يتناول المقال شرحا للخواص العامة لمحركات الجر وطرق الوقاية المختلفة للمحركات وكيفية تبريدها

د. كمال صبحي سليمان

هناك عدة أنواع من المحركات الكهربائية المستخدمة في التحريك الكهربائي بصفة عامة وفي الجر الكهربائي بصفة عامة تختلف فيما بينها، حسب طبيعة مصدر التغذية، وطريقة تركيبها ونظرية عملها، وأهم هذه المحركات:

• محركات التيار المستمر:

تتميز محركات التيار المستمر بأنها تدور بالسرعات المطلوبة بدقة، وذات مدى واسع لتغيير السرعة، مع إمكانية السيطرة عليها بسهولة، وإمكانية عكس اتجاه حركتها الدورانية، بالإضافة إلى تميزها بعزم بدء حركة مناسب.

• المحركات الحثية:

يوجد منها نوعان، النوع الأول عضوه الدوار من النوع ذي القفص السنجابي، ويتميز ببساطة تركيبه وبقلة تكاليفه وصلابته، هذا النوع مناسب لل التي تحتاج إلى سرعة دوران ثابتة، النوع الثاني هو المحرك ذو العضوا لدائر الملفوف, وهو مناسب لل التي تحتاج لعزم كبير لبدء حركتها مع نقص فيقيمة تيار بدء الحركة، ويمتاز هذا النوع عن سابقه بسهولة التحكم فيه من حيث السرعة وعزم تيار بدء الحركة.

• المحركات التزامنية:

هذا النوع من المحركات مناسب لل التي تحتاج إلى سرعة دوران ثابتة وقدرات كبيرة، بالإضافة إلى إمكانية تصميمها لتعمل عند سرعات بطيئة بمعامل قدرة عالي وبكفاءة تشغيل مرتفعة.

الخواص العامة لمحركات الجر

الخواص الكهربائية والميكانيكية العامة المطلوبه لمحركات الجر هي:

• عزم كبير أثناء بدء الحركة: أثناء بدء الحركة والتسارع تحتاج القاطرة الكهربائية لقوة جر كبيرة للحصول على التسارع المطلوب بالإضافة إلى قوة الجر اللازمة للتغلب على المقاومة لحركة القطار. بينما يكون المطلوب أثناء فترة الانطلاق الحر بسرعة منتظمة فقط قوة الجر اللازمة للتغلب على المقاومة لحركة القطار. أثناء السير لأعلى المستويات المائلة يلزم قوة جر إضافية للتغلب على تأثير الجاذبية الأرضية بالإضافة إلى القوي سابقة الذكر. لابد أن يبذل المحرك عزما كبيرا أثناء فترة البدء للحصول على قوة الجر الكبيرة المطلوبة أثناء بدء الحركة.
• خواص التوالي بين السرعة والعزم: من المرغوب فيه أن يكون لمحركات الجر خواص محرك التوالي بين السرعة والعزم للاسباب التالية:

 

تشغيل أكثر من محرك في القاطرة الواحدة:

تحتوي القاطرة الكهربائية عادة على عدة محركات متماثلة مثبتة مع دواليب الحركة. طالما أن دواليب الحركة لها نفس القطر فإن سرعة المحركات تكون متساوية ويكون الحمل موزعا بالتساوي بين المحركات. ولكئ بسبب التآكل غير المتساوي في الدواليب تختلف أقطارها بعض الشي. مما قد يتسبب في توزيع غير متساوتي للحمل على المحركات.

افترضأولا أن محركين لهما خواص التوازي بين السرعة والعزم، الشكل رقم (1), يعملان معا ومثبتان لدولابين غير متساويين في القطر. إذا كانت سرعة المحرك الأول N₁ وسرعة الثاني, N₂ فإن العزم المتولد من المحرك الأول هو T₁ ومن الثاني T₂, كما هو موضح بالشكل رقم (1)، من الواضح أن الفارق كبير في قيمة العزم المتولدمن كلا المحركين، المحرك ذو السرعة الأكبر بيذل عزما أقل بكثير من المحرك ذي السرعة الأقل.

افترض الآن أن المحركين لهما خواص التوالي بين السرعة والعزم حيث يوضح الشكل أن الفرق صغير بين قيمة العزم المتولد من كلا المحركينT₁, T₂لذلك فمن المرغوب فيه استعمال محركات لها خواص التوالي.

• خاصية الحماية الذاتية: بسبب خواص التوالي بين السرعة والعزم تنخفض سرعة المحرك كلما زاد عزم الحمل العلاقات التالية صحيحة عند إهمال التشبع المغناطيسي.

• 

The power output

إذن زيادة العزم إلى ثلاثة أمثال عزم الحمل الكامل، تقابلها زيادة فيقدرة المحرك مقدرها (3 = 1.73√) من قدرة الحمل الكامل, أي أن المحرك يحمي نفسه ذاتيا ضد زيادة الحمل.

في حالة المحركات ذات خواص التوازي بين السرعة والعزم، قدرة الخرج تتناسب مباشرة مع العزم إذا ازداد العزم، إلى ثلاثة أمثال عزم الحمل الكامل، تزداد قدرة الخرج إلى ثلاثة أمثال الحمل الكامل.

استهلاك أقل للقدرة أثناء زيادة الحمل أي زيادة قو الجر المطلوبة، كما يحدث عند صعود مستوى مائل، فإن القدرة المسحوبة من المصدر بواسطة المحركات التي لها خاصية التوالي بين السرعة والعزم، تكون أقل بكثير من القدرة المسحوبة بواسطة المحركات التي لها خاصية التوازي للأسباب السابق ذكرها.

• بساطة التحكم في سرعة المحرك: يجب أن تكون الطرق المستخدمة للتحكم في محركات الجر بسيطة في كيفية تنفيذها.
• قابليتها للتعديل لاستخدام الفرامل الكهربائية: يجب أن تكون محركات الجر قابلة لتطبيق الطرق المختلفة للفرامل الكهربائية عليها بسهولة، مثل الفرامل الديناميكية والفرامل بإعادة التوليد والفرامل باستخدام التيار المعكوس أو التبديل.
• قابليتها لتحمل الارتفاع المفاجئ في الجهد: يحدث فيبعض الأحيان ارتفاع مفاجئ في الجهد بسبب عمل أحد قواطع التيار لإزالة خطأ ما بشبكة الجر. هذا الارتفاع المفاجئ يسبب زيادة مفاجئة في التيار، يجب على المحرك أن يتعلمها دون إحداث أي ضرر به.
• تحمل الانقطاع المؤقت لمصدر الجهد: الانقطاع المؤقت لمصدر الجهد قد يحدث عند تقاطع الطرق والانتقال من شبكة جر إلى أخرى. عند إعادة جهد المصدر، ربما تكون القوة الدافعة الكهربائية العكسية قد انخفضت كثيرا عن قيمتها الأولى، مما يتسبب عنه مرور تيار كبير بالمحرك.
• الصلابة: يجب أن تكون محركات الجر صلبة في هيكلها الخارجي وتركيبها الداخلي لتتحمل عزم الجر الكبير المتولد بواسطتها وتتحمل كذلك الاهتزاز والارتجاج الذي تتعرض لهما أثناء حركة القطار.
• وزن وحجم المحرك: يجب إنقاص وزن محرك الجر بقدر الإمكان لسهولة تثبيته مع دواليب الحركة، وللتوفير في الطاقة المستهلكة، يجب أيضا الحرص على الإنقاص من حجم محرك الجر بسبب محدودية وضيق المكان المخصص لتثبيته.

 

طرق الوقاية المختلفة للمحركات الكهربائية وكيفية تبريدها

يستخدم الإطار الخارجي للمحرك لتوفير الحماية للمحرك من ظروف الجو المحيط مثل الرطوبة، والأوساخ والأتربة والأجسام الغريبة، وما قد يتسرب للمحرك من أبخرة ومواد قابلة للاشتعال، وفينفس الوقت لا يجب أن يؤثر الإطار سلبا على تبريد المحرك. هناك عدة أنواع من الأغلفة التي تستخدم في المحركات لتوفير درجات مختلفة من الحماية، ولمراعاة ظروف التشغيل المحيطة بنظام التحريك الكهربائي:

• النوع المفتوح: في هذا النوع يكون المحرك مفتوحا على كلتا طرفيه، يوفي هذا النوع تبريدا حرا للمحرك، حيث يكون كل من الثابت والدوار في اتصال مباشر مع الهواء المحيط، ويستخدم في آلات التيار المستمر الكبيرة الحجم.

شكل رقم (1): خواص التوالي والتوازي لمحركات الجر

 

• النوع المحمي بشبكة: في هذا النوع يحتوي الغلاف الخارجي للآلة على فتحات كبيرة للتبريد الحر، هذه الفتحات مغطاة بشبكة لمنع دخول الفئران والزواحف، أوسقوط العدد الصغيرة مثل المفكات، الخ… داخل الآلة، ولكنها لا توفر الحماية من الأوساخ والأتربة والأمطار أو المواد القابلة للاشتعال، تستعمل هذه المحركات بكثرة في أغلبية ال الصناعية، حيث يكون الجو نظيفا وخاليا من الأوساخ والغبار والمواد الكيميائية.
• النوع المحمي ضد تناثر السوائل والغبار: فيهذا النوع تكون الفتحات المخصصة لتبريد المحرك سمة بحيث لا تسمح بدخول قطرات السوائل أو ذرات الغبار.
• النوع المحمي ضد الأمطار: في هذا النوع تكون الفتحات المخصصة لتبريد المحرك, مصممة بحيث لا تسمح بدخول الأمطار أو السوائل وذرات الغبار الساقطة على الآلة أو التي تأتي من جانبي الآلة بزاوية لا تزيد علي مائة درجة من الاتجاه الرأسي، يمكن استخدام هذه المحركات تحت الأمطار المباشرة.
• النوع المقفل ذو التبريد الذاتي: في هذا النوع يكون المحرك مغلقا بالكامل ولا توجد أي فتحات للتهوية، ويتم تبريد المحرك بواسطة انتشار الحرارة من على سطحه الخارجي. الذي يزود بزعانف لزيادة مساحة السطح الخارجي للمحرك وتحسين التبريد، يستخدم هذا النوع في الأماكن التى يوجد فيها الغبار والمياه والمحاليل الكيميائية. بسبب صعوبة التبريد فإن قدرة المحرك تحدد بحوالي ستين إلى سبعين في المائة من قدرة المحرك من نفس الحجم من النوع المفتوح. تبنى هذه المحركات بقدرات محدودة حوالي 3-5 حصان فقط.
• النوع المقفل ذو التبريد المنفصل: هذا النوع من المحركات مزود بمروحة خاصة للتبريد. مثبتة مع محور المحرك وخارج الإطار المقفل للمحرك ومغطاة بغطاء خاص بها وتدفع الهواء لتبريد السطح الخارجي للمحرك، والذي يكون في العادة مزودا بزعائف لزيادة المساحة السطحية، يستخدم هذا النوع في مطاحن لدقيق ومصانع الأسمنت والمناجم.
• النوع المزود بأنابيب للتبريد: فيهذا النوع يكون المحرك مقفلا تماما،ويتم تبريده بواسطة هواء نظيف يدفع داخل أنابيب خاصة من خارج منطقة الغبار. الكلفة الزائدة بسبب استخدام أنابيب التبريد تقابل باستخدام محرك أصغر حجما وأقل كلفة. إذا أخذنا في الاعتبار التبريد الجيد للمحرك فيهذه الحالة.