שיטת וורד לאונרד של בקרת מהירות או בקרת מתח הארמתור

השיטה של וורד לאונרד לשליטה במהירות פועלת על ידי התאמתря הזרם הנישא לארמוטור. גישה חדשנית זו הוצגה לראשונה בשנת 1891, מה שהציגה התקדמות משמעותית בתחום השליטה במנועים חשמליים. המראה שלהלן מציגה את תרשים החיבור ליישום שיטת וורד לאונרד לשליטה במהירות מנוע DC במקביל, מספקת הצגה חזותית ברורה של תצורת המערכת והפועלה.

במערכת המתוארת למעלה, M מייצגת את המנוע הראשי של DC שמהירות הסיבוב שלו היא יעד שליטה, בעוד G היא גנרטור DC נפרד. הגנרטור G מופעל על ידי מנוע תלת-פאזי, שיכול להיות מנוע אינדוקציה או מנוע סינכרוני. הצמד של מנוע הטריפה והגנרטור DC מכונה בדרך כלל Set Motor-Generator (M-G).

פלט התחום של הגנרטור ניתן להתאמה על ידי שינוי זרם השדה של הגנרטור. כאשר מתח זה מתאים ישירות לארמוטור של המנוע הראשי DC, הוא גורם לשינוי מתאים במהירות המנוע M. כדי להבטיח ביצועים עקביים במהלך שליטה במהירות, זרם השדה של המנוע Ifm נשמר ברמה קבועה, מה שמוביל לעמידות יציבה של שדה הפלאקס ϕm של המנוע. בנוסף, במהלך שליטה במהירות, זרם הארמוטור Ia מתוקצב כדי להתאים לערך המומלץ שלו. על ידי שינוי זרם השדה שנוצר Ifg, ניתן להתאים את מתח הארמוטור Vt מאפס עד לערך המומלץ שלו. 

שינוי זה במתח גורם למהירות המנוע לשנות מאפס למהירות הבסיס. מכיוון שהשיטה של שליטה במהירות מתבצעת עם זרם מומלץ Ia ושדה פלאקס קבוע ϕm של המנוע, מתקבל מומנט קבוע, כיוון שמומנט הוא פרופורציונלי למכפלה של זרם הארמוטור ושדה הפלאקס עד למהירות המומלצת. בהינתן כי מכפלת המומנט ומהירות מגדירה כוח, ומומנט נשאר קבוע בסיטואציה זו, כוח נהיה פרופורציונלי למהירות. לכן, ככל שהפלט האנרגטי עולה, מהירות המנוע עולה בהתאם. 

מאפייני המומנט והכוח של מערכת שליטה במהירות זו מוצגים במראה שלהלן, מספקים הצגה חזותית של איך הפרמטרים הללו מתנהגים וממשנים במהלך ההפעלה.

לסיכום, שיטת הבקרה של מתח הארמוטור מאפשרת להשיג מומנט קבוע ותאוצה משתנה עבור מהירויות מתחת למהירות הבסיס. לעומת זאת, שיטת הבקרה של שדה הפלאקס נכנסת לתמונה כאשר המהירות עוברת למהירות הבסיס. במצב פעילות זה, זרם הארמוטור נשמר באופן קבוע בערך המומלץ, ומתח הגנרטור Vt נשאר קבוע.

כאשר זרם השדה של המנוע מתמעט, שדה הפלאקס של המנוע גם כן מתמעט, ובכך מחליש את השדה כדי להשיג מהירויות גבוהות יותר. בהינתן כי Vt Ia ו-E Ia נשארים קבועים, המומנט האלקטרומגנטי הוא פרופורציונלי למכפלת שדה הפלאקס ϕm וזרם הארמוטור Ia. לכן, הפחתה בשדה הפלאקס של המנוע מובילה להפחתה במומנט.

כתוצאה מכך, המומנט מתמעט ככל שהמהירות עולה. לכן, במצב שליטה בשדה, למהירויות מעל למהירות הבסיס, מתקבלת פעולה עם כוח קבוע ומומנט משתנה. כאשר נדרשת שליטה במהירות רחבה, משולבות שיטת הבקרה של מתח הארמוטור ושיטת הבקרה של שדה הפלאקס. גישה משולבת זו מאפשרת את יחס המהירות המקסימלית למינימלית הזמינה להשתנות בין 20 ל-40. במערכות שליטה סגורות, טווח המהירות יכול להתרחב עד 200.

המנוע המניע יכול להיות מנוע אינדוקציה או מנוע סינכרוני. מנוע אינדוקציה בדרך כלל פועל עם מקדם כוח אחוריות. לעומת זאת, מנוע סינכרוני יכול לפעול עם מקדם כוח קדמי באמצעות הפעלה מוגברת של השדה שלו. מנוע סינכרוני מוגבר יוצר אנרגיה ריאקטיבית קדמית, הממלא תפקיד בתשלום עבור האנרגיה הריאקטיבית האחורית הנצרכת על ידי מטענים אחרים, מה שמשפר את מקדם הכוח הכללי.

כאשר מדובר בטעמים כבדים ואינטרמיטנטיים, לעיתים משתמשים במנוע אינדוקציה עם טבעות החלקה כמנוע ראשית, ועל צירו מותקן גלגל טיס. תצורה זו, המכונה תוכנית וורד לאונרד-אילגנר, עוזרת למנוע תנודות משמעותיות בזרם המשקע. עם זאת, כאשר מנוע סינכרוני משמש כמנוע מניע, התקנת גלגל טיס על צירו אינה יכולה להפחית את התנודות, שכן מנוע סינכרוני תמיד פועל במהירות קבועה.

יתרונות של מנועי וורד לאונרד

• מנועי וורד לאונרד מציעים כמה יתרונות עיקריים:

• הם מאפשרים שליטה חלקה במהירות מנוע DC ברווח רחב בשני הכיוונים.

• יש להם יכולת בלימה מובנית. על ידי שימוש במנוע סינכרוני מוגבר כמנוע המניע, נצמדים וולט-אמפר אחוריות, מגבירים את מקדם הכוח הכולל.

• בישומים עם טעמים אינטרמיטנטיים, כגון מפעלי ריצוף, ניתן להשתמש במנוע אינדוקציה עם גלגל טיס כדי לסMOOTH את הטעמים האינטרמיטנטיים, להפחית את השפעתם על המערכת.

חסרונות של מערכת וורד לאונרד הקלאסית

המערכת הקלאסית של וורד לאונרד, המסתמכת על מערכות Motor-Generator מסתובבות, יש לה את המגבלות הבאות:

• השקעה התחלתית גבוהה למערכת בשל הצורך בהתקנת Set Motor-Generator באותו דירוג כמו המנוע הראשי DC.

• היא גדולה מאוד בגודל ובמשקל.

• דרשה שטח הצבה גדול. הבסיס הנדרש למערכת הוא יקר.

• נדרשת תחזוקה תדירה.

• מתכחש להפסדים גבוהים במהלך הפעלה.

• יעילותה הכוללת נמוכה יחסית.

• המנוע מפיק רעש רב.

יישומי מנועי וורד לאונרד

מנועי וורד לאונרד הם אידיאליים למקרים בהם שליטה חלקה, דו-כיוונית ורחבה במהירות מנוע DC חשובה. כמה יישומים נפוצים כוללים:

• מפעלי ריצוף

• מעליות

• כלי נגרר

• מפעלי נייר

• מכלות דיזל-חשמליות

• מכונות העמסה במכרות

בקרה סטטית או מערכת וורד לאונרד סטטית

בישומים מודרניים, מערכת וורד לאונרד הסטטית מועדפת באופן רחב. במערכת זו, Set Motor-Generator המסובב הטיפוסי מוחלף על ידי ממיר מצב מוצק לבקרה במהירות מנוע DC. מקלטים מבוקרים וחוטפים נמצאים בשימוש נרחב כממיר.

כאשר מקור האנרגיה הוא אספקה AC, מקלטים מבוקרים משמשים להפוך את מתח האספקה AC הקבוע למתח אספקה DC משתנה. במקרה של אספקה DC, מנקזים משמשים לקבל מתח DC משתנה מאספקה DC קבועה.

בצורה אלטרנטיבית של מנוע וורד לאונרד, ניתן להשתמש גם במנועים לא חשמליים כדי להניע את הגנרטור DC. למשל, במכונות חשמל DC, הגנרטור DC מופעל על ידי מנוע דיזל או טורבינה גזית, וזהו גם这种情况似乎被意外中断了。我会继续完成希伯来语的翻译： 在直流电动机中，例如，在柴油电力机车中，直流发电机由柴油发动机或燃气轮机驱动，这种设置也适用于船舶推进系统。在这种系统中，由于能量不能通过原动机反向流动，因此再生制动是不可能的。 ```html

בצורה אלטרנטיבית של מנוע וורד לאונרד, ניתן להשתמש גם במנועים לא חשמליים כדי להניע את הגנרטור DC. למשל, במכונות חשמל DC, הגנרטור DC מופעל על ידי מנוע דיזל או טורבינה גזית, וזהו גם המקרה במערכות הנעה לספינות. במערכות כאלה, בלימה רגנסיבית אינה אפשרית מכיוון שהאנרגיה לא יכולה לזרום בכיוון ההפוך דרך המנוע הראשי.