Μέθοδος Ward Leonard για Έλεγχο Ταχύτητας ή Έλεγχος Τάσης του Αντίστροφου
Η μέθοδος ελέγχου ταχύτητας Ward Leonard λειτουργεί προσαρμόζοντας την τάση που εφαρμόζεται στο αρματούριο ενός κινητήρα. Αυτή η καινοτόμος προσέγγιση παρουσιάστηκε για πρώτη φορά το 1891, σηματοδοτώντας μια σημαντική πρόοδο στον τομέα του ελέγχου ηλεκτρικών κινητήρων. Το παρακάτω σχήμα δείχνει το διάγραμμα σύνδεσης για την εφαρμογή της μεθόδου Ward Leonard για τον έλεγχο της ταχύτητας ενός DC shunt κινητήρα, παρέχοντας μια ξεκάθαρη οπτική αναπαράσταση της διάταξης και λειτουργίας του συστήματος.
Στο παραπάνω σύστημα, το M αντιπροσωπεύει τον κύριο DC κινητήρα, του οποίου η ταχύτητα περιστροφής είναι στόχος ελέγχου, ενώ το G είναι ένα ξεχωριστά ενεργοποιημένο DC γεννήτριο. Το γεννήτριο G ενεργοποιείται από έναν τριφασικό κινητήρα, ο οποίος μπορεί να είναι είτε ένας επαγωγικός κινητήρας είτε ένας συγχρονισμένος κινητήρας. Η ζευγοποίηση του AC κινητήρα και του DC γεννήτριου είναι συνήθως γνωστή ως σύνολο Motor - Generator (M - G).
Η έξοδος τάσης του γεννήτριου μπορεί να προσαρμοστεί τροποποιώντας την ροή πεδίου του γεννήτριου. Όταν αυτή η προσαρμοσμένη τάση εφαρμόζεται άμεσα στο αρματούριο του κύριου DC κινητήρα, προκαλεί αντίστοιχη αλλαγή στην ταχύτητα του κινητήρα M. Για να εξασφαλιστεί συνεχής απόδοση κατά τη διάρκεια του ελέγχου ταχύτητας, η ροή πεδίου του κινητήρα Ifm διατηρείται σε σταθερό επίπεδο, το οποίο σε σειρά του διατηρεί σταθερή την ροή πεδίου ϕm του κινητήρα. Επιπλέον, κατά τη διάρκεια του ελέγχου ταχύτητας, η ροή αρματουρίου Ia του κινητήρα ρυθμίζεται για να ταιριάζει στην ορθή τιμή. Με την τροποποίηση της παραγόμενης ροής πεδίου Ifg, η τάση Vt του αρματουρίου μπορεί να προσαρμοστεί από μηδέν μέχρι την ορθή τιμή.
Αυτή η προσαρμογή της τάσης αποτελεί σε αλλαγή της ταχύτητας του κινητήρα από μηδέν μέχρι τη βασική ταχύτητα. Καθώς ο ελεγχός ταχύτητας εκτελείται με την ορθή ροή Ia και σταθερή ροή πεδίου ϕm, επιτυγχάνεται σταθερή ροπή, καθώς η ροπή είναι ανάλογη με το γινόμενο της ροής αρματουρίου και της ροής πεδίου μέχρι την ορθή ταχύτητα. Δεδομένου ότι το γινόμενο της ροπής και της ταχύτητας καθορίζει την ισχύ, και η ροπή παραμένει σταθερή σε αυτή την περίπτωση, η ισχύς γίνεται ανάλογη με την ταχύτητα. Συνεπώς, καθώς αυξάνεται η έξοδος ισχύος, η ταχύτητα του κινητήρα αυξάνεται αντίστοιχα.
Οι χαρακτηριστικές ροπής και ισχύος αυτού του συστήματος ελέγχου ταχύτητας είναι δεικτικές στο παρακάτω σχήμα, παρέχοντας μια οπτική αναπαράσταση του πώς αυτά τα παράμετρα αλληλεπιδρούν και αλλάζουν κατά τη λειτουργία.
Επισυνοψίζοντας, η μέθοδος ελέγχου τάσης αρματουρίου επιτρέπει την επίτευξη σταθερής ροπής και μεταβλητής ισχύος για ταχύτητες κάτω από τη βασική ταχύτητα. Από την άλλη, η μέθοδος ελέγχου ροής πεδίου εισέρχεται σε λειτουργία όταν η ταχύτητα υπερβαίνει τη βασική ταχύτητα. Σε αυτή τη λειτουργική κατάσταση, η ροή αρματουρίου Ia διατηρείται σταθερά στην ορθή τιμή, και η τάση Vt του γεννήτριου παραμένει σταθερή.
Όταν η ροή πεδίου του κινητήρα μειώνεται, η ροή πεδίου ϕm του κινητήρα επίσης μειώνεται, αποτελεί σε αδύναμη ροή πεδίου για την επίτευξη υψηλότερων ταχυτήτων. Δεδομένου ότι Vt Ia και E Ia παραμένουν σταθερές, η ηλεκτρομαγνητική ροπή είναι ανάλογη με το γινόμενο της ροής πεδίου ϕm και της ροής αρματουρίου Ia. Συνεπώς, η μείωση της ροής πεδίου του κινητήρα οδηγεί σε μείωση της ροπής.
Ως αποτέλεσμα, η ροπή μειώνεται καθώς η ταχύτητα αυξάνεται. Συνεπώς, στη λειτουργική κατάσταση ελέγχου ροής πεδίου, για ταχύτητες πάνω από τη βασική ταχύτητα, επιτυγχάνεται σταθερή ισχύς και μεταβλητή ροπή. Όταν είναι απαραίτητος ευρύς ελεγχός ταχύτητας, χρησιμοποιείται μια συνδυασμένη προσέγγιση ελέγχου τάσης αρματουρίου και ροής πεδίου. Αυτή η συνδυασμένη προσέγγιση επιτρέπει τον λόγο της μέγιστης προς την ελάχιστη διαθέσιμη ταχύτητα να είναι από 20 έως 40. Σε συστήματα κλειστού κύκλου, αυτός ο εύρος ταχύτητας μπορεί να επεκταθεί έως 200.
Ο κινητήρας οδηγού μπορεί να είναι είτε ένας επαγωγικός κινητήρας είτε ένας συγχρονισμένος κινητήρας. Ένας επαγωγικός κινητήρας συνήθως λειτουργεί με υστερούντα συντελεστή δύναμης. Αντιθέτως, ένας συγχρονισμένος κινητήρας μπορεί να λειτουργήσει με προηγούμενο συντελεστή δύναμης μέσω υπερενεργοποίησης του πεδίου του. Ένας υπερενεργοποιημένος συγχρονισμένος κινητήρας παράγει προηγούμενη αντιδραστική ισχύ, η οποία αποτελεσματικά αντισταθμίζει την υστερούντα αντιδραστική ισχύ που καταναλώνεται από άλλες επαγωγικές φορτίες, βελτιώνοντας έτσι τον συνολικό συντελεστή δύναμης.
Κατά την αντιμετώπιση βαριάς και διακοπτόμενης φόρτισης, συνήθως χρησιμοποιείται ένας επαγωγικός κινητήρας με δαχτυλίδια ως πρωτοκινητήρα, και εγκαταστάται ένας πτεροδίσκος στον άξονα του. Αυτή η διάταξη, γνωστή ως σχήμα Ward Leonard - Ilgener, βοηθά στην πρόληψη σημαντικών διακυμάνσεων της ροής τροφοδοσίας. Ωστόσο, όταν ένας συγχρονισμένος κινητήρας λειτουργεί ως κινητήρας οδηγού, η εγκατάσταση ενός πτεροδίσκου στον άξονα του δεν μπορεί να μειώσει τις διακυμάνσεις, καθώς ένας συγχρονισμένος κινητήρας πάντα λειτουργεί με σταθερή ταχύτητα.
Πλεονεκτήματα των Οδηγών Ward Leonard
Οι οδηγοί Ward Leonard προσφέρουν αρκετά βασικά πλεονεκτήματα:
Επιτρέπουν τον ομαλό έλεγχο ταχύτητας ενός DC κινητήρα σε ευρύ φάσμα σε και στις δύο κατευθύνσεις.
Διαθέτουν εγγενή δυνατότητα φρένας.Χρησιμοποιώντας έναν υπερενεργοποιημένο συγχρονισμένο κινητήρα ως οδηγό, οι υστερούντες αντιδραστικοί volt - amperes αντισταθμίζονται, ενισχύοντας τον συνολικό συντελεστή δύναμης.
Σε εφαρμογές με διακοπτόμενη φόρτιση, όπως οι κατεργάστριες, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας επαγωγικός κινητήρας με πτεροδίσκο για την ομαλοποίηση της διακοπτόμενης φόρτισης, μειώνοντας την επίδρασή της στο σύστημα.
Περιορισμοί του Κλασικού Συστήματος Ward Leonard
Το κλασικό σύστημα Ward Leonard, το οποίο εξαρτάται από συστήματα μετατροπής Motor - Generator, έχει τους εξής περιορισμούς:
Η αρχική επένδυση για το σύστημα είναι σημαντική, λόγω της απαίτησης εγκατάστασης ενός συνόλου motor - generator με την ίδια ισχύ με τον κύριο DC κινητήρα.
Έχει μεγάλο φυσικό μέγεθος και σημαντικό βάρος.
Απαιτεί μεγάλη επιφάνεια για εγκατάσταση.Το θεμέλιο που απαιτείται για το σύστημα είναι ακριβό.
Απαιτεί συχνή συντήρηση.
Παράγει υψηλότερες απώλειες κατά τη λειτουργία.
Η συνολική απόδοσή του είναι σχετικά χαμηλή.
Ο οδηγός παράγει σημαντικό θόρυβο.
Εφαρμογές των Οδηγών Ward Leonard
Οι οδηγοί Ward Leonard είναι ιδανικοί για σενάρια όπου είναι απαραίτητος ομαλός, διπλανός και ευρύς ελεγχός ταχύτητας DC κινητήρων. Μερικές κοινές εφαρμογές περιλαμβάνουν:
Κατεργάστριες
Ανελκυστήρες
Ποδοντοπόροι
Χαρτοποιίες
Diesel - electric locomotives
Μεταφορείς μεταλλείων
Ελεγχός Σταθερού Καταστήματος ή Στατικό Σύστημα Ward Leonard
Σε σύγχρονες εφαρμογές, το στατικό σύστημα Ward Leonard είναι ευρέως προτιμώμενο. Σε αυτό το σύστημα, το παραδοσιακό συνολικό motor - generator (M - G) αντικαθίσταται από ένα σταθερό μετατροπέα για τον έλεγχο της ταχύτητας του DC κινητήρα. Χρησιμοποιούνται συνήθως ρυθμιζόμενοι ορθογωνικοί και choppers ως μετατροπείς.
Όταν η πηγή ενέργειας είναι AC, χρησιμοποιούνται ρυθμιζόμενοι ορθογωνικοί για τη μετατροπή της σταθερής τάσης AC σε μεταβλητή τάση DC. Στην περίπτωση της DC πηγής, χρησιμοποιούνται choppers για την επίτευξη μιας μεταβλητής τάσης DC από τη σταθερή πηγή DC.
Σε μια εναλλακτική μορφή του οδηγού Ward Leonard, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν μη ηλεκτρικοί πρωτοκινητήρες για την οδήγηση του DC γεννήτριου. Για παράδειγμα, σε DC ηλεκτρικά τρένα, το DC γεννήτριο ενεργοποιείται από έναν πετρελαιοκινητήρα ή έναν αεριοκινητήρα, και αυτή η διάταξη είναι επίσης εφαρμόσιμη σε προώθηση πλοίων. Σε τέτοια συστήματα, η αναγεννητική φρένα δεν είναι εφικτή, καθώς η ενέργεια δεν μπορεί να ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση μέσω του πρωτοκινητήρα.
