روش وارد لئونارد برای کنترل سرعت یا کنترل ولتاژ آرماتور

روش وارد لئونارد برای کنترل سرعت از طریق تنظیم ولتاژ اعمال شده به آرماتور موتور عمل می‌کند. این رویکرد نوآورانه اولین بار در سال ۱۸۹۱ معرفی شد و پیشرفت قابل توجهی در زمینه کنترل موتورهای الکتریکی را نشان داد. شکل زیر نمودار اتصال برای اجرای روش وارد لئونارد جهت کنترل سرعت یک موتور مستقیم جریان موازی را نشان می‌دهد که تصویر واضحی از پیکربندی و عملکرد سیستم فراهم می‌کند.

در سیستم فوق M نشان‌دهنده موتور DC اصلی است که سرعت دورانی آن هدف کنترل است، در حالی که G یک مولد DC جداگانه است. مولد G با یک موتور محرک سه‌فاز تغذیه می‌شود که می‌تواند یک موتور القایی یا همزمان باشد. ترکیب موتور محرک AC و مولد DC به طور معمول به عنوان مجموعه موتور-مولد (M-G) شناخته می‌شود.

ولتاژ خروجی مولد با تغییر جریان میدان مولد قابل تنظیم است. وقتی این ولتاژ تنظیم شده مستقیماً به آرماتور موتور DC اصلی تامین می‌شود، باعث تغییر متناسب در سرعت موتور M می‌شود. برای حفظ عملکرد یکپارچه در حین کنترل سرعت، جریان میدان موتور Ifm در سطح ثابتی نگهداری می‌شود که به نوبه خود میدان مغناطیسی موتور ϕm را ثابت نگه می‌دارد. علاوه بر این، در حین کنترل سرعت موتور، جریان آرماتور Ia تنظیم می‌شود تا با مقدار اسمی آن مطابقت داشته باشد. با تغییر جریان میدان تولید شده Ifg، ولتاژ آرماتور Vt از صفر تا مقدار اسمی آن قابل تنظیم است.

این تنظیم ولتاژ باعث تغییر سرعت موتور از صفر تا سرعت پایه می‌شود. چون فرآیند کنترل سرعت با جریان اسمی Ia و میدان مغناطیسی ثابت ϕm انجام می‌شود، گشتاور ثابتی به دست می‌آید، زیرا گشتاور مستقیماً متناسب با حاصلضرب جریان آرماتور و میدان مغناطیسی تا سرعت اسمی است. با توجه به اینکه حاصلضرب گشتاور و سرعت توان را تعیین می‌کند و گشتاور در این حالت ثابت است، توان مستقیماً متناسب با سرعت است. بنابراین، با افزایش توان خروجی، سرعت موتور نیز به طور متناسب افزایش می‌یابد.

ویژگی‌های گشتاور و توان این سیستم کنترل سرعت در شکل زیر نشان داده شده است که تصویری از نحوه تعامل و تغییر این پارامترها در حین عملکرد فراهم می‌کند.

به طور خلاصه، روش کنترل ولتاژ آرماتور امکان دستیابی به گشتاور ثابت و توان متغیر را برای سرعت‌های کمتر از سرعت پایه فراهم می‌کند. از طرف دیگر، روش کنترل میدان مغناطیسی زمانی که سرعت بیشتر از سرعت پایه است وارد عمل می‌شود. در این حالت عملکرد، جریان آرماتور به طور مداوم در سطح اسمی خود نگهداری می‌شود و ولتاژ مولد Vt ثابت می‌ماند.

وقتی جریان میدان موتور کاهش می‌یابد، میدان مغناطیسی موتور نیز کاهش می‌یابد که باعث ضعیف شدن میدان و دستیابی به سرعت‌های بالاتر می‌شود. با توجه به اینکه Vt Ia و E Ia ثابت می‌مانند، گشتاور الکترومغناطیسی مستقیماً متناسب با حاصلضرب میدان مغناطیسی ϕm و جریان آرماتور Ia است. بنابراین، کاهش میدان مغناطیسی موتور باعث کاهش گشتاور می‌شود.

در نتیجه، گشتاور با افزایش سرعت کاهش می‌یابد. بنابراین، در حالت کنترل میدان، برای سرعت‌های بالاتر از سرعت پایه، عملکردی با توان ثابت و گشتاور متغیر به دست می‌آید. زمانی که کنترل سرعت در محدوده گسترده‌ای لازم است، ترکیبی از کنترل ولتاژ آرماتور و کنترل میدان مغناطیسی به کار گرفته می‌شود. این رویکرد ترکیبی اجازه می‌دهد که نسبت بیشینه به کمینه سرعت‌های موجود از ۲۰ تا ۴۰ باشد. در سیستم‌های کنترل حلقه بسته، این محدوده سرعت می‌تواند تا ۲۰۰ افزایش یابد.

موتور محرک می‌تواند یک موتور القایی یا همزمان باشد. معمولاً یک موتور القایی با عامل توان پیشرو کار می‌کند. در مقابل، یک موتور همزمان می‌تواند با عامل توان پیشرو از طریق بیش‌افزایی میدان خود کار کند. یک موتور همزمان بیش‌افزایی شده توان واکنشی پیشرو تولید می‌کند که به طور موثر توان واکنشی پیشرو مصرف شده توسط بارهای القایی دیگر را جبران می‌کند و در نتیجه عامل توان کلی را بهبود می‌بخشد.

در مواجهه با بارهای سنگین و متناوب، معمولاً از یک موتور القایی حلقه‌ای به عنوان محرک اصلی استفاده می‌شود و یک چرخ انداز بر روی محور آن نصب می‌شود. این پیکربندی که به عنوان طرح وارد لئونارد-ایلجنر شناخته می‌شود، به جلوگیری از نوسانات قابل توجه در جریان تغذیه کمک می‌کند. با این حال، زمانی که یک موتور همزمان به عنوان موتور محرک عمل می‌کند، نصب چرخ انداز بر روی محور آن نمی‌تواند نوسانات را کاهش دهد، زیرا یک موتور همزمان همیشه با سرعت ثابتی کار می‌کند.

مزایای سیستم‌های وارد لئونارد

• سیستم وارد لئونارد چندین مزیت کلیدی دارد:

• این سیستم امکان کنترل سرعت صاف یک موتور DC در محدوده گسترده‌ای در هر دو جهت را فراهم می‌کند.

• این سیستم توانایی ترمز داخلی دارد. با استفاده از یک موتور همزمان بیش‌افزایی شده به عنوان محرک، والت-آمپر واکنشی پیشرو جبران می‌شود و عامل توان کلی را بهبود می‌بخشد.

• در برنامه‌هایی با بارهای متناوب، مانند کارخانه‌های غلتکی، می‌توان از یک موتور القایی با چرخ انداز استفاده کرد تا بارهای متناوب را صاف کرده و تأثیر آن‌ها بر سیستم را کاهش داد.

نقایص سیستم وارد لئونارد کلاسیک

سیستم وارد لئونارد کلاسیک که بر مبنای مجموعه‌های موتور-مولد چرخشی است، دارای محدودیت‌های زیر است:

• سرمایه‌گذاری اولیه برای سیستم به دلیل نیاز به نصب یک مجموعه موتور-مولد با ظرفیت مشابه موتور DC اصلی قابل توجه است.

• حجم فیزیکی و وزن آن زیاد است.

• فضای زیادی برای نصب نیاز دارد. پایه مورد نیاز برای سیستم گران است.

• نیاز به نگهداری مکرر دارد.

• در طول عملکرد، زیان‌های بیشتری دارد.

• کارایی کلی آن نسبتاً کم است.

• سیستم صدای زیادی تولید می‌کند.

برنامه‌های کاربردی سیستم‌های وارد لئونارد

سیستم‌های وارد لئونارد برای مواقعی که کنترل سرعت صاف، دوطرفه و گسترده یک موتور DC ضروری است، مناسب هستند. برخی از کاربردهای معمول شامل:

• کارخانه‌های غلتکی

• آسانسورها

• کرنه‌ها

• کارخانه‌های کاغذسازی

• لوکوموتیوهای دیزل-الکتریک

• دستگاه‌های بلندکر معدن

کنترل حالت جامد یا سیستم وارد لئونارد استاتیک

در برنامه‌های مدرن، سیستم وارد لئونارد استاتیک به طور گسترده‌ای ترجیح داده می‌شود. در این سیستم، مجموعه موتور-مولد چرخشی سنتی با یک مبدل حالت جامد جایگزین می‌شود که سرعت موتور DC را کنترل می‌کند. مبدل‌های مستقیم کنترل‌شده و چاپرهای کنترل‌شده معمولاً به عنوان مبدل‌ها استفاده می‌شوند.

وقتی منبع تغذیه AC است، از مبدل‌های مستقیم کنترل‌شده برای تبدیل ولتاژ تغذیه AC ثابت به ولتاژ DC متغیر استفاده می‌شود. در صورت وجود منبع DC، از چاپرهای کنترل‌شده برای به دست آوردن ولتاژ DC متغیر از منبع DC ثابت استفاده می‌شود.

در یک شکل جایگزین از سیستم وارد لئونارد، می‌توان از محرک‌های غیر الکتریکی برای محرک مولد DC استفاده کرد. به عنوان مثال، در لوکوموتیوهای الکتریکی DC، مولد DC با یک موتور دیزل یا توربین گازی تغذیه می‌شود و این پیکربندی نیز در سیستم‌های محرک کشتی‌ها قابل استفاده است. در چنین سیستم‌هایی، ترمز بازیابی امکان‌پذیر نیست زیرا انرژی نمی‌تواند از طریق محرک اصلی به جهت معکوس جریان یابد.