Drehstromasynchronmaschine

Aufbau allgemein

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).

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.

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 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 n_S angegeben. Die Läufer- oder Rotordrehzahl n_L 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 R_L abhängig. Die folgende Kennlinie zeigt den typischen Verlauf und die Abhängigkeit in einem Diagramm:

M_A......Anlaufmoment
M_S......Sattelmoment (das tiefste Drehmoment während des Hochlaufens)
M_K......Kippmoment (das höchste Drehmoment während des Hochlaufens)
M_N......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:

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: = hohes Anzugsmoment MA) 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.

Wirkungsweise

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

Durch transformatorische Wirkung (I_Läufer braucht I_Ständer)) kann der aufgenommene Strom begrenzt werden. Ein durch Widerstände verringerter I_L 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 n_S) hängt von der Netzfrequenz f und der Polzahl (Zahl der Polpaare p) ab.

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%. (P_YY = 1,3^.P_D), weil die Durchflutung bei höherer Polzahl kleiner ist.

Δ/YY - Schaltung

		 MNΔ    1    
		 --- = --- 
		 MNYY    1   

Y/YY - Schaltung

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

Drehstrommaschine am Einphasennetz

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

Steinmetzschaltung

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 U_Läufer. 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

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

Spaltpolmotor

Der Magnetische Hauptfluss Φ_H 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

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.

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:
aus dem Zeigerbild ergibt sich die Näherungsrechnung:

Die Rechnung ergibt eine anschauliche Kennlinie:

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.