Gleichstrommotoren mit Bürsten regeln

Es geht hier um Gleistrommotoren mit Permanentmagnet und Kollektor, wie sie zu Millionen im Autobau, in Robotern, Rollstühlen und Fahrrädern verbaut werden. Sie haben für die Gartenbahn beinahe ideale Eigenschaften und werden darum auch gern verwendet.

zuverlässig und langlebig
sehr gutes Preis/Leistungs-Verhältnis
sehr guter Wirkungsgrad
in allen Leistungsklassen erhältlich
mit einfachsten Mitteln regelbar
kompakt und verschlossen
schwer, gut fürs Adhäsionsgewicht

Auf dieser Seite erfahren Sie, wie man diese eierlegende Wollmichsau regelt, damit Ihr Zug weich anfährt und ebenso weich bremst.

1850-2000: 150 Jahre Strassenbahn

Strassenbahnen fuhren zu Beginn mit Gleichstrom und viele tun es auch heute noch. Es war in der Mitte des 19. Jahrhunderts die einzig mögliche Traktionsart und heute die Netze auf Wechselstrom umzustellen ist wohl zu kostspielig, obwohl es technisch möglich wäre. Ich erinnere mich noch gut an meine Fahrten zur Schule: Der Wagenführer stand hinter einer grossen Kiste und drehte an einer Kurbel. Einmal hatte ich Gelegenheit, die Kiste offen zu sehen: Sie enthielt eine mit Kontaktschienen besetzte Walze, von der Kontakte den Strom abnahmen. Links sehen Sie so einen Nockenfahrschalter im Bild. Weil der gesamte Motorenstrom durch diesen Schalter geht, redet man auch von Direktsteuerung. Es standen je acht bis zwanzig Fahr- und Bremsstufen zur Verfügung. Tempi passati - so funktionieren nur noch die Museums-Trams. Die modernen Leistungshalbleiter haben zu einer völlig neuen Motorsteuerung geführt, beinahe ohne Verluste und ohne Abnützung von Kontakten: die Choppersteuerung. Ich möchte Ihnen beide Möglichkeiten nahebringen, die nostalgische und die moderne. In unserer Praxis haben beide ihre Berechtigung.

die Kennlinien des Kommutator-Motors

Ich wiederhole, was Sie bereits auf der vorherigen Seite gelernt haben:

Beim Kommutator-Motor ist die Drehgeschwindigkeit direkt proportional der anliegenden Spannung: Je höher die Spannung, desto grösser ist die Tourenzahl. Es gibt darum auch keine Nenndrehzahl, obwohl diese Angabe in vielen Motor-Beschreibungen erscheint; aussagekräftiger ist die Angabe Drehzahl pro Volt oder Umdrehungen pro Volt.
Das Drehmoment ist direkt proportional zum Strom, der durch den Rotorwicklungen fliesst: Je mehr Drehmoment der Motor liefern muss, dest grösser wird der Strom; er ist am grössten, wenn der Motor stillsteht. Wenn diese Blockierung andauert, werden Kommutator und Wicklungen zerstört.
Das Drehmoment ist umgekehrt proportional zur Drehzahl: Wenn der Motor mehr Drehmoment abgeben muss, sinkt seine Drehzahl.
Die abgegebene Leistung ergibt sich aus der Wechselwirkung von Strom und Wirkungsgrad, sie ist bei mittleren Tourenzahlen am grössten.
Der Wirkungsgrad ist in erster Linie konstruktionsbedingt, er erreicht bei eher kleinen Tourenzahlen seinen Höchstwert.

Im gelben Bereich arbeitet der Kommutator-Motor optimal: die Stromaufnahme ist gering, zwischen Wirkungsgrad und abgegebener Leistung gibt es einen vernünftigen Kompromiss, der Motor kann aber für kurze Zeit eine grössere Leistung (Stundenleistung) abgeben.

Links zum Thema:

Fachwissen Elektrische Maschinen --> Kapitel 3. Gleichstrommotoren
Universität Münster
Elektrische Antriebstechnik Vorlesungsskript von der Universität Paderborn (© Prof J Böcker, PDF 850kB)

Drehzahlsteuerung mit Vorwiderstand

Die Akkuspannung ist fest. Wir können aber vor die Rotorwicklung einen Widerstand einfügen, ein Teil der Batteriespannung wird dann im Widerstand in Wärme umgewandelt, der Rest fliesst durch den Rotor. Ein kleiner Widerstand frisst wenig Spannung weg - der Motor dreht schnell. Ein grosser Widerstand wirkt sich umgekehrt aus. Der wichtigste Gewinn dabei: Der Anlaufstrom wird reduziert und das Fahrzeug läuft sanft an.

Ein einfacher Trick verdoppelt die Zahl der Fahrstufen: Wenn wir zwei Motoren einbauen und sie hintereinander - also in Serie - schalten, teilen sie sich die Spannung und laufen mit halber Geschwindigkeit. Der Wagenführer an seiner Kurbel beginnt das Anfahren also mit in Serie geschalteten Motoren und entfernt stufenweise die Vorwiderstände, bis jeder der beiden Motoren an der halben Fahrdrahtspannung liegt. Dann schaltet er auf Parallelbetrieb und entfernt nochmals die Vorwiderstände, bis jeder der beiden Motoren an der vollen Spannung liegt.

Schauen Sie auf die beiden Bilder rechts:
Serie: Die beiden Motoren hintereinander geschaltet, sie teilen also die Betriebsspannung. Über einen Stufenschalter wird der Vorwiderstand nach und nach ausgeschaltet (Fahrstufen 1...5). Auf Stufe 5 arbeiten die Motoren verlustfrei mit halber Drehzahl.
Parallel: Jetzt werden die beiden Motoren parallel geschaltet und wieder wird der Vorwiderstand nach und nach ausgeschaltet (Fahrstufen 6...10). Es entstehen insgesamt zehn Fahrstufen, von denen zwei ohne Vorwiderstand, also ohne Verluste arbeiten (Fahrstufen 5 und 10). Auf Stufe 10 arbeiten die Motoren verlustfrei mit voller Drehzahl.

Um die Verluste klein zu halten, werden die Stufen mit Vorwiderstand, also die Stufen 1...4 und 6...9 rasch durchgeschaltet, auf den Stufen 5 und 10 kann man verweilen, denn hier ist der Vorwiderstand ausgeschaltet.

Bremsen: Beim Bremsen arbeitet der Motor als Generator, sein Ausgangsstrom wird über den Widerstand geleitet und dort in Wärme umgewandelt. Je kleiner der Widerstand wird, desto stärker wird der Motor abgebremst. Es ist möglich, den Motor fast bis zum Stillstand abzubremsen.

Beim Anfahren und beim Bremsen wird ein Teil der Leistung im Vorwiderstand in Wärme umgewandelt - keine sehr sparsame Lösung! Weil die Anfahrstufen aber rasch durchgeschaltet werden, sind die Verluste nicht dramatisch. Bremsenergie kann allerdings nicht zurückgewonnen werden. Ich will das aber hier nicht gross diskutieren, obwohl das Thema gewisse Gartenbahner einigermassen erregt. Ich verweise nur darauf, dass im Autobau die Rückgewinnung der Bremsenergie gar nicht möglich ist. Erst das Elektroauto wird da etwas ändern.

PulsWeitenModulation PWM oder Chopperung

Choppern heisst «zerhacken». Das ist die moderne Lösung, denn die Halbleitertechnik ermöglicht uns heute, hohe Ströme verlustfrei zu schalten. Geschaltet wird also immer noch, freilich sehr schnell und unsichtbar.

Stellen Sie sich die nebenstehende kleine Schaltung vor oder bauen Sie sie sogar auf. Verwenden Sie wirklich einen Taster, zB einen Klingelknopf oder einen Morsetaster. Wenn der Taster offen ist, steht der Motor, wenn er gedrückt ist, dreht er mit voller Geschwindigkeit. Wenn Sie den Taster nun sehr schnell öffnen und schliessen, dreht der Motor ebenfalls, jedoch mit verminderter Geschwindigkeit. Er bekommt zwar immer noch die volle Spannung, aber nur noch in kleinen Häppchen, die Spannung wird zerhacjkt (gechoppert), sie pulsiert. Der Motor gleicht durch seine Massenträgheit die Impulse und Pausen aus und dreht trotzdem rund.

Das nächste Bild zeigt, wie Sie das Verhältnis zwischen Impulsen und Pausen verändern und dadurch die Drehgeschwindigkeit des Motors beeinflussen können: Kurze Impulse/lange Pausen geben langsame Fahrt, lange Impulse/kurze Pausen geben schnelle Fahrt. Sie haben das Prinzip der PulsWeitenModulation verstanden! Für diese Art der Motorsteuerung hören Sie zuweilen auch Bezeichnungen wie Zerhackerbetrieb oder Chopper-Betrieb, ich werde im folgenden nur den Ausdruck PWM benützen.

Ersetzen Sie jetzt in Ihrer Vorstellung den Taster durch ein elektronisches Schaltelement, das die Akku-Spannung 20'000 Mal in der Sekunde ein- und ausschaltet und Sie haben eine fast perfekte Motorsteuerung. Die Vorteile gegenüber der Widerstands-Steuerung sind offensichtlich: Keine Energieverluste im Vorwiderstand und kein Verschleiss von Schaltern! Als Nachteil müssen Sie inkauf nehmen, dass es ohne Elektronik nicht geht...

Links zum Thema:

RoboterNet.de: PulsWeitenModulation enthält eine etwas weiter gehende Erklärung der PWM.