[H3] Wechsel- und Drehstrommaschinen

Drehstromasynchronmaschine

Aufbau allgemein

Explosionszeichnung einer ASM

Stator: Rotor:
  • 1. Gehäuse mit Blechpacket und Drehstromwicklung
  • 3. vorderes Lagerschild
  • 4. hinteres Lagerschild
  • 6. Flügelhaube
  • 7. Klemmbrett
  • 2. Welle mit Blechpacket und Läuferkäfig
    Im Läuferblechpacket kann auch eine Drehstromwicklung in den Nuten liegen, die auf drei Schleifringe herausgeführt und dort verschaltet wird.
  • 5. Lüfterflügel
  • Der Läuferkäfig besteht aus Querstäben die an beiden Seiten durch Kurzschlussringe kurzgeschlossen werden. Die Stäbe samt Kurzschlussringen werden bei modernen Rotoren direkt in das Blechpacket eingegossen (Aluminium-Druckguss-Verfahren). Läuferkäfig ohne Blechpacket also quasi nackt

    Funktion

    Wieso dreht sich aber der Asynchronmotor, ohne dass sein Läufer mit Spannung versorgt wird?

    Das Induktionsprinzip des Transformators

    Eine Asynchronmaschine ist im Stillstand nichts anderes als ein Drehstromtransformator mit kurzgeschlossener Sekundärwicklung.

    ASM05 (5K)

    Im Rotor wird daher transformatorisch eine Spannung induziert. Diese Wirkung ist aber drehzahlabhängig.

    Die Asynchronmaschine ist eine INDUKTIONSMASCHINE.

    Drehmomentbildung

    Im Stator der Maschine wird ein Drehfeld3a (51K) Drehfeld erzeugt. Dieses Drehfeld schneidet die Rotorstäbe und induziert so im Käfig eine Läuferspannung. Der Käfig wirkt wie eine Leiterschleife also fließt in ihm ein Strom (siehe unten).

    Der Rotorstrom erzeugt ein Rotorfeld, das dem Drehfeld nachläuft. So dreht sich der magnetisierte Läufer dem Drehfeld nach, ohne es jemals einholen zu können.

    Der Rotor der Asynchronmaschine läuft langsamer als das Drehfeld, weil in ihm eine Spannung durch das Drehfeld induziert werden muss. Der Drehzahlunterschied zwischen Drehfeld und Läufer heißt Schlupf.

    Der Schlupf s wird in Prozent der Synchrondrehzahl nS angegeben. Die Läufer- oder Rotordrehzahl nL ist im Motorbetrieb immer kleiner, als die nächst höhere Synchrondrehzahl. Die Berechnung ist eine simple Prozentrechnung:

    Das Drehmoment M des Asynchronmotors ist von der Drehzahl n und vom Rotorwiderstand RL abhängig. Die folgende Kennlinie zeigt den typischen Verlauf und die Abhängigkeit in einem Diagramm:

    MA......Anlaufmoment
    MS......Sattelmoment (das tiefste Drehmoment während des Hochlaufens)
    MK......Kippmoment (das höchste Drehmoment während des Hochlaufens)
    MN......Nennmoment (das Drehmoment bei Nennbelastung)

    Bauformen allgemein

    Die Asynchronmaschine unterscheidet sich durch verschiedene Arten von Läufern:

    • Kurzschlussläufermotor
    • Schleifringläufermotor
    • Rundstabläufer
    • Profilstabläufermotor
    • Reluktanzmotor

    Verwendung allgemein

    • wichtigster Antrieb
    • bei Werkzeugmaschinen oder Pumpen bis einigen MW

    Betrieb als Motor

    Die Maschine nimmt aus dem Stand einen hohen Anlaufstrom auf, der sich während der Anlaufphase bis zum Nennstrom verringert. Das folgende Diagramm zeigt den prinzipiellen Stromverlauf:

    Das Diagramm zeigt auch, dass beim Abbremsen des Motors (das tut nun mal jede Last) der Strom rlativ stark ansteigt. Der Motor wird immer mehr zur Heizung. Die Wicklung muss daher gegen Überlastung geschützt werden.

    Schaltung

    Zusammenfassung

    Begriff Erläuterung
    Induktionsmaschine Das Ständerdrehfeld induziert ein Läuferfeld, das dem Drehfeld nacheilt.
    Anlauf Mit zunehmender Rotordrehzahl sinkt
  • die Läuferfrequenz ... f2
  • die Läuferspannung ... U2

  • Drehmoment Der hohe Anlaufstrom (10 x IN) bewirkt ein kleines Anlaufmoment, weil die strombedingte Ankerrückwirkung (fLäufer) das Drehfeld schwächt.
    Leerlauf Der Leistungsfaktor cosφ ist sehr klein (0,3 bis 0,5), weil praktisch nur der Magnetisierungsstrom fließt. (siehe Laborübung)
    Ausnahme: Strom zur Deckung der Verluste (Cu; Fe; Streuung und Reibung)
    Belastung Durch die Abgabe von immer mehr Wirkleistung (Wellenleistung) verbessert sich der Leistungsfaktor (siehe Laborübung)
    Anlasseinrichtungen Ständeranlasser
    • Anlasswiderstand
    • Anlasstrafo
    • Y/Δ - Anlassverfahren
    • KUSA - Schaltung
    • elektronische Sanftanlasser
      Läuferanlasser
    • dreistufiger Anlasswiderstand
    • Profilstabläufer

    Kurzschlussläufermotor

    Rundstabläufer

    Der Stator ist grundsätzlich bei allen Asynchronmaschinen gleich. Der wesentliche Unterschied ist durch den Querschnitt (kreisförmig) der Stäbe des Rotorkäfigs gegeben:

    Rundstabläufer mit Kupferstäben
    hier ist nur jeder zweite Stab gezeichnet hartgelöteter oder geschweißter Kupferkäfig

    Betriebsverhalten

    Das Betriebsverhalten wird bei Antrieben in der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie deutlich:

    Im Einschaltmoment hoher induktiver Rotorwiderstand
    • geringes MA)
    • hoher IA ( bis zu 10 x IN )
    Im Betrieb sehr kleiner Rotorwiderstand
    (sowohl Wirk- wie Blindwiderstand)
    • relativ hoher Rotorstrom
    • höchstes MK aller Asynchronmaschinen
    • drehzahlstabil (weil die Kennlinie am stärksten abfällt - vgl. Nebenschluss-Maschine)

    Baugrößen

    1. bis ca. 1kW Nennleistung
    2. über 300kW muß die Maschine wegen schlechter Anlaufeigenschaften mit Hilfsmotoren hochgefahren werden

    Stromverdrängungsläufer

    Der Stator ist wieder ein Drehstromstator. Die Rotorstäbe besitzen nun besondere Querschnitte.

    Betriebsverhalten

    Das Betriebsverhalten im Vergleich lässt sich aus der oben abgebildeten Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie deutlich unterscheiden:

    Im Einschaltmoment

    Stromverdrängung:
    von innen nach außen
    Rotor innen (viel Eisen = viel XL),
    Strom fließt außen (= Querschnittsverkleinerung)
    RLäufer wird größer

    hoher RLäufer:
    1. = hohes Anzugsmoment MA)
    2. niederer Anlaufsrom (IA ist bis zu 5 x IN)

    Im Betrieb

    keine Stromverdrängung mehr im Rotor fließt beinahe Gleichstrom (= sehr wenig XL) mehr. Der Rotorwiderstand ist nun klein.

    Schleifringläufer

    • Drehstromstator
    • Rotor mit Drehstromwicklung (in Stern geschaltet) oder Zweiphasenwicklung (L - Schaltung)
    • Wicklungsenden sind auf Schleifringe geführt (Anschlüsse: k, l, m)

    Wendeschaltung mit einem Schleifringläufer

    Das Hauptaugenmerk soll auf dem sogenannten Läuferanlasser liegen, der als Stellwiderstand angeschlossen an den Schleifringen k, l, m dargestellt ist.

    Wendeschaltung mit Stromverdrängungsläufer

    Wirkungsweise

    Uns ist bekannt, dass der Läuferwiderstand RL eine Erhöhung des Anlaufmomentes MA bewirkt. Genau das wird bei der Zuschaltung von Widerständen in den Läuferkreis des Schleifringläufers ausgenützt. Beim etwa fünffachen Läuferwiderstant (5RL) ist mit dem höchst möglichen Anlaufmoment (MA = MK) zu rechnen. So kann der Stell- oder Stufenwiderstand Rv bemessen werden.

    Kennlinie eines Stromverdrängungsläufer

    Durch transformatorische Wirkung (ILäufer braucht IStänder)) kann der aufgenommene Strom begrenzt werden. Ein durch Widerstände verringerter IL verringert gleichzeitig den aufgenommenen Strom I1.

    Verwendung

    In Mühlen, Krananlagen und Seilbahnen war dieser Antrieb sehr gefragt, weil es möglich war, auch ohne Stromrichter das Anzugsmoment oder die Drehzahl zu steuern. Die technische Entwicklung der Stromrichterantriebe macht den Einsatz dieser nicht ganz billigen Maschine (zwei Wicklungen sind nötig) seltener.

    Polumschaltbare Motoren

    Die Drehfelddrehzahl (= Synchrondrehzahl nS) hängt von der Netzfrequenz f und der Polzahl (Zahl der Polpaare p) ab.

    Synchrondrehzahl oder Drehfelddrehzahl

    Daher gibt es zwei Möglichkeiten, die Drehzahl zu verstellen:

    1. durch Frequenzumrichter
    2. durch Wicklungen mit verschiedenen Polpaarzahlen

    Getrennte Wicklungen

    In einem Stator können mehrere Wicklungen mit verschiedenen Polzahlen untergebracht werden.

    Pol - Amplituden - Modulation (PAM)

    PAM bedeutet, dass durch unterschiedliches Verschalten einer Wicklung mit dem Netz verschiedene Drehzahlen erreicht werden können. Ein bekanntes Beispiel dafür ist die Dahlanderwicklung.

    Dahlander-Schaltung

    1. Je nach Version (Δ/YY oder Y/YY) unterscheidet sich die Stromaufnahme des Motors in beiden Drehzahlen.

      Für beide Geschwindigkeiten werden verschiedene Motorschutzschalter benötigt!

    2. Das Drehzahlverhältnis ist immer geradzahlig:

        langsam      1        3
                    ---   =  ---    oder ...
        schnell      2        6
      

    3. Trotz der Drehzahlverdoppelung erhöht sich die Leistung nur etwa um 30%. (PYY = 1,3.PD), weil die Durchflutung bei höherer Polzahl kleiner ist.

    Δ/YY - Schaltung

    		 M    1    
    		 --- = --- 
    		 MNYY    1   
    
    

    Dreieck-Dopelsternschaltung

    Y/YY - Schaltung

    		 MNY      3    
    		 ----  = --- 
    		 MNYY     4  
    

    Stern-Doppelsternschaltung

    Drehstrommaschine am Einphasennetz

    Jeder Drehstrommotor kann bei Wechselstrom betrieben werden, wenn die Strangspannung der vorhandenen Wechselspannung entspricht. (UN = 400/230V)

    Steinmetzschaltung

    Steinmetzschaltung für 230V

    Der Kondensator kann durch eine Messung der Strangspannungen und -ströme genauer bestimmt werden. Dabei treten im Leerlauf die höchsten Spannungs- und Stromwerte auf. Bei Belastung sinken die Werte um etwa 10%.

    Einphasenasynchronmaschine

    Wirkungsweise - Induktionsprinzip

    Ein Statordrehfeld induziert im Kurzschlussläufer eine ULäufer. Der Läuferstrom erzeugt seinerseits ein Rotorfeld, das dem Drehfeld nacheilt.

    Drehfeldbildung

    allgem.: phasenverschobene Wechselströme, die durch räumlich versetzte Spulen fließen, erzeugen ein

    Drehfeld
    3~ 1~
    3 x 120° el. verschobene IL 2 x 90° el. verschobene IStr
    3 x 120° räumlich versetzte Spulen 2 x 90° räumlich versetzte Spulen
    durch Drehstrom in Drehstromwicklung entsteht ein Drehfeld durch Wechselstrom in Haupt- und Hilfsstrang entsteht ein elyptisches Drehfeld

    Bei der Einphasenasynchronmaschine wird die 90 grädige Phasenverschiebung durch

    1. Kondensator in Reihe zum Hilfsstrang (kapazitiver Strom)
    2. oder Erhöhung des Wirkwiderstandes im Hilfsstrang

    erreicht.

    Bauart

    Spaltpolmotor

    Der Rotor ist immer ein Kurzschluss- oder Käfigläufer. Die Bauarten lassen sich also nach der Art der Drehfeldbildung (ΦD) unterscheiden.

    Spaltpolmotor

    Der Magnetische Hauptfluss ΦH wird in der Hauptwicklung erzeugt und schließt sich über die Hauptpole. Die Kurzschlussringe (Sekundärwicklung) in den Spaltpolen erzeugen einen zeitlich und räumlich versetzten Fluss. Dadurch entsteht ein Drehfeld.

    Der Spaltpolmotor besitzt einen schlechten Wirkungsgrad (η = 0,6) - ein Teil der Leistung wird im Kurzschlussring bewußt verheizt - und ein relativ kleines Drehmoment.

    Verwendung: Hauptsächlich als Lüfterantrieb oder für kleine Pumpen bis ca. 300W.

    Kondensatormotor

    Blechschnitt eines Kondensatormotors

    Aufbau:

    Der Läufer ist meistens ein Kurzschluss- und selten ein Schleifringläufer. Der Stator ist entweder der einer normalen DSM oder ein spezielles Blechpacket mit unterschiedlichem Nutenquerschnitt für den Haupt- und den Hilfsstrang.

    Wicklung:

    • 2/3 Hauptstrang (U1 - U2)
    • 1/3 Hilfsstrang (Z1 - Z2)

    Wirkungsweise:

    Der Haupt- und Hilfsstrang sind parallelgeschaltet. Der Hilfsstrang wird durch den Kondensator überkompensiert.

    So entsteht zwischen den Strömen (im Hauptstrang fließt I1, im Hilfsstrang fließt I2) eine Phasenverschiebung.

    Kirchoffsche Regel beim Kondensatormotor

    Die geometrische Summe der Strangströme ergibt den Motornennstrom. (idealerweise mit leichter induktiver Phasenverschiebung, die sich bei Belastung aufhebt;)

    Der Betriebskondensator kann durch folgende Überlegung gefunden werden:

    Die Blindleistung des Kondensators soll 30% höher als die Motorleistung gewählt werden: Blindleistung des Kondensators
    aus dem Zeigerbild ergibt sich die Näherungsrechnung: Berechnung des Betriebskondensators

    Die Rechnung ergibt eine anschauliche Kennlinie:

    Kennline zur graphischen Bestimmung des Betriebskondensators

    Motor mit Widerstandshilfswicklung

    Der Hilfsstrang besitzt eine hohe Windungszahl und ist mit deutlich dünnerem Draht gewickelt. So ist der Wirkwiderstand des Hilfsstranges viel höher als sein Blindwiderstand. Das führt zu einer beinahe 90-grädigen Phasenverschiebung der Strangströme.

    Motor mit Bifilarwicklung

    Der Blindwiderstand des Hilfsstranges kann auch durch gegensinnig gewickelte Spulen verkleinert werden.