Elektromotoren

Asynchronmaschine

Die Asynchronmaschine gehört zur Familie der Drehstrommaschinen. Weshalb sie sich asynchron verhält und wie sie funktioniert, erklären wir dir in diesem Beitrag. Wie die meisten Elektromotoren kann auch die Asynchronmaschine als Generator und als Motor genutzt werden. Wir gehen in diesem Beitrag hauptsächlich auf den Motorbetrieb ein.

Inhaltsübersicht

Asynchronmaschine Grundprinzip

Eine Asynchronmaschine, oft auch Drehstrom-Asynchronmaschine oder Drehstrom-Induktionsmaschine genannt, ist eine Drehstrommaschine bei der der Rotor dem Drehfeld des Stators entweder vor- oder nachläuft.

Merke
Dreht sich der Rotor langsamer als das Drehfeld des Stators, spricht man vom Motorbetrieb. Im gegenteiligen Fall wird die Asynchronmaschine als Generator genutzt.

Asynchronmaschine Aufbau

Ein Asynchronmotor besitzt, wie jeder andere Elektromotor auch, einen Stator und einen Rotor. Der Stator besteht aus drei Spulen oder einem Vielfachen davon. Diese werden mit Drehstrom beaufschlagt und rufen ein magnetisches Drehfeld hervor. Wenn du mehr darüber wissen willst, kannst du dir nochmal das Video zum Thema Drehstrommotor ansehen.

Kurzschlussläufer

Für den Rotor eines Asynchronmotors gibt es zwei verschiedene Ausführungsformen. Eine Bauform ist der Kurzschluss- bzw. Käfigläufer. Die Leiterstäbe haben einen geringen Widerstand und sind an den Enden ringförmig miteinander kurzgeschlossen. Meistens werden die Nuten in dem Ständerblechpaket mit Aluminium oder Kupfer als Leiterstäbe ausgegossen.

Schleifringläufer

Eine andere mögliche Ausführung des Rotors ist die des Schleifringläufers. Die Läuferwicklung ist nicht kurzgeschlossen, sondern wird über Schleifringe nach außen geführt. Außen können dann über Stufenschalter Widerstände zugeschaltet werden, die die Drehzahl und das Drehmoment beeinflussen.

Asynchronmaschine Funktionsweise

Die drei Wicklungen des Stators werden an ein Dreiphasen-Drehstromnetz mit den entsprechenden Spannungen und Frequenzen angeschlossen. Die drei Spulen werden dabei mit sinusförmigen Strömen gleicher Amplituden durchströmt. Die Stromamplituden sind in den Spulen um 120 Grad zueinander versetzt. Da die Statorspulen eines Drehstrom-Asynchronmotors ebenfalls um 120 Grad versetzt und im Kreis angeordnet sind, wird ein Magnetfeld erzeugt, das mit der Frequenz der angelegten Spannung die Achse des Rotors umläuft. Gehen wir zuerst einmal von einer Anfangsdrehzahl des Rotors aus, die der des Drehfelds entspricht. In diesem Fall wäre der magnetische Fluss in den Leiterstäben des Rotors konstant, da sich die Fläche nicht ändern würde. Es würde keine Spannung induziert werden. Die Folge wäre, dass das Drehmoment gleich Null ist. Wenn sich der Rotor allerdings langsamer dreht als das Drehfeld des Stators, ändert sich auch der magnetische Fluss. Das führt zu einer induzierten Spannung, die einen Strom in den Leiterstäben hervorruft. Dadurch erzeugt der Rotor selbst ein Magnetfeld. Da sich der Rotor dreht, handelt es sich ebenfalls um ein Drehfeld. Doch wie entsteht nun daraus ein Drehmoment? Zum einen wechselwirkt das Drehfeld des Rotors mit dem Drehfeld des Stators, wodurch auf den Rotor eine Kraft wirkt und ein Drehmoment resultiert. Zum anderen wirkt auf die stromdurchflossenen Leiterstäbe in dem Drehfeld die Lorentzkraft und folglich ein Drehmoment.

Je kleiner die Differenz zwischen Rotor- und Drehfeld-Drehzahl ist, desto geringer ist die magnetische Flussänderung. Das führt zu einer Verringerung der Lorentzkraft. Bei gleicher Drehzahl ist die Lorentzkraft, wie bereits erwähnt, gleich null und der Rotor wird langsamer. Dieses Verhalten gibt uns Aufschluss über die Namensgebung, denn der Asynchronmotor kann nur mit einer asynchronen Drehzahl laufen und ein Drehmoment entwickeln. Das heißt, wir benötigen eine Differenz zwischen Rotor- und Drehfeld-Drehzahl. Diese Differenz wird auch Schlupf s genannt und wird folgendermaßen berechnet:

s=\frac{n_0-n}{n_0}

  • n_0 = Drehfelddrehzahl
  • n = Motordrehzahl

Der Schlupf ist also ein Maß für die Verminderung der Rotordrehzahl, welche abhängig vom Belastungsmoment ist. Asynchronmotoren können wie bereits erwähnt auch als Generator betrieben werden. Für diesen Fall ist die Rotordrehzahl größer als die Drehfelddrehzahl (n>n_0). Im Motorbetrieb ist die Rotordrehzahl daher kleiner als die Drehfelddrehzahl (n<n_0).

Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie Asynchronmaschine

Dies führt uns zur Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie einer Asynchronmaschine! Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie für einen zweipoligen Asynchronmotor sieht wie folgt aus:

Asynchronmaschine: Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie
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Asynchronmaschine: Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie

Im Anlauf weist der Asynchronmotor ein relativ geringes Drehmoment auf, welches sich bis zur Kippdrehzahl steigert. Das Maximum der Kennlinie ist das Kippmoment M_k. Der Nennbetriebspunkt befindet sich zwischen der Kippdrehzahl und der Leerlaufdrehzahl. Wenn der Motor mit der Leerlaufdrehzahl n_0  läuft, dann wird er ohne Last betrieben. Bei der Kurzschlussdrehzahl n gleich 0 steht der Motor und das Anlaufmoment M_A wirkt. Die synchronen Leerlaufdrehzahlen entsprechen denen eines Drehstrommotors. Synchron würde bedeuten, dass der Rotor sich mit derselben Drehzahl wie das Drehfeld dreht. Die synchrone Drehzahl ist also die Ständerdrehfeld-Drehzahl, die durch das Stromnetz in den Wicklungen des Stators induziert wird. Durch den Schlupf ist die Motordrehzahl um ca. 1% bis 8% geringer als die synchrone Drehzahl.

Für die Drehzahlregelung gibt es verschiedene Verfahren. Dies geht über die Polpaarzahl, über die Frequenz der Speisespannung mit einem Frequenzumrichter, über die Schlupfsteuerung, über die Spannungsfrequenzsteuerung und über die Feldschwächung. Bei allen Verfahren ändert sich der Verlauf der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie.

Wichtig zu erwähnen ist, dass man den Motor nicht einfach ans Drehstromnetz anschließen kann und dieser dann ohne weiteres losläuft. Der Einschaltstrom ist beim Asynchronmotor sehr hoch. Daher werden andere Anlaufverfahren verwendet. Am häufigsten wird der Motor in Sternschaltung geschaltet, da die Leistung und das Drehmoment in diesem Fall auf ca. ein Drittel reduziert werden. Sobald der Motor richtig angelaufen ist, kann wieder in den Dreieckbetrieb umgeschaltet werden. Ein anderes Anlaufverfahren ist das des Ständeranlassers. Dazu werden Anlasswiderstände in die Statorwicklungen geschaltet. Sobald der Motor angefahren ist, werden die Anlasswiderstände überbrückt.

Ersatzschaltbild Asynchronmaschine

Ein Ersatzschaltbild ist eine Visualisierung einer Ersatzschaltung, die sich elektrisch äquivalent zur Maschine verhält. Das Drehfeld induziert Spannungen in der Stator- und Rotorwicklungen der Asynchromaschine. Aus den gegebenen Größen Statorstrom, Rotorstrom, Statorspannung und Rotorspannung kann ein Ersatzschaltbild abgeleitet werden. Mit dem Ersatzschaltbild lassen sich wiederum weitere Berechnungen anstellen. Ein Asynchronmotor wird mit Drehstrom betrieben. Die Ständerwicklungen sind baugleich und symmetrisch angeordnet, wodurch man den Asynchronmotor mit einem einsträngigen Ersatzschaltbild beschreiben kann.

Ersatzschaltbild einer Asynchronmaschine
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Ersatzschaltbild einer Asynchronmaschine
  • U_s = Statorspannung
  • I_s = Statorstrom
  • R_s = Statorwiderstand
  • L_{\sigma_s=\ } = Statorstreuinduktivität
  • L_h = Hauptinduktivität
  • R_r = Rotorwiderstand
  • I_r = Rotorstrom
  • L_{\sigma_r=\ } = Rotorstreuinduktivität

Aus diesem Ersatzschaltbild lassen sich beispielsweise das Drehmoment, das Kippmoment, die Leerlaufdrehzahl oder auch der Schlupf der Asynchronmaschine berechnen.

Asynchronmaschine Grundgleichungen

Das Drehmoment einer Asynchronmaschine errechnet sich mit folgender Formel:

M\ =\ m\ \cdot \ p\ \frac{(1-\sigma)\ \cdot \ x}{L_s\cdot \ (1+\ \sigma^2\ \cdot x^2)}\frac{{U_s}^2}{{\omega_s}^2}

Die Formel für das Kippmoment, also das maximale Drehmoment des Asynchronmotors im Betrieb, lautet:

M\ =\ m\ \cdot \ p\ \frac{1-\sigma}{2\ \sigma\ \cdot \ L_s}\frac{{U_s}^2}{{\omega_s}^2}

Die Leerlaufdrehzahl der Drehstrom-Asynchronmaschine lässt sich über folgenden Zusammenhang berechnen:

\Omega_0=\ \frac{\omega_s}{p}

Der Schlupf, der grundlegend wichtig für die Funktion der Asynchronmaschine ist, lässt sich ebenfalls über die Drehfrequenzen abbilden:

s\ =\ \frac{\omega_r}{\omega_s}=\ \frac{\Omega_0\ -\ \Omega\ }{\Omega_0\ }

  • m = Anzahl Phasen
  • p = Polpaarzahl
  • \sigma = Streuung
  • \omega = Drehfrequenz (Stator/Rotor)
  • x = Rotorhilfswert
  • \Omega = Drehzahl

Alternativ können die spezifischen Kennwerte auch über das Typenschild hergeleitet werden, das an jedem Asynchronmotor angebracht ist. So ist zum Beispiel das Nenndrehmoment nicht auf dem Typenschild der Asynchronmaschine vermerkt, sondern kann über folgenden Zusammenhang aus den Angaben des Typenschilds errechnet werden:

M\ =\ \frac{1000\ \cdot P}{2\cdot\ \pi\ \cdot \ \frac{n}{60}}

  • P = Nennleistung
  • n = Drehzahl in Umdrehungen pro Minute

Weitere herkömmliche Angaben eines Typenschilds sind die Nennspannung, der Nennstrom, der Leistungsfaktor und die Nennfrequenz.

Doppelt gespeiste Asynchronmaschine

Die doppelt gespeiste Asynchronmaschine ist eine besondere Bauform der Drehstromstrom-Asynchronmaschine. Sie unterscheidet sich von der konventionellen Bauform dadurch, dass die Drehzahl und die Blindleistung läuferseitig über einen Frequenzumrichter gesteuert werden kann. Die Asynchronmaschine ist dabei am Stator mit dem Stromnetz verbunden, wohingegen durch den Umrichter sinusförmige Ströme variabler Frequenz in den Rotorkreis gespeist werden. Bei doppelt gespeisten Asynchronmaschinen kann dadurch die Schlupfleistung aus dem Rotorkreis über einen Netzwechselrichter ins Netz zurückgespeist werden. Dieser Zustand wird auch als untersynchroner Motorbetrieb bezeichnet. Anwendung findet die doppelt gespeiste Asynchronmaschine beispielsweise in Windkraftanlagen.

Asynchronmaschine Anwendung

Drehstrom-Asynchronmaschinen gibt es in verschiedenen Ausführungen und finden deshalb auch in unterschiedlichsten Einsatzgebieten Anwendung. Sie zeichnen sich durch einen robusten und einfachen Aufbau aus und sind deshalb als Standardantriebe mit konstanter Drehzahl weit verbreitet. Sie kommen in der Fördertechnik, in Lüftern, Pumpen und auch Haushaltsgeräten zum Einsatz. Bei Speisung über einen Frequenzumrichter eignen sich Asynchronmaschinen auch für anspruchsvolle Einsatzgebiete. Zu nennen sind hier Elektrolokomotiven, Fahrzeuge oder auch Werkzeugmaschinen.

Zusammenfassung

Fassen wir zusammen: der Asynchronmotor wird mit Drehstrom betrieben, welcher ein Drehfeld hervorruft. In einem kurzgeschlossenen Käfigläufer wird bei einer Drehzahldifferenz durch die Änderung des magnetischen Flusses eine Spannung induziert. Diese ruft einen Strom hervor, wodurch zum einen die Lorentzkraft wirkt und zum anderen ein Magnetfeld im Rotor erzeugt wird, welches mit dem Drehfeld wechselwirkt. Durch diese Kräfte wirkt auf den Rotor ein Drehmoment.


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