Metode Ward Leonard untuk Kontrol Kecepatan atau Kontrol Tegangan Armatur

Metode kontrol kecepatan Ward Leonard bekerja dengan menyesuaikan tegangan yang diterapkan pada armatur motor. Pendekatan inovatif ini pertama kali diperkenalkan pada tahun 1891, menandai kemajuan signifikan dalam bidang kontrol motor listrik. Gambar di bawah ini menggambarkan diagram koneksi untuk menerapkan metode Ward Leonard untuk mengontrol kecepatan motor DC shunt, memberikan representasi visual yang jelas dari konfigurasi dan operasi sistem.

Dalam sistem yang dijelaskan di atas, M mewakili motor DC utama yang kecepatan rotasinya menjadi target pengendalian, sementara G adalah generator DC yang terpisah. Generator G ditenagai oleh motor penggerak tiga fasa, yang dapat berupa motor induksi atau motor sinkron. Pasangan motor penggerak AC dan generator DC sering disebut sebagai set Motor-Generator (M-G).

Tegangan output generator dapat disesuaikan dengan memodifikasi arus medan generator. Ketika tegangan yang telah disesuaikan ini disalurkan langsung ke armatur motor DC utama, hal ini menyebabkan perubahan sesuai dalam kecepatan motor M. Untuk memastikan kinerja konsisten selama kontrol kecepatan, arus medan motor Ifm dipertahankan pada tingkat yang konstan, yang pada gilirannya menjaga fluks medan motor ϕm tetap stabil. Selain itu, saat mengontrol kecepatan motor, arus armatur motor Ia diatur untuk mencocokkan nilai nominalnya. Dengan mengubah arus medan yang dihasilkan Ifg, tegangan armatur Vt dapat disesuaikan dari nol hingga nilai nominalnya. 

Penyesuaian tegangan ini menghasilkan perubahan kecepatan motor dari nol hingga kecepatan dasar. Karena proses kontrol kecepatan dieksekusi dengan arus nominal Ia dan fluks medan motor ϕm yang konstan, torsi konstan dicapai, karena torsi sebanding dengan hasil kali arus armatur dan fluks medan hingga kecepatan nominal. Mengingat hasil kali torsi dan kecepatan mendefinisikan daya, dan torsi tetap konstan dalam skenario ini, daya menjadi sebanding dengan kecepatan. Akibatnya, ketika output daya meningkat, kecepatan motor juga meningkat sesuai. 

Karakteristik torsi dan daya dari sistem kontrol kecepatan ini digambarkan pada gambar di bawah, memberikan representasi visual bagaimana parameter-parameter ini berinteraksi dan berubah selama operasi.

Secara ringkas, metode kontrol tegangan armatur memungkinkan pencapaian drive torsi konstan dan daya variabel untuk kecepatan di bawah kecepatan dasar. Di sisi lain, metode kontrol fluks medan masuk ke dalam permainan ketika kecepatan melebihi kecepatan dasar. Dalam mode operasi ini, arus armatur dipertahankan secara konsisten pada nilai nominalnya, dan tegangan generator Vt tetap konstan.

Ketika arus medan motor dikurangi, fluks medan motor juga berkurang, efektif melemahkan medan untuk mencapai kecepatan lebih tinggi. Mengingat Vt Ia dan E Ia tetap konstan, torsi elektromagnetis sebanding dengan hasil kali fluks medan ϕm dan arus armatur Ia. Akibatnya, penurunan fluks medan motor menyebabkan penurunan torsi.

Sebagai hasilnya, torsi berkurang seiring bertambahnya kecepatan. Jadi, dalam mode kontrol medan, untuk kecepatan di atas kecepatan dasar, operasi daya konstan dan torsi variabel dicapai. Ketika kontrol kecepatan rentang lebar diperlukan, kombinasi kontrol tegangan armatur dan kontrol fluks medan digunakan. Pendekatan gabungan ini memungkinkan rasio maksimum hingga minimum kecepatan yang tersedia berkisar antara 20 hingga 40. Dalam sistem kontrol loop tertutup, rentang kecepatan ini dapat diperpanjang hingga 200.

Motor penggerak dapat berupa motor induksi atau motor sinkron. Motor induksi biasanya beroperasi pada faktor daya tertinggal. Sebaliknya, motor sinkron dapat dioperasikan pada faktor daya unggul melalui over-excited medannya. Motor sinkron yang over-excited menghasilkan daya reaktif unggul, yang secara efektif mengkompensasi daya reaktif tertinggal yang dikonsumsi oleh beban induktif lainnya, sehingga meningkatkan faktor daya keseluruhan.

Ketika menangani beban berat dan intermiten, motor induksi cincin geser sering digunakan sebagai mesin penggerak utama, dan roda flywheel dipasang pada porosnya. Konfigurasi ini, yang dikenal sebagai skema Ward Leonard-Ilgener, membantu mencegah fluktuasi signifikan dalam arus pasokan. Namun, ketika motor sinkron berfungsi sebagai motor penggerak, pemasangan roda flywheel pada porosnya tidak dapat mengurangi fluktuasi, karena motor sinkron selalu berjalan pada kecepatan konstan.

Keunggulan Drive Ward Leonard

• Drive Ward Leonard menawarkan beberapa keunggulan kunci:

• Memungkinkan kontrol kecepatan yang mulus dari motor DC dalam rentang luas di kedua arah.

• Memiliki kemampuan pengereman inheren. Dengan menggunakan motor sinkron over-excited sebagai penggerak, volt-ampere reaktif tertinggal dikompensasi, meningkatkan faktor daya keseluruhan.

• Dalam aplikasi dengan beban intermiten, seperti pabrik rolling, motor induksi dengan roda flywheel dapat digunakan untuk meratakan beban intermiten, mengurangi dampaknya pada sistem.

Kelemahan Sistem Ward Leonard Klasik

Sistem Ward Leonard klasik, yang bergantung pada set Motor-Generator berputar, memiliki batasan berikut:

• Investasi awal untuk sistem tersebut cukup besar karena diperlukan pemasangan set motor-generator dengan rating yang sama dengan motor DC utama.

• Ukurannya besar dan berat.

• Membutuhkan area lantai yang luas untuk pemasangan. Pondasi yang diperlukan untuk sistem tersebut mahal.

• Pemeliharaan rutin diperlukan.

• Mengalami kerugian yang lebih tinggi selama operasi.

• Efisiensi keseluruhannya relatif rendah.

• Drive menghasilkan suara yang signifikan.

Aplikasi Drive Ward Leonard

Drive Ward Leonard sangat ideal untuk skenario di mana kontrol kecepatan yang mulus, dua arah, dan berrentang luas dari motor DC sangat penting. Beberapa aplikasi umum termasuk:

• Pabrik rolling

• Lift

• Kran

• Pabrik kertas

• Lokomotif diesel-listrik

• Angkat tambang

Kontrol Semi-Konduktor atau Sistem Ward Leonard Statis

Dalam aplikasi modern, sistem Ward Leonard statis banyak dipilih. Dalam sistem ini, set motor-generator berputar tradisional digantikan oleh konverter semi-konduktor untuk mengontrol kecepatan motor DC. Rektifier terkontrol dan chopper umumnya digunakan sebagai konverter.

Ketika sumber daya adalah pasokan AC, rektifier terkontrol digunakan untuk mengubah tegangan pasokan AC tetap menjadi tegangan pasokan DC variabel. Dalam kasus pasokan DC, chopper digunakan untuk mendapatkan tegangan DC variabel dari sumber DC tetap.

Dalam bentuk alternatif dari drive Ward Leonard, mesin penggerak non-listrik juga dapat digunakan untuk menggerakkan generator DC. Misalnya, dalam lokomotif listrik DC, generator DC ditenagai oleh mesin diesel atau turbin gas, dan setup ini juga berlaku untuk drive propulsi kapal. Dalam sistem-sistem tersebut, pengereman regeneratif tidak dapat dilakukan karena energi tidak dapat mengalir dalam arah terbalik melalui mesin penggerak.