Grundlagen und Betrieb von Gleichstrommaschinen

Einführung

Die charakteristische Funktionsweise von Gleichstrommaschinen (DC-Maschinen) ist der Einsatz als Motor. Der entscheidende Vorteil von DC-Motoren gegenüber AC-Motoren liegt in ihrer hohen Flexibilität sowie der präzisen Geschwindigkeits- und Drehmomentregelung. Aufgrund der rasanten Entwicklung der Leistungselektronik werden diese jedoch zunehmend durch AC-Motoren ersetzt, da deren Herstellung und Instandhaltung kostengünstiger sind. Zudem ist der Einsatz von DC-Maschinen als Dynamo weitgehend überholt, da AC-Systeme durch die einfache Transformation von Spannungen wirtschaftlichere Vorteile bei der Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie bieten.

Konstruktive Aspekte

Die DC-Maschine besteht aus einem festen Teil (Stator) und einem beweglichen Teil (Rotor). Sie verfügt über zwei Wicklungen:

• Induktor: Erzeugt das Magnetfeld durch Spulen an den Hauptpolen im Stator.
• Anker: Befindet sich im Rotor und induziert eine EMK (elektromotorische Kraft) oder Gegen-EMK, je nachdem, ob die Maschine als Generator oder Motor arbeitet.

Die Wicklungen sind in sich geschlossen. Je nach Anordnung der Spulen am Kollektor unterscheidet man zwischen inbricados (Schleifenwicklung) und wellig (Wellenwicklung). Der Kollektor ist das charakteristische Bauteil, das die mechanische Umsetzung der induzierten AC-Spannung in einen DC-Ausgang ermöglicht. Die Stromabnahme erfolgt über Graphit- oder Metall-Graphit-Bürsten.

Wirkprinzip

Die DC-Maschine kann sowohl als Generator als auch als Motor arbeiten. Die induzierte EMK im Rotor ergibt sich aus der Bewegung der Leiter im Statorfeld. Die Bürsten A und B greifen die Spannung in der neutralen Zone ab. Die induzierte EMK berechnet sich zu: E = (n/60) * Z * Φ * (P/C) = K_e * n * Φ.

Das Drehmoment der Maschine basiert auf dem Fluss pro Pol: T = (1/2π) * (P/C) * Z * I_i = K_T * Φ * I_i.

Ankerrückwirkung

Unter Last erzeugt der Ankerstrom ein eigenes Magnetfeld, das den Statorfluss beeinflusst – diesen Effekt nennt man Ankerrückwirkung. Um eine unerwünschte Verschiebung der neutralen Zone und Funkenbildung zu vermeiden, werden bei Maschinen mittlerer und hoher Leistung häufig Kompensationswicklungen eingesetzt.

Kommutierung

Die Kommutierung beschreibt den Prozess der Stromrichtungsumkehr in den Ankerspulen während des Kurzschlusses durch die Bürsten. Eine fehlerhafte Kommutierung führt zur Funkenbildung und beschädigt den Kollektor. Die Zeitdauer dieses Vorgangs wird als Kommutierungsphase T bezeichnet.

Gleichstromgeneratoren: Allgemeine Aspekte

DC-Generatoren wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um. Die Spannungsgleichung lautet: E = V + R_i * I_i + V_esc. Man unterscheidet nach der Erregungsart:

• Fremderregt: Die Feldwicklung wird durch eine externe Quelle gespeist.
• Selbsterregt: Die Maschine speist sich selbst. Hierbei unterscheidet man:
  • Reihenschluss: Feldwicklung in Serie zum Anker.
  • Nebenschluss: Feldwicklung parallel zum Anker.
  • Doppelschluss (Compound): Kombination aus Reihen- und Nebenschluss.

Betriebsmerkmale von DC-Generatoren

Die Kennlinien beschreiben das Verhalten unter verschiedenen Lastzuständen:

1. Leerlaufkennlinie: E = f(I_e) bei I = 0.
2. Belastungskennlinie: V = f(I_e) bei konstantem I.
3. Äußere Kennlinie: V = f(I) bei konstanter Erregung.
4. Regelkennlinie: I_e = f(I) bei konstanter Spannung.

DC-Motoren: Grundlagen

Ein DC-Motor wandelt elektrische Energie in mechanische Arbeit um. Ist die EMK E kleiner als die Klemmenspannung V, arbeitet die Maschine als Motor. Die Drehzahlregelung erfolgt durch Variation des magnetischen Flusses (I_e), der Ankerspannung oder durch Vorwiderstände.

Spezielle Regelsysteme

Das Ward-Leonard-System ermöglicht eine präzise Drehzahlsteuerung, indem ein Drehstrommotor einen DC-Generator antreibt, dessen Ausgangsspannung den DC-Motor speist. Dies erlaubt eine stufenlose Regelung von Drehzahl und Drehmoment.

DC-Motor mit Reihenschluss

Beim Reihenschlussmotor ist der Fluss direkt vom Ankerstrom abhängig. Dies führt zu einem hohen Anlaufdrehmoment, macht die Maschine jedoch anfällig für das „Durchgehen“ im Leerlauf, da die Drehzahl bei sinkender Last stark ansteigt.