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Der Hauptgrund, warum Gleichstrommotoren mit reduzierter Anlaufspannung arbeiten müssen, liegt in der Diskrepanz zwischen ihren elektrischen und mechanischen Eigenschaften beim Anlauf. Die induzierte Gegenspannung (Ea) ist in der Anlaufphase null, was beim Anlauf mit voller Spannung zu einem Anlaufstrom führt, der den Nennwert deutlich übersteigt. Dies wiederum verursacht eine Reihe von Problemen wie Motorschäden und Schaltungsausfälle. Die reduzierte Anlaufspannung unterdrückt den übermäßigen Stromfluss durch Absenkung der Anlaufspannung und gewährleistet so die Systemsicherheit. Die Details lassen sich anhand von drei Aspekten erläutern: dem Entstehungsmechanismus des Anlaufstroms, den Gefahren des Anlaufs mit voller Spannung und dem Prinzip der reduzierten Anlaufspannung.
Zunächst einmal ist der ungewöhnlich hohe Anlaufstrom von Gleichstrommotoren auf die grundlegende Eigenschaft der fehlenden Gegen-EMK zurückzuführen. Gemäß der Spannungsbilanzgleichung des Ankerkreises eines Gleichstrommotors gilt: U = Ea + IaRa, wobei U die an den Anker angelegte Spannung, Ea die durch die Ankerrotation erzeugte Gegen-EMK, Ia der Ankerstrom und Ra der Widerstand der Ankerwicklung ist. Beim Anlauf des Motors befindet sich der Rotor im Stillstand, und der Ankerleiter schneidet das Magnetfeld nicht, sodass die Gegen-EMK Ea = 0 ist. In diesem Fall vereinfacht sich die Gleichung zu Ia = U/Ra. Da die Ankerwicklung aus Kupferdraht besteht, ist ihr Widerstand Ra üblicherweise sehr gering (bei kleinen Gleichstrommotoren beträgt Ra nur wenige Ohm, bei großen Motoren sogar weniger als 1 Ohm). Wird die Nennspannung U direkt angelegt, steigt der Anlaufstrom Ia sprunghaft an und erreicht üblicherweise das 10- bis 20-Fache des Nennstroms. Beispielsweise kann ein Gleichstrommotor mit einer Nennspannung von 220 V und einem Ankerwiderstand von 1 Ω beim Anlauf mit voller Spannung einen Momentanstrom von 220 A aufweisen, während sein Nennstrom nur 15 A beträgt und der Stromverstärkungsfaktor weit außerhalb des sicheren Bereichs liegt.
Zweitens birgt ein solch extrem hoher Anlaufstrom mehrere Gefahren für den Motor selbst und das Stromversorgungssystem. Zum einen führt der Überstrom zu einer enormen elektrischen Kraft in der Ankerwicklung. Gemäß der Ampereschen Kraftformel ist die elektrische Kraft proportional zum Quadrat des Stroms. Ein Strom, der dem Zehnfachen des Nennstroms entspricht, erzeugt eine 100-fache elektrische Kraft. Dies kann leicht zu Verformungen der Wicklung und zum Durchbruch der Isolierung führen, was wiederum einen Windungsschluss zur Folge haben kann. Zum anderen erzeugt der rapide Stromanstieg in kurzer Zeit viel Joulesche Wärme in der Wicklung. Dadurch steigt die Temperatur sprunghaft an und überschreitet die Wärmebeständigkeitsgrenze des Isoliermaterials, was zu Alterung oder sogar zum Durchbrennen der Isolierung führen kann. Im Stromversorgungssystem verursacht der extrem hohe Anlaufstrom einen plötzlichen Spannungsabfall im Netz, einen sogenannten „Spannungsstoß“. Dieser beeinträchtigt den normalen Betrieb anderer Geräte im selben Netz. Beispielsweise kann er zum Flackern von Lampen und zum Ausfall von Präzisionsinstrumenten führen. Gleichzeitig erzeugt der hohe Strom auch einen starken Lichtbogen an den Steuerungskomponenten wie Schaltern und Schützen, was den Verschleiß der Kontakte beschleunigt und sogar Kurzschlussfehler verursachen kann.
Die Anlaufstromreduzierung unterdrückt den Anlaufstrom der Quelle durch eine künstliche Reduzierung der Anlaufspannung und stellt die Nennspannung nach Erreichen der Motordrehzahl schrittweise wieder her. Dies entspricht optimal den Anlaufeigenschaften des Motors. Das Kernprinzip besteht darin, die Spannung U in der Anlaufphase zu reduzieren. Selbst bei einer Anfangsspannung Ea von null kann der Anlaufstrom Ia = U/Ra in einem sicheren Bereich (üblicherweise das 1,5- bis 2,5-Fache des Nennstroms) gehalten werden. Mit steigender Motordrehzahl n steigt Ea proportional zu n. Gleichzeitig wird U schrittweise erhöht, um Ia auf dem Wert zu halten, der dem entsprechenden Anlaufdrehmoment entspricht. Sobald der Motor die Nenndrehzahl erreicht hat, stabilisiert sich Ea bei der Nenn-Gegenspannung. Dann wird U auf den Nennwert erhöht, und der Motor nimmt den Normalbetrieb auf.
In der Praxis gibt es verschiedene Verfahren zur Anlaufsteuerung mit reduzierter Spannung. Kleine Gleichstrommotoren nutzen häufig die „Serienwiderstands-Spannungsreduzierung“. Dabei wird die Spannung durch einen variablen Widerstand im Ankerkreis geteilt, der nach dem Anlauf schrittweise abgeschaltet wird. Große Gleichstrommotoren verwenden meist die „Thyristor-Spannungsregelung“. Diese steuert die Ausgangsspannung präzise durch Anpassen des Schaltwinkels des Thyristors und sorgt so für einen sanften Anlauf. Diese Verfahren vermeiden nicht nur die Gefahren des Anlaufs mit voller Spannung, sondern gewährleisten auch das für den Anlauf erforderliche Drehmoment. Dadurch wird der Einsatz von Gleichstrommotoren in der industriellen Produktion, im Transportwesen und anderen Bereichen sicherer und zuverlässiger.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Anlauf von Gleichstrommotoren mit reduzierter Spannung kein unnötiger Vorgang, sondern eine notwendige Schutzmaßnahme ist, die auf einem elektrischen Prinzip beruht. Kernstück ist die Optimierung des Verhältnisses von Anlaufstrom und Drehmoment durch Spannungsregelung. Dies schützt nicht nur den Motor selbst, sondern gewährleistet auch die Stabilität des Stromversorgungssystems. Es ist ein entscheidender Faktor für den sicheren Betrieb von Gleichstrommotoren.
