Phương pháp Ward Leonard để điều khiển tốc độ hoặc điều khiển điện áp cuộn dây armature

Phương pháp điều khiển tốc độ Ward Leonard hoạt động bằng cách điều chỉnh điện áp được cung cấp cho phần tử dẫn của động cơ. Cách tiếp cận sáng tạo này được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1891, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực điều khiển động cơ điện. Hình dưới đây minh họa sơ đồ kết nối để thực hiện phương pháp Ward Leonard nhằm điều khiển tốc độ của động cơ DC song song, cung cấp một hình ảnh trực quan rõ ràng về cấu hình và hoạt động của hệ thống.

Trong hệ thống được mô tả ở trên, M đại diện cho động cơ DC chính mà tốc độ xoay là mục tiêu cần điều khiển, trong khi G là máy phát điện DC được kích thích riêng biệt. Máy phát G được cấp nguồn bởi động cơ truyền động ba pha, có thể là động cơ cảm ứng hoặc động cơ đồng bộ. Sự ghép cặp giữa động cơ truyền động AC và máy phát điện DC thường được gọi là Bộ Động Cơ - Máy Phát (M - G).

Điện áp đầu ra của máy phát có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi dòng điện từ trường của máy phát. Khi điện áp đã được điều chỉnh này được cung cấp trực tiếp cho phần tử dẫn của động cơ DC chính, nó gây ra sự thay đổi tương ứng trong tốc độ của động cơ M. Để đảm bảo hiệu suất ổn định trong quá trình điều khiển tốc độ, dòng điện từ trường Ifm của động cơ được duy trì ở mức không đổi, giúp giữ cho từ thông từ trường ϕm của động cơ ổn định. Ngoài ra, trong khi điều khiển tốc độ của động cơ, dòng điện phần tử dẫn Ia được điều chỉnh để phù hợp với giá trị định mức. Bằng cách thay đổi dòng điện từ trường sinh ra Ifg, điện áp phần tử dẫn Vt có thể được điều chỉnh từ không đến giá trị định mức.

Sự điều chỉnh điện áp này dẫn đến việc tốc độ của động cơ thay đổi từ không đến tốc độ cơ bản. Do quá trình điều khiển tốc độ được thực hiện với dòng điện định mức Ia và từ thông từ trường động cơ ϕm không đổi, nên momen xoắn không đổi được đạt được, vì momen xoắn tỷ lệ thuận với tích của dòng điện phần tử dẫn và từ thông từ trường lên đến tốc độ định mức. Do sản phẩm của momen xoắn và tốc độ xác định công suất, và momen xoắn không đổi trong trường hợp này, công suất trở nên tỷ lệ thuận với tốc độ. Do đó, khi công suất đầu ra tăng, tốc độ của động cơ cũng tăng theo.

Đặc tính momen xoắn và công suất của hệ thống điều khiển tốc độ này được minh họa trong hình dưới đây, cung cấp một hình ảnh trực quan về cách các tham số này tương tác và thay đổi trong quá trình hoạt động.

Tóm lại, phương pháp điều khiển điện áp phần tử dẫn cho phép đạt được momen xoắn không đổi và công suất biến đổi cho tốc độ dưới tốc độ cơ bản. Mặt khác, phương pháp điều khiển từ thông từ trường bắt đầu hoạt động khi tốc độ vượt quá tốc độ cơ bản. Trong chế độ hoạt động này, dòng điện phần tử dẫn được duy trì liên tục ở giá trị định mức, và điện áp máy phát Vt vẫn không đổi.

Khi dòng điện từ trường của động cơ giảm, từ thông từ trường của động cơ cũng giảm, làm yếu từ trường để đạt được tốc độ cao hơn. Do Vt Ia và E Ia không đổi, momen xoắn điện từ tỷ lệ thuận với tích của từ thông từ trường ϕm và dòng điện phần tử dẫn Ia. Do đó, việc giảm từ thông từ trường của động cơ dẫn đến việc giảm momen xoắn.

Kết quả là, momen xoắn giảm khi tốc độ tăng. Do đó, trong chế độ điều khiển từ trường, cho tốc độ trên tốc độ cơ bản, hoạt động với công suất không đổi và momen xoắn biến đổi được đạt được. Khi cần điều khiển tốc độ rộng, sự kết hợp giữa điều khiển điện áp phần tử dẫn và điều khiển từ thông từ trường được sử dụng. Phương pháp kết hợp này cho phép tỷ lệ giữa tốc độ tối đa và tối thiểu có sẵn nằm trong khoảng từ 20 đến 40. Trong các hệ thống điều khiển vòng kín, phạm vi tốc độ này có thể được mở rộng lên đến 200.

Động cơ truyền động có thể là động cơ cảm ứng hoặc động cơ đồng bộ. Động cơ cảm ứng thường hoạt động ở hệ số công suất tụ hậu. Ngược lại, động cơ đồng bộ có thể được vận hành ở hệ số công suất siêu trước thông qua kích thích quá mức từ trường của nó. Một động cơ đồng bộ được kích thích quá mức tạo ra công suất phản kháng siêu trước, bù đắp cho công suất phản kháng tụ hậu tiêu thụ bởi các tải cảm khác, do đó cải thiện tổng thể hệ số công suất.

Khi xử lý tải nặng và gián đoạn, động cơ cảm ứng có vòng trượt thường được sử dụng làm động cơ chính, và bánh đà được gắn trên trục của nó. Cấu hình này, được gọi là sơ đồ Ward Leonard - Ilgener, giúp ngăn chặn sự dao động đáng kể của dòng điện cung cấp. Tuy nhiên, khi động cơ đồng bộ được sử dụng làm động cơ truyền động, việc gắn bánh đà trên trục của nó không thể giảm sự dao động, vì động cơ đồng bộ luôn chạy ở tốc độ không đổi.

Ưu điểm của Hệ Điều Khiển Ward Leonard

• Hệ điều khiển Ward Leonard mang lại nhiều ưu điểm chính:

• Nó cho phép điều khiển tốc độ mượt mà của động cơ DC trong phạm vi rộng ở cả hai hướng.

• Nó có khả năng phanh tự nhiên. Bằng cách sử dụng động cơ đồng bộ được kích thích quá mức làm động cơ truyền động, công suất phản kháng tụ hậu được bù đắp, cải thiện tổng thể hệ số công suất.

• Trong các ứng dụng có tải gián đoạn, như nhà máy cán thép, động cơ cảm ứng có bánh đà có thể được sử dụng để làm mịn tải gián đoạn, giảm tác động của nó lên hệ thống.

Nhược điểm của Hệ Ward Leonard Cổ Điển

Hệ Ward Leonard cổ điển, dựa trên bộ Động Cơ - Máy Phát quay, có những hạn chế sau:

• Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống là lớn do yêu cầu lắp đặt bộ Động Cơ - Máy Phát có cùng công suất với động cơ DC chính.

• Nó có kích thước vật lý lớn và trọng lượng đáng kể.

• Nó đòi hỏi diện tích sàn lớn để lắp đặt. Nền móng cần thiết cho hệ thống là tốn kém.

• Cần bảo dưỡng thường xuyên.

• Nó gây mất mát lớn trong quá trình hoạt động.

• Hiệu suất tổng thể tương đối thấp.

• Hệ điều khiển tạo ra tiếng ồn đáng kể.

Ứng Dụng của Hệ Điều Khiển Ward Leonard

Hệ điều khiển Ward Leonard lý tưởng cho các kịch bản cần điều khiển tốc độ mượt mà, hai chiều và rộng rãi của động cơ DC. Một số ứng dụng phổ biến bao gồm:

• Nhà máy cán thép

• Thang máy

• Cẩu trục

• Nhà máy giấy

• Tàu hỏa điện dầu

• Máy nâng mỏ

Hệ Điều Khiển Bán Dẫn hoặc Hệ Ward Leonard Tĩnh

Trong các ứng dụng hiện đại, hệ Ward Leonard tĩnh được ưa chuộng rộng rãi. Trong hệ thống này, bộ Động Cơ - Máy Phát quay truyền thống được thay thế bằng bộ chuyển đổi bán dẫn để điều khiển tốc độ của động cơ DC. Chuyển đổi chỉnh lưu và chopper thường được sử dụng làm bộ chuyển đổi.

Khi nguồn điện là nguồn AC, chỉnh lưu được kiểm soát được sử dụng để biến đổi điện áp nguồn AC cố định thành điện áp nguồn DC biến đổi. Trong trường hợp nguồn DC, chopper được sử dụng để lấy điện áp DC biến đổi từ nguồn DC cố định.

Trong một dạng thay thế của hệ điều khiển Ward Leonard, các động cơ chính không phải điện cũng có thể được sử dụng để truyền động cho máy phát DC. Ví dụ, trong tàu điện chạy bằng diesel, máy phát DC được truyền động bởi động cơ diesel hoặc tua bin khí, và cấu hình này cũng áp dụng cho hệ thống truyền động tàu thủy. Trong các hệ thống như vậy, phanh tái tạo không khả thi vì năng lượng không thể chảy ngược qua động cơ chính.