ميتاداين
الميتاداين هو آلة كهربائية تعمل بالتيار المستمر مزودة بزوجين من الفرش . يمكن استخدامه كمضخم أو محول دوار . وهو مشابه لمولد ذي ثلاث فرش، ولكنه يحتوي على ملفات تنظيم أو "مغير" إضافية. كما أنه مشابه للأمبليداين ، باستثناء أن الأخير يحتوي على ملف تعويض يُعاكس تمامًا تأثير التدفق الناتج عن تيار الحمل . الوصف التقني له هو "آلة تيار مستمر ذات مجال متقاطع مصممة للاستفادة من رد فعل المحرك ". يستطيع الميتاداين تحويل مدخل ذي جهد ثابت إلى مخرج ذي تيار ثابت وجهد متغير.
تاريخ
كلمة "ميتاداين" مشتقة من الكلمات اليونانية التي تعني تحويل الطاقة. [ 1 ] يُعتقد أن جوزيف ماكسيموس بيستاريني ( بالإيطالية : Giuseppe Massimo Pestarini ) هو من صاغ هذا الاسم في ورقة بحثية قدمها إلى مسابقة مونتيفيوري الدولية في لييج ، بلجيكا ، عام 1928، إلا أن نوع الآلة التي وصفتها كانت معروفة منذ ثمانينيات القرن التاسع عشر. حصل أ. ل. غرافييه من باريس على أول براءة اختراع بريطانية معروفة لمولد تيار مستمر ذي مجال متقاطع عام 1882، وحصل إ. روزنبرغ على براءتي اختراع إضافيتين عامي 1904 و1907. [ 2 ] أصبح روزنبرغ لاحقًا كبير المهندسين الكهربائيين في شركة متروبوليتان-فيكرز ، وكانت آلته تُنتج مجالًا متقاطعًا عن طريق تطبيق دائرة قصر على مجموعة إضافية من الفرش. [ 3 ] درس م. أوسنوس الترتيبات العملية لعدة آلات من هذا النوع عام 1907، [ 4 ] وفي العام نفسه، حصل فيلتون وغيوم على براءة اختراع بريطانية رقم 26607، وصفت اللفائف المساعدة، ولفائف المحرك، والمبدلات المتعددة، وإن كان ذلك بعبارات عامة إلى حد ما. كما أشار إلى إمكانية استخدامها لتحويل جهد ثابت إلى تيار ثابت. [ 2 ] وحصل ماثر وبلات ، وبراون بوفيري، وبروس بيبلز على براءات اختراع أخرى قبل عام 1910. [ 5 ]

عمل بيستاريني على تطوير نظرية هذه الآلات بين عامي 1922 و1930، مع تركيزه على خصائصها الثابتة بدلاً من خصائصها الديناميكية. [ 4 ] وقدّم ثلاث أوراق بحثية حول هذا الموضوع إلى مجلة "Revue Générale de l'Electricité" عام 1930، [ 5 ] والتي تضمنت بعض التطبيقات العملية. وكان أبرزها استخدام خرج التيار الثابت للتحكم في محركات الجر في المركبات الكهربائية وتشغيل الرافعات، وهي مجالات كان لديه فيها بعض الخبرة العملية، بعد تجارب أجراها بالتعاون مع شركة ألستوم في فرنسا. [ 6 ] وفي عام 1930، قام برحلة إلى بريطانيا، حيث تبنّت شركة متروبوليتان-فيكرز أفكاره وطوّرت نظامًا عمليًا. [ 4 ] وعلى عكس حل روزنبرغ، قام بيستاريني، الذي أصبح لاحقًا أستاذًا في معهد غاليليو فيراريس الوطني للهندسة الكهربائية في تورينو ، بتوصيل الفرش الإضافية بمصدر طاقة خارجي لإنتاج مولد ميتاداين للمحول. [ 3 ] عملت الآلة كمضخم للجهد إلى تيار لأن التدفق المغناطيسي الناتج عن التيار المار في الحمل يعارض التدفق المغناطيسي في دائرة التحكم. [ 4 ] قاد أرنولد توستين أعمال التطوير في شركة متروبوليتان-فيكرز في ثلاثينيات القرن العشرين ، وكانت الشركة تمتلك براءات الاختراع البريطانية لجهاز ميتاداين. [ 7 ]
زار بيستاريني الولايات المتحدة أيضًا عام 1930، على الرغم من عدم وجود أي سجل لاستخدام النظام هناك. أبدى مهندسو شركة جنرال إلكتريك ، بقيادة إرنست ألكسندرسون ، اهتمامًا بالنظام، لكنهم عدّلوا التصميم بإضافة ملف تعويضي، يُعاكس تأثير التدفق الناتج عن تيار الحمل. حوّل هذا التعديل الجهاز من مُضخّم جهد إلى تيار إلى مُضخّم جهد إلى جهد، وأطلقوا على النسخة الجديدة اسم " أمبليداين" . مُوّلت تكاليف التطوير بشكل كبير من عقود البحرية الأمريكية لتطوير مُثبّتات رأسية، استُخدمت لتحسين دقة التصويب وإطلاق النار على السفن. [ 4 ] خلال الفترة نفسها، طوّرت شركة ماكفارلين الهندسية، ومقرها غلاسكو، نسخةً من جهاز المجال المتقاطع بشكل مستقل تمامًا، أطلقت عليها اسم " ماغنيكون" . [ 8 ]
قدّم بيستاريني طلب براءة اختراع لآلة الميتاداين في فرنسا بتاريخ 14 يناير 1932، ثمّ قدّمها إلى مكتب براءات الاختراع الأمريكي في نهاية العام، في 23 ديسمبر. مُنحت براءة الاختراع الأمريكية في 30 يناير 1934. [ 9 ] قدّم طلب براءة اختراع أمريكية ثانية لآلة مُحسّنة في نوفمبر 1946، والتي مُنحت في 10 يونيو 1952. [ 10 ]
عملية

يوضح الرسم التخطيطي ثلاثة ترتيبات لآلة ميتاداين. في جميع الحالات، تم حذف ملفات التعويض لتوضيح الرسم. يمثل الترتيب الأول آلة ذات مجال متقاطع أحادي الدورة. في آلة التيار المستمر العادية، يُولّد تيار الإثارة تدفقًا مغناطيسيًا (A1)، والذي بدوره يُولّد تدفقًا مغناطيسيًا تربيعيًا عموديًا على تدفق الإثارة. عند توصيل فرشات المجال التربيعي معًا، يتولد تيار في العضو الدوار، ويكون التدفق الناتج عنه (A2) عموديًا أيضًا على محور المجال التربيعي، مما ينتج عنه رد فعل في العضو الدوار يُعاكس الإثارة الأصلية تمامًا. هذه الخاصية أساسية للآلة، ولا تعتمد على اتجاه دورانها. عندما يتم تعويض رد فعل العضو الدوار جزئيًا بواسطة ملف تعويض، فإن الجزء غير المُعوَّض من رد فعل العضو الدوار يعمل بهذه الطريقة. [ 11 ] مع ارتفاع تيار الخرج، فإنه يُثبِّط تأثير الإثارة، حتى يصل إلى حالة يكون فيها الإثارة كافية للحفاظ على التيار. أي زيادة أخرى ستؤدي إلى إزالة التدفق الذي يدعم تشغيلها، ويستمر التيار بغض النظر عن مقاومة الحمل أو القوة الدافعة الكهربائية العكسية الناتجة عنه. وبالتالي، تعمل الآلة كمولد تيار ثابت، حيث يتناسب التيار طرديًا مع الإثارة. [ 12 ]
يُظهر الرسم التخطيطي الثاني آلةً بدون ملف إثارة، ولكن بدلاً من ذلك، يتم توصيل جهد ثابت بفرشات التربيع. ينتج عن ذلك تدفق مغناطيسي مشابه للتدفق الناتج عن دوران العضو الدوار في تدفق الإثارة في المثال الأول. وبالتالي، فإن تشغيل الآلة مشابه جدًا، حيث يرتفع تيار الخرج حتى يُعادل التدفق الناتج تقريبًا التدفق الناتج عن الجهد المُطبق. وقد أثبت توستين أن قدرة الدخل وقدرة الخرج متساويتان، وبالتالي تُحوّل الآلة جهد الدخل الثابت إلى تيار خرج ثابت. وكما هو الحال مع مولد الميتاداين، يمكن تعويض محول الميتاداين جزئيًا، وسيستمر في العمل كجهاز تيار ثابت حتى يتجاوز التعويض 97%. [ 13 ]
يُظهر الرسم التخطيطي الثالث جهاز ميتاداين موصولًا بمحركين منفصلين، وقد شاع استخدام هذا الترتيب للتحكم في محركات الجر في القطارات الكهربائية. يقلل هذا التوصيل من الحمل الفعلي على جهاز الميتاداين، مما يسمح بتركيب جهاز أصغر. يعمل الميتاداين كمُعزز جهد موجب أو سالب. إذا كان Vcc هو جهد التغذية، وV2 هو جهد خرج الميتاداين، فإن الجهد الكلي عبر الحمل يتراوح بين 0 و2Vcc، حيث يتغير V2 بين -Vcc و+Vcc. على الرغم من أن النظام عُرضة لعدم توازن التيارات في نصفي الحمل، إلا أنه يُمكن تصحيح ذلك بإضافة ملفات توالي إضافية، تعمل كمقاومة إضافية للدائرة. [ 14 ]
مولد روزنبرغ
يُشبه مولد روزنبرغ مولد ميتاداين إلى حد كبير، سواءً في تصميمه أو توصيلاته الكهربائية. وهو لا يحتوي عادةً على ملف تعويض، بحيث يُعاكس رد فعل المحرك بأكمله الإثارة الأولية. لا تكون أجزاء من الدائرة المغناطيسية مُرقّقة عادةً، مما يُسبب تأخيرات بين الإثارة والتدفقات المغناطيسية، ولكن تُستخدم هذه المولدات في تطبيقات لا تتطلب استجابة سريعة. وقد استُخدمت بشكل أساسي في القطارات، حيث تُدار بواسطة المحاور، وتُستخدم لتوفير الإضاءة وشحن البطاريات. [ 15 ] يخضع المولد المُدار بواسطة المحاور لسرعات متغيرة وتغيرات في اتجاه الدوران، ولكن خصائصه تسمح له بإنتاج طاقة مفيدة حتى عند السرعات المنخفضة جدًا. عند السرعات المنخفضة، يزداد جهد الخرج مع مربع السرعة، ولكن سرعان ما تُصبح الدائرة المغناطيسية مُشبعة، مما يؤدي إلى زيادات أقل بكثير مع زيادة السرعة. عند استخدامها في الدوائر التي تتضمن بطاريات يتم شحنها من المخرج، يلزم عادةً وجود مقوم أو قاطع تيار عكسي لمنع تفريغ البطاريات من خلال المولد عند السرعات المنخفضة جدًا، أو عند توقف القطار. [ 16 ]
ماغنيكون
يُشبه جهاز ماغنيكون، الذي طورته شركة ماكفارلين في اسكتلندا، جهاز ميتاداين، ولكن بينما يحتوي الأخير على ملف عضو دوار ثنائي القطب، يحتوي ماغنيكون على ملف متداخل رباعي الأقطاب، ويُشار إليه أحيانًا باسم ميتاداين ذي ملف عضو دوار قصير الخطوة. وقد تم استخدامه لتشغيل الرافعات والأوناش على السفن. [ 17 ] يحتوي الجزء الثابت في ماغنيكون على أربعة نتوءات قطبية، تفصل بينها زاوية 90 درجة، ويتم تحفيز زوج واحد منها. يتم توصيل زوج الفرشات الموجودة على نفس محور الأقطاب المحفزة بدائرة قصر، مما ينتج عنه تيار كبير. تؤثر القوة الدافعة المغناطيسية لهذا التيار على الأقطاب غير المحفزة، مما يُنشئ تدفقًا مغناطيسيًا (Φ) وجهد الخرج. وكما هو الحال مع ميتاداين كامل الخطوة، يكون رد فعل العضو الدوار لتيار الخرج خارج الطور بمقدار 90 درجة، وبالتالي يُعاكس التحفيز الأصلي. [ 18 ] من مزايا هذا التصميم مقارنةً بتصميم Metadyne العادي، انخفاض عدد ملفات الإثارة والتعويض إلى النصف، ليصبح ملفين لكل دورة، بالإضافة إلى قصر خطوة الملفات مما يقلل من بروزها عند أطراف اللفات. مع ذلك، يُولّد هذا التصميم تيارات خاملة في العضو الدوار، مما يؤدي إلى خسائر، وفي الآلات الأكبر حجمًا، حيث يلزم استخدام أقطاب وسيطة، يجب تزويد كل قطب وسيط بملفين، أحدهما لكل دائرة من دوائر الفرش. جادل توستين بأن ميزة Magnicon على Metadyne ضئيلة في الآلات الصغيرة، أما بالنسبة للآلات الأكبر حجمًا التي تتطلب تركيب أقطاب وسيطة، فلم تُجرَ تحليلات كافية لإصدار حكم. [ 19 ]
الاستخدامات
استُخدمت أجهزة الميتاداين للتحكم في توجيه المدافع الكبيرة وللتحكم في سرعة القطارات الكهربائية ، وخاصة قطارات مترو أنفاق لندن من طراز O و P. وقد تم استبدالها بأجهزة الحالة الصلبة .
نظام التحكم في الجر

في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين، كانت هيئة مترو أنفاق لندن على دراية بتطوير معدات الميتاداين في شركة متروبوليتان-فيكرز، وإمكانية استخدامها في الكبح التجديدي . وقبل اعتماد نظام غير مجرب، قامت الهيئة ببناء قطار تجريبي، وذلك بتحويل ست عربات بُنيت أصلاً بين عامي 1904 و1907 لسكك حديد متروبوليتان . نُفذ العمل في ورش أكتون عام 1934. ولأن وحدة ميتاداين واحدة كانت قادرة على التحكم بأربعة محركات، ولأن كل عربة مزودة بمحركين، فقد جُمعت في وحدات ثنائية العربات، مع كابينة قيادة في الأطراف الخارجية. ومن خلال ربط الوحدات معًا، أمكن إجراء تجارب على قطارات مكونة من عربتين، وأربع عربات، وست عربات. بلغ وزن وحدة الميتاداين حوالي 3 أطنان، وتألفت من ثلاث آلات دوارة: مُثير، ومنظم، وآلة الميتاداين نفسها، والتي كانت موصولة ميكانيكيًا. أما كهربائيًا، فكانت الآلة تُغذى بمصدر الطاقة، ويُغذي خرجها المحركات، دون الحاجة إلى مقاومات بدء التشغيل. [ 20 ]
تم تشغيل قطار الاختبار خلال معظم عامي 1935 و1936، وجُرِّب على جميع الخطوط المكهربة تقريبًا على خطي متروبوليتان وديستريكت . بعد إثبات موثوقية الفكرة، استُخدم القطار أيضًا في خدمة نقل الركاب. إلى جانب الكبح التجديدي، وُجد أن التسارع سلس للغاية. عندما اتُخذ قرار المضي قدمًا في تطبيق النظام الجديد على قطارات O وP، تم تفكيك قطار الاختبار، ورُكِّبت المعدات على ثلاث قاطرات تعمل بالبطارية [ 20 ] من صنع شركة غلوستر لعربات السكك الحديدية ، والتي كانت جزءًا من دفعة مكونة من تسع مركبات تم توريدها بين عامي 1936 و1938. كانت المعدات مناسبة بشكل خاص للقاطرات التي تعمل بالبطارية، حيث أن عدم وجود مقاومة بدء التشغيل قلل من كمية الطاقة المهدرة عند بدء التشغيل والتوقف بشكل متكرر. عند السرعات المنخفضة، كانت أنظمة التحكم التقليدية غالبًا ما ترتفع درجة حرارتها، لكن القاطرات المجهزة بنظام ميتاداين كانت قادرة على جر قطارات تزن 100 طن لمسافات طويلة بسرعات منخفضة تصل إلى 4.8 كم /ساعة دون مشاكل. ومع ذلك، فإن تعقيد المعدات وصعوبة صيانة جهاز ميتاداين أديا إلى عدم استخدام القاطرات بشكل كافٍ، وتم سحبها للتخريد في عام 1977. [ 21 ]
تألفت الدفعة الإنتاجية الرئيسية من قطارات الفئة O من 116 عربة، جُمعت في 58 وحدة ثنائية العربات. بدأت التجارب بتشكيل رباعي العربات على خط ديستريكت بين هاي ستريت كينسينغتون وجسر بوتني في سبتمبر 1937، وبدأ تشكيل سداسي العربات العمل على خط هامرسميث في يناير 1938. وظهرت بعض المشاكل التقنية نتيجةً للضغط على نظام إمداد الطاقة عند انطلاق قطار مكون من ست عربات، وكمية الطاقة التي يحاول هذا القطار إعادتها إلى النظام عند استخدام المكابح التجديدية. تم التخفيف من هذه المشكلة جزئيًا بطلب 58 عربة مقطورة إضافية، وتحويل كل وحدة ثنائية العربات إلى وحدة ثلاثية العربات بإضافة عربة مقطورة إلى التشكيل. ثم طُلبت دفعة من قطارات الفئة P لاستبدال القطارات على خط متروبوليتان. على الرغم من إمكانية ربط وحدات الفئتين O وP معًا، إلا أن وحدات الميتاداين تحديدًا لم تكن متطابقة، ولم يكن بالإمكان استبدالها بين الدفعات. بحلول أوائل الخمسينيات، أصبح هذا عيبًا خطيرًا، إذ وقعت سلسلة من الأعطال التي استدعت إصلاحات واسعة النطاق. واتُخذ قرار بإزالة المعدات واستبدالها بنظام محرك كامة هوائي (PCM)، باستخدام وحدات تحكم احتياطية من قطارات الأنفاق لعام 1938. دخل أول قطار مُعدّل الخدمة في 31 مارس 1955، وأُعيد تسمية القطار إلى قطارات CO/CP، لاحتوائه على عربات من كلا الدفعتين. وتم استبدال جميع معدات الميتاداين لاحقًا. [ 22 ]
على الرغم من أوجه القصور التي أدت إلى توقفه، كان نظام الميتاداين، الذي طُبِّق عام ١٩٣٦ على قطارات O Stock، أول نظام في العالم يوفر كبحًا متجددًا لوحدة كهربائية متعددة. كان التسارع أكثر سلاسة من القطار الذي يُبدِّل مقاومات بدء التشغيل، وعند الكبح، كانت وحدة الميتاداين تُعيد الطاقة إلى القضبان، والتي يمكن استخدامها من قِبل قطارات أخرى عند الحاجة. مع ذلك، لم تكن الظروف مثالية دائمًا، ولم تكن المحطات الفرعية مُصممة للتعامل مع التجديد، مما يعني أن القطار كان غالبًا ما يتحول إلى الكبح المقاوم ، حيث تُبدَّد الطاقة في مجموعة من المقاومات. كما كان وزن المعدات عائقًا خطيرًا. [ ١ ]
السيطرة على الأسلحة
في الفترة التي سبقت الحرب العالمية الثانية مباشرةً ، ازداد الاهتمام بأنظمة التحكم الآلية للمدافع، على الرغم من تخوف السلطات العسكرية من إدخال نظام معقد يتطلب صيانة ميدانية. ومع ذلك، ومع تزايد سرعة الطائرات، ازدادت الحاجة إلى تمكين كشافات الإضاءة والمدافع المضادة للطائرات والمدافع البحرية ثنائية الغرض من التحرك بسرعات متزايدة لتتبع حركتها، مما جعل استخدام نوع من التحكم الآلي ضروريًا. واجه المهندسون مشكلة جعل قطعة ثقيلة من المعدات، مثل المدفع على حامله، تتتبع إشارة الإدخال بسلاسة ودقة، مع تأخير ضئيل جدًا بين تغيرات الإدخال والموضع الفعلي لحامل المدفع. كان من الضروري توجيه المدفع نحو الهدف في جميع الأوقات، والتحرك بالسرعة المناسبة للحفاظ على هذا التوجيه. [ 23 ]
يستطيع المشغل البشري توقع الأخطاء، كما يمكنه تعويض التأخيرات المعروفة في تشغيل النظام. وقد تم تحقيق محاكاة لهذا السلوك للإشارات الإلكترونية والأنظمة الكهروميكانيكية منخفضة الطاقة، لكن التحكم في المدافع كان على نطاق مختلف تمامًا، حيث تتطلب الآلات التي تزن أطنانًا ولها قصور ذاتي كبير التحرك بسرعات تصل إلى 30 درجة في الثانية، وتسارعات تصل إلى 10 درجات في الثانية² . في عام 1937، طلبت الأميرالية من شركة متروبوليتان فيكرز نظام تحكم لمدفع بوم-بوم ثماني المواسير . وكان بيستاريني قد طور نظامًا مشابهًا للبحرية الإيطالية. استخدم التصميم الأصلي جهاز ميتاداين واحدًا لتزويد محركات مثبتة على عدة مدافع بتيار ثابت. ثم يتم التحكم في كل منها عن طريق ضبط تيار المجال يدويًا . وقد وجد توستين، الذي قام بمعظم أعمال التصميم، أن النظام يتميز بثابت زمني كبير، بسبب محاثة ملفات المجال. لتحسين استجابته، قام بتزويد ملفات المجال بتيار ثابت، واستخدم جهاز ميتاداين مُعَوَّض جزئيًا للتحكم في تيار المحرك لكل محرك. قارن توستين بين أنظمة التحكم من نوع وارد ليونارد ، وأجهزة ميتاداين، وأجهزة أمبليداين، وأقر بأن لكل منها مزاياها، لكنه فضّل جهاز ميتاداين، الذي كان لديه خبرة سنوات عديدة في استخدامه في التحكم في الجر. [ 7 ]
انظر أيضاً
مراجع
ملحوظات
- 1 2 بروس 1970 ، ص 165
- 1 2 توستين 1952 ، ص 163
- 1 2 دوميلو 1949 ، ص 156
- 1 2 3 4 5 بينيت 1993 ، ص 10
- 1 2 توستين 1952 ، ص 300
- ↑ Tustin 1952 ، ص 163-164.
- 1 2 بينيت 1993 ، ص 131
- ↑ توستين 1952 ، ص 164
- ↑ "براءة الاختراع الأمريكية رقم US1945447 - التحكم في المحركات الكهربائية" . مكتب براءات الاختراع الأمريكي . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 مارس 2013 .
- ↑ "براءة الاختراع الأمريكية رقم US1945447 - محرك ميتاداين" . مكتب براءات الاختراع الأمريكي . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 مارس 2013 .
- ↑ Tustin 1952 ، ص 179.
- ↑ Tustin 1952 ، ص 180-181.
- ↑ Tustin 1952 ، ص 181–182.
- ↑ Tustin 1952 ، ص 182–183.
- ↑ Tustin 1952 ، ص 183-184.
- ↑ Tustin 1952 ، ص 185–186.
- ↑ Tustin 1952 ، ص 187.
- ↑ Tustin 1952 ، ص 189-190.
- ↑ Tustin 1952 ، ص 190-191.
- 1 2 بروس 1970 ، الصفحات 134-135
- ↑ بروس 1987 ، ص 30
- ↑ بروس 1970 ، ص 135-136.
- ↑ بينيت 1993 ، ص 130-131.
فهرس
- بينيت، ستيوارت (1993). تاريخ هندسة التحكم 1930-1955 (سلسلة هندسة التحكم IEE 47) . بيتر بيرغرينوس. ISBN 978-0-85329-012-4.
- بروس، جيه غرايم (1970). من البخار إلى الفضة . هيئة النقل في لندن. رقم ISBN 978-0-85329-012-4.
- بروس، جيه غرايم (1987). عربات النقل الأساسية في مترو أنفاق لندن . كابيتال ترانسبورت. رقم ISBN 978-0-904711-87-5.
- دافي، إم سي (2000-2001). "ميتاداين في جر السكك الحديدية". معاملات جمعية نيوكومن . 72 (2): 235-264 . doi : 10.1080/03720187.2000.12023614 . S2CID 114688257 .
- دوميلو، جون (1949). شركة متروبوليتان-فيكرز للأجهزة الكهربائية المحدودة 1899 - 1949. متروبوليتان-فيكرز. مؤرشف من الأصل في 4 مارس 2016.
- توستين، أ (1952). آلات التيار المستمر لأنظمة التحكم . إي. وإف إن سبون.
- مكبرات الصوت الإلكترونية
- المحولات الكهربائية
