تبدیل سیستم وارد لئونارد به سیستم آسنکرون قابل کنترل

در این مطلب با مروری بر سیستم وارد لئونارد ، توضیحی از تبدیل آن به سیسستم آسنکرون قابل کنترل داده می‌شود.

تا قبل از اینکه کنترل‌کننده‌های دور الکترونیکی به ‌صورت گسترده و عظیم وارد بازار عرضه و تقاضا شوند، موتورهای القایی سه‌فاز آسنکرون با دور متغیر رایج نبودند.

یک سیسستم آسنکرون دارای ساختمانی ساده و در کل ارزان قیمت است.

اما کنترل دور آن‌ها تنها با تغییر قطب‌ها یا تغییر فرکانس منبع تغذیه صورت می‌گیرد.

این موارد در سالیان قبل به علت نبود تکنولوژی نیمه‌هادی‌ها اینورتر موتورهای القایی را پرهزینه و در مواردی غیرممکن کرده بود.

اما موتورهای جریان مستقیم نیز ساختمان داخلی پیچیده‌ای دارند.

در نتیجه هزینه ساخت و تعمیرات و نگهداری آن‌ها بالا و حتی بیشتر از موتورهای القایی می‌باشد.

اما امتیاز موتورهای جریان مستقیم در مقایسه با موتورها القایی در این بوده که سرعت و گشتاور آن‌ها را می‌توانستند به آسانی کنترل کنند.

آشنایی با سیستم وارد لئونارد

یکی از مهمترین و پرکاربردترین روش‌های کنترل دور موتور جریان مستقیم روش کنترل دور در قرن گذشته استفاده از سیستم وارد لئونارد (Ward Leonard) می‌باشد.

این روش در سال 1891 توسط مهندس آمریکایی به همین نام اختراع شد.

حتی امروزه نیز می‌توان بازمانده‌های آن را در بعضی از کارخانه‌های صنعتی به چشم دید.

قسمت‌های اصلی سیستم وارد لئونارد عبارتند از: یک منبع قدرت، ژنراتور تحریک و یک موتور جریان مستقیم.

منبع قدرت یک ژنراتور جریان مستقیم است که از یک منبع خارجی (موتور دیزل، موتور بخار، موتور الکتریکی و… ) تحت سرعتی ثابت قرار می‌گیرد.

ولتاژ خروجی منبع قدرت به آرمیچر موتور جریان مستقیم (شنت) اعمال می‌شود.

ژنراتور تحریک یک ژنراتور جریان مستقیم کوچک است که از همان منبع خارجی که به منبع قدرت متصل شده است، نیرو می‌گیرد.

وظیفه دارد تا جریان تحریک ژنراتور جریان مستقیم را تأمین نماید.

جریان تحریک را می‌توان توسط یک مقاومت متغیر از صفر تا 100 درصد تغییر داد.

بدین وسیله ولتاژ خروجی ژنراتور جریان مستقیم را کنترل و تنظیم کرد.

طرز عملکرد سیستم وارد لئونارد

محور موتور جریان مستقیم به بار اتصال پیدا می‌کند و گشتاور خروجی آن باعث چرخش محور مکانیکی بار می‌گردد.

ولتاژ آرمیچر توسط ژنراتور جریان مستقیم و جریان تحریک آن یا به صورت جداگانه یا از طریق ژنراتور تحریک تأمین می‌شود.

با این ساختار می‌توان سرعت موتور و  سرعت بار را با تغییر جریان تحریک ژنراتور، تغییر داد.

در این روش برای به دست آوردن گشتاور مکانیکی به 3 دستگاه نیازمندیم.

از این رو روش کنترل سیستم وارد لئونارد متدی است که از نظر اقتصادی در اولویت اول نمی‌باشد.

هزینه‌های نگهداری، تعمیر یاتاقان‌ها، ذغال‌ها و…  سیستم وارد لئونارد را پرهزینه می‌کند.

کاربرد متفاوت اصلی سیستم وارد لئونارد، راه‌اندازی نرم و کنترل سرعت خوب حتی در دورهای پایین است.

سیستم‌های کنترل دور مبتنی بر رئوستا هیچ‌گاه چنین راه‌اندازی نرمی را برای موتورهای جریان مستقیم نمی‌توانند ایجاد کنند.

سیستم وارد لئونارد دو نوع مختلف دارد

الف) کنترل ولتاژ موتور، در این روش جریان تحریک موتور جریان مستقیم ثابت نگه داشته می‌شود.

با تغییر جریان تحریک ژنراتور ولتاژ خروجی آن و در نهایت سرعت موتور جریان مستقیم را قابل تغییر می‌کنند.

ب) کنترل جریان تحریک موتور، با کاستن جریان تحریک موتور می‌توان سرعت آن را بالا برد.

در این روش ولتاژ ورودی موتور را به وسیله‌ی ثابت نگه داشتن تحریک ژنراتور ثابت نگه می‌دارند و جریان تحریک موتور را می‌کاهد.

در نتیجه با افزایش سرعت موتور گشتاور خروجی آن کاهش می یابد.

هر چند که امروزه در اکثر صنایع کنترل کننده‌های جدید جایگزین سیستم وارد لئونارد شده‌اند.

اما در گذشته در مواردی مانند جرثقیل‌ها، بالابرها، لوکوموتیوها و پرس‌ها به صورتی فراگیر از این سیستم استفاده شده است.

تاریخچه سیستم وارد لئونارد

در بهار سال 1383، یک سیستم (وارد لئونارد) متعلق به شرکتی که روی دستگاه تولید پیچ کار می‌کرد.

این دستگاه توانایی تولید پیچ‌هایی تا طول 50 سانتی‌متر و قطر 25 میلی‌متر در الکتروموتور اصلی آن با توان 132 کیلووات داشت.

الکتروموتور DC آن در اثر خرابی (تاکو ژنراتور) تعبیه شده در پشت موتور، اصطلاحا دورش فرار کرده بود.

در این حالت چون فیدبک تاکو دیده نمی‌شود.

دور موتور به علت اینکه باید یک چرخ لنگر به قطر حدود 1.5 متر و وزن حدود دو تن را به حرکت در می آورد، به شدت بالا می‌رود.

این وضعیت حالت بسیار خطرناکی است، اینرسی به وجود آمده از ایستادن جلوگیری می‌کند .

حتی زمانی که برق موتور خاموش شد، ترمزهای مکانیکی قادر به توقف چرخ لنگر نشده بود.

در این حالت تا اپراتور سیستم را خاموش کند، به دلیل نیروی گریز از مرکز با دور بالا، کلکتورهای موتور DC به بیرون پرتاب شده و موتور به شدت آسیب دیده و تعمیر آن سخت و حتی گران‌قیمت و زمان‌بر بود.

پس از بازدیدهای افراد گوناگون، مجموعه ما هم از مجموعه بازدید کرد.

پیشنهاد دادیم که مجموعه جمع‌آوری و به جای آن از اینورتر و موتور آسنکرون استفاده گردد.

در این مجموعه یک الکتروموتور آسنکرون به توان 132 کیلووات به صورت ستاره مثلث وجود دارد.

به عنوان منبع اصلی محرک یک ژنراتور DC به توان 110 کیلووات را به حرکت می‌آورد.

ژنراتور هم توسط یک سیستم راه‌انداز مقاومتی و یک ژنراتور کوچک که به پشت موتور اصلی کوپل شده بود، نقش تحریک فیلد موتور DC به توان 90 کیلووات را به عهده داشت.

موتور DC هم با توان 90 کیلووات کل مجموعه تولید پیچ را به حرکت در می‌آورد.

ما با انجام محاسبات فنی پیشنهاد زیر را به کارفرما دادیم:

• از موتور اصلی به توان 132 کیلووات به عنوان جایگزین موتور DC استفاده گردد.
• از یک عدد درایو به توان 110 کیلووات به عنوان راه انداز موتور اصلی استفاده گردد.

از دو عدد یونیت داینامیک بریک به صورت master و دیگری slave به توان‌های ۴٥ کیلووات و دو سری مقاومت جهت نصب روی یونیت داینامیک بریک استفاده شود.

با موافقت کارفرما سیسستم آسنکرون با موفقیت نصب و راه‌اندازی گردید.

با حداقل خرابی نسبت به سیستم وارد لئونارد قبلی پس از سیزده سال در حال کار می‌باشد.

پلاک موتور DC قبلی تا 1000RPM بود و به علت اینکه توان مصرفی قبلی کمتر از 90 کیلووات است.

در این حالت بار کمتری از موتور فعلی کشیده می‌شود،به همین علت از درایو 110 کیلووات استفاده گردید.

دور موتور آسنکرون هم روی پلاک RPM 1450 بود و این باعث گردید کمبود گشتاور راه‌اندازی هم تا حدود 30% جبران گردد.

علاوه بر اینکه از موتور موجود استفاده بهینه گردید و هزینه اجرای پروژه نیز کاهش پیدا کرد.

موتور اصلی کل مجموعه سیسستم آسنکرون را که شامل یک چرخ لنگر و بقیه اجزا بود را نیز به حرکت در می‌آورد.

عوامل فنی

وجود این چرخ لنگر باعث شده که بار اصطلاحاً ژنراتوری شود و برای خنثی و مصرف کردن ولتاژ لینک DC درایو دو عدد چاپر، ولتاژ را به مقاومت‌ها منتقل می‌کند.

برای تنظیم دور هم از دو عدد شاستی UP و Down استفاده شد.

این کار باعث شد حرکت بسیار دقیق‌تر از حالت قبل باشد.

از آنالوگ خروجی هم برای فیدبک به بقیه قسمت‌ها استفاده شد و کمترین تغییرات در سیم‌کشی انجام شده است.

سیستم روغن‌کاری و بقیه قسمت‌ها بسیار دقیق و هماهنگ کار می کند.

علاوه بر اینکه تاکنون الکتروموتور با سرویس درست خراب نشده، مصرف برق نیز به طور محسوسی کاهش پیدا کرده است.

این مسئله می‌تواند در هزینه تولید نقش موثری داشته باشد.

اگر این صرفه‌جویی در مصرف انرژی را در این زمان طولانی محاسبه نمایید، به مزیت این کار پی خواهید برد.