Ward-Leonard-Verfahren zur Drehzahleinstellung oder zur Spannungseinstellung der Wicklung

Die Ward-Leonard-Methode zur Geschwindigkeitsregelung funktioniert, indem die an den Armatur eines Motors angelegte Spannung eingestellt wird. Dieser innovative Ansatz wurde erstmals 1891 eingeführt und markierte einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der elektrischen Motorengeregelung. Die nachfolgende Abbildung zeigt das Verbindungsschema zur Implementierung der Ward-Leonard-Methode zur Regelung der Geschwindigkeit eines Gleichstrom-Schleifmaschinenmotors und bietet eine klare visuelle Darstellung der Systemkonfiguration und -funktion.

Im oben beschriebenen System repräsentiert M den Haupt-Gleichstrommotor, dessen Drehzahl geregelt werden soll, während G ein separat angeregter Gleichstromgenerator ist. Der Generator G wird von einem Drei-Phasen-Antriebsmotor angetrieben, der entweder ein Asynchronmotor oder ein Synchronmotor sein kann. Das Paar aus dem AC-Antriebsmotor und dem DC-Generator wird üblicherweise als Motor-Generator (M-G) Set bezeichnet.

Die Spannungsabgabe des Generators kann durch Änderung des Feldstroms des Generators eingestellt werden. Wenn diese eingestellte Spannung direkt an die Armatur des Haupt-Gleichstrommotors angelegt wird, führt dies zu einer entsprechenden Änderung der Drehzahl des Motors M. Um während der Geschwindigkeitsregelung eine konsistente Leistung sicherzustellen, wird der Feldstrom Ifm des Motors konstant gehalten, was wiederum den konstanten Feldfluss ϕm des Motors gewährleistet. Zusätzlich wird während der Regelung der Motordrehzahl der Armaturstrom Ia so geregelt, dass er seinen Nennwert erreicht. Durch Variation des erzeugten Feldstroms Ifg kann die Armaturspannung Vt von Null bis zu ihrem Nennwert eingestellt werden. 

Diese Anpassung der Spannung führt dazu, dass die Drehzahl des Motors von Null bis zu seiner Grunddrehzahl variiert. Da der Prozess der Geschwindigkeitsregelung mit dem Nennstrom Ia und einem konstanten Motorfeldfluss ϕm ausgeführt wird, wird ein konstanter Drehmoment erreicht, da das Drehmoment direkt proportional zum Produkt aus Armaturstrom und Feldfluss bis zur Nendrehzahl ist. Da das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl die Leistung definiert und das Drehmoment in diesem Szenario konstant bleibt, ist die Leistung direkt proportional zur Drehzahl. Folglich nimmt die Leistungsausgabe mit zunehmender Drehzahl des Motors entsprechend zu. 

Die Drehmoment- und Leistungscharakteristiken dieses Geschwindigkeitsregelsystems sind in der folgenden Abbildung dargestellt, die eine visuelle Darstellung davon bietet, wie diese Parameter während des Betriebs interagieren und sich ändern.

Zusammengefasst ermöglicht die Armaturspannungsregelung die Erreichung eines konstanten Drehmoments und variabler Leistung für Geschwindigkeiten unterhalb der Grunddrehzahl. Andererseits tritt die Feldflussregelung in Erscheinung, wenn die Geschwindigkeit die Grunddrehzahl übersteigt. In diesem Betriebsmodus wird der Armaturstrom konstant auf seinen Nennwert gehalten, und die Generatorspannung Vt bleibt konstant.

Wenn der Motorfeldstrom verringert wird, nimmt auch der Motorfeldfluss ab, wodurch das Feld geschwächt wird, um höhere Geschwindigkeiten zu erreichen. Da Vt Ia und E Ia konstant bleiben, ist das elektromagnetische Drehmoment direkt proportional zum Produkt aus Feldfluss ϕm und Armaturstrom Ia. Folglich führt eine Verringerung des Motorfeldflusses zu einer Abnahme des Drehmoments.

Daher nimmt das Drehmoment mit zunehmender Geschwindigkeit ab. Somit wird bei Geschwindigkeiten über der Grunddrehzahl im Feldregelmodus eine konstante Leistung und variable Drehmomentoperation erreicht. Bei Bedarf an einer breiten Geschwindigkeitsregelung wird eine Kombination aus Armaturspannungsregelung und Feldflussregelung eingesetzt. Dieser kombinierte Ansatz ermöglicht ein Verhältnis der maximalen zur minimalen verfügbaren Geschwindigkeit, das zwischen 20 und 40 liegt. In geschlossenen Regelkreissystemen kann dieser Geschwindigkeitsbereich bis zu 200 erweitert werden.

Der Antriebsmotor kann entweder ein Asynchronmotor oder ein Synchronmotor sein. Ein Asynchronmotor arbeitet in der Regel mit einem verzögerten Leistungsfaktor. Im Gegensatz dazu kann ein Synchronmotor durch Überanregung seines Feldes mit einem vorlaufenden Leistungsfaktor betrieben werden. Ein überangeregter Synchronmotor erzeugt vorlaufende Blindleistung, die die verzögerte Blindleistung, die von anderen induktiven Lasten verbraucht wird, effektiv kompensiert und damit den Gesamtleistungsfaktor verbessert.

Bei schweren und intermittierenden Lasten wird oft ein Schleifring-Asynchronmotor als Hauptantrieb verwendet, und ein Schwungrad wird an seiner Welle montiert. Diese Konfiguration, bekannt als Ward-Leonard-Ilgener-Schema, hilft, signifikante Fluktuationen des Versorgungsstroms zu verhindern. Allerdings kann das Montieren eines Schwungrads an der Welle eines Synchronmotors, das als Antriebsmotor dient, keine Fluktuationen reduzieren, da ein Synchronmotor immer mit konstanter Geschwindigkeit läuft.

Vorteile von Ward-Leonard-Antrieben

• Der Ward-Leonard-Antrieb bietet mehrere wesentliche Vorteile:

• Er ermöglicht eine sanfte Geschwindigkeitsregelung eines Gleichstrommotors über einen weiten Bereich in beide Richtungen.

• Er hat eine inhärente Bremsfähigkeit. Durch den Einsatz eines überangeregten Synchronmotors als Antrieb werden die verzögerten Blindvoltampere kompensiert, was den Gesamtleistungsfaktor verbessert.

• In Anwendungen mit intermittierenden Lasten, wie Walzwerken, kann ein Asynchronmotor mit Schwungrad eingesetzt werden, um die intermittierende Belastung zu glätten und ihren Einfluss auf das System zu reduzieren.

Nachteile des klassischen Ward-Leonard-Systems

Das klassische Ward-Leonard-System, das auf rotierenden Motor-Generator-Sätzen basiert, hat die folgenden Einschränkungen:

• Die anfängliche Investition für das System ist beträchtlich, da ein Motor-Generator-Satz mit der gleichen Leistungsklasse wie der Haupt-Gleichstrommotor installiert werden muss.

• Es hat eine große physische Größe und ein hohes Gewicht.

• Es erfordert eine große Bodenfläche für die Installation. Die erforderliche Fundamentierung für das System ist kostspielig.

• Regelmäßige Wartung ist notwendig.

• Es verursacht höhere Verluste während des Betriebs.

• Seine Gesamtwirkungsgrad ist relativ niedrig.

• Der Antrieb erzeugt einen erheblichen Lärmpegel.

Anwendungen von Ward-Leonard-Antrieben

Ward-Leonard-Antriebe sind ideal für Szenarien, in denen eine sanfte, bidirektionale und weiträumige Geschwindigkeitsregelung von Gleichstrommotoren erforderlich ist. Einige häufige Anwendungen sind:

• Walzwerke

• Aufzüge

• Krane

• Papierfabriken

• Dieselelektrische Lokomotiven

• Bergbaufahrzeuge

Festkörpersteuerung oder statisches Ward-Leonard-System

In modernen Anwendungen wird das statische Ward-Leonard-System weit bevorzugt. In diesem System wird der traditionelle rotierende Motor-Generator (M-G) Satz durch einen Festkörperwandler zur Steuerung der Geschwindigkeit des Gleichstrommotors ersetzt. Gesteuerte Gleichrichter und Chopper werden häufig als Wandler verwendet.

Wenn die Stromquelle eine Wechselstromversorgung ist, werden gesteuerte Gleichrichter verwendet, um die feste Wechselspannung in eine variable Gleichspannung umzuwandeln. Im Falle einer Gleichstromversorgung werden Chopper eingesetzt, um eine variable Gleichspannung aus der festen Gleichspannungsquelle zu erhalten.

In einer alternativen Form des Ward-Leonard-Antriebs können auch nicht-elektrische Hauptantriebe verwendet werden, um den Gleichstromgenerator anzutreiben. So wird beispielsweise in Gleichstrom-Eisenbahnen der Gleichstromgenerator von einem Dieselmotor oder einem Gasturbinenmotor angetrieben, und diese Konfiguration ist auch in Schiffsantrieben anwendbar. In solchen Systemen ist regeneratives Bremsen nicht möglich, da Energie nicht in umgekehrter Richtung durch den Hauptantrieb fließen kann.