Marine Zeebrugge
Ward-Leonard schakeling
TechTalk

De Ward-Leonard machine is een motor die een generator aandrijft. Het vermogen die deze generator aandrijft wordt gebruikt om opnieuw een motor aan te drijven. De bedoeling van de constructie is een zeer soepele regeling van het toetental te bekomen, een regeling die tot in de jaren 1970 enkel bereikt kon worden met mechanische middelen.

De motor kan zowel een dieselmotor of een stoomturbine zijn, maar het kan ook een motor zijn die uit het net gevoed wordt. In het voorbeeld hierboven is het een driefasige motor. Gebruikt men een synchrone motor, dan kan die vermogen terug naar het net sturen (regeneratief remmen). De motor werkt dan als alternator.

De motor drijft twee dynamos aan:

  • een bekachtigingsgenerator BG die de bekrachtigingsvelden van de gelijkstroommachines levert en
  • een gelijkstroomgenerator GG die de ankerspanning van de gelijkstroommotor GM levert.
De bekrachtiging van de gelijkstroomgenerator kan ingesteld worden met een omkeerweerstand OR, waarbij ook het veld omgepoold kan worden om een negatieve spanning te leveren.

De variabele ankerspanning van de gelijkstroomgenerator is eveneens de ankerspanning van de gelijkstroommotor.

Vaak heeft de gelijkstroomgenerator nog een extra seriebekrachtiging (in het rood aangeduid op het schema) zodat de dynamo een compoundgedrag vertoont. Als de snelheid van de gelijkstroommotor vermindert, dan verandert ook zijn tegen-EMK. De stroom door de motor stijgt, en dus ook de stroom door de serieveldwikkeling. De bekrachtiging van de dynamo wordt sterker, waardoor de spanning stijgt en de snelheidsvermindering gecompenseerd wordt.

Waarom gebruikt men zo'n ingewikkelde constructie? Kan men niet gewoon de spanning van de gelijkstroommotor regelen? Dat is mogelijk, bijvoorbeeld met een regelbare transfo of met een rheostaat. Er bestaan echter geen rheostaten of regelbare transfo's voor echt grote vermogens. De ophaalmotor die de liftkooien van een steenkoolmijn bedient heeft een vermogen van meer dan 1MW. Zo'n vermogen is ook nodig, want er wordt in één keer meer dan 10 ton steenkool uit de gallerij gehaald, en de liftkooien bewegen aan een snelheid van meer dan 70km/u.

Dankzij de lage inwendige weerstand van de dynamo is er een betere controle op de motor (stabiele rotatiesnelheid), wat niet bereikt kan worden met een relatief hoogohmige rheostaat die maar een "slappe" regeling toelaat.

Bij een Ward-Leonard schakeling versterkt de gelijkstroomgenerator het vermogen in de veldwikkeling met een faktor 100 (normale dynamo). Gebruikt men echter een amplidyne, dan bekomt men een versterking van 10.000×. Men kan dus een motor van 1MW aansturen met een vermogen van 100W, en daarvoor kan een rheostaat of een regelbare transfo gebruikt worden.

Zoals een hifi versterker electrisch vermogen nodig heeft om het zwakke microfoonsignaal te versterken, zo heeft ook een amplidyne of Ward Leonardschakeling een externe vermogensbron nodig. Het uiteindelijk vermogen wordt geleverd door de stoomturbine, de dieselmotor of driefasige motor: het is niet zo dat het vermogen zomaar uit het niets verschijnt. De vele "perpetuum mobile" filmjes die je op youtube ziet zijn fake. Een motor-generator combinatie kan niet eeuwig blijven draaien (en daarbij ook nog een gloeilamp (energielabel F) van stroom te voorzien).

De foto's rechts zijn genomen in de oude steenkoolmijn van Winterslag. De eerste foto toont ons de alternator in het midden, met de twee dynamo's aan weerszijden: de ene om de bekrachtigingstroom te leveren (veldwikkeling) van de gelijkstroommachines, de andere om de ankerspanning van de gelijkstroommotor te leveren. De alternator drijft de dynamo's aan, aan een snelheid van 750 toeren/minuut.

De eerste dynamo is een compond dynamo (shunt getekend), de tweede is een dynamo met externe bekrachtiging (zie typeplaatjes). Het laatste typeplaatje is die van de liftmotor die aan een snelheid van 46 toeren draait (directe aandrijving van de Koepe schijf waarop de liftkabels liepen). De spanning is natuurlijk die van de veldwikkeling, want de ankerspanning is variabel.

De twee volgende foto's zijn detailfoto's van de koolborstels van één van de dynamo's (de koolborstels zijn identiek aangezien beide dynamo's ongeveer eenzelfde stroom moeten leveren).

Dan hebben we de sleepringen van de driefasige aandrijfmotor. Het is een synchrone motor met sleepringen om de bekrachtiging aan de rotor te brengen. De stator wordt verbonden met de driefasige netspanning. Als de kooien afgeremd moeten worden, dan wordt er energie terug op het net gestoken: de gelijkstroomgenerator (dynamo) kan immers ook als motor werken.

Als de Ward Leonard groep stilgelegd moest worden voor het onderhoud, dan werd een hulpgroep gebruikt (foto hierboven), waardoor de liftkooien nog altijd bediend konden worden, zij het aan een veel lagere snelheid. De groep moest immers constant draaien, dat er arbeid geleverd werd of niet, waardoor de koolborstels regelmatig vervangen moesten worden, een kenmerk van alle dynamo's en gelijkstroommotoren.

En uiteindelijk een detailfoto van de liftmotor en van de wikkelingen. Zoals een dynamo heeft de motor ook compensatiewikkelingen die de ankerreaktie moeten tegenwerken. De stroom door het anker veroorzaakt immers een verschuiving van het magnetisch veld waardoor de motor niet meer efficient gaat werken.

De ankerreaktie die gecompenseerd moet worden hangt af van de ankerstroom. De compensatiewikkelingen worden daarom doorlopen door de ankerstroom. Het zijn de dunne polen die een dikke wikkeling hebben.

Schneider was gedeeltelijk eigenaar van de steenkoolmijn van Winterslag. Het was een frans bedrijf dat vergelijkbaar was met Krupp in Duitsland.

De Ward Leonard schakeling werd veelvuldig in de industrie toegepast, bijvoorbeeld in de staalnijverheid om de snelheid van de motoren die de walsen aandrijven nauwkeurig te regelen. Bij bepaalde walsen doet de staalplaat een heen- en weerbeweging en dankzij de schakeling kan de snelheid vloeiend geregeld worden in de ene of andere richting.

Ook bij de electrische aandrijving in schepen (en nu zitten we weer bij de Marine) werd er een Ward Leonard machine gebruikt om het vermogen van de hoofdmotor (stoomturbine of dieselmotor) naar de schroefassen te sturen. Met de schakeling was het mogelijk het toerental soepel in te stellen, waarbij de hoofdmotor constant aan eenzelfde snelheid bleef draaien, wat een hoger rendement van de thermische motor mogelijk maakte. De WL-machine werd ook gebruikt op diesellokomotieven die het vermogen electrisch overbrengen naar de wielen.

De Ward Leonard machine had natuurlijk ook nadelen, zoals relatief grote verliezen (dubbele omzetting mechanisch naar electrisch, en dan weer naar mechanisch), mechanische verliezen door de vrijving van de koolborstels en electrische verliezen door de weerstand van dezelfde borstels (men probeerde deze verliezen te beperken door een zo hoog mogelijke spanning te gebruiken). In vergelijking met een electrische module was de Ward Leonard groot en had regelmatig onderhoud nodig.

Eenmaal dat er betrouwbare electronische modules beschikbaar werden, was de Ward Leonard constructie niet meer nodig. De wisselspanningsmotor wordt direct electronisch aangestuurd met een wisselspanning waarvan de spanning en de frekwentie geregeld kan worden. Men gebruikt dan asynchrone motoren (kooiankermotoren) die weinig onderhoud nodig hebben.

En we hebben voor u nog een beetje lektuur: de dynamo ligt echt aan de basis van talrijke toepassingen. Dit is de algemene pagina electriciteit waar we het over de electrische eenheden hebben (en hoe je ze kan meten), de specifieke eigenschappen van wisselspanning, de stroomgeneratoren (dynamo's, synchrone en asynchrone generatoren, enz.

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

-