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 5. Drehstrommotoren

5.1 Vorspann

Aufbau und Wirkungsweise eines Drehstrommotors basieren auf einem sogenannten Drehfeld, welches von einem dreiphasigen Wechselstrom (=Drehstrom) gespeist wird. Das Drehfeld, dessen Wicklungen stets am Ständer des Motors angebracht sind, kann eine Spannung im Läufer induzieren (wir sprechen von einem Drehstrom-Asynchronmotor) oder in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Läufers treten (wir sprechen von einem Drehstromsynchronmotor). Bevor wir allerdings auf die verschiedenen Drehstrom-Motortypen eingehen, wollen wir zunächst die Wirkungsweise des Drehfeldes untersuchen.
 

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5.2 Das Drehfeld

Bild 5.1 a) Dreieickschaltung             b) Sternschaltung
Drehen sich ein stabförmiger Dauermagnet oder ein Elektromagnet um ihren Mittelpunkt, so entsteht ein Drehfeld. Dieses Feld läßt sich durch einen rotierenden Flußdichtevektor B oder durch einen rotierenden Zeiger des magnetischen Flusses F darstellen. Drehfelder können allerdings auch erzeugt werden, ohne daß sich ein Dauermagnet um seine Achse dreht. Dazu benutzt man drei um 120° bezüglich ihrer Achsen verschobene Spulen, deren Wicklungsanfänge an die drei Außenleiter eines Dreiphasensystems angeschlossen werden. Die drei Spulen sind am Ständer des Drehstrommotors angebracht. Sie können in Sternformation (Bild 5.1 b)) oder in Dreieckformation (Bild 5.1 a)) geschaltet werden.
Welche der beiden Schaltungen wir verwenden ist zunächst gleichgültig. Wichtig allerdings ist, daß in den drei Wicklungssträngen Ströme fließen, die jeweils um 120° oder um T/3 gegeneinander verschoben sind (T = Periodendauer). Beim dreiphasigen Drehstromsystem ist dies der Fall. Zudem bildet sich in allen drei Spulen eine magnetische Flußdichte aus, die proportional zum fließenden Strom ist und die entlang der Längsachse der jeweiligen Spule wirkt.
In Bild 5.2 (siehe nächste Seite) werden diese drei Flußkomponenten durch die Vektoren B1, B2 und B3 dargestellt. Ebenso finden wir den Vektor der Resultierenden im Raum (Bres), der an Stelle des Läufers abgebildet ist. Um die Wirkungsweise des resultierenden Vektors zu verstehen, betrachten wir die drei Wicklungsströme, die jeweils eine magnetische Flußdichte B in den Spulen hervorrufen, zu den verschiedenen Zeitpunkten t1 und t2. Zur Zeit t1 hat der Strom i1 seinen positiven 
Bild 5.2 Flußdichtevektoren    a) t=t                   b) t=t
Maximalwert erreicht. Die Ströme i2 und i3 hingegen sind negativ und betragsmäßig 1 2 nur halb so groß wie i1. Damit ist auch die von i1 herrührende Flußdichtekomponente B1 doppelt so groß wie die beiden anderen Komponeneten B2 und B3, die auf die Ströme i2 und i3 zurückgehen. Die Vektoren der magnetischen Flußdichte der drei verschiedenen Spulen wirken, wie wir bereits gesehen haben, entlang der Längsachse der jeweiligen Spule. Laut unserer nun folgenden Definition sollen die Flußdichte-vektoren mit ihrer Pfeilspitze auf die Spule weisen, falls der Strom, der durch sie hindurchfließt positiv ist; falls er negativ ist, sollen die Pfeilspitzen von der Spule wegweisen. Wir können nun folgendes behaupten: Falls i1 (t1) > 0, so zeigt B1 auf die Spule 1. Daraus folgt, daß i2 (t2) < 0 und i3 (t3) < 0, sodaß B2 und B3 von den Spulen 2 und 3 wegzeigen. Durch Vektoraddition der drei Flußdichtekomponenten erhalten wir die resultierende Flußdichte Bres, die mit ihrer Pfeilspitze auf die Spule 1 weist.
Nun betrachten wir den um T/3 später liegenden Zeitpunkt t2 und führen die Konstruktion genauso, wie eben beschrieben, durch. Wir erkennen, daß sich der resultierende Vektor für die Flußdichte ebenfalls um T/3 verschoben hat, und nun auf die Spule 2 zeigt. Auf diese Weise können wir Schritt für Schritt für jeden beliebigen weiteren Zeitpunkt aus den jeweiligen Augenblickswerten der Wicklungsströme den resultierenden Vektor der Flußdichte ermitteln.
Fassen wir also unsere bisher gewonnenen Erkenntnisse noch einmal zusammen, sie sind nämlich unerläßlich für das Verständnis der Funktionsweise eines Drehstrommotors:
Schließen wir an drei räumlich um 120° gegeneinander versetzte Wicklungen ein Dreiphasensystem mit drei um 120° oder um T/3 versetzte Ströme an, so erzeugt jeder Strom entlang der Längskurve seiner Wicklung eine Komponente der magnetischen Gesamtflußdichte Bres derart, daß ein resultierender Flußdichtevektor mit konstanter Länge entsteht, der beim Erreichen eines positiven Maximalwertes der drei Wicklungsströme immer auf diejenige Spule weist, die diesen Strommaximalwert gerade führt. Zwischen den maximalen Strömen ergeben sich entsprechende Zwischenlagen des resultierenden Vektors Bres. Das bedeutet: Der resultierende Flußdichtevektor im Raum zwischen den Wicklungen dreht sich mit einer Winkelgeschwindigkeit, die der Frequenz der Spulenströme proportional ist. Das so entstehende Feld nennen wir Drehfeld. Der Betrag des rotierenden Vektors Bres ist festgelegt mit: Bres = 3/2 B. Letzter Absatz nach: [BUSCH(1994)] BUSCH,R.; Elektrotechnik und Elektronik, Seite 345.
In Bild 5.2 ist er durch einen fetten, durchgehenden schwarzen Pfeil dargestellt. B ist die Flußdichtekomponente, die entlang der jeweiligen Spulenachse wirkt, falls der Strom einen Maximalwert erreicht.
Die Winkelgeschwindigkeit W S des Drehfeldvektors ergibt sich aus dem eben formulierten Merksatz; seine Spitze weist daher auf diejenige Spule, die den Strommaximalwert führt. Da der Strom i1 in der Spule 2 seinen Maximalwert um die Zeit T/3 später als in der Spule 1 annimmt, muß sich der Drehfeldvektor in der Zeit T/3 um einen Winkel von 120° gedreht haben bzw. eine vollständige Umdrehung ausführen, wenn der Strom eine volle Periode T durchläuft. Das bedeutet, daß die mechanische Winkelgeschwin-digkeit W S = 2p nS des Vektors der resultirenden Flußdichte B der Kreisfrequenz w = 2p f1 entspricht. f1 ist dabei die Frequenz des Drehstroms. Hieraus folgt für die Drehzahl des resultierenden Drehfeldes nS = f1. Bei einer Netzfrequenz von f1 = 50 Hz ist somit für die Anordnung in Bild 5.2 nS = 50/s = 3000/min.
Eine Drehfeldmaschine (in unserem Beispiel ein Drehstrommotor), wie wir sie in der Bild 5.3 kennenlernen werden, heißt zweipolige Maschine oder Maschine mit der Polzahl p =1 weil der rotierende Feldvektor als ein rotierender Magnet mit einem Nord- und einem Südpol (=1 Polpaar) aufgefaßt werden kann. Falls wir die Ständer-wicklung durch drei weitere Spulen so erweitern, daß ein neuer Drehfeldvektor ent-steht, der ebenfalls einen Nord- und einen Südpol besitzt (wir erhalten also einen Motor mit der Polzahl p = 2), halbiert sich die Drehzahl des Drehfeldes. Allgemein gilt für die Drehfelddrehzahl: nS = f1 / p.
Die Drehfelddrehzahl hängt von der Netzfrequenz des Stromes ab, der das dreisträngige Spulensystem speist, sowie von der Polzahl p des Motors. nS wird auch Synchrondrehzahl genannt. In untenstehender Tabelle (entnommen aus: Busch, R.; Elektrotechnik und Elektronik) können wir den Zusammenhang von Netzfrequenz und Synchrondrehzahl bei Motoren verschiedener Polzahl p erkennen.
Tabelle für Synchrondrehzahlen bei f = 50Hz

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5.3 Arten von Drehfeldmaschinen

Zu rotierenden Drehfeld- oder Drehstrommaschinen zählt man im Allgemeinen Drehstromasynchron- und Drehestromsynchronmaschinen. Bei letzterer setzen wir vom prinzipiellen Aufbau her eine Innenpolmaschine voraus, sodaß wir bei sämtlichen Drehstrommaschinen den gleichen Ständeraufbau mit der gleichen dreisträngigen Drehstromwicklung erhalten. Diese Drestrommaschinen unterscheiden sich dann nur mehr bezüglich ihres Läuferaufbaus.
In Bild 5.3 unten sehen wir die eben genannten Drehfeldmaschinen. 5.3 a) zeigt eine Asynchronmaschine, 5.3 b) zeigt eine Synchronmaschine.
Bild 5.3 a) Asynchronmaschine b) Synchronmaschine

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5.4 Der Asynchronmotor

5.4.1 Geschichtliches zum Asynchronmotor

Die Wirkungsweise eines Asynchronmotors beruht im Wesentlichen auf der Entstehung eines Drehfeldes durch eine mehrsträngige Wicklung. Die Erfindung dieser Wicklung fällt in die Zeit um 1885. Sie wurde vom Italiener Galileo Ferraris und vom Kroaten Nicola Tesla gemacht. Michael von Dolivo-Dobrowolski baute schließlich im Jahre 1889 erstmals einen dreiphasigen Asynchronmotor. Von ihm wurde auch der Name Drehstrom geprägt. Zu Beginn der 90er Jahre des vorigen Jh. wurden sowohl Motoren mit Schleifring- als auch mit Käfigläufern gefertigt.
Der Asynchronmotor mit Käfigläufer besitzt im Gegensatz zum Gleichstrommotor den Vorteil, daß er wesentlich einfacher und robuster gebaut werden kann. Er ist deshalb auch preisgünstiger und bedarf nur einer geringen Wartung.Von Nachteil allerdings ist die nach n » n1 = f1/p enge Bindung der Betriebsdrehzahl an die Frequenz der Ständerspannung. Das heißt, im normalen 50 Hz-Netzbetrieb sind damit nur Werte um 3000 min/s, 1500 min/s, 1000 min/s usw. erreichbar. Erst die Entwicklung der Leistungselektronik und insbesondere der Frequenzumrichter haben Verfahren zur verlustarmen Drehzahlsteuerung der Asynchronmotoren gebracht.
 
 

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5.4.2 Leistungsbereich

Kleine Asynchronmotoren unter 1 kW Leistung werden heute vor allem in großer Stückzahl als Einphasenmotoren (siehe auch Kapitel 4.4) für Haushalt und Gewerbe gebaut. Im Bereich der mittleren Leistung herrscht der Käfigläufermotor für 220 V / 380 V Drehspannung vor. Die erbrachte Grenzleistung für Asynchronmotoren steigt in etwa proportional zur Polzahl an und liegt bei Verwendung der normalen Luftkühlung für vierpolige Motoren bei ca. 30 MW. Die größten Asynchronmotoren werden bei Spannungen von 3,6 bis max. 10 kV zum Antrieb von Kesselspeisepumpen in Kraftwerken und als Turboverdichter in Stahlwerken sowie in der chemischen Industrie verwendet.
 

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5.4.3 Prinzip eines Asynchronmotors

Der Läufer wird als geschlossene Leiterschleife ausgeführt, die sich in der Bohrung des Ständers bewegen kann.
Bild 5.4 Asynchronmotor
Wenn ein solcher Motor an ein Drehstromnetz angeschlossen wird, bildet sich im Raum, in dem sich der Läufer befindet, augenblicklich ein Drehfeld mit der Drehzal nS aus. Die Leiterschleife steht im Einschaltmoment noch still (n = 0). Deshalb treten durch das schnell rotierende Drehfeld starke zeitliche Änderungen des von ihr erfaßten magnetischen Flusses auf. In der Schleife wird deshalb nach dem Induktionsgesetz (siehe Kapitel 1.2) eine Spannung induziert, die einen kräftigen Strom erzeugt, der der Lenzschen Regel unterliegt. Das Feld des Läuferstroms ist demzufolge beim Zusammenwirken mit dem Drehfeld bestrebt, der Induktionsursache entgegenzuwirken. Ursache für die Induktion aber ist die Relativgeschwindigkeit zwischen Drehfeld und Läufer. Um sie abzubauen, muß sich der Läufer mit der Drehzahl n in Richtung des Drehfeldes in Bewegung setzen. Die Schlupfdrehzahl D n = nS – n wird zwar dadurch kleiner, sorgt aber in der nun rotierenden Leiterschleife immer noch für einen Induktionsstrom, der bestrebt ist, D n zu verkleinern und somit n zu vergrößern. Das würde heißen, daß die Drehzahl der Maschine nach dem Einschalten ständig zunimmt. Der Zustand n = nS mit der Relativ-drehzahl D n = 0 kann dabei allerdings nicht erreicht werden, da sich dann der den Läufer durchsetzende Fluß F wegen der gleichen Rotationsgeschwindigkeit von Drehfeld und Läufer nicht mehr ändern würde, sodaß kein Induktionsstrom und keine Kraftwirkung mit dem Drehfeld mehr auftreten könnten.
Für die Funktion eines Asynchronmotors ist es vielmehr vonnöten, daß stets ein gewisser Wert der Schlupfdrehzahl aufrechterhalten wird, sodaß noch ein Strom im Läufer induziert wird. Die Drehzahl n des Motors muß daher immer etwas kleiner als die Drehfeld- oder Synchrondrehzahl sein; deshalb erklärt sich auch auch der Name Asynchronmotor. Man verwendet auch die Bezeichnung Induktionsmotor, da im Läufer stets eine vom Drehfeld induzierter Strom fließt.
 

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5.4.4 Aufbau des Ständers

Das Ständergehäuse eines Asynchronmotors kann entweder eine Schweißkonstruktion sein oder aus Guß gefertigt werden.
Bild 5.5
Das Gehäuse nimmt ein geschichtetes Eisenpaket auf, das aus gegeneinander isolierten Dynamoblechen besteht. In Bild 5.5 kann man das auf den Ständer montierte Blechpaket gut erkennen. Längs der Bohrung werden Nuten in das Blechpaket gefräst, in die meist eine dreisträngige Wicklung eingebracht wird. Diese Nuten sind bei Maschinen kleiner bis mittlerer Leistung oft  halb
Bild 5.6
geschlossen, sodaß die Drähte der Wicklung einzeln eingeträufelt werden müssen (Träufelwicklung, siehe Bild 5.6). Soll ein Motor hinge-gen mit einer größeren Spannung versorgt und demzufolge auch eine größere Leistung erbringen, so verwendet man offene Nuten und vorgefertigte isolierte Formspulen.









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5.4.5 Der Läufer beim Asynchronmotor

So wie der Ständer trägt auch der Läufer ein geschichtetes Blechpaket mit Nuten zur Aufnahme der Läuferwicklung. Es kann direkt an der Welle oder auf einer eigenen Trägerkonstruktion befestigt werden. Um den Amperewindungsbedarf für die Luftspaltinduktion der Maschine möglichst gering zu halten, wird der Luftspalt zwischen Ständer- und Läuferblechen so klein wie konstruktiv möglich gehalten. Bei Motoren bis zu mittleren Leistungen liegt der Abstand Ständer-Läufer bei einigen Zehntel Millimetern. Wie vorher bereits erwähnt wurde, können in die Nuten des Läuferblechpakets Wicklungen eingelegt werden. Einen solchen Läufer, der zudem mit Schleifringen ausgestattet ist, nennt man Schleifringläufer (siehe Kapitel 5.4.5.1).
Anstatt der Wicklungsstränge können allerdings auch Profilstäbe aus Kupfer, Bronze oder Aluminium in die Nuten eingeschoben werden, die auf beiden Seiten des Läufers durch Ringe des entsprechenden Materials miteinander verbunden sind. Wir bezeichnen diesen Läufer aufgrund seiner Käfigform als Käfig- oder Kurzschlußläufer (siehe Kapitel 5.4.5.2, sowie Bild 4.3).
Die beiden eben genannten Läufertypen sollen nun getrennt voneinander betrachtet werden. Da sich wesentliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Asynchron-motoren meist auf die Andersartigkeit des Läufers beschränken lassen. Der Aufbau des Ständers ist nämlich meist derselbe: Er besteht aus einem dreisträngigen Wicklungssystem, das über ein Drehstromnetz gespeist wird.
 
 

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5.4.5.1 Asynchronmotor mit Schleifringläufer (AMSL)

Der Ständer des Asynchronmotors mit Schleifringläufer (AMSL) ist, wie bisher beschrieben, mit einer dreisträngigen Wicklung ausgestattet.
Die Wicklungsanfänge U1, V1 und W1 der drei Stränge (siehe Bild 5.7, nächste Seite) und deren Enden U2,V2 und W2 werden an das Klemmenbrett des Ständers angeschlossen. Je nachdem wie die Wicklungsanfänge bzw. -enden am Klemmenbrett miteinander verbunden werden, erhält man eine Stern- oder Dreieckschaltung.
Bild 5.7 a) Klemmbrett b) Sternschaltung c) Dreieckschaltung

 
Bild 5.8 a) Schleifringläufer b) Schaltbild

So wie der Ständer trägt auch der Läufer beim AMSL eine dreisträngige Wicklung, die aber grundsätzlich in Stern geschaltet ist, was durch eine Verbindung der drei Wicklungsenden innerhalb des Läufers erreicht werden kann. Die übrigbleibenden Wicklungsanfänge werden über Schleifringe an das Klemmbrett des Läufers nach außen geführt. Hier können Widerstände oder Stromrichter zur Beeinflussung des Betriebsverhaltens des Motors angeschlossen werden, d.h. der Läuferkreis ist von außen elektrisch zugänglich.

Bild 5.8 a) zeigt den Aufbau eines Schleifringläufers. Besonders beachten sollte man die drei Ringe auf der rechten Seite des Läufers, die hier gut sichtbar sind. Bild 5.8 b) zeigt das Schaltsymbol eines Asynchronmotors mit Scheifringläufer.
 

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5.4.5.2 Asynchronmotoren mit Käfigläufer (AMKL)

Der Ständer des Asynchronmotors mit Käfigläufer (AMKL) ist prinzipiell gleich wie der Ständer beim AMSL aufgebaut. Der Unterschied besteht im Läufer. Die Läufer-nuten sind nämlich nicht mehr mit Wicklungen ausgelegt, sondern mit Profilstäben aus Kupfer, Bronze oder Aluminium versehen. Diese Stäbe sind auf beiden Seiten des Läufers über Ringe des entsprechenden Materials miteinander verbunden, sodaß ein einfacher Käfig mit Längsstäben entsteht. Bei Verwendung von Aluminium hingegen gießt man die "Läuferwicklung" direkt in die Läufernuten. Bei dieser Methode sind sehr mannigfaltige Nutausführungen mit Einfach- oder Doppel-käfigen üblich. Da der Läufer nur die Aufgabe hat, einen kräftigen Induktionsstrom zu  erzeugen (daher auch der Name Kurzschlußläufer) bedarf es nicht unbedingt einer komplizierten Käfigform, wie in Bild 5.9 dargestellt.
Bild 5.9 Käfigläufer
Motoren mit solchen oder auch mit beliebigen anderen Käfigläufern sind sehr robust und wenig störanfällig. Asynchronmotoren mit Käfigläufer haben im Vergleich zum Gleichstrommotor oder zum AMSL keinen Kollektor und keine Schleifringe. Diese beiden Elemente sind nämlich oft wegen des Funkenflugs, den sie verursachen, für Störungen des Motorbetriebs verantwortlich. Beim Kurzschlußläufer- oder Käfigläufermotor ergeben sich keine solchen Störungen, sodaß er meistens weitgehend wartungsfrei ist. Seit Mitte der 70er Jahre hat man außerdem gelernt, die Regeleigenschaften dieses Motors besser auszunutzen, sodaß man heute auch den AMKL sehr oft für geregelte Antriebe verwendet. Für ungeregelte Antriebe wurde er ohnehin schon immer verwendet.
 
 

 

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5.4.6 Ersatzschaltbild


Bild 5.10 Transformatorersatzschaltbild
Speist man in die Ständerwicklung eines Asynchronmotors einen dreiphasigen Drehstom, so wird über das Drehfeld des Motors in der Läuferwicklung eine Spannung induziert. Diese Spannung wiederum ruft den im Läufer fließenden Läuferstrom hervor. Wenn wir die Ständerwicklung des Asynchronmotors mit der Primärspule des Transformators und die Läuferwicklung ebenso mit der Sekundär-spule vergleichen, können wir die Funktionsweise von Asynchronmotor und Transformator vergleichen. Die Läuferwicklung ist bei einem Kurzschlußläufer natürlich der Käfig. Er kann problemlos als Wicklung aufgefaßt werden, da er die selben Eigenschaften eines Wicklungsstrangs hat.
Weitere Ähnlichkeiten zum Transformator lassen sich beim Asynchronmotor feststellen, wenn wir ebenfalls in Betracht ziehen, daß durch die Widerstände der Wicklungsdrähte Kupferverluste, durch die Ummagnetisierung des Magneteisens des Asynchronmotors Eisenverluste und durch die Magnetkreise des Ständers und des Läufers Streuverluste auftreten. Bei einem Transformator machen sich nämlich ähnliche Verluste bemerkbar. Hieraus kann man richtigerweise schließen, daß aufgrund dieser zahlreichen Gemeinsamkeiten zwischen Asynchronmotor und Transformator beide Maschinen auch prinzipiell dasselbe Ersatzschaltbild aufweisen.
Einen grundlegenden Unterschied zum Transformator kennzeichnet allerdings das Verhalten des Asynchronmotors. Hier weichen auch die Ersatzschaltbilder von Asynchronmotor und Tramsformator voneinander ab. Die Frequenz des induzierten Läuferstroms hängt nämlich von der Relativgeschwindigkeit zwischen der konstanten Drehzahl des Drehfeldes nS und der gerade aktuellen Läuferdrehzahl n ab. Da eine solche Frequenzänderung beim Transformator wegen seiner festen räumlichen Anordnung nicht möglich ist, müssen wir sie auch im Ersatzschaltbild festhalten. Die Relativgeschwindigkeit zwischen nS und n wird als Schlupf bezeichnet. Er wird durch die Gleichung
s = (nS – n) / nS
ausgedrückt. Uns interessiert aber meist der prozentuelle Unterschied zwischen der Drehzahl des Drehfeldes und des Läufers, sodaß wir die Gleichung wie folgt erweitern:
s = ((nS – n) / nS) x 100
Für Stillstand des Mot0ors ergibt sich n = 0 und damit s = 1. Falls Drehfeld und Läufer synchron laufen würden, also die gleiche Drehzahl hätten, dann wäre nS = n und damit s = 0. Die Grenze nS = n wird allerdings bei einem Asynchronmotor nicht erreicht. Sein Drehzahlarbeitsbereich bewegt sich viel mehr innerhalb der Grenze
0 < s £ 1. Die Schlupfwerte von Asynchronmotoren liegen bei Nennbetrieb je nach Motorleistung bei etwa 3 bis 8 %. Seine Nenndrehzahlen sind deshalb nur wenig kleiner als die entsprechenden Synchrondrehzahlen (siehe Tabelle). Haben wir den Schlupf eines Motors einmal ermittelt, können wir die Frequenz des Läuferstroms bestimmen:
f2 = s f1.
f1 = 50 Hz ist die Frequenz des Ständerstromes bzw. der Ständerspannung. Nehmen wir für den Schlupf einen Wert von s = 5% an, so ergibt sich für die Frequenz des Läuferstroms f2 = 2,5 Hz. Wir können das Ersatzschaltbild des Asynchronmotors noch präzisieren: Der Widerstand auf der Läuferseite im Ersatzschaltbild ist nämlich drehzahl- bzw. schlupfabhängig, sodaß wir anstatt R2` (siehe Bild 5.11 a)) R2` / s schreiben müssen. Da die Sekundär- oder Läuferseite immer kurzgeschlossen betrieben wird, ergibt sich aus Bild 5.11 das für den Asynchronmotor typische Ersatzschaltbild. Hier ist anzumerken, daß der AMKL ohnehin immer kurzgeschlossen betrieben wird, der AMSL hingegen erst nach einer Anlaufphase mit Einschaltung von Läuferwider-ständen in den Läuferkreis. Für unsere Berechnungen reicht allerdings auch das vereinfachte Schaltbild aus, wo RFe vernachlässigt wurde.
Bild 5.11 Ersatzschaltbild eines Asynchronmotors a) vollständig (links) b) vereinfacht (rechts)

Anhand dieses Bildes werden wir nun das Betriebsverhalten eines Asynchronmotors ableiten. Wir verstehen darunter vor allem seine Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie.
 

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5.4.7 Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie

5.4.7.1 Kleine Schlupfwerte, s < 0,1:

Da R1 » R2`, ist R1 + R2` / s » R2` / s. Aus der Gleichung f2 = s f1 können wir ableiten, daß der läuferseitige, frequenzproportionale Widerstand Xi wegen f2 < 5 Hz sehr klein ist, sodaß im Läuferkreis nur der Widerstand R2` / s wirksam ist. Wir können also aus Bild 5.11 b) das abgeänderte Ersatzschalbild und das zugehörige Zeigerdiagramm nach Bild 5.12 a) und b) ableiten.
Bild 5.12 a) Ersatzschaltbild für s<0,1 b) Zeigerbild s<0,1 c) Zeigerbild s>0,1

Iµ fließt durch den Hauptwiderstand Xh und ist für die Ausbildung des magnetischen Flusses in der Maschine verantwortlich. Er heißt deshalb magnetisierungs- oder feldbildender Strom. Da Iµ ^ U1 ist er ein reiner Blindstrom, da er keine Wirkleisung erzeugt.
I2` fließt durch den Widerstand R2` / s, ist folglich mit der Ständerspannung in Phase (I2` || U1) und somit reiner Wirkstrom. Er bringt eine Wirkleistung hervor und ist demzufolge für die Bildung der mechanischen Motorleistung bzw. des Drehmoments verantwortlich. In diesem Zusammenhang heißt er auch momentbildender Strom.
Da das Ersatzschlatbild nach Bild 5.12 nur für jeweils einen Strang gilt, muß die gesamte von der Maschine aufgenommene Wirkleistung das Dreifache einer Strangleistung sein.
P = 3 I2`² R2` / s
Diese Leistung steht auf der Läuferseite für die Bildung des Drehmomentes M zur Verfügung. Die geringen Verluste, die im Läufer entstehen, sollen dabei vernachlässigt werden.Weil das Drehmoment aus dem Drehfeld gebildet wird, können wir die vorhin angeschriebene Gleichung auch mittels mechanischer Größen ausdrücken:

P = W S M.

W S = 2p nS ist die Winkelgeschwindigkeit des Drehfeldes. Durch Gleichsetzen der beiden vorherigen Gleichungen und durch die Beziehung I2` = U1* / R2 mit U1*, die wir aus Bild 5.11 b) entnehmen, ergibt sich die Gleichung:

M = (2.7 / W s) (U1² / R2`) s

Im Bereich kleiner Schlupfwerte steigt das von der Maschine abverlangte Drehmoment linear mit dem Schlupf an ( siehe Anfangsteil der Kennlinie nach Bild 5.13 a)).

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5.4.7.2 Große Schlupfwerte, s > 0,1:
Bild 5.13 a) M = f (s)-Kennlinie b) Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie

Für größere Schlupfwerte steigt die Frequenz des Läuferstroms, womit die Streublindwidestände auf der Läuferseite nicht mehr vernachlässigbar sind und deshalb das komplette Ersatzschaltbild nach Bild 5.11 a) zu benutzen ist. I2` verläuft nun nicht mehr parallel zu U1, sondern bekommt eine Blindkomponente auf Kosten der Wirkkomponente, die für die Momentbildung verantwortlich ist (Bild 5.12c)). Die Folge ist zunächst ein weniger als linear ansteigendes, bei höheren Schlupfwerten, d.h. höheren Frequenzen, sogar abfallendes Drehmoment (Bild 5.13 a)).

Bild 5.13 b) zeigt die gesamte Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie des Asynchronmotors in üblicher Darstellung. Die Leerlaufdrehzahl n0 gilt für M = 0 und entspricht näherungsweise der Synchrondrehzahl ns. Das größte Moment, welches die Maschine entwickeln kann, ist das Kippmoment MK. Die zugehörige Drehzahl ist die Kippdrehzahl nK. Der Kippschlupf wird mit folgender Gleichung festgelegt:

sK = (nS – nK) / nS.

Er kann bis zu 30% betragen. Das bei der Drehzahl n = 0 bzw. beim Schlupf s = 1 vorhandene Drehmoment heißt folgerichtig Anlaufmoment. Das Moment, für welches der Motor bemessen ist, mit dem er also im Dauerbetrieb belastet werden darf, heißt Nennmoment MN des Asynchronmotors. Es entspricht etwa dem 0,3 bis 0,4fachen des Kippmoments. Die sich bei Belastung mit dem Nennmoment einstellende Drehzahl ist die Nenndrehzahl nN. Der zugehörige Schlupf wird als Nennschlupf sN bezeichnet.
Der Asynchronmotor wird stets so belastet, daß er in der Nähe des Nennmomentes, zumindest aber im linearen Teil der Kennlinie, arbeitet. Die anderen Kennlinienteile werden nur beim Anlassen und beim Bremsen durchlaufen.
Die Kennlinie nach Bild 5.13 b) kann man analytisch durch folgende Näherungsgleichung darstellen. Sie heißt Kloss‘sche Beziehung.

M / MK = 2 ((s / sK) + (sK /s))

Kapitel 5.4.7.2 nach: [Busch (1994)] Busch, R.; Elektrotechnik und Elektronik, S. 354-355

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5.4.8 Drehzahlstellung

Die Drehzahlstellung kann über mehrere Komponenten erfolgen. Dazu lösen wir zunächst die Gleichung s = (ns – n) / ns auf die Drehzahl n auf, und setzen für die Drehzahl des Drehfeldes f1 / p gemäß der Gleichung ns = f1 / p ein.

Wir erhalten folgende Gleichung:

n = ns (1 – s) = (f1 / p) (1 – s).

Die Gestalt der Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie kann demzufolge über die Frequenz der Ständerspannung f1, die Polpaarzahl p und den Schlupf s beeinflußt werden.
 

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5.4.8.1 Frequenzsteuerung

Bild 5.14 Frequenzsteuerung
In Bild 5.14 können wir die Kennlinien für die verschiedenen Frequenzen der Ständerspannung erkennen.
Wir sehen, daß alle drei Kennlinien ein konstantes Kippmoment MK aufweisen. Das Kippmoment kann allerdings nur dann konstant bleiben, wenn die Nebenbedingung U1 / f1 = const. erfüllt ist, d.h., falls die Frequenz verändert wird, muß die Ständerspannung in gleichem Maße nachgestellt werden.
Zur Erklärung wollen wir Bild 5.11 b) heranziehen. Wenn wir z.B. die Frequenz der Spannung U1 verkleinern, erhöht sich der Magnetisierungsstrom Iµ (denn Xn nimmt mit sinkender Frequenz ab), wodurch der Magnetfluß in der Maschine und dadurch die Kraftwirkung verstärkt werden. Zur Kompensation dieser Erscheinung erniedrigt man die Ständerspannung so, daß Iµ konstant bleibt.
Möchte man also die Drehzahl eines Asynchonmotors über die Frequenz regeln, so muß man Geräte benutzen die in der Lage sind, die feste Netzspannungsfrequenz in variable Frequenzen umzusetzen. Das kann durch sogenannte Frequenzumrichter geschehen, die verschiedene elektrische Bauelemente enthalten (z.B. Thyristoren, Transistoren, IGBT`s oder MCT`s). Mittels Frequenzumrichter kann man beliebig größere oder kleinere Frequenzen als die der Netzspannung erzeugen.
Kurzschlußläufermotoren mit Frequenzumrichter gehören heute zu den modernsten Antrieben. Durch neueste Entwicklungen auf dem Gebiet der leistungselektronischen Bauelemente wurde und wird die Leistungsfähigkeit dieser Motoren weiter gesteigert.
 

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5.4.8.2 Polumschaltung

Betrachten wir die Gleichung ns = f1 / p. Falls wir hier die Polpaarzahl p verändern, kann die Synchrondrehzahl entsprechend beeinflußt werden (siehe auch Tabelle,Seite 26). Die daraus resultierende Wirkung kommt allerdings einem Stufengetriebe gleich. In Bild 5.15 a) sehen wir die Kennlinien für p = 1 und p = 2.
Bild 5.15 a) Polumschaltung b) Ständerspannngssteuerung

Wir möchten aber stufenlose Übergänge zwischen den verschiedenen Drehzahl-bereichen erhalten. Da die Polpaarzahl p nicht verändert werden kann (sie ist durch die Ständerwicklung festgelegt), gibt es für diese Steuerungsmethode folgende zwei Möglichkeiten: Entweder benutzt man zwei völlig voneinander getrennte Wicklungen, eine zweipolige (p = 1) und eine vierpolige (p = 2) und schaltet die jeweils erforderliche ein, die andere hingegen aus. Oder man führt die Ständerwicklung so aus, daß bei p = 2 die für p = 1 vorgesehene Wicklung mitbenutzt wird, die Wicklungen also schaltbar sind. Diese letztere Wicklung wird bei weitem bevorzugt. Sie heißt nach ihrem Erfinder Dahlanderwicklung. Die Methode der Polumschaltung ist nur bei Kurzschlußläufermotoren üblich. Man verwendet sie insbesondere bei Antrieben für Werkzeugmaschinen und Hebezeugen.
 
 

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5.4.8.3 Schlupfsteuerung

Der Schlupf ist über die Ständerspannung und über den Läuferwiderstand beeinflußbar (Bild 5.16 a)). Diese beiden Methoden wollen wir nun näher untersuchen.
Ständerspannungssteuerung: In Bild 5.16 b) sehen wir, daß sämtliche Kennlinien eine konstant bleibende Kippdrehzahl aufweisen.
Bild 5.16
a) AMSL mit Läuferzusatzwiderständen b) Läuferwiderstandssteuerung

Da das Moment nach der Gleichung M = (2.7 / W s) (U 1² / R2`) s quadratisch von der Ständerspannung abhängt, verkleinert sich das Kippmonment bei Verkleinerung der Spannung zusehends (bei 30% der Spannungsabsenkung wird das Kippmoment halbiert). Hier muß allerdings darauf geachtet werden, daß auch bei sehr kleinen Spannungen noch ein Schnittpunkt von Motor- und Arbeitsmaschinenkennlinie gefunden wird. Ansonsten bleibt der Motor stehen.
Diese Methode ist bei Antrieben mit Kurzschlußläufermotoren mit relativ kleinen Leistungen sehr verbreitet. Die Spannungssteuerung erfolgte früher über Stelltransfor-matoren, heute meistens über sogenannte Drehstromsteller. Das sind in die drei Motor-zuleitungen eingeschaltete Triacs, die über den Phasenanschnitt den Spannungs-effektivwert verändern.

Läuferwiderstandssteuerung:

Diese Methode kann nur bei Schleifringläufermotoren angewendet werden. Ähnlich wie bei einem Gleichstrommotor werden über das Klemmbrett Zusatzwiderstände in den Läuferkreis eingeschaltet.
Bild 5.16 b) zeigt das Kennlinienfeld für drei verschiedene Widerstände Rv. Auf-fallend ist das durch den Läuferwiderstand unveränderte Kippmoment. Durch Ver-größerung des Vorschaltwiderstandes vergrößert sich auch das Anlaufmoment MA. Bei einem bestimmten Widerstand kann man sogar MA = MK erreichen. Aus diesem Grund wird die Läuferwiderstandssteuerung sehr oft bei Schwerstanläufen verwendet. Sie erzeugt nämlich ein großes Losreismoment, welches etwa bei Drehrohröfen in der Zementindustrie oder bei Kranantrieben erforderlich ist.
 
 

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5.4.9 Änderung der Drehrichtung

Um die Drehrichtng des Motors bzw. des Läufers zu ändern, muß zunächst die Drehrichtung des Drehfeldes geändert werden. Eine Drehfeldänderung erreicht man durch Vertauschen zweier beliebiger Zuleitungsanschlüsse am Klemmbrett.
 
 

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5.4.10 Anlassen von Asynchronmotoren

Schleifringläufermotoren werden grundsätzlich über schaltbare Läuferwiderstände angelassen. Bei Kurzschlussläufern hingegen gibt es verschiedene Methoden:
Motoren, deren Leistungen in einem Bereich von unter 5 kW liegen, können direkt eingeschaltet werden. Man muß allerdings beachten, daß im Einschaltmoment wegen des dann großen Schlupfes (s = 1) eine hohe Spannung im Läufer induziert wird und deshalb auch sehr hohe Ströme fließen. Sie können Werte erreichen, die dem 4 bis 8fachen des Nenn-bzw. Bemessungsstroms entsprechen.
Bei Motoren mit größeren Leistungen benötigt man Anlaßhilfen. Dies können Anlaßtransformatoren oder Drehstromsteller sein. Bei kleinen bis mittleren Leistun-gen hingegen verwendet man häufig eine Stern-Dreieckschaltung. Bei dieser Methode wird die eigentlich für Dreieckschaltung bemessene Wicklung für den Anlaufvorgang in Stern geschaltet. Nach Erreichen der ungfähren Nenndrehzahl wird von Stern auf Dreieck umgeschaltet.
Nehmen wir als Beispiel eine 400 V Wicklung her. In Sternschaltung liegt an ihr nur eine Spannung von 400 / 1.732 = 230 V an. Damit ist auch der Strom kleiner, der durch die Spule fließt. Sie nimmt nämlich nur mehr ein Drittel des Stromes auf, der bei Dreieckschaltung fließen würde. Folglich ist auch zu beachten, daß der Motor in Sternschaltung auch nur ein Drittel des bei Dreieckschaltung möglichen Drehmomen-tes entwicklelt. Das Anlaufmoment verhält sich ähnlich (siehe Bild 5.17 a)).
Bild 5.17 a) Kennlinie bei Stern und Dreiecksschaltung
               b) Kennlinie bei versch. Läuferstabformen

Diese Verringerung des Anlaufmomentes hat die Konstrukteure von Elektromotoren veranlaßt, darüber nachzudenken, wie man trotz der notwendigen Strombegrenzung hohe Anlaufmomente erreichen kann. Als Ergebnis hat man einen Motor mit Stromverdrängungsläufer erfunden. Sein Prinzip ist sehr einfach. Statt der üblichen kreisförmigen Form gibt man den Längsstäben des Kurzschlußläufers einen länglichen Querschnitt. Dadurch erreicht man, daß bei hohen Läuferstromfrequenzen, also beim Einschalten (s = 1, f2 = f1), eine Verdrängung der Stöme in den Läuferstäben an die Oberfläche erfolgt (diese Erscheinung nennt man Haut- oder Skineffekt). Diese Ströme haben einen relativ hohen Widerstand. Der Streublindwiderstand Xi wird hingegen verkleinert. Beides führt zu einer Begrenzung des Einschaltstromes und zu einer Erhöhung des Anlaufmoments. In Bild 5.17 b) ist dies für den sog. Hochstabläufer und den sog. Doppelkäfigläufer im Vergleich zum stromverdränungsfreien Rundstabläufer demonstriert. Für den Doppelkäfigläufer kann die Kennlinien-deformation so stark sein, daß ein Moment-minimum, ein Sattelmoment Ms, auftritt.
Bild 5.18 Nutformen
In Bild 5.18 können wir die genannten Nutformen (rot) noch einmal stark vergrößert sehen. Der blaue Hintergrund stellt den Blechkörper des Rotors dar. Die verschie denen Nuten werden folgendermaßen bezeichnet: a) Rundstabnut, b) Doppelkäfignut, c) Hochstabnut.
 
 






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