Control de Ward Leonard

El control Ward Leonard , también conocido como sistema de accionamiento Ward Leonard, era un sistema de control de velocidad de motor de CC ampliamente utilizado introducido por Harry Ward Leonard en 1891. A principios del siglo XX, la Marina de los EE. UU. adoptó el sistema de control de Ward Leonard y también lo utilizó. en ascensores de pasajeros de grandes minas. También proporcionó una solución a una acera móvil en la Exposición de París de 1900, donde muchas otras no habían funcionado correctamente. ^{[ cita necesaria ]} Se aplicó a locomotoras ferroviarias utilizadas en la Primera Guerra Mundial y en radares antiaéreos en la Segunda Guerra Mundial . Conectado a directores automáticos de armas antiaéreas , el movimiento de seguimiento en dos dimensiones tenía que ser extremadamente suave y preciso. El Laboratorio de Radiación del MIT seleccionó a Ward-Leonard para equipar el famoso radar SCR-584 en 1942. El sistema de control Ward Leonard se usó ampliamente para ascensores hasta que los tiristores estuvieron disponibles en la década de 1980, porque ofrecía un control de velocidad suave y un par constante. Muchos sistemas de control Ward Leonard y sus variaciones siguen en uso. ^[1]

Sala de máquinas con grupos Ward-Leonard para las máquinas de extracción de la mina de carbón Winterslag en Genk (Bélgica)

Concepto basico

La característica clave del sistema de control Ward Leonard es la capacidad de variar suavemente la velocidad de un motor de CC, incluso invertirla, controlando el campo y, por tanto, el voltaje de salida de un generador de CC, así como el campo del propio motor. Como la velocidad de un motor de CC viene dictada por el voltaje suministrado, esto proporciona un control de velocidad simple. El generador de CC podría accionarse por cualquier medio. Este 'motor primario' podría ser un motor de CA o un motor de combustión interna (su aplicación a vehículos fue patentada por HW Leonard en 1903 ^[2] ).

Un variador Ward Leonard puede verse como un amplificador de alta potencia en el rango de varios kilovatios, construido a partir de maquinaria eléctrica giratoria. Cuando el "motor primario" es eléctrico, una unidad motriz Ward Leonard consta de un motor y un generador con ejes acoplados entre sí. El motor primario, que gira a una velocidad constante, puede funcionar con CA o CC. El generador es un generador de CC, con devanados de campo y devanados de armadura . La entrada al amplificador se aplica a los devanados de campo y la mayor potencia de salida proviene de los devanados del inducido. (Consulte el principio de Excitación (magnética) #Amplificador para saber cómo un generador puede actuar como amplificador). La salida del amplificador generalmente está conectada a un segundo motor, que mueve la carga, como un ascensor. Con esta disposición, pequeños cambios en la corriente aplicada a la entrada y, por tanto, al campo del generador, dan como resultado grandes cambios en la salida, lo que permite un control suave de la velocidad. ^[3]

Se puede usar un volante para reducir las fluctuaciones de voltaje durante cambios repentinos de carga. El sistema Ward Leonard con esta modificación se conoce como Ward Leonard Ilgner Control . ^[4] En esa configuración, el motor síncrono , normalmente utilizado para el control de Ward Leonard, se reemplaza por un motor de inducción de rotor bobinado . La combinación de un motor de inducción, volante y generador(es) se conoce como conjunto Ilgner . Desacopla eficazmente la alta carga intermitente a corto plazo del generador del suministro de CA. ^[5]^[6]

Una descripción más técnica

La velocidad de un motor de CC se controla variando el voltaje alimentado a los devanados de campo del generador, V _gf , lo que varía el voltaje de salida del generador. El voltaje de salida variado cambiará el voltaje del motor, ya que están conectados directamente a través de la armadura. En consecuencia, cambiar el V _gf controlará la velocidad del motor. La imagen de la derecha muestra el sistema de control Ward Leonard, con el V _gf alimentando el generador y el V _mf alimentando el motor. ^[7]

Función de transferencia

Los primeros subíndices 'g' y 'm' representan cada uno de ellos generador y motor. Los superíndices 'f', 'r' y 'a' corresponden a campo, rotor y armadura.

$W_{i}$ = vector de estado de la planta
$K$ = ganancia
$t$ = constante de tiempo
$J$ = momento polar de inercia
$D$ = fricción viscosa angular
$G$ = constante de inductancia rotacional
$s$ = operador de Laplace

Ec. 1: La ecuación del campo generador

V_{g}^{f}=R_{g}^{f}I_{g}^{f}+L_{g}^{f}I_{g}^{f}

Ec. 2: La ecuación de equilibrio eléctrico en el circuito de armadura.

-G_{g}^{f}aI_{g}^{f}W_{g}^{r}+(R_{g}^{a}+R_{m}^{a})I^ {a}+(L_{g}^{a}+L_{m}^{a})I^{a}+G_{m}^{f}aI_{m}^{f}W_{m}^ {r}=0

Ec. 3: Ecuación de par del motor

-T_{L}=J_{m}W_{m}^{r}+D_{m}W_{m}^{r}

Despreciando la impedancia total , la función de transferencia se puede obtener resolviendo la ecuación 3 . $L_{g}^{a}+L_{m}^{a}$ $T_{L}=0$

Ec. 4: función de transferencia

{\frac {W_{m}^{r}(S)}{V_{g}^{f}(S)}}={\cfrac {K_{B}K_{v}/D_{m }}{\left(t_{g}^{f}s+1\right)\left(t_{m}s+{\frac {K_{m}}{D_{m}}}\right)}}

^[7]

con las constantes definidas a continuación:

K_{B}={\frac {G_{m}^{f}aV_{m}^{f}}{R_{m}^{f}(R_{g}^{a}+R_{ m}^{a})}}

K_{v}={\frac {G_{g}^{f}aW_{g}^{r}}{R_{g}^{f}}}

t_{m}={\frac {J_{m}}{D_{m}}}

t_{g}^{f}={\frac {L_{g}^{f}}{R_{g}^{f}}}

K_{m}=D_{m}+K_{B}^{2}(R_{g}^{a}+R_{m}^{a})

Ver también

Unidad de velocidad ajustable
Amplidyne , un amplificador electromecánico inventado durante la Segunda Guerra Mundial
Motor eléctrico CC con escobillas
Motor eléctrico
Control electrónico de velocidad
Harry Ward Leonard
metadino
Controlador del motor
Motor-generador

Referencias

Citas

^ Kulkarni, AB (octubre de 2000). "Análisis del consumo de energía para la modernización de ascensores con engranajes: actualización del sistema DC Ward Leonard a un variador controlado por vector de CA". Registro de la conferencia de aplicaciones industriales IEEE 2000 . vol. 4. Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. págs. 2066-2070.
^ "Vehículo de propulsión eléctrica", HW Leonard, patente estadounidense 1121382, presentada originalmente en marzo de 1903
^ Shinners, Stanley M (1998). Teoría de los sistemas de control modernos. Wiley e hijos. pag. 202.ISBN 978-0471249061.
^ Rajput, RK (2005). Ingeniería Eléctrica Básica. Publicaciones Laxmi Pvt Limited. pag. 571.ISBN 9788170081203. Consultado el 14 de junio de 2014 .
^ DW, NK; SEN, PK (1 de enero de 1999). ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS. PHI Aprendizaje Pvt. Limitado. Ltd. pág. 63.ISBN 978-81-203-1492-4.
^ Leonhard, Werner (10 de agosto de 2001). Control de Accionamientos Eléctricos. Medios de ciencia y negocios de Springer. pag. 94.ISBN 978-3-540-41820-7.
^ ab Datta, Alaska (1973). "Control óptimo sin computadora del sistema de accionamiento Ward Leonard". Revista Internacional de Ciencia de Sistemas . 4 (4): 671–678. doi : 10.1080/00207727308920047.

Referencias generales

Los editores (noviembre de 1989). "Tecnología para Componentes Eléctricos". Diseño de transmisión de potencia : 25–27. {{cite journal}}: |last=tiene nombre genérico ( ayuda )
Ward Leonard, H. (1896). "Voltios versus ohmios: la regulación de la velocidad de los motores eléctricos". AIEE Trans . 13 : 375–384.
Gottlieb, IM (1994). "Motores eléctricos y técnicas de control, segunda edición". PESTAÑA Libros. {{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
Malcolm Barnes (2003). Prácticos Variadores de Velocidad y Electrónica de Potencia. Oxford: Newnes. págs. 20-21. ISBN 978-0-7506-5808-9.