Kaedah Ward Leonard Untuk Kawalan Kelajuan Atau Kawalan Voltan Armatur

Kaedah Ward Leonard untuk kawalan kelajuan beroperasi dengan menyesuaikan voltan yang dikenakan kepada armatur motor. Pendekatan inovatif ini diperkenalkan pada tahun 1891, menandakan kemajuan penting dalam bidang kawalan motor elektrik. Gambarajah di bawah menggambarkan diagram sambungan untuk melaksanakan kaedah Ward Leonard untuk mengawal kelajuan motor DC shunt, memberikan perwakilan visual yang jelas tentang konfigurasi dan operasi sistem tersebut.

Dalam sistem yang diterangkan di atas, M mewakili motor DC utama yang kelajuannya menjadi sasaran kawalan, manakala G adalah generator DC yang digerakkan secara terpisah. Generator G dipasok tenaga oleh motor pemandu tiga fasa, yang boleh berupa motor induksi atau motor sinkron. Pasangan motor pemandu AC dan generator DC sering disebut sebagai set Motor-Generator (M-G).

Keluaran voltan generator boleh disesuaikan dengan mengubah arus medan generator. Apabila voltan yang telah disesuaikan ini diberikan secara langsung ke armatur motor DC utama, ia menyebabkan perubahan sepadan dalam kelajuan motor M. Untuk memastikan prestasi yang konsisten semasa kawalan kelajuan, arus medan motor Ifm dikekalkan pada tahap yang tetap, yang seterusnya menjaga fluks medan motor ϕm stabil. Selain itu, semasa mengawal kelajuan motor, arus armatur motor Ia dikawal untuk sepadan dengan nilai tertentunya. Dengan mengubah arus medan yang dihasilkan Ifg, voltan armatur Vt boleh disesuaikan dari sifar hingga nilai tertentunya. 

Penyesuaian voltan ini menghasilkan kelajuan motor berubah dari sifar hingga kelajuan asas. Oleh kerana proses kawalan kelajuan dilaksanakan dengan arus tertentu Ia dan fluks medan motor ϕm yang tetap, torka yang tetap dicapai, kerana torka berkadar langsung dengan hasil darab arus armatur dan fluks medan hingga kelajuan tertentu. Mengingat bahawa hasil darab torka dan kelajuan menentukan kuasa, dan torka kekal tetap dalam situasi ini, kuasa menjadi berkadar langsung dengan kelajuan. Akibatnya, apabila output kuasa meningkat, kelajuan motor meningkat sepadan. 

Ciri-ciri torka dan kuasa sistem kawalan kelajuan ini ditunjukkan dalam gambarajah di bawah, memberikan perwakilan visual bagaimana parameter ini berinteraksi dan berubah semasa operasi.

Kesimpulannya, kaedah kawalan voltan armatur membolehkan pencapaian torka yang tetap dan penggerak kuasa yang berubah untuk kelajuan di bawah kelajuan asas. Di sisi lain, kaedah kawalan fluks medan berlaku apabila kelajuan melebihi kelajuan asas. Dalam mod operasi ini, arus armatur dikekalkan pada nilai tertentunya, dan voltan generator Vt kekal tetap.

Apabila arus medan motor berkurang, fluks medan motor juga berkurang, secara efektif melemahkan medan untuk mencapai kelajuan yang lebih tinggi. Mengingat Vt Ia dan E Ia kekal tetap, torka elektromagnetik berkadar langsung dengan hasil darab fluks medan ϕm dan arus armatur Ia. Akibatnya, penurunan fluks medan motor menyebabkan penurunan torka.

Oleh itu, torka berkurang apabila kelajuan meningkat. Jadi, dalam mod kawalan medan, untuk kelajuan di atas kelajuan asas, operasi kuasa yang tetap dan torka yang berubah dicapai. Apabila kawalan kelajuan selang lebar diperlukan, kombinasi kawalan voltan armatur dan kawalan fluks medan digunakan. Pendekatan gabungan ini membolehkan nisbah maksimum hingga minimum kelajuan yang tersedia berkisar dari 20 hingga 40. Dalam sistem kawalan gelung tertutup, julat kelajuan ini boleh diperluaskan hingga 200.

Motor pemandu boleh berupa motor induksi atau motor sinkron. Motor induksi biasanya beroperasi pada faktor kuasa yang tertinggal. Sebaliknya, motor sinkron boleh dioperasikan pada faktor kuasa yang mendahului melalui over-excitation medannya. Motor sinkron yang over-excited menghasilkan kuasa reaktif yang mendahului, yang secara efektif mengimbangi kuasa reaktif yang tertinggal yang dikonsumsi oleh beban induktif lain, sehingga meningkatkan faktor kuasa keseluruhan.

Apabila berurusan dengan beban berat dan intermiten, motor induksi slip ring sering digunakan sebagai motor utama, dan flywheel dipasang pada porosnya. Konfigurasi ini, yang dikenal sebagai skema Ward Leonard-Ilgener, membantu mencegah fluktuasi signifikan dalam arus bekalan. Namun, apabila motor sinkron bertindak sebagai motor pemandu, memasang flywheel pada porosnya tidak dapat mengurangi fluktuasi, kerana motor sinkron selalu berjalan pada kelajuan yang tetap.

Kelebihan Penggerak Ward Leonard

• Penggerak Ward Leonard menawarkan beberapa kelebihan utama:

• Ia membolehkan kawalan kelajuan motor DC yang licin dalam julat yang luas dalam kedua arah.

• Ia memiliki keupayaan pemecutan intrinsik. Dengan menggunakan motor sinkron yang over-excited sebagai penggerak, volt-ampere reaktif yang tertinggal dikompensasi, meningkatkan faktor kuasa keseluruhan.

• Dalam aplikasi dengan beban intermiten, seperti pabrik rolling, motor induksi dengan flywheel boleh 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:

• Pelaburan awal untuk sistem ini cukup besar kerana keperluan untuk memasang set motor-generator dengan rating yang sama dengan motor DC utama.

• Ia memiliki saiz fisik yang besar dan berat yang signifikan.

• Ia memerlukan area lantai yang luas untuk pemasangan. Fondasi yang diperlukan untuk sistem ini mahal.

• Pemeliharaan yang sering diperlukan.

• Ia mengalami kerugian yang lebih tinggi semasa operasi.

• Efisiensi keseluruhannya relatif rendah.

• Penggerak menghasilkan bunyi yang signifikan.

Aplikasi Penggerak Ward Leonard

Penggerak Ward Leonard sangat ideal untuk skenario di mana kawalan kelajuan motor DC yang licin, dua arah, dan selang lebar diperlukan. Beberapa aplikasi umum termasuk:

• Pabrik rolling

• Lift

• Kran

• Pabrik kertas

• Lokomotif diesel-elektrik

• Hoist tambang

Kawalan Keadaan Padat atau Sistem Ward Leonard Statik

Dalam aplikasi moden, sistem Ward Leonard statik sangat disukai. Dalam sistem ini, set motor-generator berputar tradisional digantikan oleh konverter keadaan padat untuk mengawal kelajuan motor DC. Rectifier terkawal dan choppers biasanya digunakan sebagai konverter.

Apabila sumber tenaga adalah bekalan AC, rectifier terkawal digunakan untuk mentransformasikan voltan bekalan AC yang tetap menjadi voltan bekalan DC yang berubah-ubah. Dalam kasus bekalan DC, choppers digunakan untuk mendapatkan voltan DC yang berubah-ubah dari sumber DC yang tetap.

Dalam bentuk alternatif penggerak Ward Leonard, penggerak bukan elektrik juga boleh digunakan untuk menggerakkan generator DC. Misalnya, dalam lokomotif elektrik DC, generator DC dipasok tenaga oleh enjin diesel atau turbin gas, dan susunan ini juga berlaku dalam penggerak propulsi kapal. Dalam sistem-sistem tersebut, pengereman regeneratif tidak mungkin karena tenaga tidak dapat mengalir dalam arah terbalik melalui penggerak utama.