Układ Leonarda jako układ o regulowanej prędkości obrotowej jest szeroko stosowany zarówno w dziedzinie napędów ciężkich, o dużych mocach rzędu MW (np. w kopalnianych maszynach wyciągowych, do napędu walcarek nawrotnych, zgniataczy) jak i do napędów mocy małej rzędu kilku kW. Szerokie zastosowanie tego układu jest skutkiem jego własności regulacyjnych, jak również łatwości automatyzowania. Największą wadą tego układu jest to, że się składa z wielu maszyn wirujących.
Do regulacji prędkości obrotowej silnika prądu stałego skorzystano z istnienia zależności zmian napięcia zasilającego uzwojenie wirnika od prędkości obrotowej. Silnik jest zasilany z wydzielonej prądnicy obcowzbudnej napędzanej silnikiem prądu przemiennego asynchronicznym, bądź synchronicznym.
Rys.1. Schemat ideowy jednostopniowego, otwartego układu Leonarda;
M1 – silnik prądu przemiennego napędzający prądnice,
G1 – prądnica główna,
G2 – wzbudnica układu,
M2 – silnik główny prądu stałego,
R1 – regulator napięcia wzbudnicy,
R2 – regulator napięcia prądnicy,
R3 – regulator wzbudzenia silnika
Przy założeniu, że nG = const, sem prądnicy głównej jest zależna od prądu wzbudzenia.
Przy idealnym biegu jałowym układu, gdy I = 0, EG = U = EM = ken0, a przy założeniu, że obwód magnetyczny prądnicy głównej w całym analizowanym przez nas zakresie jest nienasycony, tzn. że EG = kGiG (praca na prostoliniowej części charakterystyki magnesowania), prędkość obrotowa silnika prądu stałego zależeć będzie liniowo od prądu wzbudzenia prądnicy prądu stałego n = iG×const.
W przypadku ogólnym, można wychodząc z równania napięciowego obwodu głównego
otrzymać równanie n = f(I) w następującej postaci:
Przy założeniu, że wzbudzenie silnika ma wartość stałą fM = const, równanie charakterystyki mechanicznej silnika przybiera postać:
czyli, że charakterystyka mechaniczna jest linią prostą.
Zmieniając wartość sem prądnicy głównej, czyli jej prąd wzbudzenia przy fM = const, uzyska się rodzinę równoległych charakterystyk mechanicznych silnika bocznikowego prądu stałego (rys. 2).
Rys. 2. Rodzina charakterystyk mechanicznych silnika bocznikowego prądu stałego pracującego w układzie Leonarda, przy fM = const,
EG ¾ var
Zmiana kierunku prądu wzbudzenia prądnicy głównej powoduje zmianę kierunku sem prądnicy oraz zmianę kierunku wirowania silnika. Tak więc silnik układu Leonarda jest nawrotny, może on przy pełnym obciążeniu wirować w obu kierunkach.
Jeżeli w czasie pracy układu zdarzy się przypadek, że sem silnika stanie się większa od sem prądnicy (EM > EG), wówczas zmieni się kierunek przepływu prądu w obwodzie głównym I oraz kierunek działania momentu obrotowego M (przy fM = const) i silnik pracuje jako hamulec przekazując uzyskaną energię mechaniczną prądnicy głównej i dalej poprzez silnik prądu przemiennego, do sieci. Jest to hamowanie odzyskowe.
W układzie Leonarda, poza regulacją prędkości obrotowej za pomocą zmiany napięcia doprowadzonego do wirnika, tzn. za pomocą zmiany prądu wzbudzenia prądnicy głównej, występuje również możliwość zmieniania prędkości obrotowej silnika prądu stałego przez zmianę jego strumienia wzbudzającego.
W tym przypadku, przy osłabianiu strumienia wzbudzenia i założeniu stałego prądu (I = const) w obwodzie głównym, moc silnika będzie pozostawać bez zmiany, natomiast moment obrotowy będzie maleć hiperbolicznie.
Rozruch układu Leonarda odbywa się w ten sposób, że najpierw uruchamia się silnik napędowy prądnicy.
Przez wyłączenie części rezystancji regulatora wzbudzenia wzbudnicy doprowadzamy całkowite napięcia do pomocniczych szyn prądu stałego i wzbudzamy silnik napędowy do wartości znamionowej.
Następnie włączamy na szyny pomocnicze uzwojenie wzbudzające prądnicy z wtrąconą rezystancją dodatkową o dużej wartości i zmniejszając tę rezystancję powiększamy proporcjonalnie prąd magnesujący prądnicy; w ten sposób powiększamy sem prądnicy i wartość napięcia doprowadzonego do wirnika silnika głównego.
Przy rozruchu obserwujemy amperomierz włączony w obwód główny prądu stałego, po to by nie przekroczyć dopuszczalnych granic wartości prądu silnika.
Zasadnicze wady otwartego układu Leonarda są następujące:
a) układ składa się co najmniej z czterech maszyn wirujących, z czego większość to maszyny komutatorowe, kosztowne i delikatne,
b) charakterystyka mechaniczna silnika bocznikowego prądu stałego pracującego w układzie Leonarda jest bardziej miękka niż charakterystyka tego samego silnika zasilającego z sieci o niezmiennym napięciu. Zakładając, że rezystancja uzwojeń wirnika prądnicy i silnika są takie same, stwierdzamy, że spadek napięcia w obwodzie głównym, zatem również spadek prędkości obrotowej przy tym samym obciążeniu oraz w tych samych warunkach magnetycznych jest dwa razy większy:
gdy RG = RM
c) Układ regulacyjny jest nieliniowy, ponieważ ten sam przyrost prądu wzbudzenia, daje w różnych miejscach charakterystyki magnesowania różne przyrosty indukowanej siły elektromotorycznej,
d) regulacja nie jest jednoznaczna. Tej samej wartości prądu wzbudzenia w podstawowym obwodzie wejściowym i przy tych samych warunkach magnetycznych silnika, nie zawsze odpowiada ta sama prędkość wirowania wału silnika Leonarda.
Przyczyną niejednoznaczności regulacji jest zmienna wartości napięcia remanentu wzbudnic i prądnicy głównej, zależna od znaku aktualnego przyrostu prądu i od stopnia początkowego nasycenia obwodu magnetycznego oraz zmiana rezystancji obwodów elektrycznych na skutek zmiany temperatury uzwojeń,
e) układ ma dużą bezwładność. Sygnał sterujący przechodzi przez jedno lub kilka uzwojeń wzbudzających, a każde z nich stanowiąc obwód R, L i wykazuje pewną bezwładność. Zjawisko to jest niekorzystne w układach, w których chodzi o szybkie zmiany prędkości,
f) sprawność układu Leonarda jest mała. Energia pobrana z sieci prądu przemiennego zanim się przekształci na użyteczną energię mechaniczną, jest trzykrotnie przetwarzana (rys. 3).
W silniku prądu przemiennego energia tego prądu jest przetwarzana na energię mechaniczną.
W prądnicy prądu stałego energia mechaniczna jest przetwarzana na energię elektryczną prądu stałego,
którą z kolei przetwarza się na użyteczną energię mechaniczną.
Przy każdej przemianie energii powstają straty.
Zakładając np. że sprawność silnika prądu przemiennego wynosi hs = 94%, sprawność prądnicy głównej hG = 93%, sprawność silnika głównego hM = 91%, otrzymamy, że sprawność całkowita toru głównego wyniesie hL = 79,5%, czyli że straty układu wynoszą 20,5%.
Jeżeli moc układu jest 1000 kW, to straty te będą wynosić 205 kW. Energia strat będzie rozpraszana w otoczenie w postaci ciepła.
damiano_80