طريقة وارد ليونارد لتحكم في السرعة أو التحكم في جهد الأرماتور

تعتمد طريقة وارد ليونارد لتحكم السرعة على تعديل الجهد المطبق على الذراع الكهربائي للمحرك. وقد تم تقديم هذا النهج المبتكر لأول مرة في عام 1891، مما يمثل تقدماً كبيراً في مجال التحكم في المحركات الكهربائية. يوضح الشكل أدناه مخطط الاتصال لتنفيذ طريقة وارد ليونارد للتحكم في سرعة محرك تيار مستمر ذو تغذية جانبية، مما يوفر تمثيلاً بصرياً واضحاً لتكوين النظام وعمله.

في النظام المذكور أعلاه، يمثل M المحرك الرئيسي للتيار المستمر الذي تكون سرعته هدف التحكم فيه، بينما يمثل G المولد الكهربائي المنفصل التغذية. يتم تشغيل المولد G بواسطة محرك قيادة ثلاثي الأطوار، يمكن أن يكون إما محرك حث أو محرك متزامن. يُشار إلى زوج المحرك القاطع AC والمولد DC باسم مجموعة المحرك-المولد (M-G).

يمكن ضبط جهد المخرج للمولد عن طريق تعديل تيار المجال للمولد. عندما يتم تزويد الذراع الكهربائي للمحرك الرئيسي بالتيار المستمر مباشرة بهذا الجهد المعدل، يتسبب ذلك في تغيير متناسب في سرعة المحرك M. لضمان الأداء الثابت أثناء التحكم في السرعة، يتم الحفاظ على تيار المجال للمحرك Ifm عند مستوى ثابت، مما يحافظ على ثبات الفيض المغناطيسي للمحرك ϕm. بالإضافة إلى ذلك، أثناء التحكم في سرعة المحرك، يتم تنظيم تيار الذراع الكهربائي Ia لتتطابق مع قيمته المحددة. بتعديل تيار المجال المولد Ifg، يمكن ضبط جهد الذراع Vt من الصفر إلى قيمته المحددة.

نتيجة لهذه التعديلات في الجهد، تتغير سرعة المحرك من الصفر إلى سرعته الأساسية. بما أن عملية التحكم في السرعة تتم بتيار محدد Ia وفياض مغناطيسي ثابت للمحرك ϕm، يتم تحقيق عزم دوران ثابت، حيث أن العزم يتناسب بشكل مباشر مع ناتج تيار الذراع والفياض المغناطيسي حتى السرعة المحددة. بما أن ناتج العزم والسرعة يحدد الطاقة، ويظل العزم ثابتًا في هذه الحالة، فإن الطاقة تصبح متناسبة بشكل مباشر مع السرعة. وبالتالي، مع زيادة الطاقة الخارجة، تتزايد سرعة المحرك بشكل متناسب.

توضح الخصائص العزمية والطاقة لهذا نظام التحكم في السرعة في الشكل أدناه، مما يوفر تمثيلاً بصرياً لكيفية تفاعل هذه المعلمات وتغيرها أثناء التشغيل.

باختصار، تمكن طريقة التحكم في جهد الذراع الكهربائي من تحقيق دفع بعزم ثابت وطاقة متغيرة لسرعات أقل من السرعة الأساسية. من ناحية أخرى، تدخل طريقة التحكم في الفياض المغناطيسي في العمل عندما تتجاوز السرعة السرعة الأساسية. في هذا الوضع التشغيلي، يتم الحفاظ على تيار الذراع الكهربائي باستمرار عند قيمته المحددة، ويظل جهد المولد Vt ثابتًا.

عندما يقل تيار المجال للمحرك، ينخفض الفياض المغناطيسي للمحرك أيضًا، مما يؤدي إلى تقويض المجال لتحقيق سرعات أعلى. بما أن Vt Ia و E Ia يظلان ثابتين، فإن العزم الكهرومغناطيسي يتناسب بشكل مباشر مع ناتج الفياض المغناطيسي ϕm وتيار الذراع الكهربائي Ia. وبالتالي، يؤدي انخفاض الفياض المغناطيسي للمحرك إلى تقليل العزم.

وبالتالي، ينخفض العزم مع زيادة السرعة. وهكذا، في وضع التحكم في المجال، بالنسبة للسرعات فوق السرعة الأساسية، يتم الحصول على تشغيل بطاقة ثابتة والعزم متغير. عندما يكون التحكم في السرعة على نطاق واسع ضروريًا، يتم استخدام مزيج من التحكم في جهد الذراع الكهربائي والتحكم في الفياض المغناطيسي. يسمح هذا النهج المدمج بنسبة السرعة القصوى إلى الدنيا المتاحة بأن تتراوح بين 20 إلى 40. في أنظمة التحكم ذات الحلقة المغلقة، يمكن توسيع نطاق السرعة حتى يصل إلى 200.

يمكن أن يكون المحرك القاطع إما محرك حث أو محرك متزامن. يعمل محرك الحث عادة بمعدل قوة تقود متأخر. من ناحية أخرى، يمكن تشغيل المحرك المتزامن بمعدل قوة تقود متقدم عبر التشبع المفرط لمجاله. يقوم المحرك المتزامن المتشبع بإنتاج قوة راجعة متقدمة، مما يعوض بشكل فعال عن القوة الراجعة المتأخرة التي يستهلكها الأحمال الاستقرائية الأخرى، مما يحسن معدل القوة الكلي.

عند التعامل مع الأحمال الثقيلة والمتقطعة، غالباً ما يتم استخدام محرك حث ذي حلقات منزلقة كمحرك رئيس، ويتم تركيب طبلة طيران على عموده. يعرف هذا التكوين باسم نظام وارد ليونارد-إيلجينر، مما يساعد على منع التقلبات الكبيرة في تيار التغذية. ومع ذلك، عندما يكون المحرك المتزامن هو المحرك القاطع، لا يمكن لتثبيت طبلة الطيران على عموده تقليل التقلبات، حيث يعمل المحرك المتزامن دائمًا بسرعة ثابتة.

مزايا نظام وارد ليونارد

• يوفر نظام وارد ليونارد العديد من المزايا الرئيسية:

• يسمح بتحكم سلس في سرعة المحرك التيار المستمر على نطاق واسع في كلتا الاتجاهين.

• لديه قدرة فرملة متأصلة. باستخدام محرك متزامن متشبع كمحرك قيادة، يتم تعويض الفولت أمبير الراجعة المتأخرة، مما يعزز معدل القوة الكلي.

• في التطبيقات ذات الأحمال المتقطعة، مثل مصانع الدرفلة، يمكن استخدام محرك حث مع طبلة طيران لتخفيف الأحمال المتقطعة، مما يقلل من تأثيرها على النظام.

عيوب نظام وارد ليونارد التقليدي

يعاني النظام التقليدي لوورد ليونارد، الذي يعتمد على مجموعات المحرك-المولد الدوارة، من القيود التالية:

• الاستثمار الأولي للنظام كبير بسبب الحاجة إلى تثبيت مجموعة محرك-مولد بنفس تصنيف المحرك التيار المستمر الرئيسي.

• حجمه كبير وزنه كبير.

• يتطلب مساحة كبيرة للتثبيت. الأساس المطلوب للنظام مكلف.

• تحتاج إلى صيانة متكررة.

• يتكبد خسائر أكبر أثناء التشغيل.

• كفاءته الكلية نسبية منخفضة.

• يصدر الضجيج بكثافة.

تطبيقات نظام وارد ليونارد

يعد نظام وارد ليونارد مثالياً للسيناريوهات التي تتطلب التحكم السلس والتوجيه الثنائي والنطاق الواسع في سرعة المحركات التيار المستمر. بعض التطبيقات الشائعة تشمل:

• مصانع الدرفلة

• المصاعد

• الرافعات

• مصانع الورق

• القطارات الكهربائية-الديزل

• رافعات المناجم

نظام التحكم الثابت أو نظام وارد ليونارد الثابت

في التطبيقات الحديثة، يُفضل نظام وارد ليونارد الثابت على نطاق واسع. في هذا النظام، يتم استبدال المجموعة الدوارة التقليدية للمحرك-المولد بمحول ثابت للتحكم في سرعة المحرك التيار المستمر. يتم استخدام مستقيمات التحكم والقطعاء بشكل شائع كمحولات.

عندما يكون مصدر الطاقة هو تيار متردد، يتم استخدام مستقيمات التحكم لتحويل الجهد الثابت للتيار المتردد إلى جهد تيار مستمر متغير. في حالة تيار مستمر، يتم استخدام القطعاء للحصول على جهد تيار مستمر متغير من المصدر الثابت للتيار المستمر.

في شكل آخر لنظام وارد ليونارد، يمكن أيضًا استخدام محركات رئيسية غير كهربائية لتشغيل المولد التيار المستمر. على سبيل المثال، في القاطرات الكهربائية التيار المستمر، يتم تشغيل المولد التيار المستمر بواسطة محرك ديزل أو توربين غاز، وهذا الترتيب قابل للتطبيق أيضًا في محركات دفع السفن. في مثل هذه الأنظمة، لا يمكن تحقيق الفرملة التجددية لأن الطاقة لا يمكن أن تتدفق في الاتجاه العكسي عبر المحرك الرئيسي.