافیکی دو بعدی از یک ماشین DC نشان داده شده است که در آن قسمت آبی رنگ استاتور، قسمت زردرنگ سیم پیچی میدان، قسمت قهوه ای رنگ روتور و قسمت نارنجی رنگ سیم پیچی آرمیچر را نشان می دهد.
شکل 1) نمای گرافیکی دو بعدی از یک ماشین DC
استاتور که در شکل 2 نشان داده شده، جزء ثابت موتور است که رتور را احاطه کرده است. استاتور شامل پشته و قطبهای برجسته می باشد که سیم پیچی استاتور به دور این قطبها پیچیده می شود.
شکل 2) ساختار استاتور ماشین DC
سیم پیچی میدان در استاتور قرار دارد و به صورت متمرکزشده به دور قطبهای استاتور پیچیده شده است. این سیم پیچی با ولتاژ مستقیم یا یکسو تغذیه شده و مسئول ایجاد میدان مغناطیسی و شار اصلی در ماشین DC می باشد. شار سیم پیچی میدان با جریان تحریک رابطه مستقیمی دارد. در شکل 3 نمای سه بعدی از کلاف های سیم پیچی میدان که به دور قطب های استاتور پیچیده شده است، نشان داده شده است.
شکل 3) نمای سه بعدی از سیم پیچی میدان ماشین DC
رتور که در شکل 4 نمایش داده شده، جزء متحرک است که می تواند در داخل استاتور چرخش کند. روتور دارای شیارهایی در سطح خود می باشد که سیم پیچی آرمیچر به صورت توزیع شده داخل آنها قرار می گیرد. بین استاتور و روتور یک فاصله هوایی مشخص وجود دارد.
شکل 4) ساختار روتور یک ماشین DC
سیم پیچی آرمیچر نیز در داخل شیارهای رتور قرار دارد و در آن ولتاژ القا می شود. این سیم پیچی از کلافهای متعددی تشکیل شده که در داخل شیارهای روتور به صورت توزیع شده جاسازی می شوند. در شکل 5 مجموعه کلافهای یک سیم پیچی آرمیچر ارائه شده است.
شکل 5) سیم پیچی آرمیچر در ماشین DC
هر کلاف (شکل 6) از چند حلقه تشکیل شده که با یکدیگر اتصال سری دارند. اتصال این کلافها بهم می تواند به دو صورت حلقوی یا موجی باشد. توجه می کنیم که این کلافها تقریبا به شکل یک ذوزنقه می باشند که دو سر آزاد تمام آنها با قطعه های کموتاتور در تماس است، در واقع این قطعه ها کلافها را به صور سری بهم متصل می کنند. از طرفی هر قطعه کموتاتور از سمت دیگر به جاروبک متصل است. کموتاتورها حرکت می کند اما جاروبک ها در جای خود ثابتند. از کموتاتور و جاروبکها برای یکسوسازی جریان کلافها و شارش جریان یکسو به خروجی سیم پیچی روتور استفاده می شود.
شکل 6) یک کلاف از سیم پیچی آرمیچر ماشین DC
برای فهم بهتر یک مدل از ماشین DC ساده شده دو قطبی با یک کلاف در روتور در شکل 7 نشان داده شده است. در این شکل B1 و B2 جاروبکها هستند و دو قطعه کمانی شکل که با جاروبکها در تماسند، قطعات کموتاتور می باشند که یکی با سر a کلاف و دیگری با سر b کلاف در تماس می باشد.
شکل 7) کموتاتورها و جاروبک ها در ماشین DC
نمای سه بعدی از استاتور و روتور یک ماشین DC چهار قطبه در شکل های 8 و 9 نمایش داده شده است.
شکل 8) استاتور یک ماشین DC واقعی به همراه Housing
شکل 9) روتور یک ماشین DC واقعی به همراه کموتاتورها و جاروبک ها
قاعده عملکرد حالت موتوری
در حالت موتوری سیم پیچی میدان که در استاتور است، با ولتاژ DC تحریک شده و شاری را در شکاف هوایی ماشین ایجاد می کند. این شار متغیر با زمان که از سیم پیچی آرمیچر عبور می کند بر طبق قانون القای فارادی باعث ایجاد یک اختلاف پتانسیل در دو سر کلافهای سیم پیچی آرمیچر می شود. در نتیجه یک جریان القایی در کلافهای مربوطه بوجود می آید که باعث ایجاد شار متقابل با شار مغناطیسی اصلی می شود. این دو شار در جهت عمود بر هم عمل می کنند. وجود جریان در کلافهای سیم پیچی رتور و میدان مغناطیسی حاصل از سیم پیچی استاتور که از قبل ایجاد شده، بر طبق قانون نیروی لورنتس باعث ایجاد نیروی محرکه در روتور شده که بر کلافهای سیم پیچی آرمیچر وارد می شود. طراحی سیم پیچی آرمیچر در رتور به صورتی است که این نیرو به گشتاور تبدیل شده و باعث حرکت رتور می شود. با کمک مکانیسم کموتاتور و جاروبک این حرکت ادامه پیدا می کند و به یک چرخش پیوسته تبدیل می شود تا اینکه روتور سرعت گرفته و سرعت آن به مقداری مشخص برسد.
برای فهم بهتر عملکرد موتوری یک موتور DC ساده شده با دو قطب در استاتور و یک کلاف در روتور در شکل 10 زیر نشان داده شده است. کلاف مربوط در شیارهای a و b قرار گرفته و دو سر کلاف که از شیارهای a و b بیرون آمده، به ترتیب به قطعه کموتاتورهای 1 و 2 متصل است. علامت های مثبت و منفی هم جهت جریان القا شده را در کلاف نشان می دهد.
جهت میدان مغناطیسی استاتور از قطب N درطرف راست به سمت قطب S در طرف چپ می باشد که بر جهت جریان کلاف عمود می باشد. جهت نیروی موردنظر یعنی نیروی لورنتس را می توان با قانون دست راست براحتی پیدا کرد که در شکل 10 الف) نشان داده شده است. با توجه به شکل نیروی تولیدشده روتور را در جهت عقربه های ساعت می چرخاند تا کلاف به وضعیت نقطه خنثی بین قطبها برسد. در این نقطه میدان مغناطیسی عمود بر جریان روتور همراه با نیرو عملاً صفر می شود. با این حال اینرسی باعث می شود که روتور کمی از نقطه خنثی خارج شود و به جایی برسد که میدان مغناطیسی معکوس می شود. برای جلوگیری از معکوس شدن جهت نیرو، کموتاتور جهت جریان را تغییر می دهد تا چرخش در جهت عقربه های ساعت حفظ شود. قبل از رسیدن به منطقه خنثی، جریان به قطعه 1 وارد می شود و از قطعه 2 خارج می شود (مطابق با شکل 10 الف). بنابراین جریان در شیار a به انتهای کلاف وارد می شود و در این مرحله از شیار b خارج می شود.
پس از عبور از منطقه خنثی، جریان وارد قطعه 2 می شود و همانطور که در شکل 10 ب) نشان داده شده، از قطعه 1 خارج می شود. این کار، زمانی که سیم پیچ از منطقه خنثی عبور می کند، جهت جریان را در داخل کلاف روتور معکوس می کند. نتیجه این معکوس شدن جریان، حفظ چرخش روتور است.
شکل 10-الف) قاعده عملکردی موتور DC – حالت اول
شکل 10-ب) قاعده عملکردی موتور DC – حالت دوم
توجه می کنیم که کلاف سیم پیچی روتور به علت عبور جریان از داخل آن بر طبق قانون آمپر یک میدان مغناطیسی در اطراف کلاف ایجاد می کند که همانند شکل 11 در نیمی از موتور باعث تقویت میدان اصلی شده و در نیمی دیگر آن را تضعیف می کند. این موضوع باعث بدشکل شدن مشخصه میدان در شکاف هوایی می شود. افزایش میدان در یک سمت می تواند باعث پدیده اشباع شده که در نتیجه باعث کاهش ولتاژ القا شده می شود. به این پدیده عکس العمل آرمیچر می گویند.
برای غلبه بر نیروی عکس العمل آرمیچر معمولاً در پیشانی قطب های برجسته استاتور از سیم پیچی های جبرانگر استفاده می شود. سیم پیچی جبرانگر به صورت سری با سیم پیچی آرمیچر بسته می شود تا نیروی محرکه تولیدی آن (mmf_c) متناسب با نیروی محرکه سیم پیچی آرمیچر (mmf_a) باشد و به صورتی عمل می کند که mmf_c با mmf_a مخالفت می ورزد، بدین صورت بخشی اعظمی از mmf_a خنثی می شود.
شکل 11) اثر میدان ایجادشده توسط روتور روی میدان اصلی (خطوط شار در نیمی باعث تقویت و در نیمی باعث تضعیف شار اصلی می شوند)
قاعده عملکرد حالت ژنراتوری
در حالت ژنراتوری سیم پیچی میدان مشابه با حالت موتوری با ولتاژ DC تحریک می شود و شاری را در شکاف هوایی ایجاد می کند. برای روتور این بار عملکرد به صورت دیگر است. در حال ژنراتوری محور ماشین به یک ماشین دیگر یا توربین خارجی متصل است و با چرخش آن، به حرکت در می آید. با چرخش محور، روتور که روی آن قرار گرفته نیز شروع به چرخش می کند. در این حالت چون سیم پیچی آرمیچر نیز با چرخش روتور می چرخد، در اثر عبور و قطع خطوط میدان اصلی، ولتاژی درون آن القا می شود. این ولتاژ سپس توسط مکانیزم یکسوسازی به ولتاژ DC تبدیل شده و در خروجی به بار تحویل داده می شود.
برای فهم بهتر، عملکرد ژنراتوری نیز مشابه با حالت قبل برای ساختار موردنظر تشریح شده است. در شکل 12 قاعده تولید ولتاژ القاشده و فرآیند کموتاسیون ارائه شده است. چرخش روتور در جهت عقربه های ساعت است و در شکل 12 الف) با توجه به جهت چرخش و جهت میدان اصلی، بر طبق قانون دست راست جهت جریان مشخص می شود که در شیار a به سمت بیرون و در شیار b به سمت داخل است. با توجه به این موضوع سر مثبت ولتاژ در شیار b و سر منفی آن در شیار a قرار دارد، بنابراین ترمینال مثبت به قطعه کموتاتور 2 و ترمینال منفی به قطعه کموتاتور 1 متصل می شود. پس ولتاژ القاشده از طریف کموتاتور و جاروبکها به ترمینالهای ژنراتور متصل می شود.
شکل 12-الف) قاعده عملکردی ژنراتور DC- حالت اول
شکل 12-ب) قاعده عملکردی ژنراتور DC – حالت دوم
به هر حال زمانی که کلاف از ناحیه خنثی عبور می کند، بازوی کلاف در شیار a سپس به سمت قطب جنوب حرکت می کند و خطوط میدانی را که از روتور خارج می شود را قطع می کند، همچنین بازوی کلاف در شیار b خطوط شار واردشده به روتور از قطب شمال را قطع می کند. این موضوع پلاریته ولتاژ القاشده را در کلاف تغییر می دهد به طوریکه سر مثبت ولتاژ اکنون در شیار a و سر منفی در شیار b قرار دارد (شکل 12 – ب). در این حالت به صورت همزمان کموتاتور ترمینال هایش را معکوس می کند در نتیجه در نهایت پلاریته ولتاژ تغییر نمی کند. در این وضعیت ترمینال مثبت به قطعه کموتاتور 1 و ترمینال منفی به قطعه کموتاتور 2 متصل است.
در هر دو حالت فوق چون ولتاژ نهایی تولید شده در سیم پیچی آرمیچر از نوع یکسو است، به این ماشین، ماشین جریان مستقیم یا DC گفته می شود. در موتورهای DC جریان القایی از جاروبکها به سمت آرمیچر تغذیه می شود در حالیکه در ژنراتور DC جریان آرمیچر از طریق جاروبکها به مصرف کننده می رود.
انواع ماشین DC
در ماشینهای الکتریکی DC سیم پیچی میدان می تواند از نوع مستقل، شنت (موازی)، سری یا ترکیبی از این دو باشد. سیم پیچی شنت دارای تعداد حلقه های بسیار است و جریان عبوری از آن بسیار کم (حدود 5 درصد جریان نامی آرمیچر) است. این سیم پیچی به صورت موازی با سیم پیچی آرمیچر بسته می شود. از طرفی سیم پیچی سری دارای تعداد حلقه کمی بوده اما در عوض جریان عبوری از آن زیاد است و به صورت سری با سیم پیچی آرمیچر بسته می شود.
به همین خاطر بر اساس نحوه اتصال سیم پیچی میدان، ماشین های الکتریکی DC را می توان به چهار دسته تحریک مستقل، شنت، سری و کمپوند تقسیم کرد.
در ماشین تحریک مستقل (شکل 13) سیم پیچی میدان با منبع توان مستقیم جداگانه تحریک می شود و اثری بر جریان مدار روتور ندارد. مزیت این ماشین در این است که در حالت موتوری سرعت آن و در حالت ژنراتوری ولتاژ خروجی آن می تواند به طور دقیق با جریان سیم پیچی میدان کنترل شود. به هر حال منبع توان اضافی برای سیم پیچی میدان هزینه کل سیستم را افزایش می دهد.
شکل 13) ماشین DC تحریک مستقل (حالت موتوری)
در ماشین شنت که در شکل 14 نشان داده شده است، سیم پیچی میدان موازی با سیم پیچی آرمیچر قرار می گیرد و ولتاژ دو سر هر دو سیم پیچی برابر است. این ماشین فقط به یک منبع توان احتیاج دارد و تغییر بار در آن اثر کمی بر سرعت موتور یا ولتاژ ژنراتور دارد.
شکل 14) ماشین DC از نوع شنت (حالت موتوری)
در ماشین سری (شکل 15)، سیم پیچی میدان به طور سری با سیم پیچی آرمیچر قرار گرفته و جریان روتور از سیم پیچی میدان نیز عبور می کند. این ماشین در حال موتوری گشتاور راه اندازی بزرگی دارد که یک مزیت بسیار خوب برای آن محسوب می شود. از این مزیت در درایوهای ترن برقی و تراموا استفاده می شود. مشکل در عملکرد این موتور زمانی رخ می دهد که یک افت ناگهانی در بار مکانیکی ایجاد شود که این امر موجب افزایش سریع سرعت موتور شده و می تواند منجر به نقض مکانیکی و حادثه شود.
شکل 15) ماشین DC سری (حالت موتوری)
در ماشین کمپوند از هر دو سیم پیچ سری و موازی با سیم پیچی آرمیچر استفاده می شود و می تواند به دو صورت کمپوند شنت بلند یا کمپوند شنت کوتاه بکار برده شود. در شکل 16 نوع شنت بلند نشان داده شده است که سیم پیچی سری با سیم پیچی آرمیچر به صورت سری بسته شده و مجموع آنها با سیم پیچی شنت به صورت موازی بسته می شود. در حالت شنت کوتاه فقط سیم پیچی آرمیچر به صورت موازی با سیم پیچی شنت بسته می شود.
شکل 16) ماشین DC از نوع کمپوند شنت بلند (حالت موتوری)