Metodo Ward Leonard di controllo della velocità o controllo della tensione dell'armatura

Il metodo Ward Leonard per il controllo della velocità opera regolando la tensione applicata all'armatura di un motore. Questo approccio innovativo fu introdotto per la prima volta nel 1891, segnando un importante avanzamento nel campo del controllo dei motori elettrici. La figura sottostante illustra il diagramma di connessione per l'implementazione del metodo Ward Leonard per controllare la velocità di un motore a corrente continua in derivazione, fornendo una chiara rappresentazione visiva della configurazione e dell'operazione del sistema.

Nel sistema descritto sopra, M rappresenta il motore DC principale la cui velocità rotazionale è l'obiettivo del controllo, mentre G è un generatore DC eccitato separatamente. Il generatore G è alimentato da un motore d'asporto trifase, che può essere un motore asincrono o sincrono. L'accoppiamento del motore d'asporto AC e del generatore DC è comunemente noto come set Motore-Generatore (M-G).

L'uscita di tensione del generatore può essere regolata modificando la corrente di campo del generatore. Quando questa tensione regolata viene fornita direttamente all'armatura del motore DC principale, causa una corrispondente variazione nella velocità del motore M. Per garantire un funzionamento costante durante il controllo della velocità, la corrente di campo del motore Ifm è mantenuta a un livello costante, il che a sua volta mantiene stabile il flusso di campo del motore ϕm. Inoltre, durante il controllo della velocità del motore, la corrente dell'armatura Ia è regolata per farla corrispondere al suo valore nominale. Variando la corrente di campo generata Ifg, la tensione dell'armatura Vt può essere regolata da zero al suo valore nominale.

Questa regolazione della tensione provoca una variazione della velocità del motore da zero alla velocità base. Poiché il processo di controllo della velocità viene eseguito con la corrente nominale Ia e un flusso di campo del motore costante ϕm, si ottiene una coppia costante, in quanto la coppia è direttamente proporzionale al prodotto della corrente dell'armatura e del flusso di campo fino alla velocità nominale. Poiché il prodotto della coppia e della velocità definisce la potenza, e la coppia rimane costante in questo scenario, la potenza diventa direttamente proporzionale alla velocità. Di conseguenza, man mano che l'output di potenza aumenta, la velocità del motore aumenta di conseguenza.

Le caratteristiche di coppia e potenza di questo sistema di controllo della velocità sono illustrate nella figura sottostante, fornendo una rappresentazione visiva di come questi parametri interagiscono e cambiano durante l'operazione.

In sintesi, il metodo di controllo della tensione dell'armatura consente di ottenere un azionamento a coppia costante e potenza variabile per velocità inferiori alla velocità base. D'altra parte, il metodo di controllo del flusso di campo entra in gioco quando la velocità supera la velocità base. In questa modalità operativa, la corrente dell'armatura è costantemente mantenuta al suo valore nominale, e la tensione del generatore Vt rimane costante.

Quando la corrente di campo del motore diminuisce, anche il flusso di campo del motore diminuisce, indebolendo effettivamente il campo per raggiungere velocità superiori. Poiché Vt Ia e E Ia rimangono costanti, la coppia elettromagnetica è direttamente proporzionale al prodotto del flusso di campo ϕm e della corrente dell'armatura Ia. Di conseguenza, una riduzione del flusso di campo del motore porta a una diminuzione della coppia.

Di conseguenza, la coppia diminuisce man mano che la velocità aumenta. Pertanto, in modalità di controllo del campo, per velocità superiori alla velocità base, si ottiene un funzionamento a potenza costante e coppia variabile. Quando è necessario un ampio controllo della velocità, viene utilizzata una combinazione di controllo della tensione dell'armatura e controllo del flusso di campo. Questo approccio combinato consente di far variare il rapporto tra la massima e la minima velocità disponibile da 20 a 40. Nei sistemi di controllo a ciclo chiuso, questo intervallo di velocità può essere esteso fino a 200.

Il motore d'asporto può essere un motore asincrono o sincrono. Un motore asincrono tipicamente opera con un fattore di potenza induttivo. Al contrario, un motore sincrono può essere operato con un fattore di potenza capacitivo attraverso l'eccitazione eccessiva del suo campo. Un motore sincrono sovraelicitato genera potenza reattiva capacitiva, che compensa efficacemente la potenza reattiva induttiva consumata da altri carichi induttivi, migliorando così il fattore di potenza complessivo.

Quando si affrontano carichi pesanti e intermittenti, spesso viene utilizzato un motore asincrono a anelli di scorrimento come motore principale, e un volano è montato sul suo albero. Questa configurazione, nota come schema Ward Leonard-Ilgener, aiuta a prevenire fluttuazioni significative nella corrente di alimentazione. Tuttavia, quando un motore sincrono serve come motore d'asporto, il montaggio di un volano sul suo albero non può ridurre le fluttuazioni, poiché un motore sincrono gira sempre a una velocità costante.

Vantaggi degli Azionamenti Ward Leonard

• L'azionamento Ward Leonard offre diversi vantaggi chiave:

• Permette un controllo morbido della velocità di un motore DC su un ampio range in entrambe le direzioni.

• Ha una capacità di frenatura intrinseca. Utilizzando un motore sincrono sovraelicitato come azionamento, i voltampère reattivi induttivi vengono compensati, migliorando il fattore di potenza complessivo.

• In applicazioni con carichi intermittenti, come nelle laminerie, un motore asincrono con un volano può essere impiegato per smussare il carico intermittente, riducendone l'impatto sul sistema.

Limiti del Sistema Classico Ward Leonard

Il sistema classico Ward Leonard, che si basa su set Motore-Generatore rotanti, presenta i seguenti limiti:

• L'investimento iniziale per il sistema è sostanzioso a causa della necessità di installare un set Motore-Generatore con la stessa potenza del motore DC principale.

• Ha una grande dimensione fisica e un peso significativo.

• Richiede un'ampia superficie per l'installazione. La fondazione richiesta per il sistema è costosa.

• È necessaria una manutenzione frequente.

• Incide in perdite più elevate durante l'operazione.

• La sua efficienza complessiva è relativamente bassa.

• L'azionamento genera un rumore significativo.

Applicazioni degli Azionamenti Ward Leonard

Gli azionamenti Ward Leonard sono ideali per scenari in cui è essenziale un controllo morbido, bidirezionale e su ampio range della velocità di motori DC. Alcune applicazioni comuni includono:

• Laminerie

• Ascensori

• Grue

• Cartiere

• Locomotive diesel-elettriche

• Cavalcavia minerari

Controllo Stato Solido o Sistema Ward Leonard Statico

Nelle applicazioni moderne, il sistema Ward Leonard statico è ampiamente preferito. In questo sistema, il tradizionale set Motore-Generatore (M-G) rotante viene sostituito da un convertitore a stato solido per controllare la velocità del motore DC. Sono comunemente utilizzati rettificatori controllati e chopper come convertitori.

Quando la fonte di alimentazione è una fonte AC, vengono utilizzati rettificatori controllati per trasformare la tensione di alimentazione AC fissa in una tensione di alimentazione DC variabile. Nel caso di una fonte DC, vengono impiegati chopper per ottenere una tensione DC variabile dalla fonte DC fissa.

In una forma alternativa dell'azionamento Ward Leonard, possono essere utilizzati anche motori primari non elettrici per alimentare il generatore DC. Ad esempio, nelle locomotive elettriche a corrente continua, il generatore DC è alimentato da un motore diesel o da una turbina a gas, e questa configurazione è applicabile anche nei sistemi di propulsione navale. In tali sistemi, il frenaggio rigenerativo non è possibile poiché l'energia non può fluire in senso inverso attraverso il motore primario.