วิธีการควบคุมความเร็วด้วย Ward Leonard หรือการควบคุมแรงดันอาร์มาเจอร์
วิธีการควบคุมความเร็วด้วย Ward Leonard ทำงานโดยปรับแรงดันที่นำไปใช้กับอาร์เมเจอร์ของมอเตอร์ การเข้าถึงนวัตกรรมนี้ได้รับการแนะนำครั้งแรกในปี 1891 ซึ่งเป็นการพัฒนาที่สำคัญในวงการควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้า แผนภาพด้านล่างแสดงแผนการเชื่อมต่อสำหรับการใช้วิธีการ Ward Leonard เพื่อควบคุมความเร็วของมอเตอร์ DC ชันต์ ให้ภาพรวมที่ชัดเจนเกี่ยวกับการกำหนดและการทำงานของระบบ
ในระบบดังกล่าว M แทนมอเตอร์ DC หลักที่มีความเร็วในการหมุนเป็นเป้าหมายของการควบคุม ในขณะที่ G เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า DC ที่กระตุ้นแยกต่างหาก เครื่องกำเนิดไฟฟ้า G ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ขับเคลื่อนเฟสสาม ซึ่งอาจเป็นมอเตอร์เหนี่ยวนำหรือมอเตอร์ซิงโครนัส การจับคู่ระหว่างมอเตอร์ขับเคลื่อน AC และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า DC มักจะเรียกว่า Motor-Generator (M-G) set
แรงดันเอาต์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถปรับเปลี่ยนได้โดยการแก้ไขกระแสสนามของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เมื่อแรงดันที่ปรับแล้วนี้ถูกจ่ายตรงไปยังอาร์เมเจอร์ของมอเตอร์ DC หลัก มันทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกับความเร็วของมอเตอร์ M เพื่อให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพคงที่ในการควบคุมความเร็ว กระแสสนามของมอเตอร์ Ifm ถูกรักษาไว้ที่ระดับคงที่ ซึ่งทำให้ฟลักซ์สนาม ϕm ของมอเตอร์คงที่ นอกจากนี้ ขณะควบคุมความเร็วของมอเตอร์ กระแสอาร์เมเจอร์ Ia ถูกควบคุมเพื่อให้ตรงกับค่าที่กำหนด โดยการเปลี่ยนแปลงกระแสสนามที่สร้างขึ้น Ifg แรงดัน Vt สามารถปรับเปลี่ยนจากศูนย์ถึงค่าที่กำหนด
การปรับเปลี่ยนแรงดันนี้ทำให้ความเร็วของมอเตอร์เปลี่ยนแปลงจากศูนย์ถึงความเร็วฐาน เนื่องจากการควบคุมความเร็วดำเนินการด้วยกระแสที่กำหนด Ia และฟลักซ์สนามของมอเตอร์ ϕm ที่คงที่ แรงบิดคงที่จะได้รับ เนื่องจากแรงบิดมีความสัมพันธ์โดยตรงกับผลคูณของกระแสอาร์เมเจอร์และฟลักซ์สนามจนถึงความเร็วที่กำหนด เนื่องจากผลคูณของแรงบิดและความเร็วกำหนดพลังงาน และแรงบิดคงที่ในสถานการณ์นี้ พลังงานจะมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความเร็ว ดังนั้น เมื่อพลังงานเอาต์พุตเพิ่มขึ้น ความเร็วของมอเตอร์ก็เพิ่มขึ้นตามลำดับ
คุณสมบัติของแรงบิดและพลังงานของระบบควบคุมความเร็วนี้แสดงอยู่ในแผนภาพด้านล่าง ให้ภาพรวมที่ชัดเจนเกี่ยวกับวิธีการทำงานและการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์เหล่านี้ระหว่างการทำงาน
สรุปได้ว่าวิธีการควบคุมแรงดันอาร์เมเจอร์ช่วยให้สามารถบรรลุแรงบิดคงที่และขับเคลื่อนพลังงานที่เปลี่ยนแปลงได้สำหรับความเร็วต่ำกว่าความเร็วฐาน ทางตรงกันข้าม วิธีการควบคุมฟลักซ์สนามจะเข้ามาทำงานเมื่อความเร็วเกินความเร็วฐาน ในโหมดการทำงานนี้ กระแสอาร์เมเจอร์ถูกรักษาไว้ที่ค่าที่กำหนด และแรงดัน Vt ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าคงที่
เมื่อกระแสสนามของมอเตอร์ลดลง ฟลักซ์สนามของมอเตอร์ก็ลดลง ทำให้ฟลักซ์สนามอ่อนแอลงเพื่อให้ได้ความเร็วสูงขึ้น เนื่องจาก Vt Ia และ E Ia คงที่ แรงบิดแม่เหล็กไฟฟ้ามีความสัมพันธ์โดยตรงกับผลคูณของฟลักซ์สนาม ϕm และกระแสอาร์เมเจอร์ Ia ดังนั้น การลดลงของฟลักซ์สนามของมอเตอร์ทำให้แรงบิดลดลง
ดังนั้น แรงบิดลดลงเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น ดังนั้น ในโหมดควบคุมฟลักซ์สนาม สำหรับความเร็วสูงกว่าความเร็วฐาน จะได้การดำเนินงานที่มีพลังงานคงที่และแรงบิดที่เปลี่ยนแปลงได้ เมื่อจำเป็นต้องควบคุมความเร็วในช่วงกว้าง จะใช้วิธีการควบคุมแรงดันอาร์เมเจอร์และฟลักซ์สนามร่วมกัน วิธีการผสมผสานนี้ช่วยให้อัตราส่วนของความเร็วสูงสุดต่ำสุดที่มีอยู่อยู่ระหว่าง 20 ถึง 40 ในระบบควบคุมวงจรป้อนกลับ อัตราส่วนความเร็วนี้สามารถขยายออกไปถึง 200
มอเตอร์ขับเคลื่อนสามารถเป็นมอเตอร์เหนี่ยวนำหรือมอเตอร์ซิงโครนัส มอเตอร์เหนี่ยวนำมักจะทำงานที่แฟคเตอร์พลังงานหน่วง ในทางตรงกันข้าม มอเตอร์ซิงโครนัสสามารถทำงานที่แฟคเตอร์พลังงานนำผ่านการกระตุ้นสนามเกิน ซึ่งมอเตอร์ซิงโครนัสที่กระตุ้นเกินจะสร้างพลังงานปฏิกิริยานำ ซึ่งช่วยชดเชยพลังงานปฏิกิริยาหน่วงที่ถูกบริโภคโดยโหลดอินดักทีฟอื่น ๆ ทำให้แฟคเตอร์พลังงานโดยรวมดีขึ้น
เมื่อต้องเผชิญกับโหลดหนักและไม่ต่อเนื่อง มักจะใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำแบบแหวนเลื่อนเป็นเครื่องขับเคลื่อนหลัก และติดตั้งวงล้อเหวี่ยงบนเพลาของมัน การกำหนดค่านี้เรียกว่าแผนการ Ward Leonard - Ilgener ช่วยป้องกันการผันผวนของกระแสไฟฟ้าที่มาก แต่เมื่อมอเตอร์ซิงโครนัสเป็นมอเตอร์ขับเคลื่อน การติดตั้งวงล้อเหวี่ยงบนเพลาไม่สามารถลดการผันผวนได้ เนื่องจากมอเตอร์ซิงโครนัสมักจะทำงานที่ความเร็วคงที่
ข้อดีของระบบ Ward Leonard Drives
ระบบ Ward Leonard drive มีข้อดีหลายประการ:
ช่วยให้สามารถควบคุมความเร็วของมอเตอร์ DC ได้อย่างราบรื่นในช่วงกว้างทั้งสองทิศทาง
มีความสามารถในการเบรกโดยธรรมชาติ ด้วยการใช้มอเตอร์ซิงโครนัสที่กระตุ้นเกิน แรงดัน-แอมแปร์หน่วงจะได้รับการชดเชย ทำให้แฟคเตอร์พลังงานโดยรวมดีขึ้น
ในการใช้งานที่มีโหลดไม่ต่อเนื่อง เช่น โรงกลิ้ง สามารถใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำพร้อมวงล้อเหวี่ยงเพื่อลดผลกระทบของโหลดที่ไม่ต่อเนื่อง ทำให้ระบบมีความราบรื่น
ข้อเสียของระบบ Ward Leonard แบบคลาสสิก
ระบบ Ward Leonard แบบคลาสสิก ซึ่งพึ่งพาชุด Motor-Generator ที่หมุน มีข้อจำกัดดังนี้:
การลงทุนเริ่มต้นสำหรับระบบมีค่าใช้จ่ายสูง เนื่องจากต้องติดตั้งชุด Motor-Generator ที่มีอัตราส่วนเท่ากับมอเตอร์ DC หลัก
มีขนาดใหญ่และมีน้ำหนักมาก
ต้องการพื้นที่ติดตั้งขนาดใหญ่ ฐานที่ต้องการสำหรับระบบมีค่าใช้จ่ายสูง
ต้องการการบำรุงรักษาบ่อยครั้ง
มีการสูญเสียสูงในการทำงาน
ประสิทธิภาพโดยรวมต่ำ
ระบบสร้างเสียงรบกวนจำนวนมาก
การใช้งานของระบบ Ward Leonard Drives
ระบบ Ward Leonard drives เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่ต้องการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ DC ที่ราบรื่น ทั้งสองทิศทาง และในช่วงกว้าง บางการใช้งานที่พบบ่อย ได้แก่:
โรงกลิ้ง
ลิฟต์
เครน
โรงกระดาษ
รถไฟดีเซล-ไฟฟ้า
เครื่องยกเหมือง
ระบบควบคุมแบบโซลิดสเตต หรือระบบ Ward Leonard แบบสถิต
ในการใช้งานสมัยใหม่ ระบบ Ward Leonard แบบสถิตได้รับความนิยมอย่างกว้างขวาง ในระบบดังกล่าว ชุด Motor-Generator (M-G) แบบหมุนแบบดั้งเดิมถูกแทนที่ด้วยคอนเวอร์เตอร์แบบโซลิดสเตตเพื่อควบคุมความเร็วของมอเตอร์ DC คอนเวอร์เตอร์ที่ใช้บ่อยคือ รีคติไฟเออร์ที่ควบคุมและช็อปเปอร์
เมื่อแหล่งพลังงานเป็นไฟฟ้า AC รีคติไฟเออร์ที่ควบคุมจะใช้เพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้า AC คงที่เป็นแรงดันไฟฟ้า DC ที่เปลี่ยนแปลงได้ ในกรณีที่แหล่งพลังงานเป็นไฟฟ้า DC ช็อปเปอร์จะใช้เพื่อได้แรงดันไฟฟ้า DC ที่เปลี่ยนแปลงได้จากแหล่งพลังงาน DC คงที่
ในรูปแบบอื่นของระบบ Ward Leonard สามารถใช้เครื่องขับเคลื่อนที่ไม่ใช่ไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า DC ได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น ในรถรางไฟฟ้า DC เครื่องกำเนิดไฟฟ้า DC ถูกขับเคลื่อนโดยเครื่องยนต์ดีเซลหรือกังหันแก๊ส และการตั้งค่านี้ยังสามารถใช้ในระบบขับเคลื่อนเรือได้ ในระบบดังกล่าว การเบรกแบบรีเจเนเรทีฟไม่สามารถทำได้ เนื่องจากพลังงานไม่สามารถไหลกลับผ่านเครื่องขับเคลื่อนหลักได้
