1.1. نظرة عامة على الهندسة الكهربائية

 2

3 4 5

6

1.1. نظرة عامة على الهندسة الكهربائية

يقوم المهندسون الكهربائيون بتصميم الأنظمة ذات الأهداف التالية:

  1. جمع, وتخزين, ومعالجة, ونقل, وتقديم المعلومات.
  2. نقل, وتخزين, وتحويل الطاقة بين أشكالها المختلفة.

في العديد من الأنظمة الكهربائية , يكون تأثير الطاقة والمعلومات متعلقان ببعضهما.

فعلى سبيل المثال, العديد من الأنظمة الكهربائية المتعلقة بالمعلومات يتم تطبيقها في توقعات القس. المعلومات عن الغيوم وسرعة الرياح وما إلى ذلك يتم تجميعها الكترونيا من الأمقمار الصناعية, وأنظمة الرادار الأرضة, والحساسات في العديد من محطات الطقس (الأرصاد الجوية). [ الحساسات هي أجهزة تحول القياسات الفيزيائية إلى إشارات كهربائية] وهذه المعلومات تنقل بواسة أنظمة اتصالات الكترونية وتعالج بالحواسيب للتعرف على حالة الطقس وعرضها, الكترونيا.

في معامل توليد الطاقة الكهربائية, يتم تحويل الطاقة من أشكال متعددة إلى الشكل الكهربائي, ومن ثم تقوم الشبكة بنقل الطاقة إلى جميع أماكن استههلاكها (المعامل, والمنازل, والمكاتب) حول العالم, حيث يتم هناك تحويلها إلى أشكال أخرى من الطاقة المفيدة, كالطاقة الميكانيكية, والحرارية, والضوئية.

بدون أدنى شك يمكنك التعرف على العديد من تطبيقات الهندسة الكهربائية في حياتك اليومية. ووبشكل متزايد يتم استخدام الميزات الكهربائية والالكترونية في المنتجات الحديثة, حيث تمثل السيارات والشاحنات مثالا عن هذا الشيء, فالمحتوى الكهربائي للسيارات الاعتيادية ينمو بسرعة, حيث يعرف المثممون بأن الميزات الكهربائية ستؤمن أداء أفضل وبتكلفة أقل. الجدول1.1 يظهر بعض تطبيقات الهندسة الكهربائية في أدوات النقل.

وفي مثال آخر نجد أنه يوجد في المنازل العديد من العمليات التي تعتمد على ضغط الأزرار للتحكم بها, وتحتوي على الحساسات, شاشات الإطهار, والشرائح الحاسوبية, بالإضافة إلى أزرار التحويل (I/O) وعناصر التسخين والمحركات. ولقد أصبحت الهندسة الكهربائية متداخلة بكثرة مع الهندسة الميكانيكية غلى أن ظهر مفهوم جديد يععى بالـ “ميكاترونيكس[رامي1] ” والذي يستخدم للجمع بينهما.

للأسف, يبدو أن أعلبية المهندسين غير قادرين على تصميم منتجات الميكاترونيك:
“عالم الهندسة يشبه الجزر المتجاورة, حيث أن كل مهندس يعرف جزيرته تماما, ولكنه لا يعرف شيئا عن الجزء المجاور له وتواصله معهم ضعيف, وهذه العزلة تحد من إنتاجية المهندسين, سواء كانوا كهربائيين أو ميكانيكيين أو مدنيين أو صناعيين. وإلى الآن تعتمد الصناعات الحديثة بما فيها الطائرات والسيارات والحواسيب والكثير من المنتجات المعقدة التي تصنع بواسطة هذه الأنظمة, تعتمد على الخلط المتوازن بين العديد من التقنيات المختلفة.” (Rechard Comerford, “Mecha… what?” IEEE Spectrum. August 1994)

الأقسام الفرعية للهندسة الكهربائية:

فيما يلي سنقدم لكصورة عامة عن الهندسة الكهربائية وذلك بترتيب وسرد القليل عن ثمانية أقسام رئيسية فيها.

  1. أنظمة الاتصالات هي نقل المعلومات بشكل كهربائي. الهواتف النقالة, والراديو, والأقمار الصناعية المخصصة للتلفاز, والانترنت, جميعها أمثلة عن أنظمة الاتصالات. نظريا, يمكن لأي شخصين (أو حاسوبين بالأحرى) على سطح الكوكب أن يتواصلا آنيا. فمتسلق جبال في Nepal يمكنه الاتصال مع أصدقائه سواء كانوا في Alaska بين الجبال أو في New York يحتسون فنجانا من القهوة في أحد المكاتب. هذا النوع من التواصل يؤثر على طريقة حياتنا, وعملنا, كما يؤثر على تصميم جميع الأشياء التي نستخدمها. فعلى سبيل المثال إن الطرقات التي نعرفها سيتم تزويدها بحساسات, وأنظمة للتعرف على الحوادث التي قد تحصل فيها والإبلاغ عنها وتغيير الإشارات المرورية لتفادي موقع الحادث, كما أن السيارات ستزوَّد بأنظمة تعطي إشارة لطلب المساعدة تلقائا عندما تفتح الوسادة الهوائية, كما أن هذه الإشارة ستستخدم لتنبيه أنظمة الطريق بوقوع الحادث ومكانه.

الجدول 1.1.    التطبيقات الحالية للهندسة الكهربائية في وسائط النقل:

الأمان
المكابح الغير قابلة للانزلاق (Antiskid breakes)
Inflatable Restrains
إنذار وتجنب الحوادث
رصد الزوايا العمياء (التي لا يمكن للسائق رؤيتها من مكانه) وخاصة في الشاحنات الكبيرة
أنظمة الرؤية الليلية (بالأشعة تحت الحمراء)
شاشات العرض الزجاجية (مقياس السرعة على الزجاج المامي للسيارة)
التنبيه بالاصطدام آليا

التواصل والترفيه
راديو الموجات الطويلة والقصيرة AM/FM
الراديو الرقمي Digital Audio Broadcasting
مشغل الأشرطة والأقراص
الهاتف الخليوي
الحاسوب والبريد الالكتروني
راديو الأقمار الصناعية

الراحة
الملاحة الاكترنية
تعديل المقعد والمرآة وإعدادات الراديو
قفل الباب الكهربائي

الانبعاثات, والأداء, والاقتصاد في الوقود
معدات السيارة
التشغيل الكهربائي
حساس تضخم العجلات
تحسين الأداء باستخدام الحاسب, وجدولة الإصلاحات
أنظمة الغيار القابلة للتعديل

أنظمة الدفع البديلة
السيارات الكهربائية
البطاريات المتطورة
السيارات الهجينة

أنظمة الحاسب تعالج وتخزن المعلوما بالشكل الرقمي. لا شك في أنك تعاملت مع الحاسب أو تطبيقاته في مجالاتك الخاصة. وبالإضافة إلى الحاسب الاعتيادي, هنالك العديد من أنظمة الحاسب التي نتعامل معها بشكل غير مباشر (الحواسيب المدمجة[رامي2] ), كالأدوات الكهربائية في المنزل والسيارات. فالسيارات الحديثة تحتوي على العديد من أنظمة الحاسب المختلفة والمخصصة لغاية معينة. العمليات الكيميائية وأنظمة تغيير مسار القطارات عادة ما يتم التحكم بها عن طريق الحواسيب أيضا.

  1. أنظمة التحكم تجمع المعلومات بواسة الحساسات وتستخدم الطاقة الكهربائية للتحكم بالعمليات الفيزيائية. نظام التكييف هو مثال مبسط لأنظمة التحكم, حيث يقوم حساس الثيرموستات (Thermostat) بمقارنة درجة حرارة الغرفة مع الدرجة المرغوب فيها, وتقوم دارة تحكم بتشغيل جهاز التكييف للوصول إلى الحرارة المرغوب بها. في صناعة الورق يقوم نظام تحكم كهربائي بالتحكم بالآلة لكي تغير سمك الورقة (زيادة الضغ أو إنقاصه). وذلك للتقليل من حركتها الاهتزازية بسبب الرياح.
  2. الكهرومغناطيسية هي دراسة مجالي الكهرباء والمغناطيسية. أحد تطبيقاتها هو الجهاز المستخدم في توليد الأمواج الميكروية في الميكروويف (والمعروف بالاسم “magnetron”). وكذلك توجد أجهزة مشابهة له ولكن ذات طاقات أعلى بكثير, تستخدم في صناعة الورق المقوى. حيث تقوم الحقول الكهرومغناطيسية بتسخين الغراء بين طبقات الخشب (أي الورق) لكي يتم لصقها بسرعة. أمثلة أخرى عن الأجهزة الكهرومغناطيسية هي الهواتف النقالة وأجهزة استقبال التلفاز.
  3. الالكترونيات هي دراسة تطبيقات المواد, والأجهزة والدارات المستخدمة في تضخيم وتحويل الإشارات الكهربائية. أهم شيء في الأجهزة الالكترونية هي الترانزستورات بأنواعها المختلفة. حيث يتم استخدامها في جميع الأماكن التي تحتوي على المعلومات. فعلى سبيل المثال, جهاز تنظيم ضربات القلب هو دارة الكترونية تقوم بتحسس ضربات القلب, فإن صدف وغابت إحدى هذه الدقات, تقوم الدارة بإجبار القلب على النبض. التجهيزات الالكترونية والحساسات الالكترونية تتواجد في جميع مجالات العلم والهندسة. العديد من أنواع المضخمات الالكترونية التي سيتم دراستها لاحقا في هذا الكتاب لها تطبيق مباشر في التجهيزات المستخدمة في مجالك الهندسي.
  4. الفوتونيكس [رامي3] هو علم جديد وهندسة قد تستبدل عالم الحواسيب الذي نعرفه, ومعالجة الإشارة, والحساسات, وأجهزة الاتصال التي تعتمد في عملها على الالكترونات بأجهزة أخرى تعتمد في عملها على الفوتونات. تشمل الـ فوتونيكس توليد الضوء بواسطة الليزر والديودات المضيئة (الليدات LEDs), ونقل الضوء عبر العناصر البصرية, وتحويل, وتحسين, وتضخيم, ورصد, وتوجيه الضوء بواسطة أجهزة كهربائية وصوتية ومعتمدة على الضوء. ومن التطبيقات الموجودة للفوتونيكس يوجد سواقات قراءة الأقراص المضغوطة DVD, الصور الهولوغرامية (صور يتم تخزينها وعرضها مباشرة بشكل ثلاثي الأبعاد), ومعالجات الإشارات الضوئية, وأنظمة الاتصال ذات الألياف البصرية. أما التطبيقات المستقبلية المرجوة منها فهي الحواسيب الضوئية, والذاكرة الهولغرافية (الضوئية), والأجهزة الطبية. تقدم الـ فوتونيكس فرصا هائلة في جميع مجالات العلم والهندسة.
  5. أنظمة القدرة تقوم بتحويل الطاقة من وإلى شكلها الكهربائي ونقلها عبر المسافات الطويلة. هذه الأنظمة لها علاقة بالمولدات, والمحولات, وخطوط التغذية, والمحركات, وعناصر أخرى. المهندسون الميكانيكيون عادة ما يستعملون المحركات الكهربائية لتشغيل آلاتهم. انتقاء المحرك ذي القوة المناسبة من أجل تطبيق ميكانيكي معين هو مثال آخر عما يمكنك الاستفادة منه في هذا الكتاب.
  6. معالجة الإشارة تهتم بالإشارات الكهربائية التي تحمل المعلومات. غالبا ما يكون الهدف هو استخراج المعلومات المفيدة الموجودة في الإشارات الكهربائية التي تعطيها الحساسات. أحد التطبيقات هو رؤية الآلة في الصناعات الروبوتية (المعتمدة على الروبوت). ومن الأمثلة الأخرى على تطبيقات معالجة الإشارة هو محركات الاحتراق الداخلي. حيث أن وقت تعديل الغيار مهم جدا في تحقيق الأداء الجيد وتخفيض التلوث. نقطة الانبعاث المرغوب بها والمتعلقة بتغيير ساعد التحكم في السيارة تتعلق بجودة الوقود, ودرجة حرارة الهواء, وإعدادات كمية الوقود المستخدم, وسرعة المحرك, وعوامل أخرى.
    إن تم تعديل الغيار قبل وقته الأفضل بقليل, تسبب ذلك باختلال في عمل المحرك عن الوضع

الشكل 1.1 الضغط مع الوقت لمحرك احتراق داخلي يعاني من الخلل (الصدمة). الحساسات تحول الضغط إلى إشارة كهربائية يتم معالجتها لتعديل وقت تعديل الغيار لحدوث أقل تلوث ممكن وتقديم أفضل أداء.

الطبيعي. وهذا الخلل يسمع كصوت احتكاك معدني حاد ناتج عن التغير السريع في الضغط خلال إصدار الطاقة الكيميائية في غرفة الاحتراق. وفي الشكل 1.1 نوضح نبضة للضغط في غرفة الاحتراق حدث فيها الخلل. في المراحل المرتفعة, يتسبب الخلل بتعطيل المحرك في فترة زمنية قصيرة جدا. الأولوية في هذه الحالات تكون لمعالجة الاشارة الكترونيا وبشكل فعال, سرعة المحرك يجب أن يتم تعديلها ليكون أداء المحرك في المجال الذي يمنعه من الخضوع لأي خلل بسبب العوامل المختلفة.

عندما نضع حساسا في أنبوب غرفة الاحتراق, نحصل على إشارة كهربائية متناسبة مع الضغط في ذلك المكان. تقوم دارة كهربائية بمعالجة الإشارة لتقرر فيما إن كانت هناك حالة خلل أو لا. ثم تقوم الدارة الكهربائية بتعديل الغيار باستمرار للحصول على أفضل أداء مرغوب به دون الوقوع في حالة الخلل (الصدمة).

لماذا عليك دراسة الهندسة الكهربائية

كقارئ لهذا الكتاب, ربما أنك قد تعمقت في إحدى المجالات الأخرة من الهندسة أو العلوم وتقوم بهذه الدورة في الهندسة الكهربائية. هدفك المطلوب ربما يكون تحقيق علامة النجاح المناسبة لاختصاصك. لكن بأي حال, هناك العديد من الأسباب الجيدة تجعلك ترغب بتعلم المعلومات الأساسية للهندسة الكهربائية:

  1. للنجاح في امتحان “Fundamental of Engineering (FE)” (مبادئ الهندسة) كخطوة أولى لامتهان الهندسة واحترافها وممارستها. هذا الكتاب يقدم لك المعلومات اللازمة للتقدم لهذا الامتحان والإجابة عنه, فاحتفظ بالكتاب [رامي4] وملحقاته وملاحظاته قبل التقدم للامتحان.
  2. لتحصل على المعرفة الكافية والتي تمكنك من تصميم المشاريع في مجالك الخاص. يوما بعد يوم, يزداد دور الهندسة الكهربائية في معظم التجارب العلمية وتصميم المشاريع في المالات الأخرى من الهندسة. دائما ما تتطلب الصناعة مهندسين ذوي نظرة شاملة وقادرين على العمل بفعالية مع الجماعة. المهندسون والعلماء اللذين يتخصصون في مجالهم الضيق جدا يتم توجيههم عادة من قبل الآخرين. (المهندسون الكهربائيون محظوظون نوعا ما من هذه الناحية, لأن أساسيات الأبنية, والميكانيكيات, والعمليات الكيميائية هي أشياء نراها في حياتنا اليومية. وبالمقابل تكون مبادئ الهندسة الكهربائية مخفية عن الملاحظة العادية مما يعطيك استقلاليتك.)
  3. لكي تكون قادرا على تشغيل وصيانة الأنظمة الكهربائية, كأنظمة التحكم الموجودة في عمليات الصناعة. الأغلبية الساحقة من أعطال الدارات الكهربائية يمكن بسهولة حلها بالتطبيقات الأساسية لمبادئ للهندسة الكهربائية. وستكون سلسا للغاية ومهندسا ثمينا إن تمكنت من تطبيق مبادئ الهندسة الكهربائية في الحالات العملية.
  4. لكي تكون قادرا على التواصل مع المستشارين من الهندسة الكهربائية. وذلك على الاغلب إن كنت تعمل في وسط محاط بالمهندسين الكهربائيين. فهذا الكتاب سيقدم لك المعرفة الأساسية اللازمة لتتواصل معهم بفعالية.

محتويات الكتاب

الهندسة الكهربائية ضخمة جدا ليتم تغطيتها في دورة واحدة أو اثنتين.  هدفنا هو تقديم المفاهيم التي ستحتاج لها على الأغلب. نظرية الدارات [رامي5] هي من أدوات مبادئ الهندسة الكهربائية. ولذلك ستكون الفصول الستة الأولى من هذا الكتاب تتعلق بالدارات.

            الحواسيب المدمجة, الحساسات, والدارات الكهربائية ستكون جزءا هاما من المنتجات التي ستصممها والأدوات التي ستستخدمها في مجالك الهندسي أو العلمي. الفصل الثاني من الكتاب يتعامل مع الأنظمة الرقمية مع التوسع في الحواسيب المدمجة والأدوات. الفصل الثالث من الكتاب يتكلم عن الدارات والأجهزة الالكترونية.
كمهندس ميكانيكي, كيميائي, مدني, صناعي, أو أي مهندس آخر, ستحتاج على الأغلب لاستخدام أجهزة تحويل الطاقة. الفصل الأخير من الكتاب يتكلم عن أنظمة الطاقة الكهربائية بالتعامل مع المحولات, المولدات, والمحركات.
ولأن هذا الكتاب يغطي العديد من المبادئ الأساسية, يتم استخدامه في بعض الأحيان في دورات المداخل للهندسة الكهربائية. وكما أنه من المهم أن يتطلع المهندسون والعلماء على كيفية تطبيق هندسة الكهرباء في مجالاتهم, فإنه على المهندسين الكهربائيين أن يتعرفوا على هذه التطبيقات أيضا.


 [رامي1]قد تجد من المهم أن تبحث في الانترنت عن مصطلح “Mechatronics” وما يتعلق به!

 [رامي2]الحواسيب التي تكون موجودة في الأدوات بشكل غير مباشر كما في وسائط النقل وغيرها, تدعى بالحواسيب المدمجة “Embedded Computers”

 [رامي3]الالكترونيات هي أجهزة تعتمد على التحكم بالالكترونات. الفوتونيات هي أجهزة تقوم بوظائف مماثلة, لكنها تعتمد على التحكم بالفوتونات.

 [رامي4]احتفظ بالكتاب وملحقاته وملاحظاته للمراجعة والتقدم لامتحان مبادئ الهندسة (FE)

 [رامي5]نظرية الدارات هي الأداة الرئيسية لمهندس الكهرباء.

 

Advertisements


التصنيفات :1.1. نظرة عامة على الهندسة الكهربائية, الفصل الأول

الوسوم:, , , , , , , , , , , , , , , , , ,

اترك رد

إملأ الحقول أدناه بالمعلومات المناسبة أو إضغط على إحدى الأيقونات لتسجيل الدخول:

شعار وردبرس.كوم

أنت تعلق بإستخدام حساب WordPress.com. تسجيل خروج   /  تغيير )

Google+ photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Google+. تسجيل خروج   /  تغيير )

صورة تويتر

أنت تعلق بإستخدام حساب Twitter. تسجيل خروج   /  تغيير )

Facebook photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Facebook. تسجيل خروج   /  تغيير )

Connecting to %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

%d مدونون معجبون بهذه: