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Gleichstrommotoren finden aufgrund ihrer hervorragenden Drehzahlregelung und ihres hohen Anlaufdrehmoments breite Anwendung in der Industrieautomation, im Schienenverkehr, in Haushaltsgeräten und anderen Bereichen. Im praktischen Betrieb tritt jedoch häufig das Problem von Drehzahlschwankungen auf, was nicht nur die Bearbeitungsgenauigkeit und Produktionseffizienz der Anlagen beeinträchtigt, sondern auch die Lebensdauer des Motors verkürzen kann. Daher ist die Aufklärung der Hauptursachen von Drehzahlschwankungen und die Entwicklung gezielter Lösungen von großer Bedeutung für den stabilen Betrieb der Anlagen.
I. Hauptursachen für instabile Drehzahlen von Gleichstrommotoren
Die Drehzahl eines Gleichstrommotors folgt der Formel n = (U – IaRa)/(CeΦ) (wobei n die Drehzahl, U die Ankerspannung, Ia der Ankerstrom, Ra der Ankerwiderstand, Ce die Motorkonstante und Φ der Erregerfluss ist). Drehzahlschwankungen entstehen im Wesentlichen durch anormale Änderungen eines oder mehrerer Parameter dieser Formel. In Verbindung mit realen Betriebsszenarien lassen sich die Hauptursachen in drei Kategorien einteilen: mechanische Defekte, elektrische Störungen und Probleme im Steuerungssystem.
1. Mechanische Strukturfehler: Anomalien in Übertragungs- und Unterstützungssystemen
Mechanische Defekte sind die offensichtlichsten Ursachen. Erstens: Lagerverschleiß oder -beschädigung: Nach längerem Betrieb verschleißen die Lagerkugeln und der Käfig bricht. Dies führt zu einem exzentrischen Lauf des Rotors, erhöht den Rotationswiderstand und verursacht Drehzahlschwankungen. Zweitens: Ungleichmäßiger Luftspalt zwischen Anker und Stator: Montagefehler oder langfristige Vibrationen führen zu einem ungleichmäßigen Luftspalt und damit zu einer unausgewogenen Magnetflussverteilung. Dies wiederum beeinträchtigt die Stabilität des elektromagnetischen Drehmoments. Drittens: Starke Lastschwankungen: Beispielsweise führen plötzliche Änderungen der Zerspanungsleistung bei der Bearbeitung mit Werkzeugmaschinen oder Materialansammlungen in Förderanlagen zu einem kurzzeitigen Anstieg des Motorlastdrehmoments und einem sprunghaften Anstieg des Ankerstroms Ia. Gemäß der Drehzahlformel sinkt die Drehzahl entsprechend, was zu Drehzahlschwankungen führt.
2. Störungen im elektrischen System: Fehler in Stromkreisen und Bauteilen
Das elektrische System bildet die Energiegrundlage für den Motorbetrieb, und seine Störungen beeinträchtigen die Stabilität der Parameter unmittelbar. Am häufigsten treten Probleme im Ankerkreis auf. Beispielsweise führt ein Windungsschluss der Ankerwicklung zum Ausfall eines Teils der Wicklung, verringert die effektive Leiterquerschnittsfläche und verursacht einen Anstieg und Instabilität des Ankerstroms Ia. Schlechter Kontakt zwischen Kommutator und Bürste: Durch Bürstenverschleiß, unzureichenden Federdruck oder Oxidation der Kommutatoroberfläche schwankt der Kontaktwiderstand, was wiederum Schwankungen der Ankerspannung U zur Folge hat. Fehler im Erregerkreis sind ebenfalls kritisch. Bei fremderregten Gleichstrommotoren führt ein offener Stromkreis oder schlechter Kontakt der Erregerwicklung zu einem starken Abfall des magnetischen Flusses Φ und einem sprunghaften Anstieg der Drehzahl (Gefahr des Durchgehens). Bei nebenstromerregten Motoren führen Änderungen des Widerstands im Erregerkreis zu einer Instabilität von Φ, was wiederum Drehzahlschwankungen verursacht. Darüber hinaus ist auch die Schwankung der Versorgungsspannung ein wichtiger Faktor. Bei einer instabilen Spannung des Stromversorgungssystems kommt es direkt zu Änderungen des Widerstands U, und die Drehzahl schwankt entsprechend.
3. Probleme im Steuerungssystem: Versagen der Drehzahlregelung und der Rückkopplung
Moderne Gleichstrommotoren sind zur präzisen Drehzahlregelung größtenteils auf Steuerungssysteme angewiesen. Fehler im Steuerungssystem führen direkt zu Drehzahlproblemen. Erstens: Anomalien im Drehzahlregler: Beispielsweise führen Fehler im Ansteuerkreis eines Thyristor-Drehzahlreglers zu einem instabilen Leitwinkel des Thyristors und einer fehlerhaften Ankerspannungsregelung. Zweitens: Ausfall der Rückkopplung: Fehler im Drehzahlrückkopplungssensor (z. B. Tachogenerator, Encoder) verhindern die genaue Erfassung der Drehzahlsignale. Das Steuerungssystem kann die Ausgangsgröße nicht an die tatsächliche Drehzahl anpassen, was zu Abweichungen vom Sollwert führt. Drittens: Fehler im Regelalgorithmus: Sind die Parameter des PID-Algorithmus nicht korrekt eingestellt, reagiert das Steuerungssystem verzögert oder überschwingt auf Drehzahlschwankungen, wodurch eine stabile Regelung nicht möglich ist.
II. Gezielte Lösungen
1. Optimierung der mechanischen Struktur zur Reduzierung physikalischer Interferenzen
Bei mechanischen Defekten muss ein regelmäßiger Wartungsmechanismus eingerichtet werden: Der Betriebszustand des Lagers ist regelmäßig zu überprüfen, es ist bei Verschleiß oder ungewöhnlichen Geräuschen rechtzeitig auszutauschen und bei Bedarf Schmierfett nachzufüllen, um den Reibungswiderstand zu verringern; Anker und Stator sind präzise zu kalibrieren, um einen gleichmäßigen Luftspalt zu gewährleisten, und Montagefehler sind streng zu kontrollieren; die Lastauslegung ist zu optimieren, Puffervorrichtungen (wie Kupplungen, Getriebe) am Lastende sind hinzuzufügen, um plötzliche Laststöße zu vermeiden, und gleichzeitig ist die Motorleistung angemessen an den Lastbedarf anzupassen, um einen Überlastbetrieb zu verhindern.
2. Fehlersuche im elektrischen System zur Sicherstellung der Energiestabilität
Die Fehlersuche im elektrischen System sollte schrittweise erfolgen: Zuerst ist die Versorgungsspannung zu ermitteln und durch den Einsatz eines Spannungsstabilisators oder eines Spannungsüberwachungsgeräts sicherzustellen, dass sie innerhalb des zulässigen Bereichs stabil ist. Anschließend sind Anker und Erregerkreis zu prüfen. Mithilfe eines Multimeters und eines Megohmmeters ist die Wicklungsisolierung zu prüfen. Windungsschlüsse und Unterbrechungen sind zu beheben. Der Kommutator ist zu polieren, verschlissene Kohlebürsten sind auszutauschen und der Federdruck ist einzustellen, um einen guten Kontakt zu gewährleisten. Abschließend sind elektrische Bauteile (wie Schütze und Sicherungen) regelmäßig zu überprüfen und verschlissene Bauteile rechtzeitig auszutauschen, um das Risiko von Stromkreisfehlern zu minimieren.
3. Verbesserung des Steuerungssystems zur Erzielung einer präzisen Regelung
Die Optimierung des Steuerungssystems ist der Kern zur Behebung der Drehzahlinstabilität: Kalibrieren Sie regelmäßig die Drehzahlregelung, überprüfen Sie Schlüsselkomponenten wie die Triggerschaltung und den Thyristor, um eine präzise Ankerspannungsregelung zu gewährleisten; tauschen Sie den defekten Drehzahlrückmeldesensor gegen einen Sensor mit höherer Präzision und besserer Störfestigkeit (z. B. einen fotoelektrischen Encoder) aus und verstärken Sie die Installation und Befestigung des Sensors, um Vibrationsstörungen zu reduzieren; optimieren Sie den Regelalgorithmus, passen Sie die PID-Parameter durch Vor-Ort-Tests an, um die Ansprechgeschwindigkeit und Regelgenauigkeit des Systems bei Drehzahlschwankungen zu verbessern, und führen Sie gegebenenfalls einen adaptiven Regelalgorithmus ein, um eine dynamische Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen zu ermöglichen.
III. Zusammenfassung
Die instabile Drehzahl von Gleichstrommotoren resultiert aus dem Zusammenwirken mehrerer Faktoren aus Mechanik, Elektrik und Steuerung. Lösungen müssen daher die beiden Dimensionen „Hardwarewartung + Systemoptimierung“ berücksichtigen. Durch regelmäßige Wartung, die präzise Ermittlung der Fehlerursachen und die Optimierung der Steuerungsstrategien lässt sich die Drehzahlstabilität des Motors effektiv verbessern, die Lebensdauer der Anlage verlängern und die Zuverlässigkeit der industriellen Produktion und des Anlagenbetriebs gewährleisten. In der Praxis müssen zudem spezifische Bedingungen wie Motormodell und Betriebsbedingungen berücksichtigt werden, um Probleme präzise zu lokalisieren und effizient zu lösen.
