De klassieke Ward- Leonard versus de moderne Ward- Leonard

5.1.

Het principe van de Ward- Leonard is dat er met een a- synchrone motor of verbrandingsmotor een gelijkstroomgenerator wordt aangedreven. Het anker van de gelijkstroomgenerator staat in serie met het anker van de gelijkstroommotor. Doordat het veld van de gelijkstroommotor constant bekrachtigd wordt (met uitzondering van veldverzwakking), is het toerental alleen afhankelijk van de ankerspanning. De ankerspanning wordt gevarieerd door variatie van de veldbekrachtiging van de gelijkstroomgenerator.

De gelijkstroommachine (2) die tijdens normaal bedrijf als gelijkstroommotor functioneert, kan ook als gelijkstroomgenerator functioneren. Bij dit bedrijf wordt de Emk groter dan .

Als de gelijkstroommotor (2) die als generator functioneert langzamer gaat draaien of het veld van de gelijkstroomgenerator (1) wordt versterkt, zal de opgewekte Emk weer onder komen en zal de gelijkstroommotor (2) weer normaal als motor werken.

Hieronder is het elektrische schema te zien van de klassieke Ward- Leonard waarbij de velden bekrachtigd worden door een onafhankelijke gelijkspanningsbron.

(1) (2)

Afbeelding 5.1.1: Klassieke Ward Leonard installatie met gelijkrichter en regelbare weerstand in veldketen

Hoofdstuk: De klassieke Ward- Leonard versus de moderne Ward- Leonard - De moderne Ward- Leonard

121

5.2.

De klassieke W-L installaties worden tegenwoordig bij een ombouw voorzien van een DC- regelaar in plaats van een regelweerstand. De velden van de generator en van de motor kunnen met vermogenselektronica zonder verlies bekrachtigt en geregeld worden.

In onderstaande schema van de moderne Ward- Leonard installatie is tevens een frequentie regelaar (AC- regelaar) toegevoegd. Deze regelt de KA- motor die het tegenkoppel creëert in de W- L testopstelling. Deze simuleert de last.

Afbeelding 5.2.1: Moderne Ward Leonard installatie met DC regelaar voor de veldbekrachtiging

Hoofdstuk:De klassieke Ward- Leonardversus de moderne Ward- Leonard- Snelheidvande gelijkstroommotor regelen

122

5.3.

Het toerental van de GM is bij een Ward Leonard installatie alleen afhankelijk van het veld van de GG omdat het anker van de GM in serie staat met het anker van de GG en omdat de GM een constant veld heeft. Met andere woorden: de aangeboden ankerspanning van de GM is evenredig met het toerental. Dit wordt aangetoond door onderstaande uitwerking:

met: 

Deze formule maakt ook duidelijk als de flux heel klein zou worden, dus wanneer het veld weg zou vallen, de rotor ontoelaatbare snelheden aan wil nemen. De motor slaat in dit geval “op hol”.

Het toerental van een gelijkstroommotor kan geregeld worden door aanpassing van , flux of . Bij de Ward Leonard richten we ons op de regeling van aangezien het veld (flux ) en constant blijven. Bij een Ward Leonard installatie is het toerental van de GM alleen afhankelijk van de aangeboden ankerspanning vanuit de GG.

Als de flux constant is, zoals bij de gelijkstroommotor van de Ward- Leonard, kan de formule om het toerental te berekenen geschreven worden als:

met: 

waarbij: 

[5.1]

Het koppel is op deze manier alleen afhankelijk van de ankerstroom blijkt uit de formule:

met 

[5.2]

De ankerspanning die aangeboden wordt aan de GM is de opgewekte emk van de GG. Deze opgewekte emk kan geregeld worden door de magnetische flux van de veldwikkeling van de GG te variëren. Dit wordt bereikt door de stroom in de veldketen te variëren. Bij de klassieke W-L installatie werd dit regelen van de bekrachtigingsstroom gedaan door in serie met de veldwikkeling een veldregelaar te plaatsen. Dit was een regelbare weerstand die voorzien was van een rustcontact om de veldwikkeling kort te sluiten bij uitschakeling. Op deze manier worden de hoge inductiespanningen voorkomen en wordt er in de kortgesloten veldketen de nog aanwezige magnetisch energie omgezet in warmte.

Hoofdstuk: De klassieke Ward- Leonard versus de moderne Ward- Leonard - Types Ward- Leonard

123

5.4.

5.4.1. Anti- compound gelijkstroomgenerator

De Ward Leonard is toegepast op een drijvende kraan met als energievoorziening een dieselmotor. Bij deze Ward- Leonard is de generator anti- compound. Dit wil zeggen dat deze generator, buiten het afzonderlijk bekrachtigde veld, voorzien is van een extra veldwikkeling (eigen veld) in serie met het anker en waarvan de richting van de stroom tegengesteld is t.o.v. het ankercircuit. Hierdoor wordt, bij groter wordende stroom, het veld verzwakt.

Dit wordt veroorzaakt doordat het afzonderlijk bekrachtigde veld tegengewerkt wordt door het eigenveld vanuit de extra veldwikkeling. De opgewekte spanning van de generator zal lager worden als de stroom in de serie ankerketen groter wordt.

Afbeelding 5.4.1.1: Anti- compound generator met tegengestelde veldwikkeling

Als de regelweerstand te snel gevarieerd wordt zal de stroom in de veldwikkeling ontoelaatbaar groot worden. Dit wordt in de klassieke Ward- Leonard beveiligd door de bediening uit te voeren op tijdrelais welke de weerstandswaarde uiteindelijk verhoogd of verlaagd.

5.4.2. Anti- compound gelijkstroomgenerator met shunt

Tes heeft een klant waarbij de klassieke Ward- Leonard is gemoderniseerd. Hierbij is er o.a. in plaats van de veld regelweerstand een veldregelaar (DC- regelaar) ingebouwd. De W- L bestaat uit een anti- compound generator met een shuntweerstand in serie met het anker. De shunt is in serie gezet met de ankerketen om afhankelijk van de stroom een spanning af te geven. Een shunt is een soort weerstand die grote stromen kan meten waarbij de stroom in verhouding staat met een bepaalde spanning. Zo loopt er bijvoorbeeld 2000 A als er via de shunt een spanning van 60mV gemeten wordt. Doordat de shunt een lage weerstand heeft, zal deze de kring niet extra belasten.

Afbeelding 5.4.2.1 a + b: Anti- compound generator met shunt in serie met de ankerketen met bijbehorende spanning/ stroom- karakteristiek

Deze shunt geeft een spanning af die dient als voeding voor de extra veldwikkeling. Door de shunt kan de anti- compound eenvoudig ingesteld worden. Bij een groter wordende stroom zal de grootte van het veld kleiner worden. Hierdoor neemt de opgewekte emk af en vindt er dus terugkoppeling plaats van de stroom van het veld.

Hoofdstuk: De klassieke Ward- Leonard versus de moderne Ward- Leonard - Types Ward- Leonard

124

5.4.3. Krämer Ward- Leonard

Een andere variant is de Krämer generator. Deze heeft t.o.v. de anti- compound generator nog een extra veldwikkeling die parallel over het anker aangesloten dient te worden. Dit veld zorgt bij nullast voor een hogere opgewekte emk en daarmee dus een verhoogd toerental van de gelijkstroommotor in de Ward- Leonard.

Een afbeelding van de Krämer Ward- Leonard schakeling is hieronder weergegeven met het blauw gearceerde oppervlak het verschil van opgewekte emk t.o.v. de anti- compound met shunt:

Afbeelding 5.4.3.1 a + b: Krämer Ward- Leonard schakeling met bijbehorende spanning/ stroom- karakteristiek

De stroombegrenzing vindt plaats doordat de extra veldwikkeling parallel op het anker is aangesloten. Het veld is dus afhankelijk van de stroom door het anker.

Een nadeel van de Krämer schakeling is dat de generator een grotere bouwvorm moet hebben voor de extra wikkeling.

Hoofdstuk: De voor- en nadelen van de Ward- Leonard - Voordelen

125