Ward Leonardin nopeuden säädösmenetelmä tai rättilän jännitensäädös
Ward Leonardin nopeuden säädösmenetelmä toimii säätämällä moottorin armatuuriin kohdistettavaa jännitettä. Tämä innovatiivinen lähestymistapa esiteltiin ensimmäisen kerran vuonna 1891, mikä merkitsi merkittävää edistysaskelta sähkömoottorien ohjauksen alalla. Alla oleva kaavio havainnollistaa Ward Leonardin menetelmän toteuttamista DC-vastamoottorin nopeuden säädöksi, tarjoten selkeän visuaalisen kuvan järjestelmän konfiguraatiosta ja toiminnasta.
Yllä kuvatussa järjestelmässä M edustaa pää-DC-moottoria, jonka kiertonopeus on ohjaustavoite, kun taas G on erillisesti jännitettävä DC-generaattori. Generaattori G on voitettu kolmifaseisella ajomotoriga, joka voi olla joko induktiomoottori tai synkronimoottori. AC-ajomotorigen ja DC-generaattorin yhdistelmää kutsutaan usein Motor-Generator (M-G) -asetukseksi.
Generaattorin jännitevoima voidaan säätää muokkaamalla generaattorin kenttävirtaa. Kun tämä säädetty jännite toimitetaan suoraan pää-DC-moottorin armatuuriin, se aiheuttaa vastaavan muutoksen moottorin M nopeudessa. Nopeuden säädön aikana varmistetaan vakaa suorituskyky ylläpitämällä moottorin kenttävirta Ifm vakiona, mikä puolestaan pitää moottorin kenttäfluksin ϕm vakaana. Lisäksi moottorin nopeuden säädön aikana moottorin armatuurivirta Ia säädellään vastaamaan sen nominariarvoa. Generoitun kenttävirran Ifg vaihtelemalla armatuurijännite Vt voidaan säätää nollasta siihen asti, että se saavuttaa nominarinsa.
Tämä jännitteen säätö johtaa moottorin nopeuden muuttumiseen nollasta perusnopeuteen. Koska nopeuden säädösvaihe suoritetaan nominarivirralla Ia ja vakaana moottorin kenttäfluksilla ϕm, saavutetaan vakio torque, sillä torque on suoraan verrannollinen armatuurivirran ja kenttäfluksin tulon kanssa nominarinopeuden rajoissa. Koska torque ja nopeuden tulo määrittelee tehon, ja torque pysyy vakaana tässä skenaariossa, teho on suoraan verrannollinen nopeuteen. Siksi, kun tehotuotos kasvaa, moottorin nopeus kasvaa samansuuntaisesti.
Tämän nopeuden säädösjärjestelmän torque- ja tehosteilehdys ovat havainnollistettu alla olevassa kaaviossa, tarjoten visuaalisen kuvan siitä, miten nämä parametrit vaikuttavat toisiinsa ja muuttuvat toiminnassa.
Yhteenvetona voidaan todeta, että armatuurijännitteen säädösmenetelmä mahdollistaa vakion torquen ja muuttuvan tehon kuljetuksen perusnopeuden alapuolella. Toisaalta kenttäfluksin säädösmenetelmä tulee käyttöön, kun nopeus ylittää perusnopeuden. Tässä toimintotilassa armatuurivirta säilytetään vakiona, ja generaattorin jännite Vt pysyy vakaana.
Kun moottorin kenttävirta vähenee, myös moottorin kenttäfluksin ϕm vahvistus heikkenee, mikä mahdollistaa korkeampien nopeuksien saavuttamisen. Koska Vt Ia ja E Ia pysyvät vakiona, sähkömagneettinen torque on suoraan verrannollinen kenttäfluksin ϕm ja armatuurivirran Ia tulon kanssa. Seurauksena on, että moottorin kenttäfluksin vähentyessä torque pienenee.
Näin ollen torque vähenee, kun nopeus kasvaa. Siksi kenttäfluksin säädöstilassa, perusnopeuden yläpuolella, saavutetaan vakio teho ja muuttuva torque. Kun laaja nopeuden säädös on tarpeen, käytetään yhdistelmää armatuurijännitteen säädöstä ja kenttäfluksin säädöstä. Tämä yhdistelmäluvutus mahdollistaa maksimin ja minimin saatavilla olevien nopeuksien suhde välillä 20–40. Suljetussa säädösjärjestelmässä tämä nopeusalue voidaan laajentaa jopa 200:een.
Ajomotori voi olla joko induktiomoottori tai synkronimoottori. Induktiori tyypillisesti toimii heijastuvalle tehonsuhteelle. Toisin kuin synkronimoottori voidaan toimia etenevällä tehonsuhteella sen kenttävirtaongelman ylijännityksen kautta. Ylijännitetyssä synkronimoottorissa tuotetaan etenevää reaktiivitehoa, joka kompensoi tehokkaasti muiden induktioiden latausten heijastuvaa reaktiivitehoa, parantaa siten kokonaisvaltaista tehonsuhdetta.
Raskaiden ja väliaikaisesti muuttuvien latausten käsittelyssä käytetään usein liuskarengasmaistetta induktiomoottorina pääajomotornissa, ja pyörävyö asennetaan sen akseliin. Tämä konfiguraatio, tunnettu Ward Leonard -Ilgener-skeemana, auttaa estämään merkittäviä vaihteluita tarjoamisvirtauksessa. Kuitenkin, kun synkronimoottori toimii ajomotorina, pyörävyön asentaminen sen akseliin ei vähennä vaihteluja, koska synkronimoottori aina toimii vakiona nopeudella.
Ward Leonard-ajojen etuja
Ward Leonard-ajo tarjoaa useita keskeisiä etuja:
Se mahdollistaa sujuvan nopeuden säädön DC-moottorille laajalla alueella molempiin suuntiin.
Sillä on luontainen jarrutuskyky. Ylijännitetyllä synkronimoottorilla ajojen avulla voidaan kompensoida heijastuvat reaktiiviset volt-ampereet, parantaen kokonaisvaltaista tehonsuhdetta.
Väliaikaisten latausten sovelluksissa, kuten rullavalmissa, voidaan käyttää induktiomoottoria pyörävyöllä, joka tasapainottaa väliaikaista latausta, vähentäen sen vaikutusta järjestelmään.
Klassisen Ward Leonard-järjestelmän haitat
Klassinen Ward Leonard-järjestelmä, joka perustuu pyörimisiin Motor-Generator-asetuksiin, on seuraavilla rajoitteilla:
Järjestelmän alkuperäinen investointi on huomattava, koska samaa arvoa kuin pää-DC-moottorilla olevan motor-generator-asetuksen asentaminen vaaditaan.
Sen fysikaalinen koko on suuri ja paino merkittävä.
Sen asentamiseen vaaditaan paljon tilaa. Järjestelmälle tarvittava perustus on kallista.
Säännöllistä huoltoa vaaditaan.
Siitä aiheutuu suurempia häviöitä toiminnassa.
Sen kokonaisvaikutus on suhteellisen alhainen.
Ajo tuottaa merkittävästi melua.
Ward Leonard-ajojen sovellukset
Ward Leonard-ajot ovat ideaalisia tilanteissa, joissa sujuva, kaksisuuntainen ja laaja nopeuden säädös DC-moottoreille on olennaista. Joitakin yleisiä sovelluksia ovat:
Rullavalmistukset
Hissit
Korit
Paperitehtaat
Diesel-sähköiset rautatieveturit
Kaivostyökalut
Solid State Control tai staattinen Ward Leonard-järjestelmä
Nykyisissä sovelluksissa staattinen Ward Leonard-järjestelmä on laajalti suosittu. Tässä järjestelmässä perinteinen pyörimismotor-generator (M-G) -asetus on korvattu kiinteällä muuntimolla, joka ohjaa DC-moottorin nopeutta. Ohjattuja suodattimia ja lyhennyksillä toimivia muuntimia käytetään yleisesti muuntimina.
Jos virtalähde on vaihtovirta, ohjattuja suodattimia käytetään muuntamaan vakio vaihtovirtajännite muuttuvaksi yksisuuntaisvirituseksi. Jos virtalähde on yksisuuntaisvirta, lyhennyksillä toimivia muuntimia käytetään muodostamaan muuttuvaksi yksisuuntaisvirta vakiovirtalähteestä.
Toisessa Ward Leonard-ajon muodossa voidaan käyttää myös sähköisiä pääajureita voimakoneeksi DC-generaattoria varten. Esimerkiksi dieselmoottorilla tai kaasuturbinulla voitettu DC-generaattori käytetään usein sähköisten rautatieveturien tai laivojen propulsioajojen osana. Tällaisissa järjestelmissä regeneratiivinen jarrutus ei ole mahdollista, koska energia ei voi kulkea takaperin pääajurin kautta.
