Marine Zeebrugge
Ward-Leonard schakeling, amplidyne, metadyne
TechTalk

Een klassieke Ward Leonard schakeling heeft een veldwikkeling met veel windingen om een sterk magnetisch veld te bekomen met een lage stroom (noodzakelijk om een sterke "versterking" van de stroom te bekomen). Maar daardoor heeft de veldwikkeling ook een zeer hoge zelf-inductie. De uitgangsstroom volgt slechts langzaam de ingangsspanning. Dit is nuttig (en werd zelfs specifiek nagestreeft) bij bepaalde toepassingen zoals de liftbediening die zo zeer soepel en boterzacht gebeurde.

Maar in andere toepassingen is een snellere respons noodzakelijk, bijvoorbeeld bij de vuurleiding. De amplidyne of dwarsveldgenerator wordt hier gebruikt om kanonnen te richten. De veldwikkeling heeft slechts een paar windingen, waardoor het opgewekt magnetisch veld zwak is. Maar de zelfinductie is zeer laag, waardoor er geen vertraging is tussen ingang en uitgang: de reaktiesnelheid is zeer hoog. De amplidyne neemt de plaats in van een normale dynamo (als versterker gebruikt)

De afbeelding rechts toont ons een dwarsdoorsnede van een amplidyne (let op de afwijkende constructie). De exciterwisseling is lichtblauw aangegeven op de figuur. De compensatiewikkeling (rood) is een seriewikkeling is met dikke (meestal plaatte) windingen. Al de uitgangsstroom loopt door deze windingen, waardoor het opgewekt magnetisch veld toch zeer sterk is.

De amplidyne (je zal ook de naam Rosenbergdynamo terugvinden) is een verbetering van de dynamo met het doel een hogere versterking te bekomen zonder de nadelen van een tweetrapsgenerator (traagheid). De amplidyne wordt aangedreven door een motor (stoommachine, electrische motor of diesel).

Afbeelding 1: een normale dynamo levert een vermogen van bijvoorbeeld 10kW (een spanning van 100V over een weerstand van 1Ω) met een ingangsvermogen van 100W, een versterking van 100×. Dit is de standaard-versterking die bekomen wordt met een dynamo: met een veldvermogen van 100W kan men 10kW ankervermogen bekomen.

FC veldwikkeling
FS ankerreaktie (veld veroorzaakt door de stroom in het anker)

In de praktijk zal een dynamo voor gewone stroomproduktie nooit zo gebouwd worden, juist vanwege de ankerreaktie.

Afbeelding 2: men legt de normale koolborstels kort en men verminderd het veldvermogen van 100 naar 1W. Door de koolborstels die in kortsluiting liggen is de ankerstroom immers sterk verhoogd. Zou men de bekrachtingin niet sterk verlagen, dan zouden de koolborstels en het anker doorbranden door de hoge stroom.

Ten gevolge van de hoge ankerstroom is de ankerreaktie ook maximaal (90° verschoven) Als men koolborstels in kwadratuur aansluit (90° verschoven), dan meet men een spanning van 100V, vandaar de naam dwarsveldgenerator.

Afbeelding 3: Belast men de borstels in kwadratuur, dan zakt de spanning in elkaar. De stroom die dan loopt veroorzaakt immers ook een parasitaire ankerreaktie.

FA ankerreaktie van de kwadratuurstroom

Afbeelding 4: men gaat de ankerreaktie tegenwerken door een compensatiewikkeling (hetzelfde systeem als de compensatiewikkelingen van dynamo's). Dezelfde stroom loopt door deze compensatiewikkeling en onderdrukt volkomen de ankerreaktie. Men heeft dus nog steds de spanning van 100V, maar de stroom loopt nu ook op tot 100A, waardoor men een vermogen van 10kW bekomt.

FB veld van de compensatiewikkeling

Dit vermogen wordt niet uit het niets gehaald: het is de motor die de dwarsveldgenerator aandrijft die het vermogen moet leveren.



Amplidyne en metadyne

Rechts de voorstelling van een amplidyne (amplifying dynamo) met de controle-wikkeling, de koolborstels in kortsluiting om de ankerreaktie te versterken, de borstels om de spanning af te tappen en de compensatiewikkeling om het verschuiven van de polen ten gevolge van veranderingen in de uitgangsstroom te compenseren.

Een amplidyne zonder compensatiewikkeling (GH) is een metadyne (compensatie = 0). Bij een metadyne zakt de spanning als de stroom toeneemt (hogere belasting). De benaming dwarsveldgenerator is van toepassing op zowel de metadyne als de amplidyne.

De compensatie van de ankerreaktie maakt van een metadyne een amplidyne. Bij een amplidyne (compensatie = 1) is de uitgangsspanning evenredig met de bekrachtigingstroom, bij een metadyne (geen compensatie) is de uitgangsstroom evenredig met de bekrachtiging (de metadyne zet dus een ingangsspanning om in een uitgangsstroom). Bij een constante bekrachtiging blijft de spanning redelijk stabiel ongeacht de belasting (C = 1), terwijl bij een metadyne (C = 0) de stroom constant blijft.

Een dergelijk systeem (met beperkte compensatie van 0.6) werd in treinen gebruikt die gevoed werden met gelijkspanning (600V) om de motoren op de wielen aan te drijven. De metadyne had een hoger rendement en gaf een meer gelijkmatige versnelling dan een systeem met rheostaten. De metadyne werkt immers als transformator (aanpassing van de ingangsspanning aan de gevraagde uitgangspanning), niet als weerstand die vermogen dissipeert. Bij een metadyne met beperkte compensatie is het vermogen evenredig met de veldstroom.

Bij overcompensatie heeft de generator zelfs een negatieve inwendige weerstand (de spanning stijgt als er meer stroom afgenomen wordt). De werking van de generator is dan niet meer te controleren.

Metadyne als gelijkspanninstransformator

De benaming metadyne wordt eveneens gebruikt bij een andere constructie, waarbij er een spanning U1 (en dus een stroom I1) op één van de borstelparen A1-B1 aangesloten wordt en op de andere borstels A2-B2 wordt er een stroom afgetapt die evenredig is met de ingangsspanning.

Bij deze constructie zijn er geen statorspoelen (of ze worden niet gebruikt). De aandrijfmotor levert hier ook geen energie: de motor dient enkel om een wisselend magnetisch veld te creeren, want een transformator werkt enkel met een wisselend magnetisch veld. De bedoeling is een variabele belasting (die eventueel zelfs in kortsluiting kan gaan) aan te sturen met een spanning. De dwarsveldgenerator gedraagt zich dus als een regelbare gelijkspanningstransformator!

Metadyne als versterker

Een vermogensversterking van 10.000× (veldwikkeling naar anker) wordt ook gehaald met dubbele alternatoren (een kleine alternator die een grotere stuurt). Maar het systeem kan niet in de praktijk gebruikt worden omdat die veel te traag reageert. De veldwikkeling van de tweede generator heeft namelijk een zeer hoge zelf-inductie. De rosenbergdynamo (metadyne en amplidyne) heeft slechts een controle-veldwikkeling met een lage zelf-induktie.

Het vermogen dat door de controlewikkeling gestuurd kan worden is noodgedwongen klein omdat de buizen die toen beschikbaar waren geen al te hoog vermogen konden leveren. Vanwege het ontbreken van degelijke gelijkrichters is de amplidyne et metadyne gebaseerd op de dynamo (waarvan de commutator als gelijkrichter fungeert). Voor de komst van de electronenbuizen gebruikte men trouwens magnetische versterkers, en men is die blijven gebruiken omdat ze bijzonder betrouwbaar zijn.

Bij servo-systemen wordt de veldwikkeling vaak dubbel uitgevoerd (split-field wikkeling), met twee wikkelingen die elkaar tegenwerken en met gemeenschappelijk midden. Deze constructie is vergelijkbaar met de balanstrap van electronenbuizen. Het effektief veld is dan het verschil tussen de stroom door beide wikkelingen. Als de balans in evenwicht is, loopt er eenzelfde stroom door de twee wikkelingen en is het veld nul. De opgewekte spanning is dan eveneens nul. Deze balansschakeling laat toe dat de dwarsveldgenerator zowel een positieve als negatieve spanning levert (vier kwadranten bedrijf). Bij het afremmen wordt het vermogen teruggestuurd naar het net (als de aandrijving van de dwarsveldgenerator door een electrische motor gebeurt).


Een Ward Leonard configuratie

De amplidyne is de "generator" (versterkertrap) die stroom levert aan een gewone gelijkspanningsmotor. De amplidyne vervangt de dynamo in een klassieke Ward-Leonard constructie. Bij een Ward Leonard constructie treft men de volgende elementen aan:
  • een motor die voor de aandrijving van de dynamo's zorgt.

  • een dynamo in amplidyne of metadyne configuratie om het signaal te versterken

  • een gelijkstroommotor waarvan het anker gevoed wordt door de dynamospanning en de veldspanning constant gehouden wordt.

  • Bij een motor in Ward-Leonard constructie is de spanning over de veldwikkeling constant gehouden en verandert men enkel de ankerspanning.

    Indien men genoeg heeft aan een relatief lage versterking, dan zal men een gewone dynamo gebruiken als versterkend element. Indien men een zeer hoog vermogen nodig heeft, dan zal men na de amplidyne een extra versterkingsdynamo plaatsen. De amplidyne zelf is slechts geschikt voor relatief lage vermogens (tot 10kW).

Een Ward-Leonardschakeling gebruikt dus een versterkend element in de vorm van een dynamo, metadyne of amplidyne (uitwendig is er vaak geen verschil te zien). Ook kenmerkend voor de Ward leonard is dat de veldspanning van de motor constant wordt gehouden zodat het koppel ook constant is.

Naast de dwarsveldgenerator bestaan er ook andere types van dynamo's die als versterker worden gebruikt, zoals de regulex en rototrol. Deze worden doorgaans als eerste trap in een generator gebruikt, om met een relatief klein vermogen een zware alternator te sturen.

De stroom in de kwadratuurborlstels wordt soms naar een extra veldspoel gestuurd om de commutatie te verbeteren (verminderen van de vonken aan de kwadratuurborstels). Deze kwadratuurwikkeling mag men niet verwarren met de compensatiewikkeling

De amplidyne werd uitgevonden door Ernst Alexanderson en werd voor het eerst gebruikt in de amerikaanse volgradars (SCR-584). De bedoeling van de installatie is zware motoren aan te sturen die de radar en de kanonnen naar de vliegtuigen richten. De toen bestaande radiobuizen waren niet in staat het hoge vermogen te leveren die nodig was om de motoren aan te drijven, terwijl de amplidyne gebaseerd was op beproefde systemen.

We hebben hier dus een klassieke servo systeem bestaande uit:

  • een synchro (control transmitter) die de gevraagde positie vergelijkt met de effektieve positie

  • een buizenversterker die het zeer zwakke foutsignaal versterkt tot een paar watts

  • een amplidyne combinatie (motor-generator) die een sterke gelijkstroom levert om de motor te sturen.

In deze toepassing was de amplidyne zeer succesvol. Het werd bijvoorbeeld gebruikt om de V1 bommen uit de lucht te halen tijdens de tweede wereldoorlog. De amplidyne werd eveneens gebruikt om elevatoren te sturen, in de staalnijverheid om de snelheid van de walsen te regelen, enz. De energie werd dan geleverd door een motor (electrisch aangedreven of verbrandingsmotor).

Bij volgradars wordt het signaal van de radar direct gebruikt (na versterking). De mechanische feedback en de synchro komen te vervallen. Door lobe switching kan men automatisch de fout corrigeren en de radar een vliegtuig laten volgen. De radar wordt gekoppeld aan afweerkanonnen die automtisch gericht worden. De afstand tot het doel wordt automatisch in rekening gebracht door een analoge computer.

Een praktische opstelling van een afweerkanon is op volgende afbeelding te zien. Ook voor de radar was er een bijna identieke installatie nodig om de radar het doel te laten volgen. De richting van de radar werd via een servo systeem doorgegeven aan het kanon.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's