Метод Уорда-Леонарда керування швидкістю або керування напругою якоря

Метод керування швидкістю Вард Леонарда працює за рахунок налаштування напруги, яка підводиться до якоря двигуна. Цей інноваційний підхід був вперше запропонований у 1891 році, що стало значним прогресом у галузі електричного керування двигунами. Нижче наведено схему з'єднання для реалізації методу Вард Леонарда для керування швидкістю серійного двигуна постійного струму, що надає чітке візуальне представлення про конфігурацію та роботу системи.

У системі, описаній вище, М представляє основний двигун постійного струму, чия обертальна швидкість є цілью керування, а G — окремо збуджений генератор постійного струму. Генератор G живлено трьохфазним приводним двигуном, який може бути індукційним або синхронним. Сполучення приводного двигуна постійного струму та генератора постійного струму часто називають комплектом двигун-генератор (M-G).

Напруга, вихідна з генератора, може бути налаштована за допомогою зміни струму поля генератора. Коли ця налаштована напруга безпосередньо підводиться до якоря основного двигуна постійного струму, це призводить до відповідної зміни швидкості двигуна M. Для забезпечення стабільної роботи під час керування швидкістю, струм поля двигуна Ifm підтримується на постійному рівні, що, в свою чергу, зберігає стабільнім потік поля ϕm двигуна. Крім того, під час керування швидкістю двигуна, струм якоря Ia регулюється, щоб відповідати його номінальному значенню. Змінюючи створений струм поля Ifg, можна налаштувати напругу якоря Vt від нуля до його номінального значення.

Ця налаштування напруги призводить до зміни швидкості двигуна від нуля до його базової швидкості. Оскільки процес керування швидкістю виконується при номінальному струмі Ia та постійному потоці поля ϕm двигуна, досягається постійний момент, оскільки момент прямо пропорційний добутку струму якоря та потоку поля до номінальної швидкості. Оскільки добуток моменту та швидкості визначає потужність, а момент залишається постійним у цьому випадку, потужність стає прямо пропорційною швидкості. Відповідно, коли виводна потужність збільшується, швидкість двигуна також збільшується.

Характеристики моменту та потужності цієї системи керування швидкістю наведені на нижньому малюнку, що надає візуальне представлення про те, як ці параметри взаємодіють та змінюються під час роботи.

Загалом, метод керування напругою якоря дозволяє досягнути постійного моменту та змінної потужності для швидкостей нижче базової. Натомість, метод керування потоком поля вступає в дію, коли швидкість перевищує базову. У цьому режимі роботи, струм якоря постійно підтримується на своєму номінальному значенні, а напруга генератора Vt залишається постійною.

При зменшенні струму поля двигуна, потік поля ϕm двигуна також зменшується, ефективно послаблюючи поле для досягнення більш високих швидкостей. Оскільки Vt Ia та E Ia залишаються постійними, електромагнітний момент прямо пропорційний добутку потоку поля ϕm та струму якоря Ia. Відповідно, зменшення потоку поля двигуна призводить до зменшення моменту.

В результаті, момент зменшується зі зростанням швидкості. Таким чином, у режимі керування полем, для швидкостей вище базової, досягається постійна потужність та змінний момент. Коли необхідне широке керування швидкістю, використовується комбінація методів керування напругою якоря та потоком поля. Цей сполучений підхід дозволяє відношення максимальної до мінімальної доступної швидкості від 20 до 40. У замкнених системах керування, цей діапазон швидкостей можна розширити до 200.

Привідний двигун може бути або індукційним, або синхронним. Індукційний двигун зазвичай працює при запізненому коефіцієнті мощності. Натомість, синхронний двигун можна працювати при опережаючому коефіцієнті мощності через перевозбудження його поля. Перевозбуджений синхронний двигун генерує опережаючу реактивну потужність, що ефективно компенсує запізнену реактивну потужність, споживану іншими індуктивними навантаженнями, що покращує загальний коефіцієнт мощності.

При роботі з важкими та періодичними навантаженнями часто використовується індукційний двигун з кільцевими контактами як основний привід, а на його валу монтується махова маса. Ця конфігурація, відома як схема Вард Леонард-Ілгенер, допомагає запобігти значним флуктуаціям струму живлення. Однак, коли синхронний двигун служить привідним двигуном, монтаж махової маси на його валу не може зменшити флуктуації, оскільки синхронний двигун завжди працює на постійній швидкості.

Переваги приводів Вард Леонарда

• Привод Вард Леонарда має кілька ключових переваг:

• Дозволяє плавно керувати швидкістю двигуна постійного струму в широкому діапазоні в обох напрямках.

• Має власну здатність до гальмування. Використовуючи перевозбуджений синхронний двигун як привід, запізнені реактивні вольт-ампери компенсуються, що покращує загальний коефіцієнт мощності.

• У застосуваннях з періодичними навантаженнями, таких як прокатні мельниці, можна використовувати індукційний двигун з маховою масою для згладження періодичного навантаження, що зменшує його вплив на систему.

Недоліки класичної системи Вард Леонарда

Класична система Вард Леонарда, яка спирається на обертальні комплекти двигун-генератор, має наступні обмеження:

• Початкові вкладення в систему великі через необхідність встановлення комплекту двигун-генератор з такою ж номіналом, як у головного двигуна постійного струму.

• Вона має велику фізичну розмірність та значну вагу.

• Вимагає великої площі для встановлення. Фундамент, необхідний для системи, дорого коштує.

• Частий догляд необхідний.

• Відбуваються більші втрати під час роботи.

• Загальна ефективність відносно низька.

• Привід генерує значний шум.

Застосування приводів Вард Леонарда

Приводи Вард Леонарда ідеальні для ситуацій, де необхідне плавне, двобічне та широкий діапазон керування швидкістю двигунів постійного струму. Деякі типові застосування включають:

• Прокатні мельниці

• Ліфти

• Крані

• Бумажні мельниці

• Дизель-електричні локомотиви

• Шахтні подійки

Твердотільне керування або статична система Вард Леонарда

У сучасних застосуваннях широко використовується статична система Вард Леонарда. У цій системі традиційний обертаючий комплект двигун-генератор (M-G) замінюється твердотільним конвертором для керування швидкістю двигуна постійного струму. Зазвичай використовуються контроловані выпрямители та рубильники.

Якщо джерело живлення є постачанням перемінного струму, використовуються контроловані выпрямители для перетворення фіксованої напруги перемінного струму в змінну напругу постійного струму. У випадку постачання постійного струму, використовуються рубильники для отримання змінної напруги постійного струму з фіксованого джерела постійного струму.

У альтернативній формі приводу Вард Леонарда, немеханічні первинні приводи також можуть бути використані для приводу генератора постійного струму. Наприклад, у дизель-електричних локомотивах, генератор постійного струму приводиться в рух дизельним двигуном або газовим турбіном, і ця конфігурація також застосовується в приводах суднопропульсів. У таких системах регенеративне гальмування неможливе, оскільки енергія не може протікати в зворотньому напрямку через первинний привід.