Drehstrom-Asynchronmaschine
Eine Asynchronmaschine (auch Induktionsmaschine oder Asynchronmotor genannt) ist ein häufig verwendeter Wechsel- oder Drehstrommotor (Elektromotor). Bei der Asynchronmaschine ist die Drehzahl des Läufers geringer als die Drehzahl des antreibenden elektromagnetischen Drehfeldes, d. h. der Läufer rotiert asynchron zum Drehfeld.
Die Asynchronmaschine kann Elektromotor oder ein Generator sein.
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Aufbau und Funktionsweise
Der Ständer oder Stator besteht aus dem Gehäuse, dem Ständerblechpaket und der darin eingelegten Ständerwicklung.
Die Anfänge und Enden der drei Strangwicklungen (U-X, V-Y und W-Z) sind am sogenannten Klemmbrett ausgeführt. Alle 6 Enden der insgesammt 3 Strangwicklungen (L1, L2 und L3) sind deshalb herausgeführt, weil durch die Schaltung der Strangwicklungen in Y = Stern oder Dreieck 2 um den Faktor 3^0,5 verschiedene Spannungen geschaltet werden können.
Die für die Spannungsinduktion bzw. dem Läuferstrom zuständige erforderliche Magnetflußänderung wird vom Ständer durch ein umlaufendes Drehfeld erzeugt. Elektrisch gesehen ist eine Asynchronmaschine ein kurzgeschlossener Drehstrom-Transformator mit Luftspalt, dessen Sekundärwicklung (der Rotor) drehbar gelagert ist.
Durch die an die Statorwicklung angelegte Netzspannung wird im Inneren der Maschine ein magnetisches Drehfeld erzeugt, welches in der kurzgeschlossenen inneren Wicklung (Anker) einen Strom induziert. Dieser Strom baut selbst wiederum ein magnetisches Drehfeld im Rotor auf. Beide Magnetfelder wechselwirken so, dass letztlich ein Drehmoment erzeugt wird. Für diese Momenterzeugung ist ein Rotorstrom notwendig der eine Frequenz entsprechend der Schlupfdrehzahl (ca. 5 % der Netzfrequenz besitzt. Dieser bleibt aber nur bestehen, wenn es eine relative Differenzdrehzahl zwischen Statorfeld und Rotor gibt.
Drehfeld im Stator
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| Drehzahl des Drehfeldes = Drehzahl des Rotors · ca. 5,0 (Schlupfdrehzahl in %)
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V
Spannung wird im Rotor induziert
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| Netzfrequenz-proportionaler Drehfeldumlauf. nstat = (60·f)/p); Bstat
| induziert eine Rotorspannung in der Käfigwicklung; insbesondere während des Anlaufes hoher Blindstromanteil.
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V
Induzierte Spannung erzeugt den Rotorstrom und damit ein schlupfabhängiges Magnet-Drehfeld.
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| I2=U2/Z2 U2/Wdg. = dφ/dt ; U = 4,44·f·φ·w
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V
Rotordrehfeld mit frot = nstat·p/60 tritt in Wechselwirkung mit dem Statorfeld
und wird von diesem mitgenommen.
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| F proportional Bstat·Brot
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V
Drehmoment Md& = F·Drot/2 wird erzeugt
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Abgabeleistung P = Md·nrot |
V
Die um die Schlupfdrehzahl gegenüber dem netzsynchronen Statordrehfeld verringerte Rotordrehzahl ist bei Belastung erforderlich, um die Motorleistung in kW abgeben zu können. Bei Motorleerlauf ist die Schlupffrequenz sehr niedrig, sie muss nur ausreichen zur Deckung der Lagerreibungsverluste, der wegen der sehr niedrigen Frequenz (etwa 1 % der Netzfrequenz) geringen Käfigwicklungs-Stromes und der ebenfalls sehr geringen Verluste im Rotorblechpaket wegen der sehr niederen Magnetisierung und niederen Frequenz. Der Läufer kann immer nur eine kleinere Drehzahl, als die Synchrondrehzahl des Netzes vorgibt, annehmen, darum der Name Asynchronmaschine.
Dadurch, dass bei der Asynchronmaschine der Rotorstrom durch Induktion erzeugt wird, und nicht wie bei der Synchronmaschine durch die Erregerwicklung oder Permanentmagneten, wird sie gelegentlich als Induktionsmaschine benannt.
Die Drehmomenten über Drehzahlkennlinie ist im Anlaufbereich bei diesem Motorprinzip sehr ungünstig. Der Motor ist nicht in der Lage, unter vollem Lastmoment anzulaufen. Er müsste ohne Last auf etwa 90 % der Nenndrehzahl hochfahren, ehe er ein nennenswertes Drehmoment, sich errechnend aus: Md = Pabgeg/(2·π·)nstat abgeben kann.
Dieser Nachteil führte zunächst zur Entwicklung des Schleifringläufers, bei dem an extra angebrachten Rotorschleifringen ein zusätzlicher Widerstand von außen an die gewickelte Rotorwicklung zwischen den 3 Außenleiterspannungen geschaltet wird, um so das maximale Drehmoment auch schon bei der Drehzahl 0 zu erreichen. Der Widerstand wird nur als Anlaufhilfe gebraucht, er wird nach dem Erreichen der Nenndrehzahl durch Kurzschluss der Schleifringe erreicht. Später wurde dann jener der Kurzschlussläufermotoren entwickelt, dessen Rotor ebenso wie alle anderen auch aus einem geblechten Eisenkernläufer besteht, der bei kleinen Baugrößen im Aluminium-Druckgussverfahren seine "Wicklung" erhält. ("Wicklung" ist hier in Anführungszeichen gesetzt, weil das Aluminiumgebilde eher wie ein Käfig ähnlich einem Hamsterlaufrad aussieht- deshalb wird dieser Motor im englischen auch "squirrel cage motor" genannt, im deutschen zuweilen auch "Käfigläufermotor".) Auch diese Ausführung hat das Problem der Drehzahl-Drehmomentenkennlinie und ist so nur für Einsatzfälle geeignet, wo beim Anlauf wenig Gegenmoment überwunden werden muss (also so eine Art Anlaufen mit geringem Prozentsatz des Nennmomentes aus dem Leerlauf oder fast-Leerlauf). Bei großen Leistungen wird die Käfigwicklung aus Kupfer- und Bronzestäben aufgebaut, die in Kurzschlussringen verlötet werden.
Als Lösung fand sich eine ausgeklügelte Modifikation des Querschnittsprofils der Ankerstäbe: Sie werden radial nach außen verjüngt. Beim Anlaufen des Motors treten nämlich wegen des besonders hohen Schlupfes Wechselspannungen mit beinahe Netzfrequenz im Rotor auf, die den Strom im Ankerleiter durch den Skin-Effekt(Stromverdrängungseffekt) radial nach außen verdrängt, wo die Stäbe verjüngt sind, wodurch es zu einer Widerstandsvergrößerung in der Rotorwicklung kommt. So wird erreicht, dass die Kennlinie sich dynamisch mit der Drehzahl ändert. Diese Motoren werden Stromverdrängungsläufer genannt.
Zur Begrenzung hoher Anlaufströme kann bei Leistungen bis 10 kW die Stern-Dreieck-Schaltung eingesetzt werden.
Vorteile
Der Asynchronmotor weist viele Vorteile auf:
- geeignet für Dauerbetrieb, da keine bewegliche Stromzuführung (Bürsten)
- kurzzeitig stark überbelastbar
- äußerst wartungsarm (geringster Verschleiß, der im Wesentlichen nur die Lager betrifft)
- einsetzbar im Ex-Bereich
- im Verhältnis geringe Anschaffungskosten
- nachwickelbar
Nachteile
Natürlich weist er aber auch einige Nachteile auf:
- hoher Anlaufstrom bei gleichzeitigem geringen Anzugsmoment
- teure Drehzahlregelung über Frequenzumrichter
- relativ großes Volumen/Leistungsverhältnis
Steuerung von Asynchronmaschinen
Asynchronmaschinen können
- am starren Netz
- am Umrichter
betrieben werden.
Betrieb am starren Netz
Am starren Netz (50 Hz / 60 Hz) hat die Maschine abhängig von der Polpaarzahl eine fast synchrone Drehzahl nsync = fNetz/p.
| Polpaarzahl | nsync 50 Hz | nsync 60 Hz |
|---|---|---|
| 1 | 3000 min-1 | 3600 min-1 |
| 2 | 1500 min-1 | 1800 min-1 |
| 3 | 1000 min-1 | 1200 min-1 |
Die Drehzahl bei Belastung ist dann um den Schlupf niedriger, der proportional zur Belastung der Maschine ist. Bei kleinen Maschinen beträgt der Nennschlupf bis zu 8 %, bei Maschinen größer 150 kW ist der Nennschlupf kleiner 1,5 %.
Die prozentualen elektrischen Läuferverluste sind proportional dem Schlupf. Die prozentuellen Gesamtverluste bei Vollast sind daher etwa beim drei- bis vierfachen Nennschlupf.
Bei Schleifringläufer-Maschinen kann die Schlupfleistung aus dem Läuferkreis über einen Stromrichter ins Netz zurückgespeist werden (untersynchroner Betrieb), oder es wird Leistung dem Läufer zugeführt (übersynchroner Betrieb). Diese Methode wird für große Antriebe mit begrenztem Drehzahlbereich verwendet, wie Windkraftanlagen, Kesselspeisepumpen oder Bahnstrom-Umformer. Im Jahr 2004 gingen die größten derartigen Kaskadenantriebe in Europa im Pumpspeicherwerk Goldisthal mit einer Leistung von 340 MVA (325 MW im Motorbtrieb/265 MW im Generatorbetrieb) und einer Drehzahlverstellung von (-10 ... +4 %) in Betrieb.
Umrichterbetrieb
Ein Frequenzumrichter wandelt eine vorhandene 3-phasige Netzspannung fester Frequenz und Amplitude in eine 3-phasige Spannung mit einstellbarer Frequenz und Amplitude um. Damit können auch Drehzahlen angefahren werden, die weiter von der Netzfrequenz entfernt sind. Einfache Steuerverfahren stellen den Strom I bzw. das Quadrat der Spannung U proportional zur Frequenz.
Komplizierter sind z. B. die feldorientierten Verfahren, die ein Moment einprägen, oder wenn mit einer kapazitiven Quelle (einem Kondensator), dem Motor soviel Blindleistung zuführt, wie er für einen Generatorbetrieb benötigt. Verwendet wird diese Möglichkeit der Blindstromversorgung für Generatoren, an die wenig Ansprüche hinsichtlich Spannungskonstanz stellen, daher nur für eine Bremsfunktion eingesetzt.
Polumschaltung
Es gibt 2 gängige Verfahren, die bisweilen auch kombiniert eingesetzt werden:
- Mit der Dahlanderschaltung (siehe unten) kann die Polzahl der Asynchronmaschine im Verhältnis 1:2 erhöht werden, und somit deren Drehzahl annähernd im Verhältnis 2:1 verändert werden. Typische Anwendungen sind:
- Drehmaschinen mit 2 Grunddrehzahlen; langsam- oder schnellaufend.
- 2-Stufiger Lüfterantrieb für Gebäudelüftung
- Motoren mit 2 getrennten Wicklungen haben 2 vollständige Statorwicklungen mit unterschiedlichen Polzahlen, von denen nur die jeweils für die Drehzahl benötigte eingeschaltet ist. Mit einer Wicklungskombination 4-polig und 6-polig hat man eine Drehzahl-Umschaltung im Verhälnis 3:2. Typische Anwendungen: wie Dahlanderschaltung
Es werden auch Motoren mit 2 Wicklungen gefertigt, bei denen eine der Wicklungen für die Dahlanderschaltung vorgesehen ist. Mit 2- und 4-poliger Dahlanderwicklung und getrennter 6-poliger Wicklung hat man einen 3-stufigen Antrieb mit Drehzahlverhältnissen 3:2:1.
Dahlander-Schaltung
Die Dahlander-Schaltung bietet bei Asynchronmaschinen in Käfigläuferausführung die Möglichkeit der Polumschaltung und damit der Drehzahlumschaltung. Jede Phase ist in zwei Wicklungen ausgeführt, die je nach Verschaltung die Polzahl im Verhältnis 1:2 umschalten lassen. Durch Umschalten dieser Spulengruppen aus der Reihenschaltung in die Parallelschaltung wird die entstehende Polzahl halbiert, dadurch verdoppelt sich die Drehfelddrehzahl. Die gebräuchlichste Dahlanderschaltung ist die Dreieck-Doppelsternschaltung. Bei Reihenschaltung der Wicklungsteile erfolgt Dreieckverkettung der Stränge, bei Parallelschaltung erfolgt Sternverkettung, um durch Spannungsherabsetzung eine zu hohe Induktion im Nutzbereich des Stators zu vermeiden.
Einsatzbeispiele
Kennzeichnend für dieses Motorprinzip ist, dass es keinerlei elektrische Verbindung von außen zum Rotor gibt.
Durch den Verzicht auf schleifende Teile ist der Motor sehr robust und langlebig und kann sehr laufruhig gebaut werden.
Eine typische Anwendung im Kleinleistungsbereich ist der einfache Plattenspielermotor. Hier und bei einigen anderen Haushaltsgeräten (Kühlschrank) kann wegen der im Normalhaushalt nur einphasigen Wechselspannungsversorgung das Drehfeld durch Phasenverschiebung mittels Kurzschlussring (Spaltpolmotor), mittels Widerstand-Hilfsstrang oder Kondensator-Hilfsphase erzeugt werden (Kondensatormotor).
Bei der Steinmetzschaltung wird mit einem Kondensator eine Phasenverschiebung um 60° erzeugt, die trotz einphasiger Anspeisung die Anwendung eines Drehstrommotors gestattet.
Oben genannte Vorteile sind auch beim Einsatz als Radnabenmotor für PKW günstig und vermeiden zahreiche Probleme in bestehenden Designs.
Typische Anwendungen für Drehstrom-Kurzschlussläufermotoren:
- In jeder Werkstatt mit Drehstromversorgung sind sie schlechthin die Standard-Antriebe.
- Für gröbere Anwendungen gibt es Motoren mit vielen Hundert oder einigen Tausend kW, z. B. bei großen Laufkatzenkränen, Pumpen und Gebläsen.
- Bei Schienenfahrzeugen ist er inzwischen auch der Fahrmotor der Wahl (also weit über 1000 kW) und hat die Gleichstrommaschine oder Einphasen-Kommutatormaschine verdrängt.
Der Motor findet Verwendung in praktisch allen elektrischen und dieselelektrischen Schienenfahrzeugen (z. B. TGV, ICE, BR198, Baureihe 618), obgleich auch immer wieder mit Synchronmaschinen experimentiert wird.