دراسة الهندسة الكهربية والإلكترونية خطوة بخطوة عن بعد - الصفحة 3

F.Abdelaziz · 12-09-2010, 05:33 PM

16 - مولدات التيار المتردد AC Generators

المولد الأساسى : Basic Generator:

يتكون المولد الأساسى من مجال مغناطيسى magnetic field وعضو دوار(متحرك) armature وحلقات إنزلاق slip rings وفرش كربونية brushes وحمل مقاوم resistive load.المجال المغناطيسى عادة يكون نتيجة لمغناطيس كهربائي .العضو الدوار عبارة عن أسلاك موصلة ملفوفة في شكل ملفات (حلقات) والتي تدور فى المجال المغناطيسى.
للتبسيط نبين لفة (حلقة) واحدة. عندما يتحرك موصل خلال مجال مغناطيسى يتولد فيه جهد .

كلما دار العضو الدوار خلال المجال المغناطيسى ، يتم إنتاج جهد فى العضو الدوار والذي يؤدي إلى مرور تيار. حلقات الانزلاق موصلة بالعضو الدوار وتدور معه .الفرش الكربونية مركبة أمام (بمقابلة) حلقات الانزلاق وملامسة لها لتوصيل التيار من العضو الدوار (المتحرك) إلى الحمل المقاوم (الثابت).

عمل المولد الأساسى :

يدور العضو الدوار خلال المجال المغناطيسى . فى الوضع الابتدائى عند صفر درجة تكون موصلات العضو الدوار موازية للمجال المغناطيسى ولا تقطع أى خط من خطوط الفيض المغناطيسى . فى هذا الوضع لا يتولد جهد .

عمل المولد من صفر إلى 90 درجة :

يدور العضو الدوار من صفر إلى 90 درجة . الموصلات تقطع خطوط فيض أكثر فأكثر ويزداد بناء الجهد المتولد حتى يصل إلى أقصى قيمة فى الاتجاه الموجب .

عمل المولد من 90 إلى 180 درجة :

يستمر العضو الدوار فى الدوران من 90 إلى 180 درجة . الموصلات تقطع خطوط فيض أقل فأقل ويقل الجهد المتولد من القيمة القصوى الموجبة إلى الصفر .

عمل المولد من 180 إلى 270 درجة :

يستمر العضو الدوار فى الدوران من 180 إلى 270 درجة . الموصلات تقطع خطوط فيض أكثر فأكثر لكن فى الاتجاه المضاد . ويزداد بناء الجهد المتولد حتى يصل إلى أقصى قيمة فى الاتجاه السالب عند 270 درجة .

عمل المولد من 270 إلى 360 درجة :

يستمر العضو الدوار فى الدوران من 270 إلى 360 درجة.من 270 إلى 360 درجة يقل الجهد المتولد من أقصى قيمة سالبة إلى الصفر . وبهذا تتم دورة . يستمر العضو الدوار فى الدوران بسرعة ثابتة . يستمر تكرار الدورات طالما أن العضو الدوار يدور .

F.Abdelaziz · 12-09-2010, 05:35 PM

التردد Frequency

عدد الدورات في الثانية الواحدة التى يصنعها الجهد المتولد (المستحث) في العضو الدوار هى تردد المولد.
إذا دار العضو الدوار بسرعة 60 لفة (دورة) في الثانية فإن الجهد المتولد سوف يكون بمعدل 60 دورة في الثانية. الاصطلاح المتفق عليه لعدد الدورات لكل ثانية (التردد) هو الهيرتز hertz . التردد القياسى فى الولايات المتحدة هو 60 hertz . الشكل التوضيحى التالى يبين 15 دورة فى ربع ثانية وهو يكافىء 60 دورة فى الثانية .

مولد التيار المتردد ذات الأربع أقطاب Four-Pole AC Generator :

يكون التردد هو عدد الدورات في الثانية الواحدة اذا استخدم قطبان فقط لإنتاج المجال (الحقل) المغناطيسى .
ومن شأن الزيادة في عدد من الأقطاب أن تسبب زيادة في عدد الدورات الكاملة لكل دورة .فمن شأن مولد ثنائي القطب أن يكمل دورة واحدة لكل لفة ومولد بأربعة أقطاب أن يكمل دورتين لكل لفة .مولد التيار المتردد ينتج دورة واحدة لكل لفة لكل زوج من الاقطاب .

F.Abdelaziz · 12-09-2010, 07:03 PM

17- الجهد والتيار Voltage and Current

قيمة الذروة (القمة) Peak Value

الموجة الجيبية توضح كيفية الارتفاعات والانخفاضات للجهد والتيار في دائرة التيار المتردد مع مرور الوقت.قيمة ذروة (قمة) الموجة الجيبية تحدث مرتين في كل دورة ، مرة عند قيمة الحد الأقصى الموجب ومرة عند قيمة الحد الأقصى السالب .

القيمة من الذروة إلى الذروة Peak-to-Peak Value

قيمة الجهد أو التيار بين الذروة الموجبة والذروة السالبة تسمى قيمة "الذروة إلى الذروة".

القيمة اللحظية (الفورية) Instantaneous Value

القيمة اللحظية (الفورية) هي القيمة عند لحظة زمنية معينة .ويمكن أن تكون في أى مكان من المدى (النطاق) من الصفر إلى قيمة الذروة.

حساب الجهد اللحظى :

الشكل الموجي للجهد الناتج عن دوران العضو الدوار خلال دورانه 360 درجة يسمى "شكل موجى جيبى" لأن الجهد اللحظى مرتبط بدالة مثلثية تسمى "الجيب" sine (sin = جيب الزاوية ).منحنى الجيب يمثل الرسم البياني للمعادلة التالية :

e = Epeak x sin

الجهد اللحظى يساوى جهد الذروة مضروبا فى جيب زاوية العضو الدوار .الجدول التالى يعطى بعض الزوايا وقيم جيبها .

المثال التالي يوضح القيم اللحظية عند 90 ، 150 ، و 240 درجة. جهد الذروة يساوى 100 فولت .

يمكن حساب اللجهد اللحظى بالتعويض عن قيمة الجيب لكل زاوية لحظة .

يمكن حسلب أى قيمة لحظية . على سبيل المثال :

240°
e = 100 x -0.866
e = -86.6 volts

القيمة الفعالة (التأثيرية ) للتيار المتردد ذات الشكل الموجى Effective Value

القيمة الفعالة للجهد والتيار المتردد متغيرة القيمة باستمرار .
نحتاج إلى طريقة لترجمة (تحويل) القيم المتغيرة إلى قيمة مكافئة ثابتة . القيمة الفعالة للجهد والتيار هى الطريقة الشائعة للتعبير عن قيمة التيار المتردد. وتعرف أيضا بقيمة " بجذر - متوسط - المربعات "RMS (root-mean-square) . إذا قيل أن الجهد في المنزل 120 فولت فهذه القيمة هى قيمة RMS .

القيمة فعالة تساوى 0.707 من قيمة الذروة .

تعريف القيمة الفعالة للتيار المتردد بدلالة التأثير الحرارى المكافىء لتأثير التيار المستمر .مرور تيار قدره أمبير واحد قيمة فعالة RMS خلال مقاومة سوف ينتج الحرارة بنفس المعدل الذى ينتجه واحد أمبير تيار مستمر DC .

لغرض تصميم الدوائر نحتاج أيضا لقيمة الذروة . على سبيل المثال العزل insulation يجب أن يصمم لتحمل قيمة الذروة وليس فقط القيمة الفعالة.قد يكون المعلوم هو فقط القيمة الفعالة. لحساب قيمة الذروة نضرب القيمة الفعالة فى 1.41 .على سبيل المثال إذا كانت القيمة الفعالة هى 100 فولت فإن قيمة الذروة (القصوى) هي 141 فولت.

F.Abdelaziz · 12-09-2010, 07:04 PM

18- الحث و ملف الحث "المحاثة"Inductance

الدوائر التى درست حتى الآن هى دوائر مقاومات فقط . المقاومة والجهد ليست الخصائص الوحيدة التى تؤثر فى مرور التيار . الحث Inductance هو خاصيىة معاوقة الدائرة الكهربية لأي تغيير في التيار الكهربائي.
المقاومة تعارض مرور التيار بينما المحاثة تعارض التغيير في مرور التيار. يرمز للمحاثة بالحرف “L” .وحدات قياس المحاثة هى "الهنرى" henry (h) .

شدة المجال المغناطيسى الناتج عن مرور تيار فى موصل :

عند مرور تيار كهربائى فى موصل ينتج مجال مغناطيسي يحيط يالموصل .مقدار التيار يحدد شدة المجال المغناطيسي .كلما زاد مرور التيار زادت شدة المجال ، وكلما قل مرو التيار قلت شدة المجال .

أى تغيير في التيار يسبب تغيير مناظر في المجال المغناطيسي الذي يحيط موصل.فى التيار المستمر DC يكون التيار ثابتا إلا عندما يتم تشغيل ON الدائرة وفصلها OFF أو عندما يكون هناك تغيير فى التحميل .فى التيار المتردد AC يكون التيار متغير باستمرار لذلك تكون المحاثة عامل مستمر(دائم) .أى تغيير في المجال المغناطيسي الذي يحيط بالموصل يولد بالحث (بالتأثير) جهد في الموصل يسمى الحث الذاتى . جهد الحث الذاتى يعاكس (يضاد) التغير فى التيار وهو يعرف بالقوة الدافعة الكهربية العكسية (المضادة)
counter emf . هذه المعارضة تؤدي إلى تأخير في الوقت الذى يستغرقه التيار لبلوغ قيمة ثابتة جديدة.إذا زاد التيار فإن المحاثة تحاول أن تحفظه منخفض ,وإذا انخفض التيار فإن المحاثة تحاول أن تحفظه مرتفع .المحاثة نوعا ما مثل القصور الذاتى الميكانيكى والذى يجب التغلب عليه لجعل كائن ميكانيكى يتحرك من سكون أو جعله يسكن من حركة , السيارة على سبيل المثال تأخذ لحظات قليلة للإسراع إلى السرعة المطلوبة أو التباطىء لتتوقف .

ملفات الحث (المحاثة) Inductors :

عادة يمثل الحث رمزيا فى الرسومات الكهربية بطريقتين ,إما بخط لولبى أو بمستطيل محشو (مظلل) .

المحاثة هى ملف coilمن السلك و قد تكون ملفوفة حول قلب core.
تحدد محاثة ملف بعدد اللفات بالملف والمسافة (البعد) بين الملفات وقطر الملف ومادة القلب وعدد طبقات اللفات ونوع (طريقة) اللف وشكل الملف.أمثلة للمحاثات هى المحولات transformers والملفات الخانقةchokes والمحركات motors.

دوائر ملف الحث البسيطة Simple Inductive Circuit :

في دائرة المقاومات يعتبر تغيير التيار لحظى .إذا استخدم ملف حث فإن التيار لا يتغير بسرعة ,ففي الدائرة التالية في البداية يكون المفتاح مفتوح ولا يمر التيار .عندما يغلق المفتاح سيرتفع التيار بسرعة في البداية ، ثم يبطء أكثر فأكثر كلما اقترب من قيمتة القصوى .استخدمنا دائرة تيار مستمر DC لأغراض الشرح.

الثابت الزمنى لملف الحث Inductive Time Constant :

الزمن اللازم لوصول التيار إلى قيمته القصوى يتحدد بالنسبة بين المحاثة بالهنرى (henrys) إلى المقاومة بالأوم ( أوم) . هذه النسبة تسمى "الثابت الزمنى"time constant لدائرة ملف الحث (المحاثة) . الثابت الزمنى هو الزمن بالثوانى اللازم ليرتفع تيار الدائرة بنسبة63.2% من القيمة القصوى. عند إغلاق المفتاح فى الدائرة السابقة يبدأ التيار فى المرور .خلال فترة الثابت الزمنى الأولى يرتفع التيار بنسبة 63.2% من قيمته القصوى.وخلال فترة الثابت الزمنى الثانية يرتفع التيار بنسبة 63.2% من القيمة المتبقية وهى 36.8%, ليصل إلى86.4% من قيمته القصوى ,ويأخذ حوالى خمس فترات من الثابت الزمنى ليصل إلى قيمته القصوى .

بالمثل عند فتح المفتاح سوف يستغرق وقت خمسة ثوابت زمنية ليصل التيار إلى الصفر.ويمكن ملاحظة أن المحاثة عاملا مهما في دوائر التيار المتردد .فإذا كان التردد 60 هيرتز فإن التيار سوف يرتفع ويهبط من قيمة ذروته إلى الصفر 120 مرة في الثانية.

حساب الثابت الزمنى فى دائرة حثية :

يرمز للثابت الزمنى بالرمز " ".لتعيين الثابت الزمنى لدائرة حثية نستخدم أحد الصيغ التالية :

فى الدائرة التوضيحية الآتية L1 = 15 millihenrysو R1 = 5 . عند غلق المفتاح يستغرق التيار 3 milliseconds لكى يرتفع من الصفر إلى 63.2% من قيمته القصوى .

المحاثة الكلية المكافئة لعدة محاثات موصلة على التوالى :

يمكن تطبيق نفس القواعد المتبعة لحساب مجموع المقاومات .في الدائرة التالية يتم استخدام مولد تيار متردد لتوفير الطاقة الكهربائية لأربعة من المحاثات .يكون هناك دائما مقاومة وحث في أي دائرة.الأسلاك الكهربائية المستخدمة في الدائرة والمحاثات على حد سواء لها بعض المقاومة والحث.تحسب المحاثة الكلية المكافئة باستخدام الصيغة التالية :

Lt = L1 + L2 + L3

المحاثة الكلية المكافئة لعدة محاثات موصلة على التوازى :

في الدائرة التالية يستخدم مولد تيار متردد لتوفير الطاقة الكهربائية لثلاث محاثات.تحسب المحاثة الكلية المكافئة باستخدام الصيغة التالية:

F.Abdelaziz · 12-09-2010, 07:07 PM

19- السعة الكهربية والمكثف
Capacitance and Capacitors

السعة الكهربية هي مقياس لقدرة الدائرة على تخزين الشحنة الكهربائية.الجهاز المصنع ليكون له مقدار معين من السعة الكهربائية مكثف.المكثف مكون من زوج من الصفائح الموصلة يفصل بينهما طبقة رقيقة من مادة عازلة .تعرف المادة العازلة باسم dielectric (مادة عازلة) . عند تطبيق جهد بين الألواح فإن الإلكترونات تجبر على التوجه إلى أحد الألواح .هذا اللوح يصبح لديه فائض من الإلكترونات في حين أن اللوح الآخر يكون لديه نقص في الإلكترونات.اللوحالذى يوجد به فائض من الإلكترونات يكون سالب الشحنة .واللوح الذى يوجد به نقص فى الإلكترونات يكون موجب الشحنة .

التيار المستمر لا يستطيع المرور من خلال المواد العازلة لأنها عوازل ولكن يمكن استخدامه لشحن المكثف.المكثفات لديها القدرة (سعة) على الاحتفاظ بكمية محددة من الإلكترونات.سعة المكثف تعتمد على مساحة الألواح والمسافة بينها ونوع المادة العازلة .وحدة قياس السعة هي الفاراد (F) وغالبا ما يكون المكثف بوحدات μF (microfarads) أوpF (picofarads).

رموز دائرة المكثف :

عادة ما يوضح المكثف رمزيا فى الدوائر الكهربية إما بخطين أحدهما مستقيم والآخر منحنى أو بخطين مستقيمين .

دائرة المكثف البسيطة :

فى دائرة المقاومات التغير فى الجهد يعتبر لحظيا .إذا استخدام مكثف فإن الجهد عبر المكثف لا يتغير بنفس السرعة . فى الدائرة التالية فى البداية يكون المفتاح مفتوح ولا يطبق جهد على المكثف . عند غلق المفتاح يرتفع الجهد عبر المكثف بسرعة فى البداية ثم يبطأ أكثر فأكثر كلما أقترب الجهد من القيمة القصوى . لغرض الشرح نستخدم دائرة تيار مستمر DC .

الثابت الزمنى لدائرة مكثف (دائرة سعوية ) :

الزمن اللازم لوصول الجهد إلى قيمته القصوى في دائرة تحتوي على مكثف ذو سعة يتحدد بحاصل ضرب السعة بالفاراد فى المقاومة بالأوم ويعرف بالثابت الزمنى لدائرة بها سعة . الثابت الزمن يعطى (يحدد) الزمن بالثوانى الذى يستغرقه الجهد عبر المكثف فى الوصول إلى 63.2% من قيمته القصوى . عند غلق المفتاح فى الدائرة السابقة يتم تطبيق الجهد . خلال فترة الثابت الزمنى الأولى يرتفع الجهد إلى 63.2% من قيمته القصوى . خلال فترة الثابت الزمنى الثانية يرتفع الجهد إلى 63.2% من الجهد المتبقى ليصبح 86.4% من قيمته القصوى .لكى يصل الجهد إلى قيمته القصوى يستغرق خمس فترات من الثابت الزمنى .

بالمثل خلال نفس الزمن يصل التيار المار خلال المقاومة إلى الصفر .

حساب الثابت الزمنى لدائرة سعوية :

لحساب الثابت الزمنى لدائرة سعوية يستخدم أحد الصيغ التالية :

فى الشكل التوضيحى التالى C1 = 2 μFو R1 = 10 . عند غلق المفتاح يستغرق الجهد عبر المكثف زمن قدره 20 microseconds ليرتفع من الصفر إلى 63.2% من قيمته القصوى وسوف يستغرق خمس فترات من الثابت الزمنى أى 100 microseconds ليرتفع إلى قيمته القصوى .

المكثف الكلى المكافىء لعدد من المكثفات الموصلة على التوالى :

توصيل المكثفات على التوالى يقلل من المكثف الكلى . التأثير يشبه زيادة المسافة بين الألواح .صيغة توصيل المكثفات على التوالى تماثل صيغة توصيل المقاومات على التوازى . فى الدائرة التالية مولد تيار متردد يغذى قدرة كهربائية لثلاثة مكثفات . يتم حساب السعة الكلية المكافئة من العلاقة :

المكثف الكلى المكافىء لعدد من المكثفات الموصلة على التوازى :

. فى الدائرة التالية مولد تيار متردد يغذى قدرة كهربائية لثلاثة مكثفات . يتم حساب السعة الكلية المكافئة من العلاقة :