Метод Уорда-Леонарда управления скоростью или управление напряжением на якоре

Метод Уорда-Леонарда управления скоростью работает путем регулирования напряжения, подаваемого на якорь двигателя. Этот инновационный подход был впервые представлен в 1891 году, что ознаменовало значительный прогресс в области управления электрическими двигателями. На рисунке ниже показана схема подключения для реализации метода Уорда-Леонарда для управления скоростью последовательного двигателя постоянного тока, предоставляя четкое визуальное представление конфигурации и работы системы.

В вышеописанной системе M представляет собой основной двигатель постоянного тока, скорость вращения которого является объектом управления, а G — это отдельно возбуждаемый генератор постоянного тока. Генератор G питается от трехфазного приводного двигателя, который может быть либо асинхронным, либо синхронным двигателем. Комбинация асинхронного приводного двигателя и генератора постоянного тока обычно называется комплектом двигатель-генератор (M-G).

Напряжение на выходе генератора можно регулировать, изменяя ток возбуждения генератора. Когда это отрегулированное напряжение подается непосредственно на якорь основного двигателя постоянного тока, это вызывает соответствующее изменение скорости двигателя M. Для обеспечения стабильной работы при управлении скоростью ток возбуждения Ifm двигателя сохраняется на постоянном уровне, что, в свою очередь, поддерживает магнитный поток ϕm двигателя стабильным. Кроме того, при управлении скоростью двигателя ток якоря Ia регулируется до его номинального значения. Изменяя ток возбуждения Ifg, можно регулировать напряжение Vt от нуля до его номинального значения.

Это изменение напряжения приводит к изменению скорости двигателя от нуля до базовой скорости. Поскольку процесс управления скоростью выполняется с номинальным током Ia и постоянным магнитным потоком ϕm, достигается постоянный момент, так как момент прямо пропорционален произведению тока якоря и магнитного потока до номинальной скорости. Поскольку произведение момента и скорости определяет мощность, а момент остается постоянным в этом случае, мощность становится прямо пропорциональной скорости. Следовательно, по мере увеличения выходной мощности скорость двигателя также увеличивается.

Характеристики момента и мощности этой системы управления скоростью показаны на рисунке ниже, предоставляя визуальное представление о том, как эти параметры взаимодействуют и изменяются во время работы.

В заключение, метод управления напряжением якоря позволяет достичь постоянного момента и переменной мощности для скоростей ниже базовой. С другой стороны, метод управления магнитным потоком используется, когда скорость превышает базовую. В этом режиме работы ток якоря постоянно поддерживается на его номинальном значении, а напряжение генератора Vt остается постоянным.

Когда ток возбуждения двигателя уменьшается, магнитный поток двигателя также уменьшается, эффективно ослабляя поле для достижения более высоких скоростей. Поскольку Vt Ia и E Ia остаются постоянными, электромагнитный момент прямо пропорционален произведению магнитного потока ϕm и тока якоря Ia. Следовательно, уменьшение магнитного потока двигателя приводит к уменьшению момента.

В результате момент уменьшается по мере увеличения скорости. Таким образом, в режиме управления магнитным потоком, для скоростей выше базовой, достигается постоянная мощность и переменный момент. При необходимости широкого диапазона управления скоростью применяется комбинация управления напряжением якоря и управления магнитным потоком. Этот комбинированный подход позволяет соотношению максимальной к минимальной доступной скорости находиться в пределах от 20 до 40. В замкнутых системах управления этот диапазон скорости может быть расширен до 200.

Приводной двигатель может быть либо асинхронным, либо синхронным. Асинхронный двигатель обычно работает с запаздывающим коэффициентом мощности. Напротив, синхронный двигатель может работать с опережающим коэффициентом мощности через перегрузку его поля. Перегруженный синхронный двигатель генерирует опережающую реактивную мощность, которая эффективно компенсирует запаздывающую реактивную мощность, потребляемую другими индуктивными нагрузками, тем самым улучшая общий коэффициент мощности.

При работе с тяжелыми и периодическими нагрузками часто используется асинхронный двигатель с контактными кольцами в качестве основного привода, и на его валу устанавливается маховик. Эта конфигурация, известная как схема Уорда-Леонарда-Илгена, помогает предотвратить значительные колебания тока питания. Однако, если в качестве приводного двигателя используется синхронный двигатель, установка маховика на его вал не может уменьшить колебания, поскольку синхронный двигатель всегда работает с постоянной скоростью.

Преимущества приводов Уорда-Леонарда

• Привод Уорда-Леонарда предлагает несколько ключевых преимуществ:

• Он позволяет плавно управлять скоростью двигателя постоянного тока в широком диапазоне в обоих направлениях.

• У него есть встроенная способность к торможению. Использование перегруженного синхронного двигателя в качестве привода компенсирует запаздывающие реактивные вольт-амперы, улучшая общий коэффициент мощности.

• В приложениях с периодическими нагрузками, таких как прокатные станы, можно использовать асинхронный двигатель с маховиком для сглаживания периодических нагрузок, снижая их влияние на систему.

Недостатки классической системы Уорда-Леонарда

Классическая система Уорда-Леонарда, которая полагается на вращающиеся комплекты двигатель-генератор, имеет следующие ограничения:

• Начальные инвестиции в систему значительны из-за необходимости установки комплекта двигатель-генератор с таким же номиналом, как у основного двигателя постоянного тока.

• Система имеет большие физические размеры и значительный вес.

• Для установки требуется большое площадь. Фундамент, необходимый для системы, дорогой.

• Требуется частое техническое обслуживание.

• При эксплуатации возникают большие потери.

• Общая эффективность относительно низкая.

• Привод создает значительный шум.

Применение приводов Уорда-Леонарда

Приводы Уорда-Леонарда идеально подходят для ситуаций, где необходимо плавное, двунаправленное и широкий диапазон управления скоростью двигателей постоянного тока. Некоторые распространенные применения включают:

• Прокатные станы

• Лифты

• Краны

• Бумажные фабрики

• Дизель-электрические локомотивы

• Шахтные подъемники

Твердотельное управление или статическая система Уорда-Леонарда

В современных приложениях широко предпочитается статическая система Уорда-Леонарда. В этой системе традиционный вращающийся комплект двигатель-генератор (M-G) заменяется твердотельным преобразователем для управления скоростью двигателя постоянного тока. Контролируемые выпрямители и рубильники обычно используются в качестве преобразователей.

Когда источник питания — это переменный ток, контролируемые выпрямители используются для преобразования фиксированного напряжения переменного тока в переменное напряжение постоянного тока. В случае источника постоянного тока используются рубильники для получения переменного напряжения постоянного тока из фиксированного источника постоянного тока.

В альтернативной форме привода Уорда-Леонарда могут использоваться также неработающие приводы для привода генератора постоянного тока. Например, в дизель-электрических локомотивах генератор постоянного тока приводится в действие дизельным двигателем или газовой турбиной, и эта схема также применима в приводах судовых движителей. В таких системах регенеративное торможение недопустимо, поскольку энергия не может течь в обратном направлении через привод.