Geschwindigkeitsregelung von Gleichstrommotoren: Widerstandsregelung der Wicklung und Feldflussregelung

Ein Gleichstrommotor ist ein Gerät, das mechanische Energie in elektrische Gleichstromenergie umwandelt. Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften eines Gleichstrommotors ist seine Fähigkeit, seine Geschwindigkeit nach bestimmten Anforderungen leicht mit einfachen Methoden anzupassen. Dieses Maß an bequemer Geschwindigkeitssteuerung ist bei einem Wechselstrommotor nicht so leicht erreichbar.

Die Begriffe der Geschwindigkeitsregelung und -steuerung sind unterschiedlich. Bei der Geschwindigkeitsregelung ändert sich die Motorgeschwindigkeit spontan aufgrund verschiedener Betriebsbedingungen. Im Gegensatz dazu werden bei einem Gleichstrommotor Geschwindigkeitsänderungen entweder manuell durch einen Bediener oder automatisch durch Steuervorrichtungen gezielt eingeleitet. Die Geschwindigkeit eines Gleichstrommotors wird durch folgende Beziehung bestimmt:

Gleichung (1) zeigt deutlich, dass die Geschwindigkeit eines Gleichstrommotors von drei wesentlichen Faktoren abhängt: der Versorgungsspannung V, dem Widerstand des Armaturkreises Ra und dem Feldfluss ϕ, der durch den Feldstrom erzeugt wird.

• Was die Steuerung der Geschwindigkeit eines Gleichstrommotors betrifft, sind die Manipulation der Spannung, des Armaturwiderstands und des Feldflusses entscheidende Überlegungen. Es gibt drei Hauptmethoden zur Erreichung der Geschwindigkeitssteuerung eines Gleichstrommotors, wie unten dargestellt:

• Variation des Widerstands im Armaturkreis (Armaturwiderstand- oder Rheostatsteuerung)

• Variation des Feldflusses (Feldflusssteuerung)

• Variation der angewandten Spannung (Armaturspannungssteuerung)

Eine ausführlichere Untersuchung dieser Geschwindigkeitssteuerungsmethoden wird im Folgenden vorgenommen.
Armaturwiderstandssteuerung des Gleichstrommotors (Spulenmotor)
Das Verbindungsschema für die Umsetzung der Armaturwiderstandssteuerung an einem Spulenmotor ist unten dargestellt. In diesem Ansatz wird ein verstellbarer Widerstand Re in den Armaturkreis eingeschaltet. Änderungen des Werts dieses verstellbaren Widerstands beeinflussen den magnetischen Fluss nicht, da die Feldwicklung direkt an die Netzversorgung angeschlossen ist.

Die Strom-Geschwindigkeits-Kennlinie des Spulenmotors ist unten dargestellt.

Reihenmotor
Betrachten wir nun das Verbindungsschema zur Steuerung der Geschwindigkeit eines Gleichstromreihenmotors mithilfe der Armaturwiderstandssteuerung.

Wenn der Widerstand des Armaturkreises angepasst wird, beeinflusst dies gleichzeitig sowohl den Strom, der durch den Kreis fließt, als auch den magnetischen Fluss innerhalb des Motors. Der Spannungsabfall über den verstellbaren Widerstand reduziert effektiv die Spannung, die für die Armatur verfügbar ist. Daher führt diese Reduktion der angewandten Armaturspannung zu einer Verringerung der Drehzahl des Motors.

Die Strom-Geschwindigkeits-Kennlinie eines Reihenmotors, die die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem durch ihn fließenden Strom darstellt, ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Wenn der Wert des verstellbaren Widerstands Re erhöht wird, arbeitet der Motor mit einer geringeren Drehzahl. Da der verstellbare Widerstand den gesamten Armaturstrom leitet, muss er so konstruiert sein, dass er den volllastigen Armaturstrom ohne Überhitzung oder Ausfall kontinuierlich bewältigen kann.

Nachteile der Armaturwiderstandssteuerungsmethode

• Eine erhebliche Menge elektrischer Energie wird als Wärme im externen Widerstand Re verloren, was zu Ineffizienzen und Energieverschwendung führt.

• Diese Methode der Armaturwiderstandssteuerung ist darauf beschränkt, die Motordrehzahl unterhalb ihrer normalen Betriebsdrehzahl zu senken; sie ermöglicht keine Erhöhung der Drehzahl über das normale Niveau hinaus.

• Für jeden spezifischen Wert des verstellbaren Widerstands ist der Grad der Drehzahlreduzierung nicht fest, sondern variiert je nach Belastung des Motors, was eine präzise Geschwindigkeitsregelung erschwert.

• Aufgrund seiner inhärenten Ineffizienzen und Einschränkungen ist dieser Geschwindigkeitssteuerungsansatz in der Regel nur für kleine Motoren geeignet.

Feldflusssteuerungsmethode des Gleichstrommotors

Der magnetische Fluss in einem Gleichstrommotor wird durch den Feldstrom erzeugt. Daher erfolgt die Geschwindigkeitssteuerung mit dieser Methode durch die Anpassung der Stärke des Feldstroms.

Spulenmotor

Bei einem Spulenmotor ist ein verstellbarer Widerstand RC in Serie mit den Spulenfeldwicklungen verbunden, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Dieser RC wird oft als Spulenfeldregler bezeichnet und spielt eine wichtige Rolle bei der Modifikation des Feldstroms und somit des magnetischen Flusses des Motors.

Der Spulenfeldstrom wird durch die folgende Gleichung gegeben:

Wenn der verstellbare Widerstand RC in den Feldkreis eingeschaltet wird, begrenzt er den Feldstrom. Dadurch wird der durch die Feldwicklungen erzeugte magnetische Fluss verringert. Diese Verringerung des Flusses hat einen direkten Einfluss auf die Motordrehzahl, wodurch sie zunimmt. Folglich arbeitet der Motor mit einer Drehzahl, die über seine normale, unveränderte Drehzahl hinausgeht.

Diese einzigartige Eigenschaft macht die Feldflusssteuerungsmethode für zwei Hauptzwecke besonders nützlich. Erstens ermöglicht sie es dem Motor, Geschwindigkeiten über seine Standardbetriebsdrehzahl hinaus zu erreichen, was Flexibilität in Anwendungen bietet, die erhöhte Drehzahlen erfordern. Zweitens kann sie verwendet werden, um den natürlichen Geschwindigkeitsabfall, der auftritt, wenn der Motor unter Last steht, zu kompensieren, wodurch eine konsistentere Drehzahl unter wechselnden Lastbedingungen gewährleistet wird.

Die Drehmoment-Geschwindigkeits-Kennlinie eines Spulenmotors, die grafisch die Beziehung zwischen der Drehzahl des Motors und dem von ihm erzeugten Drehmoment unter verschiedenen Betriebsbedingungen darstellt, ist unten dargestellt. Diese Kennlinie bietet wertvolle Einblicke in die Leistungseigenschaften des Motors unter verschiedenen Betriebsbedingungen, wenn die Feldflusssteuerungsmethode angewendet wird.

Reihenmotor

Im Fall eines Reihenmotors kann die Anpassung des Feldstroms auf eine von zwei Methoden erfolgen: entweder durch die Verwendung eines Abzweigers oder durch die Implementierung der getappten Feldsteuerung.

Durch Verwendung eines Abzweigers

Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, ist ein verstellbarer Widerstand Rd parallel zu den Reihenfeldwicklungen angeschlossen. Diese Konfiguration ermöglicht die Manipulation der Stromverteilung im Schaltkreis und damit den Einfluss auf die Stärke des durch die Reihenfeldwicklungen erzeugten magnetischen Feldes.

Der Parallelwiderstand in dieser Anordnung wird als Abzweiger bezeichnet. Wenn der Abzweiger mit dem verstellbaren Widerstand Rd angeschlossen wird, leitet er einen bestimmten Teil des Hauptstroms von den Reihenfeldwicklungen weg. Folglich besteht die primäre Funktion des Abzweigers darin, die Stärke des durch die Feldwicklung fließenden Stroms zu verringern. Mit der Verringerung des Feldstroms nimmt auch der durch das Feld erzeugte magnetische Fluss ab. Diese Verringerung des Flusses führt zu einer Erhöhung der Motordrehzahl.Tapped Field ControlDie zweite Methode zur Anpassung des Feldstroms in einem Reihenmotor erfolgt durch die getappte Feldsteuerung. Das entsprechende Verbindungsschema, das die spezifischen elektrischen Verbindungen und Komponenten dieser Methode zeigt, ist unten dargestellt.