Drehstrom-Asynchronmaschine

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Eine Asynchronmaschine (auch Induktionsmaschine genannt) ist ein Elektromotor, der mit Drehstrom betrieben wird.Bei der Asynchronmaschine werden Spannungen und Ströme zwischen Ständer und Läuferwicklung "transformatorisch übertragen". Der Ständer bestehr aus dem Gehäuse, dem Ständerblechpacket und der Ständerwicklung. Die Anfänge und Enden der drei Wicklungen sind am Klemmbrett ausgeführt. Die für die Spannungsinduktion in der Läuferwicklung erforderliche Magnetflußänderung wird vom Ständer durch ein umlaufendes Drehfeld erzeugt. 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. Für diese Momenterzeugung ist ein Rotorstrom notwendig. Dieser bleibt aber nur bestehen, wenn es eine Differenzdrehzahl zwischen Statorfeld und Rotor gibt.

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

Diese Differenzdrehzahl wird als Schlupffrequenz bezeichnet. Der Läufer kann nur eine kleinere Drehzahl als die Synchrondrehzahl am Ständer 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 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 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 im 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 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 bei Leistungen bis 10kW die Stern-Dreieck-Schaltung eingesetzt werden.

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

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 n_sync = f_Netz/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 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 gleich dem Schlupf. Die prozentualen Gesamtverluste bei Vollast sind daher etwa der drei- bis vierfache 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 im Kraftwerk Goldisthal mit einer Leistung von 300MW und einer Drehzahlverstellung von (-10% ... +4%) in Betrieb.kdkdkdk

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

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 und somit deren Drehzahl annähernd im Verhältnis 2:1 verändert werden. Typische Anwendungen sind:
- Drehmaschinen mit 2 Grunddrehzahlen langsam / schnell.
- 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 + 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 getrenter 6-poliger Wicklung hat man einen 3-stufigen Antrieb mit Drehzahlverhältnissen 3:2:1.

Dahlanderschaltung

Die Dahlanderschaltung 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 1000kW) 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.

Siehe auch

Doppelt gespeiste Asynchronmaschine

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