Ward Leonard Hız Kontrol Yöntemi veya Armatur Gerilimi Kontrolü

Ward Leonard hız kontrol yöntemi, bir motora uygulanan gerilimi ayarlayarak çalışır. Bu yenilikçi yaklaşım ilk olarak 1891 yılında tanıtıldı ve elektrik motor kontrolü alanında önemli bir ilerleme işaret etti. Aşağıdaki şekil, DC şunt motorunun hızını kontrol etmek için Ward Leonard yöntemini uygulamak üzere bağlantı diyagramını göstererek sistemin yapılandırmasını ve işlemesini net bir şekilde temsil etmektedir.

Yukarıda açıklanan sistemde, M hedeflenen hız kontrolünün uygulandığı ana DC motoru temsil ederken, G ayrı bir DC jeneratördür. Jeneratör G, genellikle endüksiyon motoru veya senkron motor olabilen üç fazlı sürükleyici motor tarafından güçlendirilir. AC sürücü motoru ile DC jeneratörünün kombinasyonu genellikle Motor-Jeneratör (M-G) seti olarak adlandırılır.

Jeneratörün çıkış gerilimi, jeneratörün manyetik alan akımını değiştirerek ayarlanabilir. Bu ayarlanmış gerilim doğrudan ana DC motorun armatürüne beslendiğinde, motor M'nin hızında karşılık gelen bir değişiklik meydana gelir. Hız kontrol sırasında tutarlı performans sağlamak için, motorun manyetik alan akımı Ifm sabit seviyede tutulur, bu da motorun manyetik alan akımı ϕm'yi istikrarlı hâle getirir. Ayrıca, motorun hızını kontrol ederken, motor armatür akımı Ia onun nominal değerine uygun olarak düzenlenir. Üretilen manyetik alan akımı Ifg'yi değiştirerek, armatür gerilimi Vt sıfırdan nominal değerine kadar ayarlanabilir.

Bu gerilim düzenleme sonucunda, motorun hızı sıfırdan taban hızına kadar değişir. Hız kontrol süreci, nominal akım Ia ve sabit motor manyetik alana ϕm ile gerçekleştirilir, bu nedenle tork sabit kalır, çünkü tork, armatür akımı ve manyetik alan akımı'nın ürününe orantılıdır. Güç, tork ve hızın çarpımı ile tanımlandığından, bu durumda tork sabit olduğundan, güç hızla orantılı hâle gelir. Bu nedenle, güç çıkışı arttıkça, motorun hızı da buna göre artar.

Bu hız kontrol sisteminin tork ve güç özellikleri, aşağıdaki figürde gösterilmiştir ve bu parametrelerin operasyon sırasında nasıl etkileşime girdiğini ve değiştiğini görsel olarak temsil etmektedir.

Özetle, armatür gerilimi kontrol yöntemi, taban hızından düşük hızlar için sabit tork ve değişken güç sürüşünü sağlar. Diğer yandan, hız taban hızını aşarsa, manyetik alan akımı kontrol yöntemi devreye girer. Bu çalışma modunda, armatür akımı her zaman nominal değerinde tutulur ve jeneratör gerilimi Vt sabit kalır.

Motor manyetik alan akımı azaltıldığında, motor manyetik alanı da zayıflar, bu da daha yüksek hızlar elde etmek için alanın zayıflatılmasına neden olur. Vt Ia ve E Ia'nın sabit kaldığı verildiğinde, elektromanyetik tork, manyetik alan akımı ϕm ve armatür akımı Ia'nın ürününe orantılıdır. Sonuç olarak, motorun manyetik alan akımı azaldıkça, tork da azalır.

Bu nedenle, hız arttıkça tork azalır. Böylece, manyetik alan kontrol modunda, taban hızından yüksek hızlar için sabit güç ve değişken tork işlemini elde ederiz. Geniş aralıklı hız kontrolü gerektiğinde, armatür gerilimi kontrolü ve manyetik alan kontrolü birleştirilir. Bu birleşik yaklaşım, maksimumdan minimuma olan hızların oranı 20 ila 40 arasında değişebilir. Kapalı döngü kontrol sistemlerinde, bu hız aralığı 200'e kadar genişletilebilir.

Sürücü motor ya bir endüksiyon motoru olabilir ya da bir senkron motor. Bir endüksiyon motor genellikle gerilim faktörü geride çalışır. Buna karşılık, senkron motor, alanının aşırı tetiklenmesiyle önde bir gerilim faktörüyle çalıştırılabilir. Aşırı tetiklenmiş bir senkron motor, önde reaktif güç üretir, bu da diğer indüktif yükler tarafından tüketilen geride kalan reaktif gücü telafi ederek toplam gerilim faktörünü iyileştirir.

Ağırlıkta ve ara sıra yüklerle karşılaştığında, asal motor olarak halka endüksiyon motoru kullanılır ve eksenine bir flywheel takılır. Bu yapılandırma, Ward Leonard-Ilgener şeması olarak bilinir ve besleme akımındaki önemli dalgalanmalara engel olur. Ancak, sürücü motor olarak bir senkron motor kullanıldığında, eksenine bir flywheel takmak, dalgalanmaları azaltamaz, çünkü bir senkron motor her zaman sabit bir hızda çalışır.

Ward Leonard Sürücülerinin Avantajları

• Ward Leonard sürücüsü birkaç önemli avantaja sahiptir:

• DC motorun geniş bir hız aralığında düzgün hız kontrolünü sağlar.

• Doğal frenleme özelliğine sahiptir. Aşırı tetiklenmiş bir senkron motor kullanılarak, geride kalan reaktif volt-amperler telafi edilir, bu da toplam gerilim faktörünü artırır.

• Ara sıra yükler gerektiren uygulamalarda, bir flywheel ile donatılmış bir endüksiyon motoru kullanılarak, ara yüklerin etkisi azaltılabilir.

Klasik Ward Leonard Sisteminin Dezavantajları

Dönen Motor-Jeneratör setlerine dayanan klasik Ward Leonard sisteminin aşağıdaki sınırlamaları vardır:

• Sistem, ana DC motorla aynı dereceli bir motor-jeneratör seti kurulumu gerektirdiği için başlangıç yatırımı büyük olmaktadır.

• Fiziksel boyutu ve ağırlığı büyüktür.

• Kurulum için büyük bir alan gerektirir. Sistem için gereken temel maliyetlidir.

• Sıklıkla bakım gerektirir.

• İşlem sırasında daha fazla kayıp oluşur.

• Genel verimliliği nispeten düşüktür.

• Sürücü önemli miktarda gürültü üretir.

Ward Leonard Sürücülerinin Uygulamaları

Ward Leonard sürücüleri, DC motorların düzgün, çift yönlü ve geniş aralıklı hız kontrolü gereklidirken idealdir. Bazı yaygın uygulamalar şunlardır:

• Yalma tesisleri

• Asansörler

• Kranlar

• Kağıt hamamları

• Dizel-elektrik lokomotifleri

• Madencilik çapaları

Katı Hal Kontrol veya Statik Ward Leonard Sistemi

Modern uygulamalarda, statik Ward Leonard sistemi yaygın olarak tercih edilmektedir. Bu sistemde, geleneksel dönen motor-jeneratör (M-G) seti yerine, DC motorun hızını kontrol etmek için katı hal dönüştürücü kullanılır. Kontrollü redktörler ve choppers yaygın olarak dönüştürücü olarak kullanılır.

Güç kaynağı AC ise, kontrollü redktörler sabit AC besleme gerilimini değişken DC besleme gerilimine dönüştürmek için kullanılır. Güç kaynağı DC ise, choppers sabit DC kaynağın değişken DC gerilimini elde etmek için kullanılır.

Ward Leonard sürücüsünün alternatif bir biçiminde, DC jeneratörü çalıştırmak için elektriksel olmayan asal motorlar da kullanılabilir. Örneğin, DC elektrikli lokomotiflerde, DC jeneratörü dizel motor veya gaz türbini tarafından güçlendirilir ve bu sistem gemi itki sürücülerinde de uygulanabilir. Bu sistemlerde, enerji asal motordan ters yönde aktarılamadığından, yeniden üretime dayalı frenleme mümkün değildir.