Mètode de control de velocitat Ward Leonard o control de tensió a l'armadura

El mètode de control de velocitat de Ward Leonard opera ajustant la tensió aplicada a l'armadura d'un motor. Aquesta innovadora aproximació va ser introduïda per primera vegada el 1891, marcant un avanç significatiu en el camp del control de motors elèctrics. La figura següent il·lustra el diagrama de connexió per implementar el mètode de Ward Leonard per controlar la velocitat d'un motor CC en paral·lel, proporcionant una representació visual clara de la configuració i operació del sistema.

En el sistema descrit anteriorment, M representa el motor principal CC cuya velocitat rotativa és el objectiu del control, mentre que G és un generador DC excitat separatament. El generador G està alimentat per un motor de conducció trifàsic, que pot ser un motor d'inducció o un motor síncron. L'acoblament del motor de conducció AC i el generador DC s'anomena sovint conjunt Motor-Generador (M-G).

La tensió de sortida del generador es pot ajustar modificant la corrent de camp del generador. Quan aquesta tensió ajustada s'aplica directament a l'armadura del motor principal CC, provoca un canvi corresponent en la velocitat del motor M. Per assegurar un rendiment consistent durant el control de velocitat, la corrent de camp del motor Ifm es manté a un nivell constant, el que a la vegada manté estable el flux de camp del motor ϕm. A més, mentre es controla la velocitat del motor, la corrent de l'armadura Ia es regula per igualar el seu valor nominal. Variant la corrent de camp generada Ifg, la tensió de l'armadura Vt es pot ajustar des de zero fins al seu valor nominal. 

Aquest ajust de tensió resulta en un canvi de la velocitat del motor des de zero fins a la velocitat base. Com que el procés de control de velocitat s'executa amb la corrent nominal Ia i un flux de camp del motor ϕm constant, es consigueix un moment constant, ja que el moment és directament proporcional al producte de la corrent de l'armadura i el flux de camp fins a la velocitat nominal. Donat que el producte del moment i la velocitat defineix la potència, i el moment roman constant en aquest escenari, la potència es torna directament proporcional a la velocitat. Conseqüentment, com augmenta la potència de sortida, la velocitat del motor augmenta en conseqüència. 

Les característiques de moment i potència d'aquest sistema de control de velocitat es mostren a la figura següent, proporcionant una representació visual de com aquests paràmetres interaccionen i canvien durant l'operació.

En resum, el mètode de control de tensió de l'armadura permet assolir un accionament de moment constant i potència variable per velocitats inferiors a la velocitat base. D'altra banda, el mètode de control del flux de camp entra en joc quan la velocitat supera la velocitat base. En aquest mode operatiu, la corrent de l'armadura es manté consistentment al seu valor nominal, i la tensió del generador Vt roman constant.

Quan la corrent de camp del motor disminueix, també ho fa el flux de camp del motor, debilitant efectivament el camp per assolir velocitats més altes. Donat que Vt Ia i E Ia romanen constants, el moment electromagnètic és directament proporcional al producte del flux de camp ϕm i la corrent de l'armadura Ia. Conseqüentment, una reducció del flux de camp del motor porta a una disminució del moment.

Com a resultat, el moment disminueix a mesura que la velocitat augmenta. Així, en el mode de control de camp, per velocitats superiors a la velocitat base, s'obté un funcionament de potència constant i moment variable. Quan és necessari un ampli control de velocitat, es combina el control de tensió de l'armadura i el control de flux de camp. Aquesta aproximació combinada permet que la relació entre les velocitats màxima i mínima disponibles varii d'entre 20 a 40. En sistemes de control en bucle tancat, aquest rang de velocitats es pot estendre fins a 200.

El motor de conducció pot ser un motor d'inducció o un motor síncron. Un motor d'inducció sol funcionar amb un factor de potència retardat. En canvi, un motor síncron es pot fer funcionar amb un factor de potència avançat a través de l'excitació excesiva del seu camp. Un motor síncron sobreexcitat genera potència reactiva avançada, que compensa eficacement la potència reactiva retardada consumida per altres càrregues inductives, millorant així el factor de potència general.

Quan es tracta de càrregues pesades i intermitents, sovint es utilitza un motor d'inducció amb anells de lliscament com a motor principal, i es monta una roda volanta en el seu eix. Aquesta configuració, coneguda com l'esquema Ward Leonard-Ilgener, ajuda a prevenir fluctuacions significatives en la corrent d'aprovitallament. Tanmateix, quan un motor síncron serveix com a motor de conducció, muntar una roda volanta en el seu eix no pot reduir les fluctuacions, ja que un motor síncron sempre funciona a una velocitat constant.

Avantatges dels Accionaments Ward Leonard

• Els accionaments Ward Leonard ofereixen diversos avantatges clau:

• Permeten un control suau de la velocitat d'un motor CC en un ampli rang en ambdós sentits.

• Té una capacitat inherent de frenat. Utilitzant un motor síncron sobreexcitat com a accionament, els volt-amperes reactivos retardats són compensats, millorant el factor de potència general.

• En aplicacions amb càrregues intermitents, com ara fàbriques de laminació, es pot utilitzar un motor d'inducció amb una roda volanta per suavitzar la càrrega intermitent, reduint-ne l'impacte en el sistema.

Desavantatges del Sistema Clàssic de Ward Leonard

El sistema clàssic de Ward Leonard, que depèn de conjunts de Motors-Generadors rotatoris, té les següents limitacions:

• L'inversió inicial per al sistema és substancial degut a la necessitat d'instal·lar un conjunt de motor-generador amb la mateixa potència que el motor CC principal.

• Té una gran mida física i pes.

• Requereix una gran superfície de terra per instal·lar-lo. La fundació requerida pel sistema és costosa.

• Cal manteniment freqüent.

• Incideix en pèrdues més altes durant l'operació.

• La seva eficiència global és relativament baixa.

• El sistema genera una quantitat significativa de soroll.

Aplicacions dels Accionaments Ward Leonard

Els accionaments Ward Leonard són ideals per a escenaris on és essencial un control suau, bidireccional i d'ampli rang de la velocitat de motors CC. Algunes aplicacions comunes inclouen:

• Fàbriques de laminació

• Ascensors

• Grues

• Fàbriques de paper

• Locomotors diesel-elèctrics

• Polissors de mines

Control Estàtic o Sistema Ward Leonard Estàtic

En aplicacions modernes, es prefereix àmpliament el sistema Ward Leonard Estàtic. En aquest sistema, el conjunt de motor-generador (M-G) rotatori tradicional es substitueix per un convertidor estàtic per controlar la velocitat del motor CC. Es fan servir habitualment rectificadors controlats i commutadors com a convertidors.

Quan la font d'energia és una alimentació CA, es fan servir rectificadors controlats per transformar la tensió d'aprovitallament CA fixa en una tensió d'aprovitallament CC variable. En el cas d'una alimentació CC, es fan servir commutadors per obtenir una tensió CC variable a partir d'una font CC fixa.

En una forma alternativa del sistema Ward Leonard, també es poden utilitzar motors principals no elèctrics per alimentar el generador CC. Per exemple, en locomotors elèctrics de CC, el generador CC és alimentat per un motor dièsel o una turbina de gas, i aquesta configuració també és aplicable en drives de propulsió de vaixells. En aquests sistemes, el frenat regeneratiu no és possible perquè l'energia no pot fluir en direcció inversa a través del motor principal.