Método Ward Leonard de Control de Velocidade ou Control de Voltaxe do Armadura

O método de controlo de velocidade Ward Leonard opera ao ajustar a tensão aplicada à armadura do motor. Esta abordagem inovadora foi introduzida pela primeira vez en 1891, marcando un avance significativo no campo do controlo de motores eléctricos. A figura seguinte ilustra o diagrama de conexión para implementar o método Ward Leonard para controlar a velocidade dun motor CC de derivación, proporcionando unha representación visual clara da configuración e operación do sistema.

No sistema descrito anteriormente, M representa o motor principal CC cuxa velocidade de rotación é o obxectivo do control, mentres que G é un xerador DC excitado separadamente. O xerador G é alimentado por un motor de tracción trifásico, que pode ser un motor de indución ou un motor síncrono. A combinación do motor de tracción AC e o xerador DC denomínase conxunto Motor - Xerador (M - G).

A tensión de saída do xerador pode ser axustada modificando a corrente de campo do xerador. Cando esta tensión axustada se suministra directamente á armadura do motor principal CC, provoca un cambio correspondente na velocidade do motor M. Para asegurar un rendemento consistente durante o control de velocidade, a corrente de campo Ifm do motor mantense nun nivel constante, o que, a súa vez, mante a fluxo de campo ϕm do motor estable. Ademais, durante o control da velocidade do motor, a corrente da armadura Ia regúlase para coincidir co seu valor nominal. Ao variar a corrente de campo xerada Ifg, a tensión da armadura Vt pode axustarse desde cero ata o seu valor nominal. 

Este axuste de tensión resulta nunha mudança da velocidade do motor desde cero ata a súa velocidade base. Dado que o proceso de control de velocidade execútase coa corrente nominal Ia e un fluxo de campo do motor constante ϕm, lograse un torque constante, xa que o torque é directamente proporcional ao produto da corrente da armadura e o fluxo de campo ata a velocidade nominal. Dado que o produto do torque e a velocidade definen a potencia, e o torque permanece constante neste escenario, a potencia tornase directamente proporcional á velocidade. Consecuentemente, á medida que aumenta a potencia de saída, a velocidade do motor aumenta en consecuencia. 

As características de torque e potencia deste sistema de control de velocidade ilústranse na figura seguinte, proporcionando unha representación visual de como estes parámetros interactúan e cambian durante a operación.

En resumo, o método de control de tensión da armadura permite lograr un accionamento de torque constante e potencia variable para velocidades inferiores á velocidade base. Por outro lado, o método de control do fluxo de campo entra en xogo cando a velocidade supera a velocidade base. Neste modo de operación, a corrente da armadura mantense consistentemente no seu valor nominal, e a tensión do xerador Vt permanece constante.

Cando a corrente de campo do motor diminúe, o fluxo de campo do motor tamén diminúe, debilitando eficazmente o campo para lograr velocidades máis altas. Dado que Vt Ia e E Ia permanecen constantes, o torque electromagnético é directamente proporcional ao produto do fluxo de campo ϕm e a corrente da armadura Ia. Consecuentemente, unha diminución do fluxo de campo do motor leva a unha diminución do torque.

Como resultado, o torque diminúe á medida que a velocidade aumenta. Así, no modo de control de campo, para velocidades superiores á velocidade base, obtense unha operación de potencia constante e torque variable. Cando é necesario un control de velocidade de amplio rango, emprega-se unha combinación de control de tensión da armadura e control de fluxo de campo. Esta aproximación combinada permite que a relación entre as velocidades máxima e mínima dispoñibles varíe dende 20 ata 40. Nos sistemas de control en bucle pechado, este rango de velocidade pode estenderse ata 200.

O motor de tracción pode ser un motor de indución ou un motor síncrono. Un motor de indución xeralmente funciona cun factor de potencia atrasado. En contraste, un motor síncrono pode operarse cun factor de potencia avanzado mediante a sobreexcitación do seu campo. Un motor síncrono sobrexcitado xera potencia reactiva avanzada, que compensa eficazmente a potencia reactiva atrasada consumida por outras cargas inductivas, mellorando así o factor de potencia global.

Ao lidar con cargas pesadas e intermitentes, adoita utilizarse un motor de indución con anéis de deslizamento como motor principal, e monta-se un volante na súa carca. Esta configuración, coñecida como o esquema Ward Leonard - Ilgener, axuda a evitar fluctuacións significativas na corrente de alimentación. No entanto, cando un motor síncrono serve como motor de tracción, montar un volante no seu eixo non pode reducir as fluctuacións, xa que un motor síncrono sempre funciona a unha velocidade constante.

Ventajas dos Accionamentos Ward Leonard

• O accionamento Ward Leonard ofrece varias ventajas clave:

• Permite un control suave da velocidade dun motor CC en un amplo rango en ambas as direccións.

• Tén unha capacidade de frenado inherente. Utilizando un motor síncrono sobrexcitado como accionamento, os voltamperios reactivos atrasados son compensados, mellorando o factor de potencia global.

• En aplicacións con cargas intermitentes, como os laminadores, pode empregarse un motor de indución cun volante para suavizar a carga intermitente, reducindo o seu impacto no sistema.

Inconvenientes do Sistema Clásico Ward Leonard

O sistema clásico Ward Leonard, que se basea en conxuntos de motores-xeradores rotativos, ten as seguintes limitacións:

• A inversión inicial para o sistema é substancial debido á necesidade de instalar un conxunto motor-xerador co mesmo rating que o motor principal CC.

• Ten un gran tamaño físico e peso significativo.

• Requírese unha gran área de piso para a instalación. A fundación necesaria para o sistema é cara.

• Necesítase manutención frecuente.

• Incurre en maiores perdas durante a operación.

• A súa eficiencia global é relativamente baixa.

• O accionamento xera unha cantidade significativa de ruído.

Aplicacións dos Accionamentos Ward Leonard

Os accionamentos Ward Leonard son ideais para escenarios onde é esencial un control suave, bidireccional e de amplo rango da velocidade de motores CC. Algúns usos comúns inclúen:

• Laminadores

• Ascensores

• Grúas

• Fabricas de papel

• Locomotoras diésel-eléctricas

• Polipastos de minas

Control Estático ou Sistema Ward Leonard Estático

Nas aplicacións modernas, o sistema Ward Leonard Estático é amplamente preferido. Neste sistema, o conxunto motor-xerador (M - G) tradicional rotativo substitúese por un conversor de estado sólido para controlar a velocidade do motor CC. Os rectificadores controlados e os choppers son comúnmente utilizados como conversores.

Cando a fonte de enerxía é unha alimentación AC, utilízanse rectificadores controlados para transformar a tensión de alimentación AC fixa nunha tensión de alimentación DC variable. No caso dunha fonte de alimentación DC, empreganse choppers para obter unha tensión DC variable a partir dunha fonte DC fixa.

En unha forma alternativa do accionamento Ward Leonard, tamén poden utilizarse motores primarios non eléctricos para accionar o xerador DC. Por exemplo, nas locomotoras eléctricas de corrente continua, o xerador DC é alimentado por un motor diésel ou un turbina de gas, e esta configuración tamén é aplicable nos accionamentos de propulsión de navios. Nestes sistemas, o freo regenerativo non é factible porque a enerxía non pode fluir na dirección inversa a través do motor primario.