Metoda Warda Leonarda za nadzor hitrosti ali nadzor napetosti vrtenca

Metoda Ward Leonarda za nadzor hitrosti deluje s prilagajanjem napetosti, ki se uporablja na armaturi motorja. Ta inovativen pristop je bil prvič predstavljen leta 1891 in je označil značilen napredek v področju nadzora nad električnimi motorji. Spodnja shema prikazuje povezovalni diagram za izvajanje metode Ward Leonarda za nadzor hitrosti DC straničnega motorja, kar omogoča jasno vizualno predstavitev konfiguracije in delovanja sistema.

V zgornjem sistemu predstavlja M glavni DC motor, katerega vrtilna hitrost je cilj nadzora, medtem ko je G ločno navdajan DC generator. Generator G je opremljen z trofaznim pogonskim motorjem, ki lahko predstavlja indukcijski motor ali sinhronni motor. Par AC pogonskega motorja in DC generatorja se običajno imenuje Motor-Generator (M-G) set.

Izhodna napetost generatorja je mogoče prilagoditi s spreminjanjem tokovnega toka generatorja. Ko ta prilagojena napetost neposredno zagotovi napetost armature glavnega DC motorja, to povzroči ustrezno spremembo hitrosti motorja M. Za zagotavljanje konstantne zmogljivosti med nadzorom hitrosti se tok polja motorja Ifm ohranja na konstantni ravni, kar na svoji strani ohranja stabilnost tokovnega toka ϕm motorja. Poleg tega se med nadzorom hitrosti motorja regulira tok armature Ia, da ustreza njegovi imenski vrednosti. S spreminjanjem generiranega tokovnega toka Ifg je mogoče napetost Vt prilagoditi od nič do imenske vrednosti.

Ta prilagodka napetosti povzroči, da se hitrost motorja spremeni od nič do osnovne hitrosti. Ker je postopek nadzora hitrosti izveden z imenskim tokom Ia in konstantnim tokovnim tokom ϕm motorja, je dosežen konstanten navor, saj je navor neposredno sorazmeren produktu toka armature in tokovnega toka do imenske hitrosti. Ker produkt navora in hitrosti določa moč, in navor ostane konstanten v tem primeru, je moč neposredno sorazmerna hitrosti. Torej, ko se poveča izhodna moč, se hkrati poveča tudi hitrost motorja.

Značilnosti navora in moči tega sistema za nadzor hitrosti so prikazane na spodnjem grafikonu, ki ponuja vizualno predstavitev, kako ti parametri delujejo in se spreminjajo med delovanjem.

Zaključno, metoda nadzora napetosti armature omogoča dosego konstantnega navora in variabilne moči pogona za hitrosti pod osnovno hitrostjo. Na drugi strani pa metoda nadzora tokovnega toka igra vlogo, ko preseže osnovno hitrost. V tem operacijskem načinu se tok armature ohranja konstanten na njegovi imenski vrednosti, dokler ostane napetost generatorja Vt konstantna.

Ko se zmanjša tok polja motorja, se zmanjša tudi tokovni tok motorja, s čimer se efektivno poslabša polje za dosego višjih hitrosti. Ker Vt Ia in E Ia ostanejo konstantni, je elektromagnetni navor neposredno sorazmeren produktu tokovnega toka ϕm in toka armature Ia. Torej, zmanjšanje tokovnega toka motorja vodi k zmanjšanju navora.

Tako se navor zmanjša, ko se hitrost poveča. Zato v načinu nadzora tokovnega toka, za hitrosti nad osnovno hitrostjo, dosežemo konstantno moč in variabilni navor. Če je potrebno širokokrožni nadzor hitrosti, se uporabljata kombinacija nadzora napetosti armature in nadzora tokovnega toka. Ta združen pristop omogoča, da razmerje med največjo in najmanjšo dostopno hitrostjo sega od 20 do 40. V zaprtih zankah nadzora se ta razpon hitrosti lahko proširi do 200.

Pogonski motor lahko predstavlja buindukcijski motor ali sinhronni motor. Buindukcijski motor tipično deluje pri zamujajočem faktorju moči. Nasprotno, sinhronni motor se lahko deluje pri vnaprejajočem faktorju moči z prenavdajanjem njegovega polja. Pre-navdan sinhronni motor generira vnaprejajoč reaktivni tok, ki učinkovito kompenzira zamujajoč reaktivni tok, porabljen s strani drugih induktivnih bremen, s čimer se izboljša skupni faktor moči.

Pri težkih in intermitentnih obremenitvah se pogosto uporablja buindukcijski motor z slipringi kot pogonski motor, in na njegovem vratu se montira flywheel. Ta konfiguracija, znana kot shema Ward Leonard-Ilgner, pomaga preprečiti velike nihanja tokov oskrbe. Vendar ne more montiranje flywheel-a na vrat sinhronnega motorja zmanjšati nihanja, ker sinhronni motor vedno teče z konstantno hitrostjo.

Prednosti pogonov Ward Leonard

• Pogoni Ward Leonard ponujajo več ključnih prednosti:

• Omogočajo gladko regulacijo hitrosti DC motorja v širokem obsegu v obeh smerih.

• Imajo notranjo sposobnost brezčeljustva. S uporabo prenavdanega sinhronnega motorja kot pogona se kompenzirajo zamujajoči reaktivni voltamperi, s čimer se izboljša skupni faktor moči.

• V aplikacijah z intermitentnimi obremenitvami, kot so valjnane, se lahko uporabi buindukcijski motor z flywheel-om, da se izravnava intermitentno obremenje, s čimer se zmanjša vpliv na sistem.

Nedostatki klasičnega sistema Ward Leonard

Klasični sistem Ward Leonard, ki se zanaša na vrteča se Motor-Generator seta, ima naslednje omejitve:

• Začetna investicija za sistem je visoka zaradi zahtev po namestitvi motor-generator seta z enakim oznakovanjem kot glavni DC motor.

• Ima velik fizični prostor in znaten težo.

• Zahteva veliko površino za namestitev. Osnova, ki jo zahteva sistem, je draga.

• Zahteva pogosta vzdrževanja.

• Ob uporabi povzroča višje izgube.

• Njegova skupna učinkovitost je relativno nizka.

• Pogon generira značilno količino hrupa.

Uporaba pogonov Ward Leonard

Pogoni Ward Leonard so idealni za situacije, kjer je bistven gladki, dvosmerni in širokokrožni nadzor hitrosti DC motorjev. Nekatere običajne uporabe vključujejo:

• Valjnane

• Dvigniki

• Jeřáby

• Čevlarske tovarne

• Dieselsko-električne lokomotive

• Rudarski pečalnice

Trdninsko nadzorno ali statični sistem Ward Leonard

V sodobnih aplikacijah se pogosto preferira statični sistem Ward Leonard. V tem sistemu tradicionalni vrteči se motor-generator (M-G) set nadomešča z trdninskimi pretvorniki za nadzor hitrosti DC motorja. Za pretvorbe se pogosto uporabljajo kontrolirani pretvorbi in čoperji.

Če je vir energije AC oskrba, se uporabljajo kontrolirani pretvorbi za pretvorbo fiksne AC oskrbne napetosti v variabilno DC oskrbno napetost. V primeru DC oskrbe se uporabljajo čoperji, da se doseže variabilna DC napetost iz fiksne DC oskrbe.

V alternativni obliki pogona Ward Leonard se lahko uporabljajo tudi netrgovski pogonski agregati za pogon DC generatorja. Na primer, v DC električnih lokomotivah je DC generator pogonjen s dizelskim motorjem ali plinski turbine, in ta nastavitev je uporabna tudi v pogoni ladje. V takšnih sistemih ni mogoče regenerativnega brezčeljustva, ker energija ne more teči v obratni smeri skozi pogonski agregat.