Méthode Ward Leonard de Contrôle de Vitesse ou Contrôle de Tension d'Armature
La méthode de Ward Leonard pour le contrôle de vitesse fonctionne en ajustant la tension appliquée à l'armature d'un moteur. Cette approche innovante a été introduite pour la première fois en 1891, marquant une avancée significative dans le domaine du contrôle des moteurs électriques. Le schéma ci-dessous illustre le diagramme de connexion pour mettre en œuvre la méthode de Ward Leonard afin de contrôler la vitesse d'un moteur à courant continu à excitation parallèle, offrant une représentation visuelle claire de la configuration et du fonctionnement du système.
Dans le système décrit ci-dessus, M représente le moteur principal à courant continu dont la vitesse de rotation est l'objet du contrôle, tandis que G est un générateur à courant continu séparément excité. Le générateur G est alimenté par un moteur entraînant triphasé, qui peut être soit un moteur à induction, soit un moteur synchrone. La paire formée par le moteur entraînant AC et le générateur DC est communément appelée ensemble Moteur-Générateur (M-G).
La tension de sortie du générateur peut être ajustée en modifiant le courant de champ du générateur. Lorsque cette tension ajustée est directement fournie à l'armature du moteur principal à courant continu, cela provoque un changement correspondant de la vitesse du moteur M. Pour assurer une performance constante pendant le contrôle de vitesse, le courant de champ du moteur Ifm est maintenu à un niveau constant, ce qui, à son tour, maintient le flux de champ du moteur ϕm stable. De plus, lors du contrôle de la vitesse du moteur, le courant d'armature Ia est régulé pour correspondre à sa valeur nominale. En modifiant le courant de champ généré Ifg, la tension d'armature Vt peut être ajustée de zéro à sa valeur nominale.
Cette modification de la tension entraîne un changement de la vitesse du moteur de zéro à sa vitesse de base. Étant donné que le processus de contrôle de vitesse est exécuté avec le courant nominal Ia et un flux de champ du moteur ϕm constant, un couple constant est obtenu, car le couple est directement proportionnel au produit du courant d'armature et du flux de champ jusqu'à la vitesse nominale. Comme le produit du couple et de la vitesse définit la puissance, et que le couple reste constant dans ce scénario, la puissance devient directement proportionnelle à la vitesse. Par conséquent, lorsque la puissance de sortie augmente, la vitesse du moteur augmente en conséquence.
Les caractéristiques de couple et de puissance de ce système de contrôle de vitesse sont illustrées dans le schéma ci-dessous, offrant une représentation visuelle de la manière dont ces paramètres interagissent et changent pendant le fonctionnement.
En résumé, la méthode de contrôle de la tension d'armature permet d'obtenir un entraînement à couple constant et puissance variable pour des vitesses inférieures à la vitesse de base. D'autre part, la méthode de contrôle du flux de champ entre en jeu lorsque la vitesse dépasse la vitesse de base. Dans ce mode opératoire, le courant d'armature est maintenu constamment à sa valeur nominale, et la tension du générateur Vt reste constante.
Lorsque le courant de champ du moteur est diminué, le flux de champ du moteur diminue également, affaiblissant effectivement le champ pour atteindre des vitesses plus élevées. Étant donné que Vt Ia et E Ia restent constants, le couple électromagnétique est directement proportionnel au produit du flux de champ ϕm et du courant d'armature Ia. Par conséquent, une réduction du flux de champ du moteur entraîne une diminution du couple.
Ainsi, le couple diminue lorsque la vitesse augmente. Ainsi, en mode de contrôle de champ, pour des vitesses supérieures à la vitesse de base, un fonctionnement à puissance constante et couple variable est obtenu. Lorsqu'un contrôle de vitesse sur une large plage est nécessaire, une combinaison de contrôle de la tension d'armature et de contrôle du flux de champ est utilisée. Cette approche combinée permet que le rapport de la vitesse maximale à la vitesse minimale disponible varie de 20 à 40. Dans les systèmes de contrôle en boucle fermée, cette plage de vitesse peut être étendue jusqu'à 200.
Le moteur entraînant peut être soit un moteur à induction, soit un moteur synchrone. Un moteur à induction fonctionne généralement avec un facteur de puissance retardataire. En revanche, un moteur synchrone peut être opéré avec un facteur de puissance avancé grâce à une sur-excitation de son champ. Un moteur synchrone sur-excité génère une puissance réactive avancée, qui compense efficacement la puissance réactive retardataire consommée par d'autres charges inductives, améliorant ainsi le facteur de puissance global.
Lorsqu'il s'agit de charges lourdes et intermittentes, un moteur à induction à bagues collectrices est souvent utilisé comme moteur principal, et une roue d'inertie est montée sur son arbre. Cette configuration, connue sous le nom de schéma Ward Leonard-Ilgener, aide à prévenir les fluctuations importantes du courant d'alimentation. Cependant, lorsque le moteur synchrone sert de moteur entraînant, le montage d'une roue d'inertie sur son arbre ne peut pas réduire les fluctuations, car un moteur synchrone fonctionne toujours à une vitesse constante.
Avantages des entraînements Ward Leonard
L'entraînement Ward Leonard offre plusieurs avantages clés :
Il permet un contrôle en douceur de la vitesse d'un moteur à courant continu sur une large plage dans les deux sens.
Il possède une capacité de freinage inhérente. En utilisant un moteur synchrone sur-excité comme entraînement, les voltampères réactifs retardataires sont compensés, améliorant le facteur de puissance global.
Dans les applications avec des charges intermittentes, telles que les laminoirs, un moteur à induction avec une roue d'inertie peut être utilisé pour lisser la charge intermittente, réduisant ainsi son impact sur le système.
Inconvénients du système Ward Leonard classique
Le système Ward Leonard classique, qui repose sur des ensembles Moteur-Générateur rotatifs, présente les limitations suivantes :
L'investissement initial pour le système est important en raison de la nécessité d'installer un ensemble Moteur-Générateur ayant la même puissance que le moteur principal à courant continu.
Il a une taille physique importante et un poids significatif.
Il nécessite une grande surface de plancher pour l'installation. Les fondations requises pour le système sont coûteuses.
Un entretien fréquent est nécessaire.
Il engendre des pertes plus importantes pendant le fonctionnement.
Son rendement global est relativement faible.
L'entraînement génère un bruit significatif.
Applications des entraînements Ward Leonard
Les entraînements Ward Leonard sont idéaux pour les scénarios où un contrôle en douceur, bidirectionnel et sur une large plage de vitesse des moteurs à courant continu est essentiel. Quelques applications courantes incluent :
Laminoirs
Ascenseurs
Grues
Papeteries
Locomotives diesel-électriques
Treuils miniers
Contrôle statique ou système Ward Leonard statique
Dans les applications modernes, le système Ward Leonard statique est largement préféré. Dans ce système, l'ensemble Moteur-Générateur (M-G) traditionnel rotatif est remplacé par un convertisseur statique pour contrôler la vitesse du moteur à courant continu. Des redresseurs commandés et des hacheurs sont couramment utilisés comme convertisseurs.
Lorsque la source d'énergie est une alimentation alternative, des redresseurs commandés sont utilisés pour transformer la tension d'alimentation alternative fixe en une tension d'alimentation continue variable. Dans le cas d'une alimentation continue, des hacheurs sont employés pour obtenir une tension continue variable à partir d'une source continue fixe.
Dans une forme alternative de l'entraînement Ward Leonard, des moteurs primaires non électriques peuvent également être utilisés pour entraîner le générateur à courant continu. Par exemple, dans les locomotives électriques à courant continu, le générateur à courant continu est alimenté par un moteur diesel ou une turbine à gaz, et cette configuration est également applicable aux entraînements de propulsion navale. Dans de tels systèmes, le freinage régénératif n'est pas possible car l'énergie ne peut pas circuler dans le sens inverse à travers le moteur primaire.
