Drehstrommotoren
Spulenanordnung des Stators
Die Wirkung der drei Spulen lässt sich vervielfachen, indem sie jeweils
paarig gegenüberliegend und in größerer Zahl über den Umfang des
Statorkörpers verteilt werden. Wird jedes Spulenpaar direkt von dem
Dreiphasenstrom mit der Netzfrequenz f gespeist, so ergibt sich dabei
keine Drehzahlveränderung. Werden jedoch jeweils mehrere Spulenpaare
für jede der drei Stromphasen hintereinandergeschaltet und jeweils
gleichmäßig über den Statorumfang verteilt, so wird dadurch die
Drehzahl n des resultierenden Statormagnetfeldes entsprechend der
f Netz
beteiligten Spulenpaarzahl p verkleinert.
n
p
Diese Maßnahme wird durchgeführt, wenn niedrige Drehzahlen und ein
besonders ruhiger und gleichmäßiger Lauf mit großen Lasten gefordert
sind. Eine Erhöhung der standardmäßigen Drehzahl für „einpolige“
Drehstrommaschinen ist nur durch Erhöhung der Frequenz oder durch
den Einsatz von Getrieben möglich.
Drehstrommotoren
Beispiel: Bei einem Motor mit pro Phase vier hintereinandergeschalteten
und über den Stator verteilten Spulenpaaren ist bei einer Stromfrequenz
von 50 Hz die Umdrehungszahl n in gängigen Maßeinheiten:
50 Hz
3000
1
n
 60 
 750
4
4
min
Wechsel- und Drehstrommotoren
Bei Wechselstrom kann auch auf einen Kommutator verzichtet
werden, wenn die Umdrehungszahl im Rhythmus des Wechselstromes
erfolgt; das dann mit umlaufende Magnetfeld des Rotors wird dann:
• durch vom Erregerfeld induzierte Ströme in einer Kurzschlusswicklung (Asynchronmotor)
• durch Magnetisierung eines Eisenkernes mit Polen (Reluktanzmotor,
Schrittmotor)
• durch Dauermagnete (Schrittmotor, elektronisch kommutierter
Gleichstrommotor, Synchronmotor)
• durch einen elektrisch erregten Läufer (siehe Synchronmaschine)
erzeugt.
Wechsel- und Drehstrommotoren
Solche Motoren besitzen daher kein oder ein geringes Anlaufmoment;
sie benötigen eine Anlaufhilfe, können jedoch mit Wechselstrom mit
mehr als nur einer Phase auch selbst starten:
• Drehstrommotoren werden mit Drehstrom betrieben, der aus drei um
120° phasenverschobenen Wechselspannungen besteht und so ein
Drehfeld erzeugt.
• Kondensator- und Spaltpolmotoren erzeugen sich aus einem
einphasigen Wechselstrom selbst eine Hilfsphase (ein Drehfeld) zum
Anlauf.
• Schritt- und Reluktanzmotoren werden mit frequenzveränderlichem
Wechselstrom und/oder mit mehreren Phasen betrieben, damit sie „im
Tritt“ bleiben bzw. keine Schrittverluste auftreten.
• Synchronmotoren benötigen eine Starthilfe oder schaukeln/schwingen
sich von selbst „in Tritt“.
Synchronmaschine
Die Synchronmaschine erhielt ihren Namen durch die Betriebseigenschaft, dass ihr Läufer exakt mit der durch die Netzfrequenz
vorgegebene Drehzahl synchron umläuft.
Für den Betrieb ist unbedingt ein Erregerfeld notwendig.
Bevor eine Synchronmaschine ans Netz geschaltet wird, muss sie mit
dem Netz synchronisiert werden. Um einen Synchronmotor stufenlos
in der Drehzahl regeln zu können, wird Leistungselektronik, wie z.B.
Frequenzumrichter, verwendet. Ein Drehgeber (Strichgeber, Resolver)
misst ständig die Läuferstellung. Daraus ermittelt die
Steuerungselektronik die tatsächliche Drehzahl. Bei Belastung läuft
der Läufer des Synchronmotors dem Drehfeld im Winkel geringfügig
hinterher (Polradwinkel).
Synchronmaschinen können Blindleistung aufnehmen oder abgeben,
dadurch kann die Maschine zudem zur Blindleistungskompensation
verwendet werden.
Synchronmaschine
Anwendung
Hauptanwendungen der Synchronmaschinen sind die Wechsel- und
Drehstrom-Generatoren in den Kraftwerken. Fast die gesamte
konventionelle elektrische Energieerzeugung geschieht mit
Synchrongeneratoren.
Auch die Lichtmaschinen in Autos sind überwiegend
Synchrongeneratoren mit nachgeschaltetem Dreiphasengleichrichter.
Ein besonders einfacher Synchrongenerator mit PermanentmagnetErregung ist der Fahrraddynamo. Jede Synchronmaschine kann im
Prinzip sowohl als Synchrongenerator als auch als Synchronmotor
laufen.
Synchronmaschine
Vorteile:
• hoher Wirkungsgrad
• geringes Massenträgheitsmoment
• wartungsarm (wenn Erregung ohne Schleifringe)
• Drehzahl von Belastung unabhängig
• bei Permanentmagnet-Erregung keine elektrische Leistung für
Erregung notwendig
• Relativ großer Luftspalt möglich
• Blindleistungssteuerung möglich
Nachteile:
• Magnetmaterial teuer für Permanentmagnet-Erregung
• hoher Regelaufwand
• läuft nicht selbstständig hoch
Asynchronmaschine
Bei der Asynchronmaschine bestehen die Spulen im Rotor (Läufer)
aus kurzgeschlossenen Leiterschleifen. Für den Asynchronmotor
findet daher auch die Bezeichnung Kurzschlussläufermotor
Verwendung. Durch das sich ändernde Magnetfeld des Stators wird in
den kurzgeschlossenen Leiterschleifen des Rotors ein Stromfluss und
ein daraus resultierendes Magnetfeld induziert, das dem
verursachenden Magnetfeld entgegen gerichtet ist. Die resultierenden
Kräfte üben ein Drehmoment auf den Rotor aus. Lässt man das
Statorfeld rotieren, 'schleppt' dieses den Rotor aufgrund oben
beschriebener Wirkung mit. Zwangsläufig muss sich der Rotor
geringfügig langsamer drehen als das Statordrehfeld (Schlupf), damit
das dem Induktionsgesetz zugrunde liegende Prinzip, nämlich die
Veränderung des Magnetfeldes pro Zeit, erfüllt bleibt. Bei Gleichlauf
von Rotor und Drehfeld findet keine Induktion mehr statt, das
übertragbare Drehmoment ist Null.
Asynchronmaschine
Der niedrige Wert gilt für 2-polige, der höhere Wert für 8-polige
Elektromotoren
Asynchronmaschine
Anders ausgedrückt: Voraussetzung ist, dass der Rotor geringfügig
langsamer drehen muss als das Statordrehfeld, damit sich das
Magnetfeld innerhalb des mitdrehenden Rotors ständig ändert, was
wiederum die Voraussetzung für die Induktion von elektrischer
Spannung in den Rotorleitern ist. Eine Ausnahme stellt der
Reluktanzmotor dar, dessen Läufer synchrone Drehzahl erreicht.
Durch die Anwendung eines Frequenzumrichters, teilweise schon im
Gehäuse integriert, kann die Drehzahl fast wie bei Universalmotoren
variiert werden
Asynchronmaschine
Asynchronmaschine
Anwendungsbeispiele
Kleinleistungsmotoren
• Pumpenantriebe in allen Industriebereichen
• Kompressoren (z. B. Kältemittelkompressoren für kleinere Kühlräume)
• Ventilatoren für alle Industriebereiche
• Antriebe für Flurförderzeuge
Mittelleistungsmotoren
• Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren für alle Industriebereiche
• Pressenantriebe (Schwungrad-, Spindel-, Exzenter-)
• Extruderantriebe
• Traktionsantriebe für Autos und Busse (Elektro- oder Hybridfahrzeuge)
• Werkzeugmaschinenantriebe (z. B. Hauptspindelantriebe)
• Hilfsantriebe auf Schiffen, Lokomotiven etc.
Asynchronmaschine
Anwendungsbeispiele
Hochleistungsmotoren
• Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren für alle Industriebereiche
• Kraftwerkshilfsantriebe
• Traktionsantriebe für Bahnen
• Seil/Kettenzugantrieb
Asynchronmaschine
Das nebenstehende Bild zeigt
den typischen Drehmomentenverlauf in Abhängigkeit von der
Drehzahl. Im Dreiecksbetrieb
hat der Motor im Vergleich zum
Sternbetrieb etwa das dreifache
Anzugsmoment.
Die
Betriebspunkte B1 oder B2
liegen
jenseits
des
Kippmomentes K1 oder K2.
Asynchronmaschine
Charakteristischer Drehmomentenverlauf von Kurzschlussläufermotoren
Asynchronmaschine
Vor- und Nachteile
Mit dem Siegeszug der Spannungsumformer werden heute nahezu
ausschließlich Kurzschluss-Käfigläufermotoren (engl. squirrel cage
induction motor) benötigt. Dieser Ausführungsart verdankt der
Asynchronmotor seine Bezeichnung als „Arbeitspferd“ der
elektrischen Antriebstechnik. Kombiniert mit einem entsprechend
gesteuerten Frequenzumrichter ist er auch in der Lage, gegen große
Gegenmomente
von
Arbeitsmaschinen
anzulaufen.
Die
Frequenzumrichterbaugruppen übernehmen derzeit zunehmend auch
die Aufgabe des Motorschutzes. Außerdem werden Motoren mit
angebautem Frequenzumrichter angeboten. Hierdurch verringert sich
der Verdrahtungsaufwand.
Vorteile
Asynchronmaschine
• lange Lebensdauer, wartungsarm, kein Bürstenverschleiß beim
Kurzschlussläufer (typischer mittlerer Ausfallabstand 20.000 Stunden)
• kurzzeitig stark überlastbar (bis größer 2× Nennmoment)
• nahezu konstante Drehzahl, kein „Durchgehen“ im Leerlauf
• einsetzbar im Ex-Bereich (explosionsgefährdeter Bereich), da keine
Bürsten oder Schleifringe (Vermeidung des Bürstenfeuers, etc.
• „selbstständiger“ Anlauf möglich
• vergleichsweise geringe Herstellungskosten
• der Läufer ist spannungslos und kann auch in Flüssigkeiten, Gasen
oder im Vakuum laufen. (Beispiel: Umwälzpumpe)
• Anlauf gegen hohe Gegenmomente ohne Hilfsmittel (auch abhängig
von Läuferbauform)
• sehr robuste Ausführung, Medienverträglichkeit des Aktivteils hohe
Drehzahltauglichkeit, daher bei Betrieb mit Spannungsumformer hohe
Leistungsausbeute
• hoher Wirkungsgrad im Feldschwächbereich
Asynchronmaschine
Nachteile
• Drehzahlveränderung nur bei Sonderbauformen mit Polumschaltung
oder mit zusätzlichem Frequenzumrichter möglich
• insbesondere bei kleinen Ausführungen ca. 20 bis 30 % mehr Volumen
pro Drehmoment gegenüber permanent – magnetisierten
Synchronmotoren
• 3 Außenleiter zur Versorgung notwendig (ersatzweise Frequenzumrichter oder Betriebskondensator (Kondensatormotor) bei Einphasenwechselstrom möglich)
• kleinerer Wirkungsgrad im Vergleich zur permanent magnetisierten
Synchronmaschine bei hoher Momentausnutzung
• komplexe theoretische Verfahren zur Berechnung (im Vergleich zu
anderen elektrischen Maschinen)
• geringes Anlaufmoment, außer bei Verwendung eines
Frequenzumrichters mit Hochlaufsteuerung
• Schritt- bzw. Servomotoren haben bei Positionieraufgaben Vorteile und
sind im Vergleich leichter
Einphasen-Wechselstrommotoren
Einphasen-Wechselstrommotoren werden für kleine Leistungen bis etwa
5 kW gebaut.
Sie werden einphasig an ein Wechselstromnetz angeschlossen. Die
gebräuchlichste Betriebsspannung hierfür ist 230V. Ein einphasiger
Anschluss an ein Drehstromnetz ist ebenfalls möglich. Die
Betriebsspannung entspricht dann der Sternspannung
(Strangspannung U).
Durch das einphasige Wechselfeld ist für den Motor keine eindeutige
Drehrichtung gegeben, er läuft daher aus dem Stillstand nicht selbst an.
Um eine eindeutige Drehrichtung festzulegen, wird im Ständer eine
Hilfswicklung (Anlaufwicklung) angebracht, deren Strom über einen
Kondensator zur Ständerwicklung phasenverschoben wird. So ergibt
sich ein eindeutiges magnetisches Drehfeld, der Motor läuft immer in
der vorgegebenen Drehrichtung an.
Einphasen-Wechselstrommotoren
Für Kreiselpumpenantriebe genügt in der Regel die Ausführung mit
einem Betriebskondensator.
Das Anzugsmoment des Motors beträgt hierbei das 0,3- bis 0,4-fache
des Nennmoments. Falls dies nicht ausreicht, ist eine Ausführung mit
Betriebs- und Anlaufkondensator möglich. Das Anzugsmoment bei
dieser Ausführung beträgt das 1,5- bis 1,8-fache des Nennmoments.
Der Anlaufkondensator wird nach dem Hochlauf durch einen
Fliehkraftschalter abgeschaltet.