Die Maschine
Eine Asynchronmaschine (auch Induktionsmaschine genannt) ist ein Elektromotor, der mit Drehstrom betrieben wird. Er benötigt im Gegensatz zur Gleichstrommaschine nicht unbedingt Schleifkontakte. Elektrisch gesehen ist eine Asynchronmaschine ein kurzgeschlossener Drehstrom-Transformator, dessen Sekundärwicklung (der Rotor) drehbar gelagert ist.
In der äußeren Wicklung wird durch die angelegte Betriebsspannung ein magnetisches Drehfeld erzeugt, welches in der kurzgeschlossenen inneren Wicklung (Anker) einen Strom induziert. Dieser Strom baut selbst wiederum ein Magnetfeld um den Rotor auf. Beide Magnetfelder wechselwirken so, dass ein Moment erzeugt wird.
Drehfeld im Stator
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| Drehzahl des Drehfeldes != Drehzahl des Rotors
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V
Spannung wird im Rotor induziert
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| I = U/R
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V
Strom wird im Rotor angetrieben
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V
Rotorstrom wechselwirkt mit Statorfeld
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| F proportional Istator*Brotor
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V
Moment wird erzeugt
Wie man sieht, ist für die Momentenerzeugung ein Rotorstrom notwendig. Dieser bleibt aber nur bestehen, wenn es eine Differenzdrehzahl zwischen Statorfeld und Rotor gibt. Diese Differenzdrehzahl wird als Schlupf bezeichnet. Da die Maschine so mit einer etwas anderen Drehzahl (langsamer) als das Statorfeld rotiert, also asynchron dreht, wird sie als Asynchronmaschine bezeichnet. Da eine wesentliche Eigenschaft ist, dass der Rotorstrom durch Induktion erzeugt wird (und nicht wie bei der Synchronmaschine durch Erregerwicklung oder Permanentmagneten), wird sie auch gelegentlich als Induktionsmaschine (engl. induction drive) bezeichnet.
Allerdings ist die Drehzahl/Drehmomentenkennlinie im Anlaufbereich für dieses Motorprinzip sehr ungünstig. Der Motor ist nicht in der Lage, mit viel Last anzulaufen. Er müsste ohne Last auf etwa 90% der Nenndrehzahl anlaufen, ehe er ein nennenswertes Drehmoment abgeben kann.
Das führte zunächst zur Entwicklung des Schleifringläufers, bei dem an extra angebrachten Rotorschleifringen ein zusätzlicher Widerstand von außen zwischen die Ankerwicklungen geschaltet wird, um so das maximale Drehmoment auch schon bei der Drehzahl 0 zu erreichen. Der Widerstand wird nur als Anlaufschaltung gebraucht, und nach Erreichen des Betriebszustandes werden die Schleifringe kurzgeschlossen.
Später wurde dann der Kurzschlussläufer entwickelt, der aus einem geblechten Eisenkernläufer besteht, der im Aluminium-Druckgussverfahren seine "Wicklung" erhält. ("Wicklung" ist hier in Anführungszeichen gesetzt, weil das Aluminiumgebilde eher wie ein Käfig aussieht, wirklich täuschend ähnlich einem Hamsterlaufrad - 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 im Leerlauf oder fast-Leerlauf). Als Lösung fand sich eine ausgeklügelte Modifikation des Querschnittsprofils der Ankerstäbe: Sie werden radial nach außen verjüngt. Beim Anlaufen des Motors treten wegen des besonders hohen Schlupfes höherfrequente Wechselspannungen im Rotor auf, die den Strom im Ankerleiter radial nach außen verdrängen, wo der Widerstand (wegen des schmaleren Leiterprofils) am größten ist. So wird erreicht, dass die Kennlinie sich dynamisch mit der Drehzahl ändert. Diese Motoren werden Stromverdrängungsläufer genannt.
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 100-200 min-1 niedriger.
Umrichterbetrieb
Ein Umrichter wandelt die vorhandene 3-phasige Netzspannung mit einer fester Frequenz und Amplitude in eine 3-phasige Spannung mit einstellbarer Frequenz und Amplitude. 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 Last der Motor erregt wird um als Generator zu laufen (Wirkstrombremse).
Einsatzbeispiele
Das verrückte an diesem Motorprinzip ist, dass es - wie oben technisch verklausuliert beschrieben - wirklich keinerlei elektrische Verbindung von außen zum Rotor gibt! Der Rotor ist drehbar einfach nur mechanisch gelagert, und wird trotzdem sehr kräftig (rein magnetisch!) angetrieben, wenn die im Statorgehäuse fest eingebauten Spulen unter Wechselspannung gesetzt sind. Als Laie ist man ziemlich verblüfft, wenn man das in Natura sieht.
Wegen des völligen Verzichts auf schleifende Teile ist der Motor extrem robust und langlebig, kann sehr laufruhig gebaut werden und eignet sich für ganz verschiedene Leistungsbereiche.
- Eine typische Anwendung im Kleinleistungsbereich sind einfache Plattenspielermotoren. Hier und bei anderen Haushaltsgeräten (Kühlschrank) kann wegen der im Normalhaushalt nur zweiphasigen Wechselspannungsversorgung kein Drehfeld sondern nur ein Wechselfeld erzeugt werden. Mit einem extra Anlaufkondensator wird ein um 90° versetzte Hilfsphase erzeugt, die das Feld dreieckig ausformt und den Motor aulaufen läst.
- In jeder Werkstatt mit Drehstromversorgung ist es schlechthin der Universalmotor für alle drehenden Maschinen
- Für gröbere Anwendungen gibt es Motoren mit vielen hundert kW, z.B. bei großen Laufkatzenkränen.
- Bei Schienenfahrzeugen inzwischen auch der Fahrmotor der Wahl und hat den [Gleichstomreihenschlußmotor] verdrängt.