لا تزال محركات التيار المستمر ذات الفُرَش شائعة في آلات اللفّ، وأجهزة البثق، والناقلات، ومنصات الاختبار، والرافعات، وآلات الإنتاج القديمة. يتناسب عزمها مع تيار العضو الدوّار، بينما تتأثر سرعتها بجهد العضو الدوّار المطبَّق وتدفّق المجال. تجعل هذه العلاقة فهم المحرك أمرًا سهلًا، لكنها لا تجعل جميع وحدات التحكم قابلة للتبديل.

النهجان الإلكترونيان المعروفان هما التحويل باستخدام المقومات ذات الثايرستور (SCR) المتزامنة مع خط التغذية، والتبديل بالترانزستورات باستخدام تعديل عرض النبضة (PWM). يستطيع كلاهما تنظيم متوسط جهد العضو الدوّار. لكنهما يختلفان في تموّج التيار، والسلوك عند السرعات المنخفضة، وتأثيرات الدخل، وخيارات استعادة الطاقة، والضوضاء الكهرومغناطيسية، ومخاطر التحديث في الأنظمة القائمة.

يجب أن يراعي اختيار وحدة القيادة تصنيفات العضو الدوّار، وتصميم المجال، والتغذية الراجعة، ودورة التشغيل، والعكس، ومسار طاقة التوقف بالكامل.

ابدأ بدائرة المحرك

لا يحتوي محرك المغناطيس الدائم على مصدر تغذية منفصل للمجال. أما المحرك التفرعي أو المحرك ذو الإثارة المنفصلة، فيستخدم ملف مجال يحدد تياره التدفق المغناطيسي. ويختلف المحرك المتسلسل مرة أخرى، ونادرًا ما يكون بديلًا مباشرًا لوحدة قيادة تيار مستمر عامة. قبل اختيار المعدّات، حدّد نوع المحرك، وجهد العضو الدوّار وتياره، وجهد المجال وتياره، والسرعة الأساسية، والسرعة القصوى المسموح بها، وحالة العزل، وطريقة التبريد.

تحت السرعة الأساسية، تتحكم وحدة القيادة عادةً في جهد العضو الدوّار مع الحفاظ على المجال المقنن. وفوق السرعة الأساسية، تقلل بعض الأنظمة تيار المجال للسماح بسرعة أعلى مع عزم متاح أقل. ويتطلب إضعاف المجال حماية من زيادة السرعة والتحقق من الحدود الميكانيكية. وقد يؤدي فقدان المجال في محرك ذي إثارة منفصلة إلى زيادة سرعة خطرة، لذا فإن اكتشاف فقدان المجال متطلب وظيفي وليس إنذارًا اختياريًا.

كيف تتحكم وحدة قيادة SCR في جهد العضو الدوّار

يصبح SCR موصلًا بعد تطبيق نبضة على البوابة، ويظل موصلًا عادةً حتى ينخفض التيار إلى ما دون قيمة الإمساك. في مقوّم يُغذّى بالتيار المتردد، تؤخر وحدة التحكم زاوية الإشعال ضمن كل دورة من دورات الخط. ويؤدي تغيير هذه الزاوية إلى تغيير متوسط جهد التيار المستمر الموصل إلى العضو الدوّار.

تدعم قنطرة أحادية الربع التشغيلَ المحرّكي في اتجاه واحد. ويتطلب العكس والتشغيل المتجدد بنية مناسبة، مثل المقوّم المزدوج، إلى جانب تحكم يمنع تيار الدوران غير المرغوب فيه. ويهم الترتيب الدقيق لأن العكس باستخدام الموصلات لا يعادل التحكم الإلكتروني رباعي الأرباع.

يُعد تحويل SCR تقنية مثبتة وسهلة الصيانة. وتنشأ حدوده من التبديل بتردد الخط. إذ يحتوي تيار العضو الدوّار على تموّج منخفض التردد، خصوصًا عند الحمل الخفيف أو السرعة المنخفضة. وقد يسبب هذا التموج نبضات في العزم وضوضاء مسموعة. كما يؤدي تأخير الإشعال إلى خفض معامل قدرة الإزاحة وتشويه تيار الدخل. ويوفر مصدر ثلاثي الطور خرجًا أكثر سلاسة عمومًا من قنطرة أحادية الطور، لكنه لا يلغي ضرورة تقييم التوافقيات وظروف الخط.

كيف يغيّر PWM مشكلة التحكم

تبدّل وحدة قيادة PWM الترانزستورات بسرعة بين ناقل التيار المستمر والعضو الدوّار. ويؤدي تغيير دورة التشغيل إلى تغيير متوسط جهد العضو الدوّار. ويعمل تحريض المحرك على تنعيم جزء كبير من التيار بين النبضات، مما يتيح تحكمًا أدق في التيار وعزمًا أكثر سلاسة عند السرعات المنخفضة مقارنةً بالعديد من المقومات ذات تردد الخط.

منظّم التيار هو حلقة التحكم الداخلية لأن تيار العضو الدوّار يمثل العزم. ويقارن منظّم السرعة الخارجي السرعة المطلوبة بالسرعة المقاسة، ثم يطلب التيار اللازم لتصحيح الخطأ. وتحمي حدود التيار المحرك والمحوّل أثناء التسارع أو حالات انحشار الحمل أو التغيرات السريعة فيه. ويجب أن يحافظ الضبط على فصل واضح بين حلقة التيار السريعة وحلقة السرعة الأبطأ.

تتحكم دورة التشغيل في متوسط جهد العضو الدوّار؛ وتُنظّم التغذية الراجعة للتيار العزمَ وتحدّ من الإجهاد الكهربائي.

يجب تتبّع الاستعادة والكبح باعتبارهما طاقة

يخزن الحمل الدوّار طاقة حركية. كما يمكن للحمل الهابط أن يدفع المحرك ميكانيكيًا. وأثناء التباطؤ، يجب أن تذهب هذه الطاقة إلى مكان ما. وقد تستخدم وحدة التحكم غير القابلة لاستعادة الطاقة الكبحَ الديناميكي، فتصل العضو الدوّار بمقاومة بعد فصل قدرة القيادة. أما وحدة التحكم القابلة للاستعادة فتعيد الطاقة إلى مصدر التيار المتردد أو إلى ناقل تيار مستمر مشترك عندما تسمح بنيتها بذلك.

يجب التحقق من تسميات التشغيل رباعي الأرباع مقابل التطبيق الفعلي. فقد تتطلب الآلة التشغيل المحرّكي إلى الأمام، والكبح إلى الأمام، والتشغيل المحرّكي العكسي، والكبح العكسي، لكنها قد لا تتطلب استعادة الطاقة إلى الخط في كل ربع. احسب قدرة الكبح القصوى، وطاقة النبضة، ومعدل التكرار، والحرارة المتوسطة. وتحقق من مقاومة المقاومة، وتصنيف تشغيل الموصل، وتصنيف قاطع التقطيع، وحماية فرط الحرارة.

التغذية الراجعة تحدد الأداء عند السرعات المنخفضة

يمكن أن توفر التغذية الراجعة لجهد العضو الدوّار تنظيمًا اقتصاديًا للسرعة، لكنها يجب أن تقدّر الجهد المفقود عبر مقاومة العضو الدوّار. وتصبح هذه التقديرات أقل دقة عند العزم العالي والسرعة المنخفضة. ويقيس مولّد السرعة أو المشفّر السرعة بصورة أكثر مباشرة ويحسّن التنظيم عبر تغيرات الحمل. ويجب اختبار قطبية التغذية الراجعة عند أمر منخفض قبل تفعيل الحلقة؛ إذ تؤدي القطبية غير الصحيحة إلى دفع المنظّم في الاتجاه الخاطئ.

في أنظمة الشد، قد لا تكون السرعة وحدها هي المتغير المتحكم فيه. فقد يهيمن على التصميم حساب القطر، أو حدود العزم، أو موضع الراقص، أو التغذية الراجعة من خلية الحمل. وقد يؤدي استبدال وحدة قيادة قديمة من دون فهم حلقات التحكم الخارجية هذه إلى زعزعة استقرار الآلة حتى عندما يدور المحرك بصورة صحيحة.

تمتد مخاطر التحديث إلى ما هو أبعد من لوحة البيانات

يغيّر تحديث وحدة القيادة من SCR إلى PWM البيئة الكهربائية. إذ يزيد التبديل عالي التردد من الانبعاثات الموصلة والمشعة، وقد ينقل التيار عبر سعة الكابل. راجع مسارات كابلات العضو الدوّار والتغذية الراجعة، وإنهاء توصيلات التدريع، وربط الخزانة، وفصل قدرة التحكم، والتأريض. ولا تمرر أسلاك المشفّر أو مقياس السرعة بجوار موصلات المحرك المبدّلة.

افحص الفُرَش، وسطح المبدّل، والمحامل، وعزل المجال، والتهوية قبل التشغيل التجريبي. فقد تكشف وحدة تنظيم أسرع عن خلوص ميكانيكي، أو تروس مهترئة، أو مبدّل ضعيف كان النظام القديم الأبطأ يتحمله. سجّل تموّج التيار، وخطأ السرعة، وشرر الفُرَش، ودرجة حرارة المحرك، والاهتزاز تحت حمل مماثل للحمل الفعلي.

يمكن مراجعة خيارات وحدات القيادة في وحدات القيادة والتحكم في الحركة، بينما يظل تسلسل تشغيل الآلة وشروط السماح ضمن أنظمة PLC وPAC.

إطار عملي للاختيار

قارن بين تيار العضو الدوّار المستمر والأقصى، ومتطلبات المجال، ونطاق السرعة، ونعومة العزم، ونوع التغذية الراجعة، وتكرار العكس، وطاقة الكبح، واستعادة الطاقة إلى الخط، وظروف الغلاف، وتوافقيات الدخل، والتوافق الكهرومغناطيسي، والتشخيص، ومهارات الصيانة المتاحة. واحرص أيضًا على الحفاظ على سلوك التوقف الآمن والتشابكات القائمة في الآلة.

يُعد PWM عادةً الخيار الأقوى لتصميم جديد منخفض الجهد يتطلب تحكمًا سلسًا عند السرعات المنخفضة وتشخيصًا حديثًا. ومع ذلك، قد يظل نظام SCR العامل هو القرار الأفضل من ناحية الصيانة عندما يكون أداؤه كافيًا ويظل دعم قطع الغيار متاحًا. والتحديث الصحيح هو الذي يحسّن قصورًا مقاسًا من دون خلق مخاطر جديدة في المحرك أو التغذية الراجعة أو التأريض أو نظام الكبح.