Metoda Warda Leonarda kontroli prędkości lub kontrola napięcia cewki

Metoda Warda Leonarda sterowania prędkością polega na dostosowywaniu napięcia zastosowanego do armatury silnika. Ta innowacyjna metoda została po raz pierwszy wprowadzona w 1891 roku, oznaczając istotny postęp w dziedzinie sterowania elektrycznymi silnikami prądu stałego. Poniższy rysunek ilustruje diagram połączeń do implementacji metody Warda Leonarda do sterowania prędkością szeregowego silnika prądu stałego, dostarczając jasną wizualną reprezentację konfiguracji i działania systemu.

W opisanym powyżej systemie M oznacza główny silnik prądu stałego, którego prędkość obrotowa jest celem sterowania, podczas gdy G to oddzielnie pobudzany generator prądu stałego. Generator G jest napędzany przez trójfazowy silnik napędowy, który może być zarówno indukcyjnym, jak i synchronicznym silnikiem. Para składająca się z silnika napędowego AC i generatora DC jest często nazywana zestawem silnik-generator (M-G).

Napięcie wyjściowe generatora można dostosować poprzez modyfikację prądu pola generatora. Kiedy to dostosowane napięcie jest bezpośrednio podane do armatury głównego silnika prądu stałego, powoduje to odpowiednią zmianę prędkości silnika M. Aby zapewnić stałe działanie podczas sterowania prędkością, prąd pola silnika Ifm jest utrzymywany na stałym poziomie, co w efekcie utrzymuje stały strumień pola ϕm silnika. Dodatkowo, podczas sterowania prędkością silnika, prąd armatury Ia jest regulowany, aby odpowiadał jego nominalnej wartości. Poprzez zmienianie generowanego prądu pola Ifg, napięcie armatury Vt może być dostosowane od zera do jego nominalnej wartości. 

Ta dostosowana zmiana napięcia powoduje, że prędkość silnika zmienia się od zera do podstawowej prędkości. Ponieważ proces sterowania prędkością jest realizowany z nominalnym prądem Ia i stałym strumieniem pola ϕm, osiągana jest stała moment obrotowy, ponieważ moment obrotowy jest proporcjonalny do iloczynu prądu armatury i strumienia pola do prędkości nominalnej. Ponieważ iloczyn momentu obrotowego i prędkości definiuje moc, a moment obrotowy pozostaje stały w tym scenariuszu, moc staje się proporcjonalna do prędkości. W konsekwencji, wraz ze wzrostem mocy wyjściowej, prędkość silnika również rośnie odpowiednio. 

Charakterystyki momentu obrotowego i mocy tego systemu sterowania prędkością są przedstawione na poniższym rysunku, dostarczając wizualną reprezentację, jak te parametry interaktywnie zmieniają się podczas działania.

Podsumowując, metoda sterowania napięciem armatury umożliwia osiągnięcie stałego momentu obrotowego i zmiennego napędu mocy dla prędkości poniżej podstawowej prędkości. Z drugiej strony, metoda sterowania strumieniem pola wchodzi w grę, gdy prędkość przekracza podstawową prędkość. W tym trybie działania, prąd armatury jest stale utrzymywany na swojej nominalnej wartości, a napięcie generatora Vt pozostaje stałe.

Gdy prąd pola silnika jest zmniejszany, strumień pola silnika również maleje, efektywnie osłabiając pole, aby osiągnąć wyższe prędkości. Ponieważ Vt Ia i E Ia pozostają stałe, moment obrotowy elektromagnetyczny jest proporcjonalny do iloczynu strumienia pola ϕm i prądu armatury Ia. W konsekwencji, zmniejszenie strumienia pola silnika prowadzi do zmniejszenia momentu obrotowego.

W rezultacie, moment obrotowy maleje, gdy prędkość rośnie. Stąd, w trybie sterowania polem, dla prędkości powyżej podstawowej, uzyskuje się stałą moc i zmienny moment obrotowy. Gdy potrzebne jest szerokie zakresy sterowania prędkością, stosuje się kombinację sterowania napięciem armatury i sterowania strumieniem pola. Ten połączony podejście pozwala, aby stosunek maksymalnej do minimalnej dostępnej prędkości wynosił od 20 do 40. W systemach sterowania zamkniętego obwodu ten zakres prędkości może być rozszerzony do 200.

Silnik napędowy może być zarówno silnikiem indukcyjnym, jak i synchronicznym. Silnik indukcyjny zwykle działa przy ujemnym współczynniku mocy. Natomiast silnik synchroniczny może być obsługiwany przy dodatnim współczynniku mocy poprzez nadpobudzenie jego pola. Nadpobudzony silnik synchroniczny generuje dodatnią reaktywną moc, która efektywnie kompensuje ujemną reaktywną moc zużywaną przez inne obciążenia indukcyjne, co poprawia ogólny współczynnik mocy.

Przy pracy z ciężkimi i nieregularnymi obciążeniami, często wykorzystywany jest silnik indukcyjny z pierścieniami ślizgowymi jako napęd główny, a na jego wał montowany jest-flywheel. Ta konfiguracja, znana jako schemat Warda Leonarda-Ilgener, pomaga zapobiec znacznym wahaniom prądu zasilającego. Jednak, gdy silnikiem napędowym jest silnik synchroniczny, montowanie flywheel na jego wał nie może zmniejszyć fluktuacji, ponieważ silnik synchroniczny zawsze pracuje z stałą prędkością.

Zalety napędów Warda Leonarda

• Napęd Warda Leonarda oferuje kilka kluczowych zalet:

• Pozwala na płynne sterowanie prędkością silnika prądu stałego w szerokim zakresie w obu kierunkach.

• Ma wbudowane możliwości hamowania. Używając nadpobudzonego silnika synchronicznego jako napędu, rekompensowane są ujemne reaktywne volt-ampery, co poprawia ogólny współczynnik mocy.

• W aplikacjach z nieregularnymi obciążeniami, takich jak walcownie, można zastosować silnik indukcyjny z flywheel, aby wygładzić nieregularne obciążenia, zmniejszając ich wpływ na system.

Wady klasycznego systemu Warda Leonarda

Klasyczny system Warda Leonarda, oparty na obracających się zestawach silnik-generator, ma następujące ograniczenia:

• Początkowe inwestycje w system są znaczne ze względu na wymóg instalacji zestawu silnik-generator o takiej samej mocy jak główny silnik prądu stałego.

• Ma dużą fizyczną wielkość i znaczną masę.

• Wymaga dużej powierzchni podłogowej do instalacji. Fundament wymagany dla systemu jest kosztowny.

• Wymaga częstych czynności konserwacyjnych.

• Powoduje większe straty podczas działania.

• Jego ogólna wydajność jest stosunkowo niska.

• Napęd generuje znaczne ilości hałasu.

Zastosowania napędów Warda Leonarda

Napędy Warda Leonarda są idealne w przypadkach, gdy niezbędne jest gładkie, dwukierunkowe i szerokie sterowanie prędkością silników prądu stałego. Niektóre typowe zastosowania obejmują:

• Walcownie

• Windy

• Dźwigi

• Fabryki papieru

• Lokomotywy spalinowo-elektryczne

• Wyciągi górnicze

Stałe sterowanie lub statyczny system Warda Leonarda

W nowoczesnych zastosowaniach szeroko preferowany jest statyczny system Warda Leonarda. W tym systemie tradycyjny obracający się zestaw silnik-generator (M-G) jest zastępowany przez stały stanowy konwerter do sterowania prędkością silnika prądu stałego. Współcześnie stosowane są kontrolowane prostowniki i choppery jako konwertery.

Gdy źródłem energii jest zasilanie AC, wykorzystywane są kontrolowane prostowniki, aby przekształcić stałe napięcie zasilania AC w zmiene napięcie zasilania DC. W przypadku zasilania DC, stosowane są choppery, aby uzyskać zmiene napięcie DC z stałego źródła DC.

W alternatywnej formie napędu Warda Leonarda, można również używać nieelektrycznych napędów głównych do napędzania generatora DC. Na przykład, w spalinowo-elektrycznych lokomotywach DC, generator DC jest napędzany przez silnik wysokoprężny lub turbinę gazową, a ta konfiguracja jest również stosowana w napędach statków. W takich systemach hamowanie regeneracyjne nie jest możliwe, ponieważ energia nie może przepływać w odwrotnym kierunku przez napęd główny.