Motorbetrieb der Asynchronmaschine
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Asynchronmaschinen
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Asynchronmaschinen (ASM) sind rotierende elektrische Maschinen, in denen der Rotor im Motorbetrieb untersynchron bzw. im Generatorbetrieb übersynchron zum Drehfeld des Stators umläuft.
Zufolge des extrem einfachen mechanischen Aufbaus, seiner Robustheit und des minimalen Wartungsanspruchs, ist der Drehstrom Asynchronmotor - speziell in der Ausführung als Kurzschlussläufer - heute in der Industrie der elektrische Antriebsmotor schlecht hin. Die pro Einheit aufgeführten Leistungen reichen von einigen Watt bis zu mehreren MW.
Stator oder Ständer
Der Ständer von Synchron- und Asynchronmaschine sind praktisch gleich. Beim ständergespeisten Motor
- enthält der Ständer die Primär- oder Erregerwicklung und der Läufer die Sekundärwicklung. Entsprechend bezeichnet man ständerseitige Ströme und Spannungen mit dem Index 1 und läuferseitige Ströme und Spannungen mit dem Index 2.
- liegt die Primärwicklung an dem speisenden Netz und somit an dessen konstanter Frequenz (z.B.: 50 Hz; 16 2/3 Hz). Daher läuft auch das Erreger-Drehfeld mit dieser konstanten synchronen Drehzahl relativ zum Ständer um.
Bei der Asynchronmaschine erzeugt der Drehstrom, der vom speisenden Netz den Wicklungen im Ständer zugeführt wird, ein von den Ständerwicklungen ausgehendes magnetisches Drehfeld. Zufolge der Lorenzkraft,
\(\overrightarrow {{F_L}} = i \cdot \mathop \smallint \limits_0^l \left( {d\vec s \times \vec B} \right) = i \cdot \left( {\vec l \times \vec B} \right)\)
die somit auf den - auf einer Welle sitzenden - Anker einwirkt, dreht sich dieser. Das so erzeugte mechanische Drehmoment der Welle kann zum Antrieb von industriellen Geräten verwendet werden.
Im Stillstand wirken die dreiphasige Ständerwicklung und die dreiphasige Läuferwicklung wie bei einem Transformator zusammen, wenngleich es auf Grund des beim Trafo nicht vorhandenen Luftspalts von bis zu 1cm zwischen Stator und Läufer zahlenmäßige Unterschiede gibt. Das durch das speisende Feld erzeugte Ständerdrehfeld induziert in der Läuferwicklung eine Spannung. Die im Stillstand des Läufers gemessene Spannung wird als Läuferstillstandsspannung bezeichnet und wird zusammen mit der Ständerspannung auf dem Leistungsschild angegeben:
\({\rm{\Delta 380V - 187A; 1460U/Min; 50Hz; Läufer Y245V - 248A}}\)
Luftspalt
Da Asynchronmaschinen grundsätzlich ohne ausgeprägte Pole hergestellt werden, da also sowohl die Stator- als auch die Rotorwicklung, so es überhaupt eine gibt (Schleifringläufer), in Nuten liegen, ist der Luftspalt über den Umfang konstant. Der Luftspalt wird so klein wie mechanisch möglich ausgeführt.
Läufer
Während der Ständer von Synchron- und Asynchronmaschine praktisch gleich sind, unterscheiden sich die Läufer.
- Bei der Synchronmaschine kommen die Läufer-Bauformen
- Schenkelpol und
- Trommel- bzw. Turboläufer
zum Einsatz.
- Bei der Asynchronmaschine kommen die Läufer-Bauformen
- Kurzschluss – bzw. Käfigläufer
- Schleifringläufer und
zum Einsatz.
Bei der Synchronmaschine betrachtet man den Polradwinkel, während es bei der Asynchronmaschine zum Schlupf kommt.
Wir betrachten jeweils den Motorbetrieb
- Bei der Synchronmaschine im Motorbetrieb erzeugen die drei Strangströme des speisenden Drehstromnetzes ein rotierendes Magnetfeld. In diesem muss der Rotor, mit seinem von einem extern stammenden Gleichstrom oder Permanentmagneten erzeugten Läufergleichfeld, mit der synchronen Drehzahl umlaufen. Die beiden Felder drehen mit der gleichen Frequenz und sind gegeneinander lediglich um den Polradwinkel verschoben.
- Beim Asynchronmotor im Motorbetrieb erfolgt keine Erregung, es befinden sich auch keine Permanentmagnete am Rotor, sondern spätestens nach dem Hochlauf werden die Läuferwicklungen sogar kurzgeschlossen.
Ausgehend von den Drehstromwicklungen des Stators erzeugen die drei Strangströme des speisenden Drehstromnetzes ein rotierendes Stator-Magnetfeld. Dieses induziert in den kurzgeschlossenen Läufer Ströme, die ihrerseits ein Läuferdrehfeld bewirken. Auf Grund dieser Induktion nennt man die Asynchronmaschine auch Induktionsmaschine.
Unabhängig von der Läuferdrehzahl laufen das erregende Ständer- und das induzierte Läuferdrehfeld immer gleich schnell um. Die stillstehende ASM verhält sich also wie ein Trafo.
Die beiden Drehfelder bilden ein Drehmoment, welches den Läufer dem Ständerdrehfeld nachlaufen lässt, wodurch der Motor auf Touren kommt. Würde der Läufer exakt die Umlaufzahl von Ständerdrehfeld erreichen, würde mangels Relativbewegung die Induktionswirkung aufhören und es würde kein Drehmoment mehr wirken.
Die Drehzahl des unbelasteten Motors ist daher geringfügig kleiner als die Drehzahl des Erregerfeldes.
Belastet man den hochgelaufenen Motor, so sinkt dessen Drehzahl bei steigendem Drehmoment weiter, es kommt zum Schlupf. D.h. die Drehzahl des Läufers ist dauerhaft kleiner als die Drehzahl des Ständer-Erregerfeldes.
Kurzschluss- bzw. Käfigläufer
Kurzschlussläufer sind billig herzustellen und sind wartungsarm (keine Bürsten), kostengünstig und robust. In den Nuten des Läufers liegen Stäbe, die beiderseits des Blechpakets mit Kurzschlussringen kurzgeschlossen werden. Die Stäbe und die beidseitigen Kurzschlussringe bilden den Käfig, der gleichzeitig das Läuferblechpaket zusammenhält.
Bei Asynchronmotoren mit Kurzschlussläufer hat nur der Stator eine Drehstromwicklung.
Bei der Ausführung als Rundstabläufer, befinden sich in den Nuten des Läuferblechpakets
- runde Stäbe aus Aluminium oder Kupfer.
Bei der Ausführung als Stromverdrängungsläufer, befinden sich in den Nuten des Läuferblechpakts
- ein äußerer Stab aus Messing mit hohem Widerstand für den Anlauf und
- ein innerer Stab aus Kupfer mit niederem Widerstand für den Dauerbetrieb.
Stromverdrängungsläufer haben einen kleinen Anzugstrom aber ein großes Anzugsmoment. Nachteilig ist, dass der Nutquerschnitt ziemlich groß ist, wodurch die Streuung größer ist als beim Rundstabläufer und der Leistungsfaktor bzw. der Wirkungsrad niedriger ausfallen.
Moderne Kurzschlussläufermotoren kommen mit Frequenzumrichter zum Einsatz.
Schleifringläufer
Wenn von dem Netzbetreiber billige Kurzschlussmotoren wegen ihres erhöhten Anzugstroms im Ständer, der das 8-10-fache des Nennstroms ausmachen kann, nicht zugelassen werden, oder wenn ein besonders hohes Anzugsmoment verlangt wird, oder wenn eine Drehzahlregelung des Motors ohne Frequenzumrichter erforderlich ist, kommen ASM mit Schleifringläufer zum Einsatz.
Bei ASM mit Schleifringläufer haben sowohl der Stator als auch der Läufer eine Drehstromwicklung.
Die Läuferwelle trägt das Blechpaket und an einer Seite vom Blechpaket die drei isoliert auf der Achse sitzenden Schleifringe. Die elektrische Verbindung zu den drei Schleifringen wird durch drei am Stator befestigten Kohlebürsten hergestellt.
In den Nuten des Läuferblechpakets ist die Läuferwicklung untergebracht, die fast immer drei Stränge hat, welche auf der den Schleifringen vis-a-vis gelegenen Seite des Blechpakets meist in Stern, selten in Dreieck geschaltet sind, wobei diese Schaltung innerhalb der Wicklung stattfindet.
Nach dem Anlassen des Motors mittels externer Anlasswiderstände wird die Läuferwicklung kurzgeschlossen und die Bürsten werden abgehoben. Ein zusätzlicher Kostenfaktor im Vergleich zum Kurzschlussläufer sind die zur Begrenzung des Anlaufstroms erforderlichen Anlasswiderstände.
Motorbetrieb
Die wichtigste Betriebsart der Asynchronmaschine ist die als Drehstrommotor. In einem Elektromotor ist es die Lorenzkraft, die dafür sorgt, dass sich der Anker unter der Einwirkung des, von den Wicklungen im Stator ausgehenden, Magnetfelds dreht.
\(\overrightarrow {{F_L}} = i \cdot \mathop \smallint \limits_0^l \left( {d\vec s \times \vec B} \right) = i \cdot \left( {\vec l \times \vec B} \right)\)
Für den gewöhnlichen Motorbetrieb kommt der untersynchrone Drehzahlbereich, vom
- Stillstand mit n=0 und Schlupf s=1 bis zum
- Synchronismus mit n=ns und Schlupf s=0 in Betracht.
Der Läufer folgt aus dem Stand dem Drehfeld im gleichen Sinn.
Bewegt sich der rotierende Läufer im Grenzfall synchron mit dem von Ständer her magnetisierenden Drehfeld, dann steht die Läuferwicklung relativ zum Drehfeld still. Damit ändert sich die Flussverkettung nicht mehr und die induzierte Spannung ist null. \(\dfrac{{d\Phi }}{{dt}} = 0 \to {U_2} = 0\)
Für beliebige Winkelgeschwindigkeiten des Läufers zwischen Stillstand und synchroner Winkelgeschwindigkeit \(\left( {0 < {\omega _m} < {\omega _s}} \right)\) ist die in die Läuferwicklung induzierte Spannung U2 proportional zur Relativgeschwindigkeit des Läufers gegenüber dem Drehfeld des Stators.
Schlupf
Als Schlupf \(s = \dfrac{{{n_s} - n}}{{{n_s}}} \cdot 100\% \) bezeichnet man den Unterschied zwischen der synchronen Drehzahl ns des Statorfeldes und der tatsächlichen physikalischen Drehzahl des Läufers n.
- Bei der Synchronmaschine dreht sich der Rotor immer synchron zum vom Stator generierten Drehfeld. Die Synchronmaschine hat also im stabilen Betrieb s=0; Der Rotor kann dem Drehfeld lediglich um den Polradwinkel vorlaufen oder nachhinken.
- Eine Asynchronmaschine geht in den motorischen Zustand über, wenn der Läufer zufolge einer externen Belastung mit einer untersynchronen Drehzahl umläuft.
- Eine Asynchronmaschine geht in den generatorischen Zustand über, wenn der Läufer übersynchron im Verhältnis zum Stator-Drehfeld mechanisch angetrieben wird. Der Schlupf s ist dann negativ \(s = 1 - \dfrac{n}{{{n_s}}}\)
- Eine Asynchronmaschine mit stillstehendem Läufer verhält sich wie ein Trafo, bei dem das Wechselfeld durch ein Drehfeld ersetzt wurde.
Drehzahl der Asynchronmaschine
Die Nenndrehzahl des Drehstrommotors liegt bei etwa 1% .. 6% unterhalb der synchronen Drehzahl, also der des speisenden Netzes. Bei Nenndrehzahl beträgt der Schlupf 3% .. 8%. Ein größerer Schlupf erhöht die induzierte Spannung und damit den Läuferstrom, sowie dessen Frequenz und steigert das abgegebene Drehmoment.
Der dreiphasig gewickelte Schleifringläufer bietet die Möglichkeit die Drehzahl bis auf etwa 75% der Nenndrehzahl herunterzuregeln.
Die Drehmoment- über Drehzahl-Kennlinie kann in der Nähe der synchronen Drehzahl durch eine Gerade dargestellt werden. Die Neigung dieser Geraden kann durch das Zuschalten von Widerständen im Läuferkreis verändert werden, wodurch bei gleichbleibendem Moment eine Drehzahlstellung möglich wird, allerdings zu Lasten des Wirkungsgrads und auf Schleifringläufer beschränkt.
Beim Ausfall einer der drei Netzphasen etwa durch das Auslösen einer Sicherung, läuft der Drehstrommotor als Einphasenmotor weiter, wobei die Gefahr besteht, dass der Motor kippt und stehen bleibt.
Anlauf vom Aynchronmotor
Unabhängig von der Bauform des Läufers kann man unerwünscht hohe Anzugsströme der ASM auch ständerseitig reduzieren.
Man kann den Anzugstrom durch Verminderung der Klemmenspannung herabsetzen, leider reduziert sich damit das Anzugsmoment stark. Die Klemmenspannung kann auf mehrere Arten temporär vermindert werden: Mittels eines Spartrafos oder mittels eines Stern-Dreieck-Umschalters.
Beim Stern-Dreieck-Umschalter läuft die Maschine immer an derselben vorgegebenen Netzspannung (ULL=400V) zunächst in Sternschaltung der Ständerwicklung an, während der Betrieb der Maschine in Dreieckschaltung der Ständerwicklung erfolgt.
Der Anlaufstrom und leider auch das Anlaufmoment betragen in der Sternschaltung nur 1/3 der Werte der Dreieckschaltung. Wenn der Motor in Sternschaltung fast die synchrone Drehzahl erreicht hat, nimmt ihn der Stern-Dreieckschalter kurzzeitig vom Netz und schaltet den Motor dann in Dreieckschaltung wieder ans Netz. Durch das verminderte Anlaufmoment kann der Motor i.a. nicht unter Last hochlaufen, sondern diese muss durch eine Fliehkraftkupplung bei Nenndrehzahl zugeschaltet werden.
Anlasswiderstand
Man kann bei ASM mit Schleifringläufer in Reihe zu den drei Wicklungssträngen des Läufers einen dreiteiligen, regelbaren Widerstand schalten, der beim Anlassen voll eingeschaltet ist, wodurch der Läuferstrom I2 (Sekundärstrom) und auf Grund der Trafowirkung des ASM auch der Primärstrom im Ständer reduziert werden, was sich netzschonend auswirkt.
Dieser Anlasswiderstand befindet ausschließlich im Läuferkreis, er ist mit dem Drehstromsystem nicht in leitender Verbindung. Der Anlasswiderstand setzt aber nicht nur den Anzugstrom herab, sondern er bewirkt auch, zufolge des nun erhöhten ohmschen Widerstands, eine Verminderung der Phasenverschiebung zwischen dem Läuferstrom und dem Drehfeld, die ohne Anlasswiderstände knapp 90° beträgt. Dadurch entsteht eine Vergrößerung des Anzugsmoments bei noch kleiner Drehzahl.
Sobald sich der Läufer in Drehrichtung dreht, wird die Frequenz des Läuferstroms kleiner. (Würde der Läufer synchron mit dem Drehfeld umlaufen, würde die induzierte Wechselspannung zur Gleichspannung werden). Da die Frequenz gemäß \({X_L} = 2 \cdot \pi \cdot f \cdot L\) in den Blindwiderstand der Läuferwicklung eingeht, bleibt der frequenzunabhängige Wirkwiderstand der Läuferwicklung unverändert. Daher verbessert sich bei höheren Drehzahlen die Lage der Läuferpole zu den Ständerpolen und das Drehmoment nimmt zu. Um die auftretenden Wärmeverluste zu vermeiden, schaltet man die einzelnen Widerstandsstufen des Läuferanlassers nacheinander ab. Der Schleifringläufermotor hat trotz des kleinen Anzugstroms ein großes Anzugsmoment.
Selten vorkommende Ständeranlasser reduzieren zwar auch den Anlaufstrom durch ihren Spannungsabfall, jedoch sinkt das Anzugsmoment quadratisch.
Anzugstrom
Der Nachteil von ASM ist der hohe Anzugstrom im Ständer, der das 8-10-fache des Nennstroms ausmachen kann. Er entsteht, weil der Läufer im ersten Einschaltaugenblick stillsteht, sodass das Ständerdrehfeld mit seiner vollen Periodenzahl von 50Hz induzierend auf die Läuferstäbe einwirkt. Dabei entstehen eine hohe Urspannung und ein hoher Läuferstrom.
Dieser Läuferstrom erzeugt ein Gegenfeld, wodurch das Ständerdrehfeld geschwächt wird und im Ständer ein starker Stromstoß auftritt. Sekundenbruchteile später setzt sich der Läufer in Bewegung und läuft dem Ständerdrehfeld nach. Damit sinkt die Zahl der geschnittenen Feldlinien und damit die Urspannung, sowie Läufer- und Ankerstrom.
Bei Leerlauf erreicht der Läufer fast die synchrone Drehzahl des Statordrehfeldes - der Schlupf ist minimal - wodurch die induzierte Spannung und entsprechend die Ströme sehr gering werden.
Anzugsmoment
Im Einschaltaugenblick wird im stillstehenden Läufer eine Wechselspannung mit vollen 50Hz induziert. Der induktive Widerstand - mit nur kleinem ohmschem Anteil - des Ankers kommt voll zur Geltung, wodurch sich eine Phasenverschiebung von fast 90° zwischen der im Läufer induzierten Spannung und dem sehr hohen Statorstrom ergibt. Lediglich infolge vom ohmschen Widerstand entsteht ein kleines Anzugsdrehmoment.
Mit zunehmender Läuferdrehzahl wird die Phasenlage günstiger und obwohl der Läuferstrom sinkt, steigt das Anzugsmoment. Bei einem Schlupf von ca. 25% hat das Drehmoment sein Maximum. (Im Leerlauf hat es sein Minimum). Bei weiterhin zunehmender Läuferdrehzahl fällt das Drehmoment wieder ab, da es bei einer synchronen Drehzahl zufolge des dann fließenden Gleichstroms im Läufer Null sein müsste.
Generatorbetrieb
Eine Asynchronmaschine geht in den generatorischen Zustand über, wenn der Läufer übersynchron im Verhältnis zum Stator-Drehfeld mechanisch, durch eine Turbine, angetrieben wird. Der Schlupf s ist dann, wie schon weiter oben angegeben, negativ gemäß: \(s = 1 - \dfrac{n}{{{n_s}}}\). Da der Asynchrongenerator keine konstanten 50 Hz liefert, kann er auch nicht direkt in das elektrische Verbundnetz einspeisen.
Ein Asynchrongenerator kann aber seinen Magentisierungsstrom, also die Blindkomponente des Ständerstroms, nicht selbst erzeugen, sondern muss ihn aus dem Netz, in das der Asynchrongenerator seine Leistung einspeist, entnehmen. Das bedingt, dass der Blindstrom für die Erregung von einem im Netz erforderlichen Synchrongeneratoren geliefert werden muss.
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