Drehstrom-Asynchronmaschine

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.
Durch die an die Statorwicklung angelegte Betriebsspannung 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 Magnetfeld um den Rotor auf. Beide Magnetfelder wechselwirken so, dass letztlich ein Drehmoment erzeugt wird.

Drehfeld im Stator
       |
       | Drehzahl des Drehfeldes != Drehzahl des Rotors
       |
       V
Spannung wird im Rotor induziert
       |
       | U proportional (Drehfelddrehzahl - Rotordrehzahl) * Bstator
       |
       V
Strom wird im Rotor angetrieben
       |
       | I=U/R
       |
       V
Rotorstrom wechselwirkt mit Statorfeld
       |
       | F proportional Bstator*Irotor
       |
       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 Schlupffrequenz bezeichnet. Bezieht man die Schlupffrequenz auf die Frequenz des Statorfeldes erhält man den Schlupf. Der Schlupf ist abhängig vom elektrischen Widerstand der Rotorwicklung. Da die Maschine so mit einer etwas anderen Drehzahl (langsamer) als das Statorfeld rotiert, also asynchron dreht, wird sie als Asynchronmaschine bezeichnet. Wegen der besonderen Eigenart, dass der Rotorstrom hier nur durch Induktion erzeugt wird (und nicht wie bei der Synchronmaschine durch Erregerwicklung oder Permanentmagneten), wird sie auch gelegentlich Induktionsmaschine (engl. induction drive) genannt.

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 hochfahren, 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, dessen Rotor 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 nämlich wegen des besonders hohen Schlupfes höherfrequente Wechselspannungen im Rotor auf, die den Strom im Ankerleiter durch den Skin-Effekt radial nach außen verdrängen, wo der Widerstand (wegen des schmaleren Leiterprofils) nun am größten ist. So wird erreicht, dass die Kennlinie sich dynamisch mit der Drehzahl ändert. Diese Motoren werden Stromverdrängungsläufer genannt.

Zur Begrenzung hoher Anlaufströme kann die Stern-Dreieck-Schaltung eingesetzt werden.

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 n_sync = f_Netz*60/p.

Polpaarzahl	n_sync 50 Hz	n_sync 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, was jedoch von der Leistung der Maschine abhängig ist. Bei Maschinen größer 150 kW beträgt der Leerlaufschlupf kleiner 1,5 % der synchronen Netzfrequenz.

Umrichterbetrieb

Ein Frequenzumrichter wandelt die vorhandene 3-phasige Netzspannung 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).

Polumschaltung

Mit der Dahlanderschaltung kann die Polzahl der Asynchronmaschine und somit deren Drehzahl verändert werden.

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 und kann sehr laufruhig gebaut werden. Er 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 eine um 90° versetzte Hilfsphase erzeugt, die das Feld dreieckig ausformt und den Motor anlaufen lässt (Steinmetzschaltung).

In jeder Werkstatt mit Drehstromversorgung ist es schlechthin der Universalmotor für alle drehenden Antriebe.
Für gröbere Anwendungen gibt es Motoren mit vielen hundert kW, z.B. bei großen Laufkatzenkränen.
Bei Schienenfahrzeugen inzwischen auch der Fahrmotor der Wahl (also mehrere hundert kW) und hat die Gleichstrommaschine 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.