Metoda Ward Leonarda za kontrolu brzine ili kontrolu napona zavojnice

Metoda Ward Leonarda za kontrolu brzine funkcionira prilagođavanjem napona koji se primjenjuje na armaturu motora. Ovaj inovativni pristup uveden je 1891. godine, otkrivajući značajan napredak u području kontrole električnih motora. Slika ispod prikazuje dijagram spojeva za implementaciju metode Ward Leonarda za kontrolu brzine šunt DC motora, pružajući jasan vizualni prikaz konfiguracije i rada sustava.

U gornje opisanom sustavu, M predstavlja glavni DC motor čija se rotacijska brzina kontrolira, dok je G zasebno uzbuđeni DC generator. Generator G pogonjen je trofaznim pogonskim motorom, koji može biti ili indukcioni motor ili sinhroni motor. Par formiran od AC pogonskog motora i DC generatora obično se naziva Motor-Generator (M-G) set.

Izlazni napon generatora može se prilagoditi mijenjanjem strujnog toka polja generatora. Kada se ovaj prilagođeni napon direktno prenese na armaturu glavnog DC motora, to uzrokuje odgovarajuću promjenu brzine motora M. Da bi se osigurala konstantna performansa tijekom kontrole brzine, strujni tok polja motora Ifm održava se na konstantnom nivou, što ujedno održava stabilan fluks polja motora ϕm. Također, tijekom kontrole brzine motora, strujni tok armature Ia regulira se da bude jednak njegovoj nominalnoj vrijednosti. Mijenjanjem generiranog strujnog toka polja Ifg, napon Vt može se prilagoditi od nule do njegove nominalne vrijednosti. 

Ova prilagodba napona rezultira promjenom brzine motora od nule do bazne brzine. Budući da se proces kontrole brzine izvršava s nominalnim strujnim tokom Ia i konstantnim fluksom polja motora ϕm, postiže se konstantni moment, jer je moment direktan proporcionalan proizvodu strujnog toka armature i fluksa polja do nominalne brzine. Budući da proizvod momenta i brzine definira snagu, a moment ostaje konstantan u ovom scenariju, snaga postaje direktan proporcionalna brzini. Stoga, kako povećava snaga izlaza, brzina motora se povećava odgovarajuće. 

Karakteristike momenta i snage ovog sustava kontrole brzine ilustrirane su na slici ispod, pružajući vizualni prikaz kako ti parametri međusobno interaktiviraju i mijenjaju se tijekom rada.

Ukratko, metoda kontrole napona armature omogućuje postizanje pogona sa konstantnim momentom i varijabilnom snagom za brzine ispod bazne brzine. S druge strane, metoda kontrole fluksa polja dolazi u igru kada brzina premaši baznu brzinu. U ovom režimu rada, strujni tok armature konstantno održava se na svojoj nominalnoj vrijednosti, a napon generatora Vt ostaje konstantan.

Kada se smanji strujni tok polja motora, smanjuje se i fluks polja motora, efektivno slabeći polje kako bi se dostigla veća brzina. Budući da Vt Ia i E Ia ostaju konstantni, elektromagnetski moment je direktan proporcionalan proizvodu fluksa polja ϕm i strujnog toka armature Ia. Stoga, smanjenje fluksa polja motora dovodi do smanjenja momenta.

Kao rezultat, moment smanjuje se kako brzina raste. Stoga, u režimu kontrole polja, za brzine iznad bazne brzine, postiže se operacija sa konstantnom snagom i varijabilnim momentom. Kada je potrebna široka raspona kontrola brzine, kombinira se kontrola napona armature i kontrola fluksa polja. Ovaj kombinirani pristup omogućuje omjer maksimalne i minimalne dostupne brzine od 20 do 40. U zatvorenim petljam kontrolnog sustava, ovaj raspon brzine može se proširiti do 200.

Pogonski motor može biti ili indukcioni motor ili sinhroni motor. Indukcioni motor obično radi na lagajućem faktoru snage. Naprotiv, sinhroni motor može se raditi na vodećem faktoru snage putem preuzbuđenja njegovog polja. Preuzbuđeni sinhroni motor generira vodeću reaktivnu snagu, koja efektivno kompenzira lagajuću reaktivnu snagu potrošenu od strane drugih induktivnih opterećenja, poboljšavajući ukupni faktor snage.

Kada se radi s teškim i intermitentnim opterećenjima, često se koristi slip ring indukcioni motor kao pogonski motor, a na njegovom vratilu montiran je flywheel. Ova konfiguracija, poznata kao shema Ward Leonard - Ilgener, pomaže u sprečavanju značajnih fluktuacija strujnog toka. Međutim, kada sinhroni motor služi kao pogonski motor, montiranje flywheela na njegovom vratilu ne može smanjiti fluktuacije, budući da sinhroni motor uvijek radi na konstantnoj brzini.

Prednosti pogona Ward Leonard

• Pogon Ward Leonard nudi nekoliko ključnih prednosti:

• Omogućuje gladku kontrolu brzine DC motora na širokom rasponu u obje smjerove.

• Ima inherentnu sposobnost zaustavljanja. Koristeći preuzbuđeni sinhroni motor kao pogon, kompenziraju se lagajući reaktivni volt-amperi, poboljšavajući ukupni faktor snage.

• U aplikacijama s intermitentnim opterećenjima, poput valjkara, može se koristiti indukcioni motor s flywheelom kako bi se izravnali intermitentni opterećeni, smanjujući njihov utjecaj na sustav.

Nedostaci klasičnog sustava Ward Leonard

Klasični sustav Ward Leonard, koji se temelji na rotirajućim Motor-Generator setovima, ima sljedeće ograničenja:

• Početna investicija za sustav je značajna zbog potrebe instalacije motor-generator seta s istim kapacitetom kao glavni DC motor.

• Ima veliku fizičku veličinu i značajnu težinu.

• Zahtijeva veliku površinu za instalaciju. Temelj potreban za sustav je skup.

• Potrebno je često održavanje.

• Nastaju veće gubitke tijekom rada.

• Njegova ukupna učinkovitost je relativno niska.

• Pogon stvara značajnu količinu buke.

Primjene pogona Ward Leonard

Pogoni Ward Leonard idealni su za scenarije gdje je ključno imati gladku, dvosmjernu i široku kontrolu brzine DC motora. Neki uobičajeni primjeni uključuju:

• Valjkare

• Liftovi

• Lade

• Papirnici

• Dizelski-električni lokomotive

• Mine liftovi

Čvrsto stanje kontrole ili statički sustav Ward Leonard

U modernim aplikacijama, široko se preferira statički sustav Ward Leonard. U ovom sustavu, tradicionalni rotirajući motor-generator (M-G) set zamjenjuje se čvrstotransformatorom za kontrolu brzine DC motora. Kontrolirani pretvarači i čopperi su uobičajeno korišteni kao pretvarači.

Kada je izvor energije AC priključak, kontrolirani pretvarači se koriste za transformaciju fiksiranog AC priključnog napona u varijabilni DC priključni napon. U slučaju DC priključka, koriste se chopperi kako bi se dobila varijabilna DC napona iz fiksnog DC izvora.

U alternativnoj formi pogona Ward Leonard, mogu se koristiti i neelektrični pogonski agregati za pogon DC generatora. Na primjer, u DC električnim lokomotivama, DC generator je pogonjen dizelskim motorom ili plinskim turbinom, i ova postavka je primjenjiva i u pogonima brodova. U takvim sustavima, regenerativno zaustavljanje nije moguće jer energija ne može protjecati obrnutim smjerom kroz pogonski agregat.