Método Ward Leonard de Control de Velocidad o Control de Voltaje del Zapatón

El método Ward Leonard de control de velocidad opera ajustando el voltaje aplicado al armadura del motor. Este enfoque innovador se introdujo por primera vez en 1891, marcando un avance significativo en el campo del control de motores eléctricos. La figura a continuación ilustra el diagrama de conexión para implementar el método Ward Leonard para controlar la velocidad de un motor de corriente directa (DC) de excitación paralela, proporcionando una representación visual clara de la configuración y operación del sistema.

En el sistema descrito anteriormente, M representa el motor DC principal cuya velocidad de rotación es el objetivo del control, mientras que G es un generador DC de excitación separada. El generador G está alimentado por un motor de conducción trifásico, que puede ser un motor de inducción o un motor síncrono. El emparejamiento del motor de conducción AC y el generador DC se conoce comúnmente como el conjunto Motor-Generador (M-G).

La salida de voltaje del generador se puede ajustar modificando la corriente de campo del generador. Cuando este voltaje ajustado se suministra directamente al armadura del motor DC principal, provoca un cambio correspondiente en la velocidad del motor M. Para garantizar un rendimiento constante durante el control de velocidad, la corriente de campo Ifm del motor se mantiene a un nivel constante, lo que a su vez mantiene estable el flujo de campo ϕm del motor. Además, mientras se controla la velocidad del motor, la corriente del armadura Ia se regula para que coincida con su valor nominal. Al variar la corriente de campo generada Ifg, el voltaje del armadura Vt se puede ajustar desde cero hasta su valor nominal.

Este ajuste en el voltaje resulta en que la velocidad del motor cambie desde cero hasta su velocidad base. Dado que el proceso de control de velocidad se ejecuta con la corriente nominal Ia y un flujo de campo del motor constante ϕm, se logra un par constante, ya que el par es directamente proporcional al producto de la corriente del armadura y el flujo de campo hasta la velocidad nominal. Dado que el producto del par y la velocidad define la potencia, y el par permanece constante en este escenario, la potencia se vuelve directamente proporcional a la velocidad. Por lo tanto, a medida que aumenta la potencia de salida, la velocidad del motor aumenta en consecuencia.

Las características de par y potencia de este sistema de control de velocidad se ilustran en la figura a continuación, proporcionando una representación visual de cómo estos parámetros interactúan y cambian durante la operación.

En resumen, el método de control de voltaje del armadura permite lograr un accionamiento de par constante y potencia variable para velocidades por debajo de la velocidad base. Por otro lado, el método de control de flujo de campo entra en juego cuando la velocidad supera la velocidad base. En este modo de operación, la corriente del armadura se mantiene constantemente en su valor nominal, y el voltaje del generador Vt permanece constante.

Cuando se reduce la corriente de campo del motor, también disminuye el flujo de campo del motor, debilitando efectivamente el campo para lograr velocidades más altas. Dado que Vt Ia y E Ia permanecen constantes, el par electromagnético es directamente proporcional al producto del flujo de campo ϕm y la corriente del armadura Ia. Por lo tanto, una reducción en el flujo de campo del motor lleva a una disminución del par.

Como resultado, el par disminuye a medida que aumenta la velocidad. Así, en el modo de control de campo, para velocidades por encima de la velocidad base, se obtiene una operación de potencia constante y par variable. Cuando es necesario un control de velocidad de amplio rango, se emplea una combinación de control de voltaje del armadura y control de flujo de campo. Este enfoque combinado permite que la relación entre la velocidad máxima y mínima disponible varíe de 20 a 40. En sistemas de control en bucle cerrado, este rango de velocidad se puede extender hasta 200.

El motor de conducción puede ser un motor de inducción o un motor síncrono. Un motor de inducción generalmente opera con un factor de potencia retrasado. Por el contrario, un motor síncrono se puede operar con un factor de potencia adelantado mediante la sobreexcitación de su campo. Un motor síncrono sobreexcitado genera potencia reactiva adelantada, que compensa efectivamente la potencia reactiva retrasada consumida por otras cargas inductivas, mejorando así el factor de potencia general.

Cuando se trata de cargas pesadas e intermitentes, a menudo se utiliza un motor de inducción de anillos deslizantes como el motor principal, y se monta una rueda de inercia en su eje. Esta configuración, conocida como el esquema Ward Leonard-Ilgener, ayuda a prevenir fluctuaciones significativas en la corriente de suministro. Sin embargo, cuando un motor síncrono sirve como motor de conducción, montar una rueda de inercia en su eje no puede reducir las fluctuaciones, ya que un motor síncrono siempre funciona a una velocidad constante.

Ventajas de los Accionamientos Ward Leonard

• El accionamiento Ward Leonard ofrece varias ventajas clave:

• Permite un control de velocidad suave del motor DC en un amplio rango en ambas direcciones.

• Tiene una capacidad de frenado inherente. Al utilizar un motor síncrono sobreexcitado como accionamiento, se compensan los volt-amperios reactivos retrasados, mejorando el factor de potencia general.

• En aplicaciones con cargas intermitentes, como los laminadores, se puede emplear un motor de inducción con una rueda de inercia para suavizar la carga intermitente, reduciendo su impacto en el sistema.

Desventajas del Sistema Clásico Ward Leonard

El sistema clásico Ward Leonard, que se basa en conjuntos de Motores-Generadores rotativos, tiene las siguientes limitaciones:

• La inversión inicial para el sistema es sustancial debido a la necesidad de instalar un conjunto motor-generador con la misma potencia que el motor DC principal.

• Tiene un tamaño físico grande y un peso significativo.

• Requiere un área de piso grande para la instalación. El cimiento requerido para el sistema es costoso.

• Se necesita mantenimiento frecuente.

• Incurra en pérdidas mayores durante la operación.

• Su eficiencia general es relativamente baja.

• El accionamiento genera una cantidad significativa de ruido.

Aplicaciones de los Accionamientos Ward Leonard

Los accionamientos Ward Leonard son ideales para escenarios donde es esencial un control de velocidad suave, bidireccional y de amplio rango de motores DC. Algunas aplicaciones comunes incluyen:

• Laminadores

• Ascensores

• Grúas

• Fábricas de papel

• Locomotoras diésel-eléctricas

• Cabinas de minas

Control Estático o Sistema Ward Leonard Estático

En aplicaciones modernas, se prefiere ampliamente el sistema Ward Leonard Estático. En este sistema, el conjunto de motor-generador (M-G) rotativo tradicional se reemplaza por un convertidor de estado sólido para controlar la velocidad del motor DC. Los rectificadores controlados y los cortadores son comúnmente utilizados como convertidores.

Cuando la fuente de energía es un suministro de CA, se utilizan rectificadores controlados para transformar el voltaje de suministro de CA fijo en un voltaje de suministro de CC variable. En el caso de un suministro de CC, se emplean cortadores para obtener un voltaje de CC variable a partir de la fuente de CC fija.

En una forma alternativa del accionamiento Ward Leonard, también se pueden utilizar motores primarios no eléctricos para impulsar el generador DC. Por ejemplo, en locomotoras eléctricas de CC, el generador DC es alimentado por un motor diésel o una turbina de gas, y esta configuración también es aplicable en los accionamientos de propulsión de barcos. En tales sistemas, el frenado regenerativo no es factible porque la energía no puede fluir en sentido inverso a través del motor primario.