Marine Zeebrugge
Electrisch schema Ward-Leonard
TechTalk

-

-

Na een inleiding over de Ward leonard schakeling zie hier een concreet electrisch schema van een ward leonard schakeling gebruikt op de oude slepers van de belgische marine (gebouwd jaren 1955-1960). Een sleper moet een vermogen kunnen leveren die regelbaar is tussen extreme limieten: het schip moet nauwkeurig kunnen maneuvreren, maar ook heel veel vermogen kunnen leveren om een grote schip te slepen. Moderne sleepboten zijn uitgerust met een speciale soort schroeven van het type Voith Schneider.

De schakeling komt van de A950 Valcke en A998 Ekster, twee hulpvaartuigen van de belgische marine. De schepen werden in 1960 gelanceerd onder de naam Steenbank en Schouwenbank en werden door de marine overgenomen in 1980. Ze zijn al een tijd geleden verkocht.

Aantekeningen betreffende
de Ward Leonardschakeling

De sleper beschikt over twee dieselmotoren die ieder 3 dynamos aandrijft: twee vermogensdynamo's en twee bekrachtigingsdynamo's. De vermogensdynamo's worden soms hoofdgeneratoren genoemd en de bekrachtigingsdynamo's opwekkers. De twee hoofdgeneratoren zijn identiek, zoals ook de opwekkers (aangeduid G1 tot G4 op de schakeling). De bedoeling van de dubbele constructie is om snel extra vermogen te kunnen leveren door de twee dynamo's in serie te gebruiken. Er zijn ook nog twee extra dynamo's voor de boordspanning (niet aangegeven op dit schema).

In de verdere tekst worden de termen bekrachtiging(...) en veld(...) door elkaar gebruikt. De veldstroom van een dynamo is dus de bekrachtigingsstroom.

Bekrachtiging 1

De schakeling wordt van rechts naar links gelezen.
De boordvoeding is 220V gelijkspanning, dit was toen de norm. Men gebruikte eerder dynamo's dan alternatoren. De sleper bezit ook een batterijbank zodat er stroom geleverd kan worden als de stroomgroep niet draait. De bekrachtigingsstroom (veldstroom) voor de bekrachtigingsdynamos en voor de motor wordt afgenomen van het boordnet. Dit zijn de veldwikkelingen G3 E-e, G4 E-e en M E-e.

De bekrachtigingsstroom voor de dynamos is instelbaar bij het maneuvreren (lage snelheden). Bij hogere snelheden wordt de bekrachtigingsstroom op een maximale waarde gehouden (alle schakelweerstanden kortgesloten).

De draaizin van de motor wordt hier ingesteld door het veld van de bekrachtigingsdynamo via de boordvoeding om te polen. De bekrachtigingsdynamo levert zo een positieve of negatieve spanning.

Er zijn drie rheostaten om de bekrachtigingsstroom nauwkeurig bij te stellen (gelijkloop). Deze instelling wordt niet meer gewijzigd tijdens de vaart.

Bekrachtiging 2

Centrale gedeelte van het schema.
De bekrachtigingsdynamo's (opwekkers) leveren voornamelijk de veldstroom voor de vermogensdynamo's (hoofdgeneratoren).

Bij normale vaart wordt de veld van de bekrachtigingsdynamos ingesteld via een shuntwikkeling die min of meer stroom ontvangt. Bij lage vaartsnelheden wordt de maximale weerstand ingesteld (alle schakelweerstanden in gebruik) en wordt het vermogen ingesteld door de bekrachtiging 1.

Vermogendynamos

Linker gedeelte van de schakeling.
De vermogensdynamos leveren stroom aan de gelijkstroommotor via een contacteur die de ene of de andere dynamo in gebruik stelt. Het is ook mogelijk beide dynamos in serie te schakelen om meer vermogen te bekomen.

Om een compoundering te hebben (shunt en serie veldwikkeling) wordt een gedeelte van de stroom van de vermogensdynamo naar de serie veldwikkeling van de bekrachtigingsdynamo gestuurd. het heeft namelijk geen zin de stroom te betrekken van de bekrachtigingsdynamo, want de dynamo levert stroom aan een belasting die constant is (veldwikkeling van de vermogensdynamo).

Men had een serie veldwikkeling op de vermogensdynamo kunnen gebruiken, maar men heeft ervoor gekozen om de compoundering te laten lopen via de bekrachtigingsdynamo die een lagere veldstroom nodig heeft.

Bekrachtigingsdynamos

de bekrachtigingsdynamos hebben een drievoudige bekrachtiging met drie veldwikkelingen:
  • Externe bekrachtiging via het gelijkspanningsboordnet (spoelen E-e). De stroom wordt ingesteld bij lage snelheden. de externe bekrachtiging heeft als voordeel dat het magnetisch veld automatisch opgebouwd wordt. Het kan immers gebeuren dat het remanent magnetisch veld van de dynamo zo laag geworden is dat de dynamo niet meer op spanning kan komen.

    De draaizin van de motor wordt hier ingesteld door de polariteit van de externe bekrachtiging in te stellen. Door deze bekrachtiging ontstaat er een positieve of negatieve spanning over de dynamo, waarmee ook de shuntwikkeling gevoed wordt. De shuntwikkeling versterkt het veld, ongeacht de polariteit.

  • Shunt bekrachtiging afgenomen in parallel op de uitgang van de bekrachtigingsdynamo, spoelen F-f. Het betreft hier een normale shuntbekrachtiging waarvan men de spanning kan wijzigen. Door het verlagen van de spanning (en dus de bekrachtigingsstroom) zal ook de uitgangspanning lager worden, waardoor de bekrachtigingsstroom verder daalt (versterkend effekt). Men heeft dus een zeer breed regelgebied, door enkel te werken met weerstanden die een lage waarde hebben (=weinig verliezen). De shunt bekrachtiging wordt ingesteld bij normaal bedrijf.

  • Serie bekrachtiging (spoelen E1-e1). De stroom wordt afgetapt op de vermogensdynamo en niet op de bekrachtigingsdynamo. Dankzij de compoundering bekomt men een systeem dat stabiel is. Het motortoerental wordt vast gehouden ondanks veranderingen in de belasting (zeeslag).


Links: compleet schema van de regelaar waarmee de bekrachtiging ingesteld wordt, en dus ook de motorsnelheid.
De parameters van de generatoren en motor:

  • Bekrachtingingsdynamo (G3 en G4):
    220V, 10A, 2.2kW
    Veldwikkeling 220V, 0.35A
    1500 omw/min

  • Vermogensdynamo (G1 en G2)):
    220V, 1730A, 380kW
    Veldwikkeling 220V, 10A
    750 omw/min

  • Dynamo voor de boordspanning
    220V, 245A, 54kW, 750 omw/min
    Het schip beschikt ook over twee dynamo's om de boordspanning op te wekken. Deze vaste spanning wordt gebruikt voor de bekrachtiging van de motor en van de bekrachtigingsdynamo's.

  • Gelijkstroommotor:
    440V, 1730A, 705kW (960PK)
    Veldwikkeling 220V 12.5A
    1000 omw/min
Met een vermogen van 77W (veldwikkeling van de bekrachtigingsdynamo) kan men een vermogen van 380kW regelen.

De dieselmotor draait altijd op zijn nominaal toerental waarbij het motorrendement maximaal is. De vermogensdynamos belasten de dieselmotor minder of meer naargelang het vermogen dat aan de electrische motor geleverd moet worden. Er moet een vermogen van meer dan 1MW aan de gelijkstroommotor geleverd worden.

Zoals bij iedere dynamo heeft de vermogensdynamo ook compensatiepolen nodig (zie uitleg over dynamos). Voor de bekrachtigingsdynamo is dit minder noodzakelijk omdat de stroom die de dynamo moet leveren redelijk constant is.

Een dergelijk systeem heeft natuurlijk ook minpunten: dynamos en gelijkstroommotoren hebben een regelmatig onderhoud nodig. Er zijn ook meer mechanische en electrische verliezen door de koolborstels.

Met de Ward Leonardschakeling kan men het vermogen instellen tussen wijde limieten. Men gebruikt hierbij schakelweerstanden en rheostaten die slechts een laag vermogen moeten verwerken. men regelt immers niet de bekrachtiging van de motor zelf, maar van de bekrachtigingsdynamo. De bekrachtigingsdynamo wordt als magnetische versterker gebruikt. De schakelweerstanden nemen een vermogen op van 0.05% van het vermogen van de hoofdmotor. Dit is een zeer hoog electrisch rendement, vergelijkbaar met het rendement van een schakelende voeding (frekwentieregelaar).

Rechts een paar koolborstels voor de hoofddynamo (of motor). Er zijn in totaal meer dan 100 koolborstels nodig voor een stroom van 1730A. De borstels hebben een contactoppervlakte van 8mm op 40mm.

Ward Leonard voor liften

Dezelfde schakeling kan gebruikt worden voor het sturen van de liftkooien in een steenkoolmijn, waarbij de lage snelheid standen gebruikt worden om de kooien precies te positionneren en de hoge snelheid standen gebruikt worden om de liftkooien snel naar een diepte van meer dan 1000m te brengen. Hier wordt de energie aangevoerd door een synchrone motor in plaats van een dieselmotor waardoor vierkwadrantenbedrijf mogelijk is (bij het afremmen wordt er vermogen op het net gestoken, de synchrone motor gedraagt zich dan als alternator).

Omdat het benodigd vermogen lager is gebruikt men enkel een bekrachtgingsdynamo en een vermogensdynamo, waarbij de bekrachtigingsdynamo de veldstroom levert aan alle dynamo's en aan de motor. Schakelvoorbeeld Ward Leonard voor liftinstallaties.

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