Ward Leonard metode til hastighedsregulering eller armaturspændingskontrol

Ward Leonards metode til hastighedsregulering fungerer ved at justere spændingen, der føres til armaturen på en motor. Denne innovative tilgang blev først introduceret i 1891, hvilket markerede et betydeligt fremskridt inden for kontrol af elektriske motorer. Figuren nedenfor viser forbindelsesdiagrammet for implementering af Ward Leonards metode til regulering af hastigheden på en DC parallelmotor, og giver en klar visuel repræsentation af systemets konfiguration og funktion.

I det omtalte system repræsenterer M hovedmotoren, hvis rotationshastighed er kontrollens mål, mens G er en separat oppeksede DC-generator. Generatoren G drives af en trefasede antriebsmotor, som kan være enten en induktionsmotor eller en synkronmotor. Parret af den AC-antriebsmotor og den DC-generator er ofte kendt som Motor-Generator (M-G) sæt.

Spændingsoutputtet fra generatoren kan justeres ved at ændre generatorfeltstrømmen. Når denne justerede spænding direkte føres til hovedmotorens armatur, medfører det en tilsvarende ændring i hastigheden på motor M. For at sikre konstant ydeevne under hastighedsregulering, fastholdes motorens feltstrøm Ifm på en konstant niveau, hvilket i sin tur holder motorens feltfluxe ϕm stabil. Desuden reguleres motorens armaturstrøm Ia til at matche dens nominale værdi under hastighedsregulering. Ved at variere den genererede feltstrøm Ifg, kan armaturspændingen Vt justeres fra nul til dens nominale værdi. 

Denne justering i spændingen resulterer i, at motorhastigheden ændrer sig fra nul til dens basis-hastighed. Da hastighedsreguleringen udføres med den nominale strøm Ia og en konstant motorfeltflux ϕm, opnås en konstant drejmoment, da drejmomentet er proportionalt med produktet af armaturstrømmen og feltfluxen op til den nominale hastighed. Eftersom produktet af drejmoment og hastighed definerer effekt, og drejmomentet forbliver konstant i dette tilfælde, bliver effekten direkte proportional med hastighed. Dermed, når effektoutputtet stiger, stiger også motorhastigheden i overensstemmelse. 

Drejmoment- og effektegenskaberne for dette hastighedsreguleringssystem vises i figuren nedenfor, som giver en visuel repræsentation af, hvordan disse parametre interagerer og ændrer sig under drift.

Samlet set gør metoden til kontrol af armaturspænding det muligt at opnå en konstant drejmoment og variabel effektantrieb for hastigheder under basis-hastigheden. På den anden side kommer metoden til kontrol af feltflux i spil, når hastigheden overstiger basis-hastigheden. I denne driftsmodus fastholdes armaturstrømmen konstant på dens nominale værdi, og generatorspændingen Vt forbliver konstant.

Når motorfeltstrømmen formindskes, formindskes også motorfeltfluxe, hvilket effektivt svækker feltet for at opnå højere hastigheder. Eftersom Vt Ia og E Ia forbliver konstante, er det elektromagnetiske drejmoment proportionalt med produktet af feltfluxen ϕm og armaturstrømmen Ia. Derved fører en reduktion i motorfeltfluxe til en reduktion i drejmoment.

Som resultat falder drejmomentet, når hastigheden stiger. Således opnås en konstant effekt og variabel drejmomentdrift i feltkontrolmodus for hastigheder over basis-hastigheden. Når bredspændethastighedsregulering er nødvendig, anvendes en kombination af armaturspændingskontrol og feltfluxkontrol. Denne kombinerede tilgang tillader, at forholdet mellem den maksimale og minimale tilgængelige hastighed ligger mellem 20 og 40. I lukkede løkkekontrolsystemer kan dette hastighedsinterval udvides op til 200.

Antriebsmotoren kan være enten en induktionsmotor eller en synkronmotor. En induktionsmotor fungerer typisk med en forsinket effektfaktor. Imidlertid kan en synkronmotor drives med en ledende effektfaktor gennem overeksitation af dens felt. En overeksiteret synkronmotor genererer ledende reaktiv effekt, som effektivt kompenserer for den forsinkede reaktive effekt, der forbruges af andre induktive belastninger, og forbedrer dermed den samlede effektfaktor.

Ved håndtering af tunge og intermittente belastninger bruges ofte en slipring-induktionsmotor som primær antrieb, og en flywheel monteres på dens skæfte. Denne konfiguration, kendt som Ward Leonard-Ilgener-schemas, hjælper med at forhindre betydelige fluctuationer i forsyningsstrømmen. Dog kan montering af en flywheel på skæftet ikke reducere fluctuationer, når en synkronmotor fungerer som antriebsmotor, da en synkronmotor altid kører med en konstant hastighed.

Fordele ved Ward Leonard-antrieb

• Ward Leonard-antriebet tilbyder flere vigtige fordele:

• Det gør det muligt at kontrollere hastigheden på en DC-motor glat over et bredt område i begge retninger.

• Det har en inbygget bremsekapacitet. Ved at bruge en overeksiteret synkronmotor som antrieb, kompenseres de forsinkede reaktive volt-ampere, hvilket forbedrer den samlede effektfaktor.

• I applikationer med intermittente belastninger, såsom rullefabrikker, kan en induktionsmotor med en flywheel anvendes til at jævne ud de intermittente belastninger, hvilket reducerer deres indvirkning på systemet.

Ulemper ved klassisk Ward Leonard-system

Det klassiske Ward Leonard-system, der relaterer på roterende Motor-Generator-sæt, har følgende begrænsninger:

• Den initielle investering i systemet er betydelig pga. behovet for at installere et motor-generator-sæt med samme rating som den hovedsagelige DC-motor.

• Det har en stor fysisk størrelse og betydelig vægt.

• Det kræver et stort gulvareal til installation. Fundamentet, der kræves for systemet, er dyrt.

• Hyppig vedligeholdelse er nødvendig.

• Der opstår højere tab under drift.

• Dets samlede effektivitet er relativt lav.

• Drivet producerer en betydelig mængde støj.

Anvendelser af Ward Leonard-antrieb

Ward Leonard-antrieb er ideelt til situationer, hvor glat, tovejsrettet og bredspændethastighedsregulering af DC-motorer er afgørende. Nogle almindelige anvendelser inkluderer:

• Rullefabrikker

• Elevatorer

• Kraner

• Papirfabrikker

• Diesel-elektriske lokomotiver

• Grubehisse

Solid State Control eller statisk Ward Leonard-system

I moderne anvendelser foretrækkes det statiske Ward Leonard-system. I dette system erstattes det traditionelle roterende motor-generator (M-G) sæt af en solid state-omformer til at kontrollere hastigheden på DC-motoren. Kontrollerede rektifikatorer og choppers anvendes ofte som omformere.

Når strømkilden er en AC-strøm, anvendes kontrollerede rektifikatorer til at transformere den faste AC-strømspænding til en variabel DC-strømspænding. I tilfælde af en DC-strømkilde anvendes choppers til at opnå en variabel DC-spænding fra den faste DC-kilde.

I en alternativ form for Ward Leonard-antrieb kan ikke-elektriske prime movers også anvendes til at drev en DC-generator. F.eks. i DC-elektriske lokomotiver drevs DC-generatoren af en dieselmotor eller en gasturbine, og denne opsætning er også anvendelig i skibspropulsionsdrev. I sådanne systemer er regenerativ bremse ikke mulig, da energi ikke kan flyde i den modsatte retning gennem prime mover.