Ward Leonard-metoden för hastighetsreglering eller spänningssättning av armaturen

Ward Leonard-metoden för hastighetsreglering fungerar genom att justera spänningen som tillförs armaturen på en motor. Denna innovativa metod introducerades först 1891, vilket markerade ett viktigt framsteg inom området elektrisk motorreglering. Figuren nedan visar anslutningsdiagrammet för implementering av Ward Leonard-metoden för att reglera hastigheten på en strömförstärkare motormed en tydlig visuell representation av systemets konfiguration och drift.

I det ovan beskrivna systemet representerar M den huvudsakliga DC-motorn vars rotationshastighet är målet för kontroll, medan G är en separat ansluten DC-generator. Generatoren G drivs av en trefasdrivmotor, som kan vara antingen en induktionsmotor eller en synkronmotor. Parningen av den växelströmsdrivande motorn och den likströmsgeneratorn kallas vanligtvis för Motor-Generator (M-G) set.

Generatorens utgångsspänning kan justeras genom att ändra generatorns fältdriftström. När denna justerade spänning direkt tillförs armaturen på den huvudsakliga DC-motorn orsakar det en motsvarande förändring i motorns M hastighet. För att säkerställa konsekvent prestanda under hastighetsreglering hålls motorns fältdriftström Ifm konstant, vilket i sin tur håller motorns fältflöde ϕm stabilt. Dessutom regleras motorarmaturenströmmen Ia för att matcha dess nominerade värde vid hastighetskontroll. Genom att variera den genererade fältdriftströmmen Ifg kan armaturspänningen Vt justeras från noll till dess nominerade värde. 

Denna justering av spänning resulterar i att motorns hastighet ändras från noll till dess basladdning. Eftersom hastighetsregleringsprocessen utförs med den nominerade strömmen Ia och ett konstant motorfältflöde ϕm uppnås en konstant moment, eftersom momentet är direkt proportionellt mot produkten av armaturenströmmen och fältflödet upp till den nominerade hastigheten. Eftersom produkten av moment och hastighet definierar effekt, och momentet förblir konstant i detta fall, blir effekten direkt proportionell mot hastighet. Konsekvent ökar effektutmatningen samtidigt som motorens hastighet ökar. 

Moments- och effektkarakteristiken för detta hastighetsreglersystem illustreras i figuren nedan, vilket ger en visuell representation av hur dessa parametrar interagerar och förändras under drift.

Sammanfattningsvis möjliggör armaturspänningskontrollmetoden att uppnå en konstant moment- och variabel effektantrieb för hastigheter under basladdningen. Å andra sidan kommer fältflödeskontrollmetoden till användning när hastigheten överstiger basladdningen. I detta driftläge bibehålls armaturenströmmen konstant på sitt nominerade värde, och generatorspänningen Vt förblir konstant.

När motorfältdriftströmmen minskas minskar också motorfältflödet, vilket effektivt svaggar fältet för att uppnå högre hastigheter. Eftersom Vt Ia och E Ia förblir konstant är det elektromagnetiska momentet direkt proportionellt mot produkten av fältflödet ϕm och armaturenströmmen Ia. Konsekvent leder en minskning av motorfältflödet till en minskning av momentet.

Som ett resultat minskar momentet när hastigheten ökar. Således erhålls en konstant effekt och en variabel momentoperation i fältkontrollläget, för hastigheter över basladdningen. Vid behov av en brett skala hastighetsreglering används en kombination av armaturspänningskontroll och fältflödeskontroll. Denna kombinerade metod gör det möjligt för förhållandet mellan den maximala och minimala tillgängliga hastigheten att ligga mellan 20 och 40. I slutna reglersystem kan denna hastighetsomfattning utvidgas upp till 200.

Drivmotorn kan vara antingen en induktionsmotor eller en synkronmotor. En induktionsmotor drivas normalt vid ett försenat effektfaktor. I jämförelse kan en synkronmotor drivas vid ett förekommande effektfaktor genom överuppspänning av dess fält. En överuppspänd synkronmotor genererar ett ledande reaktiv effekt, vilket effektivt kompenserar för den försenade reaktiva effekt som konsumeras av andra induktiva belastningar, vilket i sin tur förbättrar den totala effektfaktorn.

Vid hantering av tunga och intermittenta belastningar används ofta en slipringinduktionsmotor som primärmotor, och en flyghjul monteras på dess axel. Denna konfiguration, känd som Ward Leonard-Ilgener-schema, hjälper till att förhindra betydande fluktuationer i strömförsörjningen. Dock kan inte montering av ett flyghjul på axeln reducera fluktuationerna när en synkronmotor fungerar som drivmotor, eftersom en synkronmotor alltid kör vid en konstant hastighet.

Fördelar med Ward Leonard-driv

• Ward Leonard-driv erbjuder flera viktiga fördelar:

• Det möjliggör en smidig hastighetskontroll av en DC-motor över ett brett spektrum i båda riktningarna.

• Det har en inbyggd bromsförmåga.Genom att använda en överuppspänd synkronmotor som driv, kompenseras de försenade reaktiva volt-amper, vilket förbättrar den totala effektfaktorn.

• I tillämpningar med intermittenta belastningar, såsom i valsmalmer, kan en induktionsmotor med ett flyghjul användas för att jämna ut den intermittenta belastningen, vilket minskar dess inverkan på systemet.

Nackdelar med klassiskt Ward Leonard-system

Det klassiska Ward Leonard-systemet, som bygger på roterande Motor-Generator-set, har följande begränsningar:

• Den ursprungliga investeringen för systemet är betydande på grund av kravet på installation av en motor-generator-set med samma dimension som den huvudsakliga DC-motorn.

• Det har en stor fysisk storlek och betydande vikt.

• Det kräver en stor golvyta för installation.Fundamentet som krävs för systemet är kostsamt.

• Regelbunden underhåll är nödvändigt.

• Det leder till högre förluster under drift.

• Den totala effektiviteten är relativt låg.

• Drivningen genererar en betydande mängd buller.

Tillämpningar av Ward Leonard-driv

Ward Leonard-driv är idealiska för situationer där smidig, tvåvägad och brett skalig hastighetskontroll av DC-motorer är avgörande. Några vanliga tillämpningar inkluderar:

• Valsmalmer

• Hissar

• Kranar

• Pappersmassor

• Dieselelektriska lokomotiv

• Gruvlyfter

Starkströmskontroll eller statiskt Ward Leonard-system

I moderna tillämpningar föredras det statiska Ward Leonard-systemet. I detta system ersätts den traditionella roterande motor-generator (M-G) set med en starkströmskonverterare för att styra hastigheten på DC-motorn. Kontrollerade rektifierare och choppers används vanligtvis som konverterare.

När strömkällan är en växelströmsförsörjning används kontrollerade rektifierare för att omvandla den fasta växelströmsförsörjningen till en variabel likströmsförsörjning. I fallet med en likströmsförsörjning används choppers för att få en variabel likspänning från den fasta likströmskällan.

I en alternativ form av Ward Leonard-driv kan även icke-elektriska primärmotorer användas för att driva DC-generatören. Till exempel i DC-ellok, drivs DC-generatören av en dieselmotor eller en gasturbin, och denna konfiguration är också tillämplig i fartygsdriv. I sådana system är regenerativ bromsning inte möjlig eftersom energi inte kan flöda åt andra hållet genom primärmotorn.