A probléma, ami mindent elindított
1891-et írunk. Az elektromos világ még fiatal – Thomas Edison alig tíz éve gyújtotta meg az első kereskedelmi villanykörtéket, és az „áramháború" Edison egyenárama (DC) és Westinghouse/Tesla váltóárama (AC) között javában dúl. A villanymotorok terjednek az iparban, de van egy alapvető probléma: hogyan szabályozzuk a fordulatszámukat?
Egy egyenáramú motor fordulatszáma az armatúra-feszültségtől függ. Magasabb feszültség = gyorsabb motor. Alacsonyabb feszültség = lassabb motor. Egyszerű fizika. De hogyan változtasd meg a feszültséget simán, fokozatmentesen, az ipar által megkövetelt pontossággal?
Az 1890-es évek megoldása az ellenállásos szabályozás volt: nagy reosztátokat – változtatható ellenállásokat – iktattak a motor áramkörébe. Ez működött, de volt két komoly baja: az ellenállás hőt termel (= energiapazarlás), és a szabályzás durva, lépcsőzetes volt. Egy felvonó, ami lökésszerűen indul és lökésszerűen áll meg, nem éppen az a „kellemes utazás", amire az utasok vágynak.
Kellett valami jobb. És Harry Ward Leonard kitalálta.
Harry Ward Leonard: Edison tanítványa, Tesla kollégája
Harry Ward Leonard 1861. február 8-án született Cincinnati-ban, Ohio államban. A családban a negyedik gyerek volt hat testvér közül, és dédapja nem más volt, mint Artemas Ward, az Amerikai Függetlenségi Háború tábornoka. Az ifjú Leonard a Massachusetts Institute of Technology-n (MIT) tanult, ahol nemcsak mérnöki tudást szerzett, hanem alapítója volt a The Tech diákújságnak is – ami máig megjelenik.
1883-as diplomaszerzése után Leonard egyenesen Thomas Edison-hoz szegődött, hogy segítsen az Edison központi erőműves elosztórendszer kiépítésében. Kollégája volt – többek között – Nikola Tesla is. Négy éven belül Leonard a Western Electric Light Company of Chicago főfelügyelője lett, aztán saját céget alapított (Leonard and Izard), amit 1889-ben Edison felvásárolt. Leonard így az Edison-birodalom egyesült államokbeli és kanadai főmenedzsere lett.
Közben szabadalmakat halmozott – élete során több mint 100 szabadalom fűződött a nevéhez, a villamos elosztórendszerektől a felvonóvezérléseken át a vasúti világításig és az autóipari alkalmazásokig.
De a leghíresebb, a legmaradandóbb találmánya 1891-ben született: a Ward Leonard motorvezérlő rendszer.
Hogyan működik a Ward Leonard hajtás?
A Ward Leonard rendszer lényege meglepően elegáns – és ha megérted, azonnal látni fogod, miért volt forradalmi:
Vegyünk három forgó gépet, és kössük össze okosan.
1. gép – A hajtómotor (prime mover): Egy állandó fordulatszámú motor – általában váltóáramú (AC) aszinkron vagy szinkron motor – forog egyenletes sebességgel. Ez a rendszer „szíve", ami a mechanikus energiát biztosítja. A háromfázisú hálózatról megy, és mindig ugyanolyan gyorsan pörög.
2. gép – A generátor (G): A hajtómotor tengelyére van kötve egy egyenáramú (DC) generátor. A generátor armatúrája egyenáramot termel – de a kimeneti feszültsége attól függ, mekkora gerjesztőáramot kap a mezőtekercseibe. Ha növeled a gerjesztést, nő a kimeneti feszültség. Ha csökkented, csökken. Ha megfordítod a gerjesztés irányát, megfordul a kimeneti feszültség polaritása is.
3. gép – A munkagép (M): A generátor kimenete közvetlenül az egyenáramú munkamotor armatúrájára van kötve. A motor fordulatszáma a kapott feszültségtől függ – ami a generátor gerjesztésétől függ – amit te szabályozol egy kis reosztáttal.
A Ward Leonard elv dióhéjban
Kis áramú bemeneti jel (a generátor gerjesztése) → nagy teljesítményű kimeneti feszültség (a generátor armatúrája) → motorfordulatszám-változás
Lényegében egy nagy teljesítményű erősítő forgó gépezetből megépítve. A kis gerjesztőáram-változás nagy armatúra-feszültség-változást okoz, ami sima, fokozatmentes fordulatszám-szabályozást eredményez.
A zseniális az, hogy egyetlen kis reosztát – amit akár kézzel, akár automata szabályzóval vezérelsz – irányít egy teljes hajtásrendszert. Nincs nagy hő, nincs energiaveszteség a reosztátban (csak a kis gerjesztőáramot kapcsolod), és az átmenet sima. A motor nulláról a maximális fordulatszámig fokozatmentesen gyorsítható, és egyetlen mozdulattal megfordítható – a gerjesztés polaritásának megfordításával.
És ami igazán fontos: a rendszer regeneratív fékezésre is képes. Ha a motor lassít, generátorként működik, és energiát táplál vissza a rendszerbe. Ez egy felvonónál azt jelenti, hogy az üres kabin felemelkedése közben a nehezebb ellensúly lefelé húzása energiát termel – nem pazarolja el hőként.
Az 1892-es szabadalom: felvonók számára
Leonard 1891. augusztus 31-én nyújtotta be a szabadalmi kérvényt, és 1892. február 2-án kapta meg az US Patent No. 468,100-at „Electric Elevator" címmel. A szabadalom szövege egyértelműen a felvonóvezérlésre fókuszál – Leonard felismerte, hogy a felvonó az a terület, ahol a sima, fokozatmentes, reverzálható fordulatszám-szabályozás a leginkább szükséges.
A szabadalom leírja, hogyan tartja a rendszer a motor hatásfokát és nyomatékát állandóan – függetlenül a fordulatszámtól –, ami egy felvonónál kulcsfontosságú, hiszen a kabin súlya nem változik a sebesség változásával. Leonard hangsúlyozza, hogy mivel a motor mezőtekercse állandó erősségű, nincs szikrázás a kommutátor keféin – ami az addigi megoldások egyik fő problémája volt.
Száz év dicsőség: a Ward Leonard rendszer alkalmazásai
A Ward Leonard hajtás nem egyszerűen egy újabb szabadalom volt a sok közül. Ez volt az a találmány, ami lehetővé tette az ipar átállását a gőzgépekről a villanymotorokra mindenhol, ahol pontos fordulatszám-szabályozás kellett. Becslések szerint az acéliparban 15%-kal csökkentette a hengerelési költségeket a gőzgépek kiváltásával.
Íme a rendszer karrierje – ami szinte olyan izgalmas, mint egy kalandregény:
Felvonók (1890-es évek – 1980-as évek)
A Ward Leonard rendszer elsődleges alkalmazási területe a felvonó volt, és az is maradt – közel száz évig. Az 1920-as évektől az 1980-as évekig a legtöbb elektromos felvonó Ward Leonard hajtást használt. Több százmillió ember utazott Ward Leonard felvonóban anélkül, hogy tudott volna róla. Egyes rendszerek a 21. század elején is üzemeltek.
Az US Navy és a USS Brooklyn (1900-as évek)
Az 1900-as évek elején a Ward Leonard rendszert az amerikai haditengerészet is felkarolta. Az első sikeres bemutatót a USS Brooklyn hadihajón tartották, ahol a rendszer bizonyította, hogy képes precízen vezérelni a hajó lövegtornyait. A siker után a technológiát felszerelték a USS Holland-ra is – ami az US Navy első tengeralattjárója volt. 1911-re a Ward Leonard hajtás már transzatlanti hadihajókon is standard volt.
A párizsi mozgójárda (1900)
Az 1900-as Párizsi Világkiállítás egyik legnagyobb attrakciója egy mozgó járda volt – egy korai „mozgólépcső-szerű" rendszer, ami különböző sebességű járdákon szállította az utasokat a kiállítási terület körül. Sokan próbálkoztak a megépítésével, de megbízhatóan működtetni nem tudták. A Ward Leonard rendszer végül megoldotta a sima, megbízható sebességszabályozás problémáját. A járda egyszerre 14 000 utast tudott szállítani, és egy húsvéti napon 70 000 embert is mozgatott.
Első világháborús mozdonyok
A Ward Leonard hajtást dízel-elektromos mozdonyokon is alkalmazták, ahol a dízelmotor hajtott egy DC generátort, és a generátor feszültsége vezérelte a hajtómotorokat. Ez a koncepció a dízel-elektromos vontatás alapja – és változatai a mai napig használatban vannak.
A II. világháború és az SCR-584 radar (1942)
Talán a legdrámaibb alkalmazás a második világháború idejére esik. Az MIT Radiation Laboratory által fejlesztett SCR-584 légvédelmi radar – az egyik legfejlettebb radarberendezés a háborúban – Ward Leonard hajtásokat használt az antenna pozicionálásához. A radar két dimenzióban követte a repülőgépeket, és az antenna mozgásának rendkívül simának és precíznek kellett lennie. A Ward Leonard rendszer képes volt erre: a kis gerjesztőáram-változások nagy, de sima mechanikus mozgásokat eredményeztek.
Az SCR-584 kivételes teljesítményt nyújtott: 65 km-ről felismerte a bombázókat, és 29 km-ről automatikusan követte őket, 23 méter pontossággal. Kulcsszerepet játszott a V-1 robotrepülőgépek elhárításában London felett – gyakorlatilag véget vetve a V-1 bombázásoknak. Mintegy 1 700 darab SCR-584-et gyártottak.
A Ward Leonard Ilgner változat: lendkerékkel simítva
A Ward Leonard rendszer egyik fontos továbbfejlesztése az Ilgner-rendszer volt. A hagyományos Ward Leonard rendszerben a hirtelen terhelésváltozások – például egy acélhengersor indításakor – nagy áramlökéseket okozhatnak a hálózatban. Az Ilgner-változatban a szinkron hajtómotort csúszógyűrűs aszinkron motorra cserélték, és egy nagy lendkereket szereltek a tengelyre.
A lendkerék energiát tárol a tehetetlensége révén: amikor hirtelen nagy terhelés lép fel, a lendkerék adja az extra energiát (miközben lassul), és amikor a terhelés csökken, újra felgyorsul. Ez kisimítja a hálózati terhelést – pont úgy, ahogy egy kondenzátor kisimítja az áramimpulzusokat egy tápegységben. Acélhengersoroknál, bányafelvonóknál és más intermittáló terheléseknél ez létfontosságú volt.
Az utódlás: a tirisztortól a modern frekvenciaváltóig
A Ward Leonard rendszer zseniális volt – de volt néhány jelentős hátránya is:
Méret és súly: Három nagy forgó gép egy helyiségben. Egy közepes ipari hajtás motor-generátor készlete tonnákat nyomott, és egy kisebb szobányi helyet foglalt el.
Karbantartás: Forgó gépek, csapágyak, kefék, kommutátorok – folyamatos karbantartást igényelnek. A szénkefék kopnak, a kommutátorok szikrázhatnak, a csapágyakat kenni kell.
Hatásfok: Az energia háromszor konvertálódik (AC → mechanikus → DC → mechanikus), és minden konverzióban van veszteség. Könnyű terhelésnél a hatásfok kifejezetten rossz volt.
Zaj: Három nagy forgó gép nem a csendes üzem mintapéldája.
Költség: A motor-generátor készlet drága volt – lényegében ugyanakkora teljesítményű gépet kellett venni, mint amekkora a munkamotort hajtotta.
Az 1920-as években megjelentek az első elektroncsöves egyenáramú motorvezérlők, de ezek még nem szorították ki a Ward Leonard rendszert. A valódi fordulópontot a félvezetők hozták:
1960-as évek: A szilícium vezérelt egyenirányítók (SCR-ek, más néven tirisztorok) lehetővé tették, hogy az AC hálózati feszültséget közvetlenül, elektronikusan szabályozzák és egyenirányítsák – forgó gépek nélkül. Ez volt a tirisztoros DC hajtás, ami lényegében a Ward Leonard rendszer „statikus" változata: ugyanaz az elv (változtatható DC feszültség a motor armatúráján), de a motor-generátor készletet egy félvezetős átalakító helyettesíti.
1970-es–1980-as évek: A Ward Leonard rendszer gyorsan elavulttá vált. Az új telepítéseknél már tirisztoros hajtásokat használtak, bár a meglévő Ward Leonard rendszerek cseréje a 20. század végéig, sőt a 21. század elejéig is eltartott.
1980-as–1990-es évek: Megjelentek az IGBT-alapú frekvenciaváltók (VFD-k), amelyek már nem DC, hanem AC motorokat tudtak változtatható frekvenciával és feszültséggel vezérelni. Ezzel eltűnt az utolsó ok is a DC motorok használatára a legtöbb alkalmazásban. A modern frekvenciaváltó – egy tenyérnyi dobozban – mindazt tudja, amit a Ward Leonard rendszer három forgó géppel megvalósított, és sokkal többet.
Az evolúció: a Ward Leonard-tól a frekvenciaváltóig
1891 – Ward Leonard hajtás: AC motor → DC generátor → DC motor. Három forgó gép, tonnás súly, szobányi hely.
1960-as évek – Tirisztoros DC hajtás: AC hálózat → tirisztoros egyenirányító → DC motor. Egy szekrénynyi elektronika.
1980-as évek – Frekvenciaváltó (VFD): AC hálózat → egyenirányító → DC közbensőkör → inverter → AC motor. Egy tenyérnyi doboz.
Ugyanaz a cél – sima, fokozatmentes fordulatszám-szabályozás –, de a megoldás 130 év alatt tonnákról grammokra zsugorodott.
Leonard öröksége: ami megmaradt
Harry Ward Leonard 1915. február 18-án halt meg, mindössze 54 évesen – alig tíz nappal 54. születésnapja után. Nem élte meg, hogy találmánya két világháborúban is kulcsszerepet játsszon, vagy hogy évszázadra meghatározza a felvonó-ipart.
Az általa 1898-ban alapított Ward Leonard Electric Company ma is létezik – a Fairbanks Morse Defense részeként haditengerészeti motorokat, generátorokat és vezérlőrendszereket gyárt, akár 100 000 lóerős teljesítménnyel.
De Leonard igazi öröksége nem egy cég, hanem egy gondolat: a motor fordulatszáma elektronikusan, fokozatmentesen, reverzálhatóan szabályozható. Ez a gondolat él tovább minden egyes frekvenciaváltóban, minden egyes szervóhajtásban, minden egyes robotkaron, ami ma a világon működik.
Amikor legközelebb a felvonóba lépsz, és az simán, lökésmentesen indul el – gondolj arra, hogy ezt a „simaságot" 1891-ben találták fel. Három forgó géppel, Cincinnati-ban, egy MIT-végzett Edison-tanítvány fejéből.
Ma: a frekvenciaváltó a zsebedben
Leonard három forgó gépet használt ahhoz, amit ma egy Sowakam frekvenciaváltó elvégez – egy DIN-sínre szerelhető, tenyérnyi dobozban. A Sowakam SW100 és SW300 sorozat képes mindarra, amiről Leonard álmodott, és sokkal többre: sima indítás, fokozatmentes fordulatszám-szabályozás, irányváltás, beépített PID szabályzás, regeneratív fékezés, Modbus kommunikáció – és mindezt egy töredék méretben, súlyban és áron.
Leonard szíve szerint mérnök volt – és hiszem, hogy ha ma élne, elragadtatással nézné, mivé vált a találmánya. Nem szűnt meg. Nem avult el. Tovább fejlődött – a félvezetőfizika, a digitális jelfeldolgozás és a mikroprocesszorok segítségével.
A Ward Leonard hajtás nem halt meg. Metamorfózison ment keresztül. És ma, 2026-ban, millió és millió frekvenciaváltóban él tovább – a gyáraktól a víztisztító telepekig, a hűtőházaktól a napelemes rendszerekig.
Fedezd fel a Ward Leonard örököseit!
A Sowakam frekvenciaváltók Leonard szellemi örökségét viszik tovább – modern félvezető technológiával, beépített PID-del, RS485/Modbus kommunikációval. Az SW100 kompakt sorozat a kisebb motoroktól, az SW300 nagyteljesítményű sorozat akár 45 kW-ig kínál megoldást.
Párosítsd egy Flexem PLC-vel, és megkapod azt, amiről Leonard 1891-ben álmodott: precíz, programozható, automatikus motorvezérlést – egy DIN-sínen, a kapcsolószekrényben.
Kérdésed van a megfelelő frekvenciaváltó kiválasztásához? Írj nekünk – a PLCszerviz mérnökei szívesen segítenek.
Harry Ward Leonard bebizonyította, hogy a fordulatszám-szabályozás nem luxus, hanem az ipar alapvető szükséglete. 130 évvel később a frekvenciaváltó ugyanezt a szükségletet szolgálja – csak éppen tonnák helyett egy tenyérnyi dobozban.