Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren finden sich weiterhin in Förderanlagen, Wicklern, Prüfständen und älteren Produktionsmaschinen, weil sich ihr Drehmoment leicht regeln lässt und installierte Systeme jahrzehntelang betrieben werden können. Die Wahl des Antriebs bestimmt, wie gleichmäßig dieses Drehmoment erzeugt wird und wie einfach sich die Maschine modernisieren lässt.

Zwei gängige Ansätze sind die phasenanschnittgesteuerte Thyristor-Umrichtung aus Wechselstrom und die hochfrequente Pulsweitenmodulation aus einer Gleichstromquelle oder einem gleichgerichteten Zwischenkreis.

Ein Antrieb muss zu Ankerspannung und -strom, Feldausführung, Rückführung, Einschaltdauer und Anforderungen an das Stoppen passen.

Thyristorantriebe steuern, wann der Netzstrom fließt

Ein Thyristor leitet, nachdem sein Gate gezündet wurde, und schaltet ab, wenn der Strom unter seinen Haltestrom fällt. Durch die Verzögerung des Zündwinkels innerhalb jeder Wechselstromhalbwelle verändert ein Antrieb die mittlere Ankerspannung.

Dieser Ansatz ist robust und aus älteren Maschinen vertraut, doch der Ausgang enthält netzfrequente Welligkeit. Bei niedriger Drehzahl kann das Drehmoment dadurch ungleichmäßiger werden, und die Eingangswellenform kann einen schlechten Leistungsfaktor sowie Oberschwingungen aufweisen. Für Umkehr- oder generatorischen Betrieb ist die passende Brückentopologie erforderlich.

PWM-Antriebe steuern das Tastverhältnis

Ein PWM-Antrieb schaltet Transistoren mit deutlich höherer Frequenz und variiert die Einschaltdauer, um die mittlere Ankerspannung einzustellen. Die Motorinduktivität glättet den Strom und ermöglicht ein gutes Verhalten bei niedriger Drehzahl sowie eine schnelle Reaktion, wenn der Regelkreis korrekt abgestimmt ist.

Das Tastverhältnis verändert die mittlere Spannung, während die Stromrückführung den Motor schützt und das Drehmoment regelt.

Nachrüstungen sind Systementscheidungen

Vor dem Austausch eines Thyristorantriebs sollte geklärt werden, ob der Motor über ein Permanentmagnetfeld oder ein fremderregtes Feld verfügt, welche Ankerdaten gelten, ob eine Tachometer- oder Encoder-Rückführung vorhanden ist, ob eine Drehrichtungsumkehr erforderlich ist, wie viel Bremsenergie anfällt, welches Überlastprofil vorliegt und welche Mindestdrehzahl benötigt wird. Vorhandene Schütze und Widerstände für die dynamische Bremsung können sich anders mit einem neuen Regler verhalten.

Hochfrequente PWM kann elektromagnetische Störungen und höhere Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten verursachen. Kabelführung, Schirmung, Erdung und Filter müssen möglicherweise verbessert werden. Auch ein älterer Motor sollte vor dem Einsatz einer schnelleren Regelung auf Isolierung, Bürsten, Kommutator und Lager geprüft werden.

Geeignete Regler sind in den Bereichen Antriebe und Bewegungssteuerung erhältlich, während die Koordination des Maschinenablaufs weiterhin Aufgabe von SPS- und PAC-Systemen bleibt.

Auswahl anhand des Betriebsbereichs

Vergleichen Sie Dauer- und Spitzenstrom, Drehzahlbereich, Drehmomentwelligkeit, Anforderungen an den Vierquadrantenbetrieb, Netzrückspeisung, Gehäuseschutzart, Umgebungstemperatur-Derating, Diagnosefunktionen und verfügbare Servicekenntnisse. Ein günstigerer Antrieb kann teuer werden, wenn er das bestehende Brems- oder Spannungsverhalten der Maschine nicht nachbilden kann.

Meinung des Autors: PWM ist bei Neuentwicklungen meist die bessere Wahl. Der Austausch eines funktionierenden Thyristorsystems sollte jedoch durch messbare Vorteile begründet sein. Nicht allein das Schaltverfahren, sondern Motor, Rückführung, Mechanik und Bremsweg entscheiden über den Erfolg einer Nachrüstung.