ウォード・レナードのコントロール

ウォード・レナード制御は、ウォード・レナード駆動システムとも呼ばれ、 1891年にハリー・ウォード・レナードが導入した、広く普及した直流モーター速度制御システムである。1900年代初頭、ウォード・レナードの制御システムは米国海軍に採用され、大規模鉱山の乗客用エレベーターにも使用された。また、 1900年のパリ万博の動く歩道にも、他の多くのシステムが適切に動作しなかったという解決策を提供した。^[^要出典^]第一次世界大戦で使用された鉄道機関車に適用され、第二次世界大戦では対空レーダーに使用された。自動対空砲指揮装置に接続され、2次元での追跡動作は極めてスムーズで正確でなければならなかった。1942年、MIT放射線研究所は有名なレーダーSCR-584にウォード・レナードを採用した。ウォード・レナード制御システムは、滑らかな速度制御と一貫したトルクを提供したため、1980年代にサイリスタ駆動装置が利用可能になるまでエレベーターに広く使用されていた。多くのウォード・レナード制御システムとそのバリエーションが現在でも使用されている。^[1]

ゲンク（ベルギー）のウィンタースラグ炭鉱の採掘機械用のウォード・レナードグループを備えたエンジン室

基本的な考え方

ウォード・レナード制御システムの主な特徴は、DC モーターの速度をスムーズに変化させ、逆転させることもできることです。これは、DC 発電機の磁場と出力電圧、およびモーター自体の磁場を制御することによって行われます。DC モーターの速度は供給される電圧によって決まるため、速度制御は簡単です。DC 発電機はどのような方法でも駆動できます。この「原動機」は AC モーターでも、内燃機関でもかまいません (車両への応用は 1903 年に HW レナードによって特許取得済みです^[2] )。

Ward Leonard ドライブは、回転する電気機械から作られた、数キロワットの範囲の高出力増幅器と見なすことができます。「原動機」が電気である場合、Ward Leonard ドライブユニットは、シャフトが結合されたモーターと発電機で構成されます。一定速度で回転する原動機は、AC または DC 電源で動作します。発電機は、界磁巻線と電機子巻線を備えた DC 発電機です。増幅器への入力は界磁巻線に適用され、より高い出力は電機子巻線から得られます。(発電機が増幅器として機能する方法については、「励起 (磁気)#増幅器の原理」を参照してください。) 増幅器の出力は通常、エレベーターなどの負荷を動かす 2 番目のモーターに接続されます。この配置では、入力に適用される電流 (つまり発電機の磁場) の小さな変化によって出力が大きく変化し、スムーズな速度制御が可能になります。^[3]

フライホイールは、突然の負荷変動時の電圧変動を抑えるために使用できます。この変更を加えたウォード・レナードシステムは、ウォード・レナード・イルグナー制御として知られています。^[4]この構成では、通常ウォード・レナード制御に使用される同期モーターが、巻線誘導モーターに置き換えられています。誘導モーター、フライホイール、および発電機の組み合わせは、イルグナーセットとして知られています。これにより、発電機の断続的な短期的な高負荷がAC電源から効果的に切り離されます。^[5]^[6]

より技術的な説明

DC モーターの速度は、発電機の界磁巻線に供給される電圧 V _{gf を}変化させることによって制御され、これにより発電機の出力電圧が変化します。出力電圧が変化すると、モーターの電圧も変化します。これは、モーターと界磁巻線がアーマチュアを介して直接接続されているためです。したがって、V _{gf を変化させると、モーターの速度が制御されます。右の図は、V}_{gf が}発電機に供給され、V _{mf が}モーターに供給されるWard Leonard 制御システムを示しています。 ^[7]

伝達関数

最初の下付き文字「g」と「m」はそれぞれ発電機とモーターを表します。上付き文字「f」、「r」、「a」は、磁界、回転子、電機子に対応します。

$W_{i}$ = 植物状態ベクトル
$K$ = 利益
$t$ = 時間定数
$J$ = 極慣性モーメント
$D$ = 角粘性摩擦
$G$ = 回転インダクタンス定数
$s$ = ラプラス演算子

式1: 発電機場方程式

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

式2: 電機子回路における電気平衡の式

-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

式3: モータートルク方程式

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

総インピーダンスを無視すると、伝達関数は式3を解くことで得られます。 $L_{g}^{a}+L_{m}^{a}$ $T_{L}=0$

式4: 伝達関数

{\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]

定数は以下のように定義されます。

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})

参照

参考文献

引用

^ Kulkarni, AB (2000 年 10 月)。「ギア式エレベーターの近代化におけるエネルギー消費分析: DC Ward Leonard システムから AC ベクトル制御ドライブへのアップグレード」。2000 IEEE 産業応用会議の会議記録。第 4 巻。電気電子技術者協会。pp. 2066–2070。
^ 「電気推進車両」、HW Leonard、米国特許 1121382、1903 年 3 月に最初に出願
^ シンナーズ、スタンレー M (1998)。現代制御システム理論。ワイリー・アンド・サンズ。p. 202。ISBN 978-0471249061。
^ Rajput, RK (2005). 基礎電気工学. Laxmi Publications Pvt Limited. p. 571. ISBN 9788170081203. 2014年6月14日閲覧。
^ DW, NK; SEN, PK (1999-01-01). ELECTRIC DRIVES. PHI Learning Pvt. Ltd. p. 63. ISBN 978-81-203-1492-4。
^レオンハルト、ヴェルナー (2001-08-10). 電気駆動 の制御。シュプリンガーサイエンス＆ビジネスメディア。p. 94。ISBN 978-3-540-41820-7。
^ ab Datta, AK (1973). 「Ward Leonard駆動システムのコンピュータレス最適制御」. International Journal of Systems Science . 4 (4): 671–678. doi :10.1080/00207727308920047.

一般的な参考文献

編集者 (1989 年 11 月)。「電気部品の技術」。動力伝達設計: 25–27。 {{cite journal}}:|last=一般的な名前があります (ヘルプ)
Ward Leonard, H. (1896)。「ボルトとオーム - 電気モーターの速度調整」。AIEE Trans . 13 : 375–384。
Gottlieb, IM (1994)。「電気モーターと制御技術第 2 版」。TAB ブックス。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です
マルコム・バーンズ (2003)。実用的可変速ドライブとパワーエレクトロニクス。オックスフォード: ニューネス。pp. 20–21。ISBN 978-0-7506-5808-9。

[1] Kulkarni, AB (2000 年 10 月)。「ギア式エレベーターの近代化におけるエネルギー消費分析: DC Ward Leonard システムから AC ベクトル制御ドライブへのアップグレード」。2000 IEEE 産業応用会議の会議記録。第 4 巻。電気電子技術者協会。pp. 2066–2070。

[2] 「電気推進車両」、HW Leonard、米国特許 1121382、1903 年 3 月に最初に出願

[3] シンナーズ、スタンレー M (1998)。現代制御システム理論。ワイリー・アンド・サンズ。p. 202。ISBN 978-0471249061。

[4] Rajput, RK (2005). 基礎電気工学. Laxmi Publications Pvt Limited. p. 571. ISBN 9788170081203. 2014年6月14日閲覧。

[5] DW, NK; SEN, PK (1999-01-01). ELECTRIC DRIVES. PHI Learning Pvt. Ltd. p. 63. ISBN 978-81-203-1492-4。

[6] ^レオンハルト、ヴェルナー (2001-08-10). 電気駆動 の制御。シュプリンガーサイエンス＆ビジネスメディア。p. 94。ISBN 978-3-540-41820-7。

[Datta,_1973-7] Datta, AK (1973). 「Ward Leonard駆動システムのコンピュータレス最適制御」. International Journal of Systems Science . 4 (4): 671–678. doi :10.1080/00207727308920047.