Ward Leonard sebességvezérlési módszer vagy gerenda feszültség-vezérlés

A Ward Leonard sebesség-irányítási módszer működése során a motor gerendaján alkalmazott feszültséget állítják be. Ez az innovatív megközelítés először 1891-ben jelent meg, jelentős fejlődést jelentve az elektromos motorok irányításának területén. Az alábbi ábra bemutatja a Ward Leonard módszer végrehajtásához szükséges kapcsolódási diagramot egy DC párhuzamos motor sebességének ellenőrzésére, világosan megjelenítve a rendszer konfigurációját és működését.

A fenti leírásban M jelöli a fő DC motort, amelynek forgási sebessége a vezérlés célja, G pedig egy különlegesen felhajtott DC generátort. A G generátort egy háromfázisú hajtómotor táplálja, ami lehet indukciós vagy szinkron motor. Az AC hajtómotor és a DC generátor párját gyakran Motor-Generator (M-G) csoportnak nevezik.

A generátor feszültségi kimenetét a generátor mezőáramának módosításával lehet beállítani. Amikor ez a beállított feszültség közvetlenül a fő DC motor gerendájára kerül, a motor M sebességében megfelelő változást okoz. A sebesség-ellenőrzés során a motor mezőáramát Ifm állandó szinten tartják, ami a motor mező-fluxust ϕm stabilizálja. Ezenkívül, a motor sebességének ellenőrzése során a motor gerendaáramát Ia úgy szabályozzák, hogy megegyezzen a nominál értékkel. A generált mezőáram Ifg módosításával a gerenda-feszültség Vt nullától a nominál értékig állítható.

Ez a feszültség-beállítás eredményeként a motor sebessége nullától a bázissebességig változik. Mivel a sebesség-ellenőrzési folyamatot a nominál áram Ia és a konstans motor mező-fluxus ϕm mellett végezzük, állandó nyomatékot érünk el, mivel a nyomaték közvetlenül arányos a gerendaáram és a mező-fluxus szorzatával a nominál sebességig. Mivel a teljesítmény a nyomaték és a sebesség szorzata, és a nyomaték ebben az esetben állandó, a teljesítmény közvetlenül arányos a sebességgel. Így, ahogy a kimeneti teljesítmény növekszik, a motor sebessége is növekszik.

Ez a sebesség-ellenőrzési rendszer nyomaték- és teljesítmény-jellemvonásai az alábbi ábrán láthatók, amely vizuálisan bemutatja, hogyan működnek és változnak ezek a paraméterek a működés során.

Összefoglalva, a gerenda-feszültség-ellenőrzési módszer állandó nyomatékot és változó teljesítményt biztosít a bázissebességnél alacsonyabb sebességeknél. Amikor a sebesség meghaladja a bázissebességet, a mező-fluxus-ellenőrzési módszer lép életbe. Ebben a működési módban a gerendaáram Ia állandó marad, és a generátor feszültsége Vt is állandó.

Amikor a motor mezőáramát csökkentik, a motor mező-fluxusa is csökken, hatásosan gyengebbítve a mezőt, hogy magasabb sebességeket érjenek el. Mivel Vt Ia és E Ia állandó, az elektromos nyomaték közvetlenül arányos a mező-fluxus ϕm és a gerendaáram Ia szorzatával. Így, a motor mező-fluxusának csökkenése nyomaték-csökkenést eredményez.

Eredményül, a nyomaték csökken, ahogy a sebesség növekszik. Tehát a mező-ellenőrzési módban, a bázissebességnél magasabb sebességeknél, állandó teljesítményt és változó nyomatékot érünk el. Széles sebességi tartományú ellenőrzés esetén a gerenda-feszültség- és mező-fluxus-ellenőrzés kombinációját használják. Ez a kombinált megközelítés lehetővé teszi, hogy a legnagyobb és legkisebb elérhető sebességek aránya 20 és 40 között mozogjon. Zárt hurok ellenőrzési rendszerekben ez a sebességi tartomány akár 200-ig is kiterjeszthető.

A hajtómotor lehet indukciós vagy szinkron motor. Az indukciós motor általában hátralevő teljesítménytényezővel működik. Ellenben, a szinkron motort a mező túlfeszítésével előrevetíthető teljesítménytényezővel működtethetik. Egy túlfeszített szinkron motor előrevetíti a reaktív teljesítményt, ami hatékonyan kompenzálja más induktív terhelések által fogyasztott hátralevő reaktív teljesítményt, így javítva az általános teljesítménytényezőt.

Nehéz és időnkénti terhelések esetén gyakran használnak csúszógyűrűs indukciós motort alsó hajtóként, és egy lencsekeréköt helyeznek a tengelyére. Ez a konfiguráció, a Ward Leonard-Ilgener séma, segít elkerülni a készletáram jelentős ingadozását. Ugyanakkor, ha a szinkron motor a hajtómotor, a lencsekeréköt a tengelyére történő rögzítése nem csökkenti a fluktuációkat, mivel a szinkron motor mindig állandó sebességen működik.

A Ward Leonard vezérlők előnyei

• A Ward Leonard vezérlő több kulcsfontosságú előnyt kínál:

• Lehetővé teszi a DC motor sima sebesség-ellenőrzését széles skálán mindkét irányban.

• Rendszeres fékező képességgel rendelkezik. A túlfeszített szinkron motor alkalmazása során a hátralevő reaktív volt-amper-ek kompenzációja javítja az általános teljesítménytényezőt.

• Időnkénti terhelések, mint például a választók, esetén egy lencsekerékkel ellátott indukciós motort használhatunk, hogy simázza a terhelést, csökkentve annak hatását a rendszerre.

A klasszikus Ward Leonard rendszer hátrányai

A klasszikus Ward Leonard rendszer, amely forgó Motor-Generator csoportokra támaszkodik, a következő korlátozásokkal jár:

• A rendszer kezdeti befektetése jelentős, mivel ugyanolyan minősítésű motor-generátor csoport telepítése szükséges, mint a fő DC motoré.

• Nagy fizikai méretű és súlyos.

• Szükséges nagy terület a telepítéshez. A rendszer alapja költséges.

• Gyakori karbantartás szükséges.

• Magasabb veszteségek a működés során.

• Relatíve alacsony hatékonyság.

• A vezérlő jelentős zajt generál.

A Ward Leonard vezérlők alkalmazásai

A Ward Leonard vezérlők ideálisak olyan helyzetekben, ahol a DC motorok sima, kétirányú és széles sebességi tartományú ellenőrzése szükséges. Néhány gyakori alkalmazás:

• Választók

• Liftrendszerek

• Kranok

• Papírgyárak

• Diesel-elektrikus vasúti járművek

• Bányászati emelőgépek

Szilárdtestes ellenőrzés vagy statikus Ward Leonard rendszer

A modern alkalmazásokban a statikus Ward Leonard rendszert széles körben preferálják. Ebben a rendszerben a hagyományos forgó motor-generátor (M-G) csoportot szilárdtestes konvertorral helyettesítik a DC motor sebességének ellenőrzésére. A vezérlő rektifikátorok és darabolók gyakran használtak konvertorokként.

Ha az energiaforrás AC, a vezérlő rektifikátorokat használják a fix AC készletfeszültség változó DC készletfeszültségévé alakítására. Ha a forrás DC, a darabolókat alkalmazzák a fix DC forrásból változó DC feszültség kivitelezésére.

A Ward Leonard vezérlő egy alternatív formájában nem-elektromos elsődleges hajtók is használhatók a DC generátor hajtására. Például, a DC villamos járművekben a DC generátort diesel motor vagy gázturbina hajtja, és ez a beállítás alkalmazható hajómeghajtó rendszerekben is. Ilyen rendszerekben a regeneratív fékezés nem lehetséges, mivel az energia nem tud fordított irányban áramlani az elsődleges hajtóon keresztül.