Leitfaden für Gleichstrom-Elektromotoren: Auswahl, Spezifikationen und Nachrüstungsentscheidungen

Eine 400 kW Gleichstrom-Elektromotor In der Nasspartie einer Papiermaschine wird die Geschwindigkeit über einen Bereich von 20:1 innerhalb von 0,1 % gehalten, da die Ankerspannung die Geschwindigkeit und der Feldstrom das Drehmoment bestimmt. Diese Aufteilung ist der Grund, warum Gleichstrommaschinen immer noch für Aufwickelmaschinen, Hebezeuge, Extruder und Reversiergerüste bestellt werden, obwohl Wechselstromantriebe mit variabler Frequenz fast jedes Greenfield-Projekt gewinnen. Die eng gefasste Frage, mit der die meisten Anlagen konfrontiert sind, ist eine andere: Ist ein Gleichstrommotor immer noch die richtige Antwort für eine bestimmte angetriebene Maschine und was gehört in die Spezifikation, um sie weitere fünfzehn Jahre am Laufen zu halten?

In diesem Marktsegment dominiert die Nachrüstpflicht. Wenn ein Rahmen, eine Kupplung, ein Getriebe und ein Fundament für eine Gleichstrommaschine dimensioniert wurden, bedeutet der Austausch eines Wechselstrommotors plus Antrieb in der Regel eine Neubearbeitung der mechanischen Schnittstelle, eine Neuverlegung von Kabeltrassen und eine Neuvalidierung des Drehmomentmodells bei einem Prozess, der sich einen längeren Ausfall nicht leisten kann. Die Beibehaltung des vorhandenen Motors und der Austausch des Umrichters, der Feldversorgung und des Feedback-Geräts ist oft der kürzere Weg zurück zur Produktion.

Der Rest dieses Leitfadens behandelt, was ein Gleichstrommotor ist, wo er einem Wechselstromantrieb immer noch überlegen ist, welche Zahlen über die Spezifikation entscheiden, wie diese Maschinen ausfallen und wie man einen solchen kauft, ohne die Probleme einer anderen Anlage zu übernehmen.

Was ein Gleichstrom-Elektromotor eigentlich ist

Ein Gleichstrom-Elektromotor ist eine rotierende Maschine, die elektrische Gleichstromenergie in mechanisches Drehmoment umwandelt, indem sie Strom über einen Kommutator und einen Bürstensatz in die Ankerwicklung einspeist, während eine separat versorgte Feldwicklung den magnetischen Fluss herstellt. Das Drehmoment ist proportional zum Ankerstrom multipliziert mit dem Feldfluss; Die Drehzahl steigt mit der Ankerspannung und sinkt mit zunehmendem Feldfluss. Da diese beiden Variablen von unabhängigen Stromquellen stammen, liefert die Maschine im Stillstand ein Nenndrehmoment und hält eine eingestellte Drehzahl ohne Rotormodell.

Fünf Baugruppen transportieren alles, was im Service wichtig ist:

• Rahmen- und Feldpole, die den Hauptfluss übertragen, und bei größeren Rahmen eine Ausgleichswicklung, die die Ankerreaktion unter der Polfläche aufhebt.
• In Reihe mit dem Anker geschaltete Zwischenpole kehren den Strom in einer Spule um, wenn er an der Bürste vorbeiläuft, und sorgen dafür, dass bei der Kommutierung keine Funken entstehen.
• Der Lamellenanker, dessen Wicklung Strom in Drehmoment umwandelt.
• Kommutator und Bürstengetriebe sind die einzigen Teile, die im normalen Betrieb verschleißen.
• Der Kühlkreislauf, üblicherweise IC06 separat belüftet oder IC17 Luft-Luft bei großen Rahmen und IC411 bei kleineren.

Separat erregte Maschinen benötigen eine starre Feldversorgung: Ein Feldstrom, der während eines Spannungseinbruchs in der Anlage absackt, ändert den Fluss, die Geschwindigkeit und kann innerhalb weniger Zyklen dazu führen, dass die Bürstenkante Funken schlägt. Statische Erregerhardware, die den Feldstrom bei Schwankungen der Versorgung konstant hält, sorgt dafür, dass die Kommutierung und die Geschwindigkeitsstabilität über eine lange Lebensdauer vorhersehbar bleiben.

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Wo ein Gleichstrom-Elektromotor immer noch einen Wechselstromantrieb übertrifft

In vier bestimmten Situationen ist ein Gleichstrommotor die bessere Wahl: Das volle Drehmoment ist bei Nulldrehzahl erforderlich, der Konstantdrehmomentbereich ist größer als 10:1, eine vorhandene mechanische Schnittstelle muss bis zur Wellenkeilnut erhalten bleiben oder die Last erfordert ein sehr hohes Losbrechmoment ohne Getriebe. Außerhalb dieser Fälle ist ein Induktionsmotor mit vektorgesteuertem Antrieb günstiger in der Anschaffung, günstiger in der Wartung und effizienter im Betrieb.

In der Werkstatt folgen die verbleibenden DC-Aufgaben einem vorhersehbaren Muster:

Keine dieser Aufgaben wird aus Gründen der Effizienz ausgewählt. Sie werden gewählt, weil die angetriebene Maschine, das Prozessfenster oder das Ausfallbudget keine günstigere Möglichkeit bietet, die gleiche Leistung aufrechtzuerhalten.

Die Zahlen, die über die Spezifikation eines Gleichstrommotors entscheiden

Fünf Werte bestimmen die Spezifikationen der meisten Gleichstrommotoren: Ankerspannung, Feldspannung, Grundgeschwindigkeit, Höchstgeschwindigkeit und das bei Nullgeschwindigkeit erforderliche Drehmoment. Kühlung, Isolationsklasse, Schutzart und Feedback-Typ ergeben sich alle aus dem Arbeitszyklus und der Umgebung der Maschine.

Die Ankerspannung wird normalerweise durch den Umrichter festgelegt, der den Motor speist. Sie ist daher die erste und nicht die letzte zu bestätigende Bedingung. Die Welligkeit ist genauso wichtig wie der Nennwert: Eine hohe Welligkeit eines Wandlers mit geringer Last erhöht die Erwärmung des Ankers und verkürzt die Lebensdauer des Kommutatorfilms, weshalb der Arbeitszyklus und die Nennleistung des Wandlers zusammen angegeben werden.

Diese Punkte sind real, aber sie entscheiden selten allein über das Projekt. Eine Nachrüstung, bei der der vorhandene Motor wiederverwendet wird, vermeidet mechanische Arbeit, Inbetriebnahmezeit und Prozessrisiken; Der Energieverlust wird erst über Jahre hinweg im Dauerbetrieb ausgeglichen. Wenn eine Maschine 8000 Stunden im Jahr läuft, gehören die rechnerischen Änderungen und eine vollständige Lebenszyklusberechnung zum Business Case.

Wie ein Gleichstrommotor ausfällt und was es kostet

Eine Gleichstrommaschine geht selten an der Wicklung kaputt; es stirbt am Kommutator. Bürstenverschleiß, Filmzerfall, Funkenbildung und Funkenüberschlag sind die Ursache für die meisten ungeplanten Ausfallzeiten von Gleichstrommotoren, und jede davon entwickelt sich langsam genug, um bei einer geplanten Inspektion erkannt zu werden.

• Ausfall des Kommutatorfilms. Falsche Bürstensorte, niedrige Luftfeuchtigkeit oder verunreinigte Kühlluft lösen den Oxidfilm und es kommt innerhalb weniger Wochen zur Funkenbildung.
• Bürstenverschleiß und Rattern. Ein Verlust des Federdrucks, ein ovaler Kommutator oder Maschinenvibrationen beschleunigen den Verschleiß und hinterlassen ungleichmäßige Bürstenspuren.
• Überschlag. Eine plötzliche Überlastung oder ein Feldverlust breitet sich über die Bürstenarme aus und endet in der Regel mit einem Kommutatorfehler auf der Baustelle oder in einer Werkstatt.
• Zwischenpolung und Kompensation von Wicklungsfehlern. Eine lockere Verbindung oder ein Windungskurzschluss macht sich eher durch starke Funkenbildung unter Last als im Leerlauf bemerkbar.
• Alterung der Isolierung. Zyklische Belastung und Temperaturwechsel verspröden die Ankerisolierung, lange bevor sich die Lager beschweren.
• Kontamination. Kohlenstoffstaub, Ölnebel und Feuchtigkeit in der Kühlluft greifen sowohl die Isolierung als auch die Folie an und auf Papier- oder Lebensmittelleitungen wird Kohlenstoffstaub zu einem Problem der Produktqualität.

Dies ist auch der Grund, warum ein Umbau eine legitime Antwort ist. Das Zurückspulen, Abziehen und Neubandieren eines Gleichstromankers sowie das anschließende Anpassen des Bürstengetriebes an die Originalzeichnungen kosten oft nur einen Bruchteil eines neuen Motors und lassen die mechanische Schnittstelle unberührt. Die Entscheidung hängt vom Zustand der Kommutatorstege ab und davon, ob der ursprüngliche Kern und die Welle noch innerhalb der Toleranz liegen.

So spezifizieren und beschaffen Sie einen Gleichstrommotor, ohne sich zu verbrennen

Beginnen Sie mit der angetriebenen Maschine, nicht mit dem alten Typenschild. Ein Austausch, der dem Typenschild entspricht, aber die Kupplung, den Arbeitszyklus und die Umgebungsbedingungen außer Acht lässt, ist die teuerste Art der Korrektur.

1. Notieren Sie die mechanische Schnittstelle: Wellendurchmesser und -verlängerung, Keilnut, Flansch- oder Fußmuster, Mittenhöhe und alle auf der Nicht-Antriebsseite montierten Bremsen oder Tachos.
2. Notieren Sie den Arbeitszyklus: kontinuierlich oder intermittierend, Starts pro Stunde, Umkehrzyklen, Umgebungstemperatur, Höhe und wie lange die Maschine unter der Grundgeschwindigkeit läuft.
3. Legen Sie den elektrischen Bereich fest, bevor Sie Preise anfordern: vom Wandler verfügbare Ankerspannung, Feldspannung, Typ des Rückkopplungsgeräts und ob der Wandler beibehalten oder ersetzt wird.
4. Legen Sie Wärme- und Schutzanforderungen fest: Isolationsklasse F mit mindestens Klasse B-Anstieg, eine auf Staub und Spritzwasser abgestimmte IP-Schutzart, Raumheizungen, RTDs und eine Wicklungstemperaturauslösung.
5. Vereinbaren Sie das Ersatzteil- und Dokumentationspaket: Bürstensorte und -satz, Federn, Halter, ein Verfahren zur Wartung des Kommutators, den Werksprüfbericht und eine Maßzeichnung.

Der Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen fügt eine weitere Ebene hinzu. Eine Gleichstrommaschine mit Bürstengetriebe in einem Bereich der Zone 1 wird normalerweise in einem druckfesten Gehäuse geliefert, und der Zertifizierungsumfang muss den Klemmenkasten, die Raumheizungen und den Tacho sowie den Motor selbst abdecken. Durch den Kauf des Motors, der Feldversorgung und der Startausrüstung als aufeinander abgestimmtes Paket entfällt ein Großteil des Integrationsrisikos; Shanghai Pinxing Explosion-proof Motor Co., Ltd. baut Hochspannungs-, Niederspannungs- und explosionsgeschützte Motorserien sowie die dazugehörige Gleichstrom- und Steuerungshardware dokumentierte Projektinstallationen zeigen, was die Ausrüstung in Kohle-, Petrochemie- und Metallurgieanlagen erwartet.

Nachrüstungen hören selten beim Motor auf. Wenn die DC-Steuerversorgung der Anlage älter ist als der Antrieb, den sie speist, verhindert der Austausch der Verteilungshardware im selben Ausfall eine zweite Abschaltung später im selben Jahr.

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Häufig gestellte Fragen zu Gleichstrom-Elektromotoren

Wozu dient ein Gleichstrom-Elektromotor?

Es treibt Lasten an, die das volle Drehmoment bei Nullgeschwindigkeit oder einen sehr weiten Bereich konstanten Drehmoments benötigen: Reversierwalzgerüste, Papiermaschinenabschnitte, Bergwerksaufzüge, Extruder, Kranaufzüge und kleine Permanentmagnetantriebe in batteriebetriebenen Geräten.

Ist ein Gleichstrommotor besser als ein Wechselstrommotor mit VFD?

Bei Neuinstallationen nein. Ein Wechselstrommotor mit Vektorantrieb ist effizienter und erfordert keine Bürstenwartung. Bei einer vorhandenen Gleichstrommaschine innerhalb einer festen mechanischen Schnittstelle ist die Beibehaltung des Gleichstrommotors oft schneller und kostengünstiger als die Neubearbeitung des Antriebsstrangs.

Wie lange hält ein Gleichstrommotor?

Fünfzehn Jahre oder mehr sind bei planmäßiger Bürsteninspektion, Filmprüfung und periodischem Abschleifen des Kommutators normal. Der begrenzende Faktor ist normalerweise der Zustand des Kommutators und der Isolierung, nicht die Lagerlebensdauer.

Kann ein Gleichstrommotor in einem explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt werden?

Ja, normalerweise in einem druckfesten Gehäuse mit zertifiziertem Bürstengetriebe, Klemmenkasten und Zubehör. Der Zertifizierungsumfang muss alle zur Maschine hinzugefügten Komponenten abdecken, einschließlich Raumheizgeräten und Geschwindigkeitsrückmeldegeräten.