ワード・レナード方式の速度制御またはアーマチャーコンタロール
ワード・レナード方式の速度制御は、モーターのアーマチュアに適用される電圧を調整することで動作します。この革新的なアプローチは1891年に初めて導入され、電気モータ制御の分野における重要な進歩となりました。以下の図は、DCシャントモーターの速度制御のためにワード・レナード方式を実装するための接続図であり、システムの構成と動作を明確に視覚的に表現しています。
上記のシステムでは、Mは制御対象となる主DCモーターを表し、Gは別励磁式DC発電機です。発電機Gは三相駆動モーターによって動力供給され、これは誘導モーターまたは同期モーターのいずれかになります。AC駆動モーターとDC発電機の組み合わせは一般的にモータ-ジェネレータ（M-G）セットと呼ばれます。
発電機の出力電圧は、発電機のフィールド電流を変更することで調整できます。この調整された電圧が直接主DCモーターのアーマチュアに供給されると、モーターMの速度に対応して変化します。速度制御中に一定の性能を確保するために、モーターのフィールド電流Ifmは一定のレベルに保たれ、これによりモーターのフィールドフローϕmも安定します。また、モーターの速度を制御する際に、モーターのアーマチュア電流Iaは定格値に一致するように制御されます。生成されたフィールド電流Ifgを変えることで、アーマチュア電圧Vtはゼロから定格値まで調整することができます。
この電圧の調整により、モーターの速度はゼロから基準速度まで変化します。速度制御プロセスは定格電流Iaおよび一定のモーターフィールドフローϕmで実行されるため、トルクは一定となります。トルクはアーマチュア電流とフィールドフローの積に比例するため、基準速度までトルクは一定となります。トルクと速度の積がパワーウェルトを定義するため、トルクが一定の場合、パワーは速度に比例します。したがって、出力パワーが増加すると、モーターの速度もそれに応じて増加します。
この速度制御システムのトルクとパワー特性は以下の図に示されており、これらのパラメータが動作中にどのように相互作用し変化するかを視覚的に表現しています。
要約すると、アーマチュア電圧制御方法は、基準速度以下の速度での一定トルクと可変パワー駆動を達成できる一方で、フィールドフロー制御方法は速度が基準速度を超えた場合に役立ちます。この動作モードでは、アーマチュア電流は常に定格値に保たれ、発電機電圧Vtは一定です。
モーターフィールド電流が減少すると、モーターフィールドフローも減少し、フィールドを弱めてより高い速度を達成します。Vt IaおよびE Iaが一定であるため、電磁トルクはフィールドフローϕmとアーマチュア電流Iaの積に比例します。したがって、モーターのフィールドフローが減少すると、トルクも減少します。
結果として、速度が増加するとトルクが減少します。そのため、フィールド制御モードでは、基準速度以上の速度では一定のパワーと可変トルク操作が得られます。広範囲の速度制御が必要な場合、アーマチュア電圧制御とフィールドフロー制御を組み合わせて使用します。この組み合わせアプローチにより、最大速度と最小速度の比は20から40の範囲になります。閉ループ制御システムでは、この速度範囲は200まで拡張することができます。
駆動モーターは誘導モーターや同期モーターのいずれかを使用できます。誘導モーターは通常、遅延する力率で動作します。一方、同期モーターはそのフィールドを過励磁することで先導する力率で動作させることができます。過励磁された同期モーターは先導反応力を生成し、他の誘導負荷が消費する遅延反応力を補償することで全体の力率を改善します。
重い間欠的な負荷に対処する場合、スリップリング付き誘導モーターが原動機としてしばしば使用され、その軸にフライホイールが取り付けられます。この構成はワード・レナード-イルジェネルスキームと呼ばれ、供給電流の大幅な変動を防ぎます。しかし、同期モーターが駆動モーターとして使用される場合、その軸にフライホイールを取り付けても変動を減らすことはできません。なぜなら同期モーターは常に一定の速度で動作するからです。
ワード・レナード駆動の利点
ワード・レナード駆動にはいくつかの重要な利点があります。
DCモーターの両方向にわたる広範囲での滑らかな速度制御が可能です。
固有のブレーキ機能があります。過励磁された同期モーターを使用することで、遅延反応ボルトアンペアが補償され、全体の力率が向上します。
間欠的な負荷を持つアプリケーション、例えばローリングミルでは、フライホイール付きの誘導モーターを使用して間欠的な負荷を平滑化し、システムへの影響を減らすことができます。
古典的なワード・レナードシステムの欠点
回転するモータ-ジェネレータセットに依存する古典的なワード・レナードシステムには以下の制限があります。
システムの初期投資は、主DCモーターと同じ定格のモータ-ジェネレータセットの設置が必要なため、多大なものです。
物理的なサイズが大きく重量があります。
設置に大きな床面積が必要です。システムの基礎工事はコストがかかります。
頻繁なメンテナンスが必要です。
運転中の損失が大きいです。
全体的な効率が比較的低いです。
ドライブは大きな騒音を発生します。
ワード・レナード駆動の応用
ワード・レナード駆動は、DCモーターの滑らかで双方向かつ広範囲な速度制御が必要なシナリオに理想的です。一般的な応用例には以下があります。
ローリングミル
エレベーター
クレーン
製紙工場
ディーゼル電気機関車
鉱山揚鉱機
固体制御または静止型ワード・レナードシステム
現代のアプリケーションでは、静止型ワード・レナードシステムが広く好まれています。このシステムでは、伝統的な回転モータ-ジェネレータ（M-G）セットのかわりに固体コンバータを使用してDCモーターの速度を制御します。制御整流器やチョッパーが一般的にコンバータとして使用されます。
電源が交流供給の場合、制御整流器を使用して固定の交流供給電圧を可変の直流供給電圧に変換します。直流供給の場合、チョッパーを使用して固定の直流源から可変の直流電圧を得ます。
ワード・レナード駆動の別の形式では、非電気的な原動機を使用してDC発電機を駆動することもあります。例えば、DC電気機関車では、DC発電機はディーゼルエンジンまたはガスタービンによって駆動され、この設定は船舶推進駆動にも適用されます。このようなシステムでは、エネルギーが原動機を通じて逆方向に流れることはないため、再生ブレーキは実現不可能です。
