Ward Leonard methode van snelheidsregeling of armatuurspanningsregeling

De Ward Leonard-methode voor snelheidsregeling werkt door de spanning die op de armatuur van een motor wordt aangebracht te regelen. Deze innovatieve aanpak werd voor het eerst geïntroduceerd in 1891, wat een significante vooruitgang betekende in het gebied van elektrische motorenbesturing. De onderstaande figuur toont het verbindingsschema voor de implementatie van de Ward Leonard-methode om de snelheid van een gelijkstromige schakelmotor te regelen, waarmee een duidelijke visuele weergave van de configuratie en werking van het systeem wordt gegeven.

In het hierboven beschreven systeem staat M voor de hoofdgelijkstromige motor waarvan de rotatiesnelheid het doel van de regeling is, terwijl G een apart opgewekte gelijkstromige generator is. De generator G wordt aangedreven door een driefase aandrijfmotor, die zowel een asynchrone als een synchrone motor kan zijn. Het koppel van de wisselstroomaandrijfmotor en de gelijkstromige generator wordt vaak aangeduid als de Motor-Generator (M-G) set.

De spanning die de generator afgeeft, kan worden aangepast door de stroom in het veld van de generator te wijzigen. Wanneer deze aangepaste spanning direct aan de armatuur van de hoofdgelijkstromige motor wordt toegevoerd, veroorzaakt dit een overeenkomstige verandering in de snelheid van motor M. Om een consistente prestatie tijdens de snelheidsregeling te garanderen, wordt de veldstroom Ifm van de motor constant gehouden, waardoor ook de veldflux ϕm van de motor stabiel blijft. Bovendien wordt bij het regelen van de snelheid van de motor de armatuurstroom Ia gereguleerd om deze op de nominale waarde te houden. Door de gegenereerde veldstroom Ifg te variëren, kan de armatuurspanning Vt van nul tot de nominale waarde worden aangepast. 

Dit aanpassen van de spanning resulteert in een verandering van de motorsnelheid van nul tot de basisnelheid. Aangezien de snelheidsregeling wordt uitgevoerd met de nominale stroom Ia en een constante motorveldflux ϕm, wordt een constante koppel bereikt, aangezien het koppel recht evenredig is met het product van de armatuurstroom en de veldflux tot de nominale snelheid. Omdat het product van koppel en snelheid vermogen definieert, en het koppel in dit scenario constant blijft, wordt het vermogen recht evenredig met de snelheid. Dus als het vermogen toeneemt, neemt de snelheid van de motor overeenkomstig toe. 

De koppel- en vermogenskenmerken van dit snelheidsregelsysteem worden in de onderstaande figuur geïllustreerd, wat een visuele weergave geeft van hoe deze parameters interactie hebben en veranderen tijdens de bedrijfsvoering.

Samengevat stelt de armatuurspanningscontrole methode een constante koppel- en variabel vermogensaandrijving in staat voor snelheden onder de basisnelheid. Aan de andere kant komt de veldfluxcontrole methode in actie wanneer de snelheid de basisnelheid overschrijdt. In deze bedrijfsmodus wordt de armatuurstroom consistent op de nominale waarde gehouden, en de generatorspanning Vt blijft constant.

Wanneer de motorveldstroom wordt verlaagd, neemt ook de motorveldflux af, wat effectief een zwakkere veldsterkte oplevert om hogere snelheden te bereiken. Aangezien Vt Ia en E Ia constant blijven, is het elektromagnetische koppel recht evenredig met het product van de veldflux ϕm en de armatuurstroom Ia. Als gevolg hiervan leidt een vermindering van de motorveldflux tot een afname van het koppel.

Daarom neemt het koppel af naarmate de snelheid toeneemt. Dus in de veldcontrolemodus, voor snelheden boven de basisnelheid, wordt een constante vermogen- en variabele koppelbedrijfsvoering verkregen. Wanneer een brede snelheidsregeling nodig is, wordt een combinatie van armatuurspanningscontrole en veldfluxcontrole gebruikt. Deze gecombineerde aanpak stelt het verhoudingsgetal tussen de maximale en minimale beschikbare snelheden in staat om te variëren van 20 tot 40. In gesloten lus besturingssystemen kan dit snelheidsbereik worden uitgebreid tot 200.

De aandrijfmotor kan zowel een asynchrone als een synchrone motor zijn. Een asynchrone motor werkt meestal met een achterlopende cosinus φ. Daarentegen kan een synchrone motor met een voorspringende cosinus φ worden bediend door overopwekking van het veld. Een overopgewekte synchrone motor genereert voorspringend reactief vermogen, wat effectief compenseert voor het achterlopende reactieve vermogen dat door andere inductieve belastingen wordt verbruikt, waardoor de algemene cosinus φ wordt verbeterd.

Bij het hanteren van zware en onderbroken belastingen wordt vaak een slipring asynchrone motor gebruikt als primaire aandrijfkracht, en wordt een vliegwiel op de as gemonteerd. Deze configuratie, bekend als de Ward Leonard - Ilgener schema, helpt om significante fluctuaties in de voedingsstroom te voorkomen. Echter, wanneer een synchrone motor als aandrijfmotor fungeert, kan het monteren van een vliegwiel op de as geen fluctuaties verminderen, omdat een synchrone motor altijd op een constante snelheid loopt.

Voordelen van Ward Leonard-aandrijvingen

• De Ward Leonard-aandrijving biedt verschillende belangrijke voordelen:

• Het stelt gladde snelheidsregeling van een gelijkstromige motor over een breed bereik in beide richtingen in.

• Het heeft een inherente remfunctie. Door gebruik te maken van een overopgewekte synchrone motor als aandrijving, worden de achterlopende reactieve volt-amperes gecompenseerd, waardoor de algemene cosinus φ wordt verhoogd.

• Bij toepassingen met onderbroken belastingen, zoals plaatwalserijen, kan een asynchrone motor met een vliegwiel worden gebruikt om de onderbroken belasting te gladjes te maken, waardoor de impact op het systeem wordt verminderd.

Nadelen van het klassieke Ward Leonard-systeem

Het klassieke Ward Leonard-systeem, dat afhankelijk is van draaiende Motor-Generator sets, heeft de volgende beperkingen:

• De initiële investering voor het systeem is aanzienlijk, omdat er een motor-generator set moet worden geïnstalleerd met dezelfde capaciteit als de hoofdgelijkstromige motor.

• Het heeft een grote fysieke afmeting en een aanzienlijk gewicht.

• Het vereist een groot oppervlak voor installatie. Het fundament dat nodig is voor het systeem is duur.

• Er is frequente onderhoud nodig.

• Het ondervindt hogere verliezen tijdens de bedrijfsvoering.

• De algemene efficiëntie is relatief laag.

• De aandrijving produceert een aanzienlijk niveau aan geluid.

Toepassingen van Ward Leonard-aandrijvingen

Ward Leonard-aandrijvingen zijn ideaal voor scenario's waarin gladde, tweerichtings- en breed gebiedsnelheidsregeling van gelijkstromige motoren essentieel is. Enkele veelvoorkomende toepassingen zijn:

• Plaatwalserijen

• Liften

• Kranen

• Papierfabrieken

• Dieselelektrische locomotieven

• Mijnbouwhiwijzers

Solid State Control of Statische Ward Leonard Systemen

In moderne toepassingen wordt het Statische Ward Leonard-systeem wijdverspreid verkozen. In dit systeem wordt de traditionele draaiende motor-generator (M-G) set vervangen door een solid state-converter voor het regelen van de snelheid van de gelijkstromige motor. Gecontroleerde rectifiers en choppers worden vaak als converters gebruikt.

Wanneer de energiebron een wisselspanning is, worden gecontroleerde rectifiers gebruikt om de vaste wisselspanning in een variabele gelijkspanning om te zetten. Bij een gelijkspanningsbron worden choppers gebruikt om een variabele gelijkspanning van de vaste gelijkspanningsbron te verkrijgen.

In een alternatieve vorm van de Ward Leonard-aandrijving kunnen ook niet-elektrische primaire aandrijvingen worden gebruikt om de gelijkstromige generator aan te drijven. Bijvoorbeeld, in DC-elektrische locomotieven wordt de gelijkstromige generator aangedreven door een dieselmotor of een gasturbine, en deze opstelling is ook van toepassing in scheepsaandrijvingen. In dergelijke systemen is regeneratieve remming niet mogelijk, omdat energie niet in omgekeerde richting door de primaire aandrijving kan stromen.