Método Ward Leonard de Controle de Velocidade ou Controle de Tensão da Armadura

O método Ward Leonard de controle de velocidade opera ajustando a tensão aplicada à armadura do motor. Esta abordagem inovadora foi introduzida pela primeira vez em 1891, marcando um avanço significativo no campo do controle de motores elétricos. A figura abaixo ilustra o diagrama de conexão para implementar o método Ward Leonard para controlar a velocidade de um motor CC de paralelo, fornecendo uma representação visual clara da configuração e operação do sistema.

No sistema descrito acima, M representa o motor DC principal cuja velocidade rotacional é o alvo do controle, enquanto G é um gerador DC excitado separadamente. O gerador G é alimentado por um motor de acionamento trifásico, que pode ser um motor de indução ou um motor síncrono. O par motor de acionamento AC e gerador DC é comumente referido como conjunto Motor-Gerador (M-G).

A tensão de saída do gerador pode ser ajustada modificando a corrente de campo do gerador. Quando esta tensão ajustada é fornecida diretamente à armadura do motor DC principal, causa uma alteração correspondente na velocidade do motor M. Para garantir um desempenho consistente durante o controle de velocidade, a corrente de campo Ifm do motor é mantida em um nível constante, o que, por sua vez, mantém o fluxo de campo ϕm do motor estável. Além disso, ao controlar a velocidade do motor, a corrente de armadura Ia é regulada para corresponder ao seu valor nominal. Ao variar a corrente de campo gerada Ifg, a tensão de armadura Vt pode ser ajustada de zero até o seu valor nominal.

Este ajuste de tensão resulta na mudança da velocidade do motor de zero até a velocidade base. Como o processo de controle de velocidade é executado com a corrente nominal Ia e um fluxo de campo ϕm constante, uma torque constante é alcançado, pois o torque é diretamente proporcional ao produto da corrente de armadura e do fluxo de campo até a velocidade nominal. Dado que o produto do torque e da velocidade define a potência, e o torque permanece constante neste cenário, a potência se torna diretamente proporcional à velocidade. Consequentemente, à medida que a potência de saída aumenta, a velocidade do motor aumenta proporcionalmente.

As características de torque e potência deste sistema de controle de velocidade são ilustradas na figura abaixo, fornecendo uma representação visual de como esses parâmetros interagem e mudam durante a operação.

Em resumo, o método de controle de tensão de armadura permite a obtenção de um acionamento com torque constante e potência variável para velocidades abaixo da velocidade base. Por outro lado, o método de controle de fluxo de campo entra em jogo quando a velocidade excede a velocidade base. Neste modo de operação, a corrente de armadura é consistentemente mantida em seu valor nominal, e a tensão do gerador Vt permanece constante.

Quando a corrente de campo do motor é diminuída, o fluxo de campo do motor também diminui, enfraquecendo efetivamente o campo para atingir velocidades mais altas. Dado que Vt Ia e E Ia permanecem constantes, o torque eletromagnético é diretamente proporcional ao produto do fluxo de campo ϕm e da corrente de armadura Ia. Consequentemente, uma redução no fluxo de campo do motor leva a uma diminuição no torque.

Assim, o torque diminui à medida que a velocidade aumenta. Portanto, no modo de controle de campo, para velocidades acima da velocidade base, obtém-se uma operação com potência constante e torque variável. Quando é necessário um controle de velocidade em ampla faixa, combina-se o controle de tensão de armadura e o controle de fluxo de campo. Esta abordagem combinada permite que a relação entre as velocidades máxima e mínima disponíveis varie de 20 a 40. Em sistemas de controle em malha fechada, essa faixa de velocidade pode ser estendida até 200.

O motor de acionamento pode ser um motor de indução ou um motor síncrono. Um motor de indução geralmente opera com fator de potência atrasado. Por contraste, um motor síncrono pode ser operado com fator de potência adiantado através da superexcitação de seu campo. Um motor síncrono superexcitado gera potência reativa adiantada, que compensa efetivamente a potência reativa atrasada consumida por outras cargas indutivas, melhorando o fator de potência global.

Ao lidar com cargas pesadas e intermitentes, um motor de indução com anéis coletor é frequentemente utilizado como o motor principal, e uma roda de inércia é montada em seu eixo. Esta configuração, conhecida como esquema Ward Leonard-Ilgener, ajuda a evitar flutuações significativas na corrente de alimentação. No entanto, quando um motor síncrono serve como o motor de acionamento, o montar de uma roda de inércia em seu eixo não pode reduzir flutuações, já que um motor síncrono sempre opera em velocidade constante.

Vantagens dos Acionamentos Ward Leonard

• O acionamento Ward Leonard oferece várias vantagens-chave:

• Permite o controle suave da velocidade de um motor DC em ampla faixa, em ambas as direções.

• Possui capacidade intrínseca de frenagem. Ao usar um motor síncrono superexcitado como acionamento, os volt-amperes reativos atrasados são compensados, melhorando o fator de potência global.

• Em aplicações com cargas intermitentes, como laminadores, um motor de indução com roda de inércia pode ser empregado para suavizar a carga intermitente, reduzindo seu impacto no sistema.

Desvantagens do Sistema Clássico Ward Leonard

O sistema clássico Ward Leonard, que depende de conjuntos Motor-Gerador rotativos, tem as seguintes limitações:

• O investimento inicial para o sistema é substancial devido à necessidade de instalar um conjunto Motor-Gerador com a mesma classificação do motor DC principal.

• Tem tamanho físico grande e peso significativo.

• Exige uma área de piso grande para instalação. A fundação necessária para o sistema é cara.

• Manutenção frequente é necessária.

• Incorre em perdas maiores durante a operação.

• Sua eficiência geral é relativamente baixa.

• O acionamento gera uma quantidade significativa de ruído.

Aplicações dos Acionamentos Ward Leonard

Os acionamentos Ward Leonard são ideais para cenários onde o controle suave, bidirecional e em ampla faixa da velocidade de motores DC é essencial. Algumas aplicações comuns incluem:

• Laminadores

• Elevadores

• Guindastes

• Fábricas de papel

• Locomotivas diesel-elétricas

• Guinchos de mina

Controle Estático ou Sistema Ward Leonard Estático

Em aplicações modernas, o sistema Ward Leonard Estático é amplamente preferido. Neste sistema, o conjunto Motor-Gerador (M-G) rotativo tradicional é substituído por um conversor de estado sólido para controlar a velocidade do motor DC. Retificadores controlados e choppers são comumente usados como conversores.

Quando a fonte de energia é uma fonte CA, retificadores controlados são utilizados para transformar a tensão de alimentação CA fixa em uma tensão de alimentação CC variável. No caso de uma fonte CC, choppers são empregados para obter uma tensão CC variável a partir de uma fonte CC fixa.

Em uma forma alternativa do acionamento Ward Leonard, motores primários não elétricos também podem ser usados para acionar o gerador DC. Por exemplo, em locomotivas elétricas a diesel, o gerador DC é alimentado por um motor a diesel ou uma turbina a gás, e esta configuração também é aplicável em acionamentos de propulsão de navios. Nesses sistemas, a frenagem regenerativa não é viável, pois a energia não pode fluir na direção inversa através do motor primário.