Ward Leonardova metoda řízení otáček nebo řízení napětí na cívce
Metoda Warda Leonarda pro řízení otáček funguje tím, že se upravuje napětí aplikované na stator elektrického motoru. Tento inovativní přístup byl poprvé zaveden v roce 1891 a znamenal významný pokrok v oblasti řízení elektrických motorů. Následující obrázek znázorňuje schéma připojení pro implementaci metody Warda Leonarda k řízení rychlosti stejnosměrného paralelního motoru, poskytující jasnou vizuální reprezentaci konfigurace a funkce systému.
V popsaném systému M představuje hlavní stejnosměrný motor, jehož otáčky jsou cílem řízení, zatímco G je samonapájecí stejnosměrný generátor. Generátor G je poháněn třífázovým pohonem, kterým může být indukční nebo synchronní motor. Dvojice AC pohonu a DC generátoru se často označuje jako Motor-Generátor (M-G) sada.
Výstupní napětí generátoru lze upravit změnou proudového toku v poli generátoru. Když toto upravené napětí je přímo dodáno na stator hlavního stejnosměrného motoru, způsobí to odpovídající změnu rychlosti motoru M. Pro zachování konzistentního výkonu při řízení rychlosti se průběhový proud Ifm motoru udržuje na konstantní úrovni, což zase zajišťuje stabilitu magnetického toku ϕm motoru. Při řízení rychlosti motoru se také reguluje statorový proud Ia, aby odpovídal jeho nominální hodnotě. Změnou vygenerovaného pole Ifg lze upravit statorové napětí Vt od nuly až po jeho nominální hodnotu.
Tato úprava napětí vede ke změně rychlosti motoru od nuly až po základní rychlost. Protože proces řízení rychlosti probíhá s nominálním proudem Ia a konstantním magnetickým tokem ϕm, dosahuje se konstantního momentu, protože moment je přímo úměrný součinu statorového proudu a magnetického toku až do nominální rychlosti. Jelikož součin momentu a rychlosti definuje výkon a moment zůstává v tomto scénáři konstantní, výkon se stává přímo úměrný rychlosti. V důsledku toho, jak se výkon zvyšuje, zvyšuje se i rychlost motoru.
Charakteristiky momentu a výkonu tohoto systému pro řízení rychlosti jsou znázorněny na následujícím obrázku, poskytující vizuální reprezentaci, jak tyto parametry interagují a mění se během provozu.
Zhruba řečeno umožňuje metoda řízení statorového napětí dosáhnout konstantního momentu a proměnného výkonu pro rychlosti pod základní rychlostí. Naopak metoda řízení magnetického toku vstupuje do hry, když rychlost přesáhne základní rychlost. V tomto operačním režimu se statorový proud udržuje konstantně na své nominální hodnotě a generátorské napětí Vt zůstává konstantní.
Když se sníží proud motoru, sníží se i magnetický tok motoru, což efektivně oslabí pole pro dosažení vyšších rychlostí. Jelikož Vt Ia a E Ia zůstávají konstantní, elektromagnetický moment je přímo úměrný součinu magnetického toku ϕm a statorového proudu Ia. V důsledku toho snížení magnetického toku motoru vede k poklesu momentu.
Jako výsledek klesá moment s rostoucí rychlostí. Tedy v režimu řízení pole, pro rychlosti nad základní rychlostí, dosahuje se konstantního výkonu a proměnného momentu. Když je potřeba širokého rozsahu řízení rychlosti, používá se kombinace řízení statorového napětí a řízení magnetického toku. Tento kombinovaný přístup umožňuje poměr maximální a minimální dostupné rychlosti rozsahem od 20 do 40. V uzavřených smyčkových řídicích systémech lze tento rozsah rychlosti rozšířit až na 200.
Pohonný motor může být buď indukční, nebo synchronní. Indukční motor obvykle pracuje s zapožděným faktorem moci. Naopak synchronní motor lze provozovat s vedoucím faktorem moci prostřednictvím přetěžování jeho pole. Přetěžovaný synchronní motor vygeneruje vedoucí reaktivní moc, která efektivně kompenzuje zapožděnou reaktivní moc spotřebovanou ostatními indukčními zátěžemi, což zlepšuje celkový faktor moci.
Při práci s těžkými a pravidelnými zátěžemi se často používá indukční motor s kolíkovým sběračem jako primární pohon a na jeho hřídel je montována kyvadlová hmotnost. Tato konfigurace, známá jako schéma Ward Leonard - Ilgener, pomáhá zabránit výrazným fluktuacím příkonového proudu. Avšak když slouží synchronní motor jako pohonný motor, montáž kyvadlové hmotnosti na jeho hřídel nemůže snížit fluktuace, protože synchronní motor vždy běží konstantní rychlostí.
Výhody pohonů Warda Leonarda
Pohony Warda Leonarda nabízejí několik klíčových výhod:
Umožňují hladké řízení rychlosti stejnosměrného motoru v širokém rozsahu v obou směrech.
Mají vlastní brzdící schopnost. Použitím přetěžovaného synchronního motoru jako pohonu se kompenzují zapožděné reaktivní voltampery, což zlepšuje celkový faktor moci.
V aplikacích s pravidelnými zátěžemi, jako jsou válcovny, lze použít indukční motor s kyvadlovou hmotností, aby se vyrovnal pravidelné zatěžování, snižující jeho dopad na systém.
Nevýhody klasického systému Warda Leonarda
Klasický systém Warda Leonarda, který spoléhá na rotující motory-generátory, má následující omezení:
Počáteční investice do systému je významná, jelikož je třeba nainstalovat motor-generátor s tím samým výkonem jako hlavní stejnosměrný motor.
Má velké fyzické rozměry a značnou hmotnost.
Vyžaduje velkou plochu pro instalaci. Základna pro systém je nákladná.
Je třeba časté údržby.
Způsobuje vyšší ztráty během provozu.
Celková efektivita je relativně nízká.
Pohon generuje významné množství hluku.
Aplikace pohonů Warda Leonarda
Pohony Warda Leonarda jsou ideální pro scénáře, kde je nezbytné hladké, obousměrné a široké řízení rychlosti stejnosměrných motorů. Některé běžné aplikace zahrnují:
Válcovny
Výtahy
Jeřáby
Papírny
Diesel-elektrické lokomotivy
Doly
Statický systém Warda Leonarda
V moderních aplikacích je preferován Statický systém Warda Leonarda. V tomto systému je tradiční rotující motor-generátor (M-G) nahrazen pevným členem pro řízení rychlosti stejnosměrného motoru. Běžně se používají řízené usměrňovače a čokola.
Když je zdrojem energie AC, jsou používány řízené usměrňovače k transformaci pevného AC napětí na proměnné DC napětí. V případě DC zdroje jsou používány čokola, aby bylo možné získat proměnné DC napětí z pevného DC zdroje.
V alternativní formě pohonu Warda Leonarda lze také použít neelektrické primární pohony k pohonu DC generátoru. Například v diesel-elektrických lokomotivách je DC generátor poháněn dieslovým motorem nebo plynovou turbínou, a tento rozvrh je také použitelný v pohonech lodí. V těchto systémech není možné regenerativní brzdění, protože energie nemůže protékávat zpětně skrz primární pohon.
