Метод на Уорд Леонард за контрола на скоростта или контрол на напрежението във верният

Методът на Уард Леонард за контрол на скоростта функционира чрез регулиране на напрежението, приложено към якора на мотор. Този иновативен подход беше въведен за първи път през 1891 г., като отбеляза значителен напредък в областта на електрическия контрол на моторите. Фигурата по-долу илюстрира схемата за свързване за изпълнение на метода на Уард Леонард за контрол на скоростта на DC шунтов мотор, предоставяйки ясна визуална представа за конфигурацията и функционирането на системата.

В описаната по-горе система, M представлява главния DC мотор, чиято ротационна скорост е целта на контрола, докато G е отделно возбуден DC генератор. Генераторът G се подхранва от трифазен приводен мотор, който може да бъде или индукционен мотор, или синхронен мотор. Комбинацията от AC приводен мотор и DC генератор обикновено се нарича Мотор-Генератор (M-G) комплект.

Изходното напрежение на генератора може да бъде регулирано чрез модификация на тока на полето на генератора. Когато това регулирано напрежение се доставя директно към якора на главния DC мотор, то причинява съответна промяна в скоростта на мотора M. За да се осигури последователно изпълнение при контрол на скоростта, токът на полето на мотора Ifm се поддържа на постоянна стойност, което на свой ред държи флуксът на полето ϕm на мотора стабилен. Освен това, докато се контролира скоростта на мотора, токът на якора Ia се регулира, за да отговаря на неговата номинална стойност. Чрез изменение на тока на генерирания полет Ifg, напрежението Vt на якора може да бъде регулирано от нула до неговата номинална стойност. 

Тази корекция в напрежението води до промяна в скоростта на мотора от нула до базовата му скорост. Тъй като процесът на контрол на скоростта се извършва с номиналния ток Ia и постоянен флукс на полето ϕm, достига се постоянен момент, тъй като моментът е директно пропорционален на произведението от тока на якора и флукса на полето до номиналната скорост. Тъй като произведението от момента и скоростта дефинира мощността, и моментът остава постоянен в този случай, мощността става директно пропорционална на скоростта. Следователно, когато изходящата мощност се увеличава, скоростта на мотора също се увеличава съответно. 

Характеристиките на момента и мощността на тази система за контрол на скоростта са показани в фигурата по-долу, предоставяща визуална представа за това как тези параметри взаимодействат и се променят по време на работа.

Кратко казано, методът за контрол на напрежението на якора позволява постигане на постоянен момент и променлива мощност за скорости под базовата скорост. От друга страна, методът за контрол на флуксът на полето влезе в игра, когато скоростта надхвърля базовата скорост. В този режим на работа, токът на якора се поддържа постоянно на неговата номинална стойност, а напрежението Vt на генератора остава постоянно.

Когато токът на полето на мотора намалее, флуксът на полето на мотора също намалява, ефективно слабее полето, за да се постигнат по-високи скорости. Тъй като Vt Ia и E Ia остават постоянни, електромагнитният момент е директно пропорционален на произведението от флукса на полето ϕm и тока на якора Ia. Следователно, намалението на флукса на полето на мотора води до намаление на момента.

В резултат, моментът намалява, докато скоростта се увеличава. Така, в режим на контрол на полето, за скорости над базовата, се получава операция с постоянна мощност и променлив момент. Когато е необходим широк диапазон на контрол на скоростта, се използва комбинация от контрол на напрежението на якора и контрол на флуксът на полето. Този комбиниран подход позволява отношението между максималната и минималната налична скорост да варира от 20 до 40. В затворени системи за управление, този диапазон на скоростта може да бъде разширен до 200.

Приводният мотор може да бъде или индукционен мотор, или синхронен мотор. Индукционният мотор обикновено работи при започващ фактор на мощност. От друга страна, синхронният мотор може да бъде изработен при водещ фактор на мощност чрез прекомерна екситация на неговото поле. Прекомерно екситиран синхронен мотор генерира водещ реактивен ток, който ефективно компенсира започващия реактивен ток, потребителски от други индуктивни товари, следователно подобрява общия фактор на мощност.

При работа с тежки и преразпределени товари, често се използва индукционен мотор с колеца за контакт, като основен привод, и летваща тежест е монтирана на неговата ос. Тази конфигурация, известна като схема Уард Леонард-Илгенер, помага да се предотвратят значителни флуктуации в тока на захранване. Обаче, когато синхронен мотор служи като приводен мотор, монтирането на летваща тежест на неговата ос не може да намали флуктуациите, тъй като синхронният мотор винаги работи на постоянна скорост.

Преимущества на приводите Уард Леонард

• Приводите Уард Леонард предлагат няколко ключови преимущества:

• Позволяват гладък контрол на скоростта на DC мотор в широко разнообразие в двете посоки.

• Разполагат с вродена спираща способност. Използвайки прекомерно екситиран синхронен мотор като привод, се компенсират започващите реактивни волт-ампери, подобрявайки общия фактор на мощност.

• В приложения с преразпределени товари, като валкови мелници, индукционен мотор с летваща тежест може да бъде използван, за да се изгладят преразпределените товари, намалявайки техния ефект върху системата.

Недостатъци на класическата система Уард Леонард

Класическата система Уард Леонард, която се основава на вращащи се Мотор-Генераторни комплекти, има следните ограничения:

• Първоначалната инвестиция за системата е значителна, поради необходимостта от инсталиране на мотор-генераторен комплект със същата характеристика като главния DC мотор.

• Има големи размери и значителен тег.

• Изисква голямо площно пространство за инсталиране. Фундаментът, необходим за системата, е скъп.

• Често е необходимо поддръжка.

• Създава по-големи загуби по време на работа.

• Общата й ефективност е относително ниска.

• Приводът генерира значителен шум.

Приложения на приводите Уард Леонард

Приводите Уард Леонард са идеални за ситуации, където е необходимо гладко, двупосочно и широко управление на скоростта на DC мотори. Някои общи приложения включват:

• Валкови мелници

• Лифтове

• Кранове

• Бумажни мелници

• Дизел-електрически локомотиви

• Подземни лифтове

Твърдотелен контрол или статична система Уард Леонард

В съвременните приложения, статичната система Уард Леонард е широко предпочитана. В тази система, традиционният вращащ се мотор-генератор (M-G) комплект се заменя от твърдотелен преобразувател за контрол на скоростта на DC мотора. Често се използват контролирани выпрямители и режектори като преобразуватели.

Когато източникът на мощност е AC, се използват контролирани выпрямители, за да се трансформира фиксираното AC напрежение в променливо DC напрежение. В случая на DC източник, се използват режектори, за да се получи променливо DC напрежение от фиксиран DC източник.

В алтернативна форма на привода Уард Леонард, могат да се използват и неелектрически приводни механизми, за да се задвижат DC генераторите. Например, в DC електрически локомотиви, DC генераторът е задвижен от дизелов двигател или газова турбина, и тази конфигурация се прилага и в приводите за корабоплаване. В такива системи, регенеративното спиране не е възможно, тъй като енергията не може да тече в обратна посока през приводния механизъм.