Drehstrom-Asynchronmaschine

Die Maschine

Eine Asynchronmaschine (auch Induktionsmaschine genannt) ist ein Elektromotor, der mit Drehstrom betrieben wird. Er benötigt im Gegensatz zur Gleichstrommaschine keine Schleifkontakte. Elektrisch gesehen ist eine Asynchronmaschine ein kurzgeschlossener Drehstrom-Transformator, dessen eine Wicklung (der Rotor) drehbar gelagert ist.
In der äußeren Wicklung wird ein magnetisches Drehfeld erzeugt, welches in der kurzgeschlossenen inneren Wicklung (Anker) einen Strom induziert. Dieser Strom baut selbst wiederum ein Magnetfeld auf. Dies Rotorfeld wechselwirkt mit dem Statorstrom (oder aber auch aus Symmetriegründen: das Statorfeld wechselwirkt mit dem Rotorstrom) und erzeugt so ein Moment.

Drehfeld im Stator
       |
       | Drehzahl des Drehfeldes != Drehzahl des Rotors
       |
       V
Spannung wird im Rotor induziert
       |
       | I = U/R
       |
       V
Strom wird im Rotor getrieben
       |
       |
       |
       V
Rotorstrom wechselwirkt mit Statorfeld
       |
       | F proportional Istator*Brotor
       |
       V
Moment wird erzeugt

Wie man sieht, ist es für die Momentenerzeugung ein Rotorstrom notwendig. Dieser bleibt aber nur bestehen, wenn es eine Differenzdrehzahl zwischen Statorfeld und Rotor gibt. Bezieht man diese Differenzdrehzahl auf die Frequenz des Statorfeldes so erhält man eine Größe, die als Schlupf bezeichnet wird. Da die Maschine mit eine anderen Drehzahl als der des Statorfeldes 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 den reinen Motor sehr ungünstig. Er ist nicht in der Lage, mit viel Last anzulaufen. Er müsste ohne Last auf 90% Nenndrehzahl anlaufen ehe er ein Moment abgeben kann.

Das führte erst zur Entwicklung des Schleifringläufers, der mit externen Widerständen an den Schleifringen den Widerstand der Ankerwicklungen erhöhte und damit das maximale Drehmomenten bis auf Drehzahl 0 absenken konnte. Der Widerstand wird nur als Anlaufschaltung gebraucht, und nach erreichen des Betriebszustandes konnten die Schleifringe kurzgeschlossen werden.

Später wurde dann der Kurzschlußläufer entwickelt, der aus einem geblechten Eisenkernläufer besteht, der im Aluminium Druckgusverfahren seine Wicklung erhält. Auch er hat das Problem der Drehzahl/Drehmomentenkennlinie und ist so nur für den Umrichterbetrieb geeignet. Als Lösung fand sich eine Erweiterung der Ankerwicklung im Querschnittsprofiel. Die Ankerwicklung wird radial nach außen verjüngt. Beim Anlaufen des Motors tritt die höherfrequenten Wechslespannungen auf die den Strom im Ankerleiter radial nach außen verdrängen. Durch die Konzentration des Stroms im radial äußeren Teil steigt der Innenwiderstand der Wicklungan und die Kennlinie ändert sich dynamisch mit der Drehzahl. 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 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 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.