Asynchrone Drehstrommotoren (T2 MAQ): Aufbau, Funktionsweise und Steuerung

T2 MAQ: Asynchrone Drehstrommaschine

Induktion (Asynchron) der Statorwicklung (Drehstrom, 120° phasenverschoben)

Die Verteilung der Spulen dient der besseren Nutzung der Statorspulen, um mehr Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld, das durch die Stellenverteilung im Luftspalt entsteht, ähnelt einer Sinuskurve. Der Einfachheit halber nehmen wir von nun an eine sinusförmige Feldverteilung im Luftspalt an, die auch Harmonische enthält.

Stator und Rotor

• Stator: Erzeugt ein Drehfeld.
• Rotor: Bei zylindrischer Bauweise gibt es zwei Typen:

1. Rotorwicklung: Spulen ähneln denen des Stators. Diese sind über Schleifringe und Bürsten kurzgeschlossen, deren Widerstand durch einen externen Widerstand variiert werden kann, um externen Zugriff auf den Rotor zu ermöglichen.
2. Rotorkäfig (Kurzschlussläufer): Die Wicklung besteht aus einer Reihe von Eisenstäben, die im Rotor eingelagert sind und an ihren Enden durch Kurzschlussringe verbunden sind. Es gibt keinen Kontakt mit dem Äußeren (keine Bürsten). Er ist robust und der Widerstand der Läuferwicklung kann nicht variiert werden. Er wird in Maschinen mit hoher Leistung eingesetzt.

Funktionsweise des Rotors

Im Rotor wird eine Reihe von Strömen induziert, die ein Magnetfeld erzeugen, das sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Statorfeld dreht. Obwohl das Feld sich relativ zum Rotor dreht, dreht sich der Rotor mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Statorfeld ($\omega_s$).

Drehrichtung des Drehstrommotors

1. Das Drehfeld induziert Spannungen im Rotor, die zu Strömen führen, welche ein Gegenmoment erzeugen, das die Maschine in Rotation versetzt.
2. Die Drehrichtung der Maschine wird durch die Phasenfolge bestimmt. Wenn die Reihenfolge A, B, C ist (ABC), erreicht Phase A ihr Maximum zuerst, gefolgt von B und dann C. Wenn der Rotor rotiert, durchläuft er die Positionen, an denen sich die verschiedenen Phasen befinden.
3. Um die Drehrichtung zu ändern, muss die Phasenfolge bei der Einspeisung geändert werden, d.h., zwei beliebige Phasen müssen vertauscht werden (z.B. ACB).

Ersatzschaltbild und Leistungsgleichungen

Das äquivalente Ersatzschaltbild umfasst die Parameter ($r_1, x_1, x'_2, r'_2, r_c$), wobei $x'_2 = x_2 \cdot (N_1/N_2)^2$ und $r'_2 = r_2 \cdot (N_1/N_2)^2$. $r_c$ beschreibt die Verluste im Eisenkern.

• Leistung (Pot): $P_E = V_1 \cdot I_1 \cdot \cos(\alpha)$ (für alle drei Phasen).
• Joule-Verluste (Pérd. Joule): $P_{Joule} = I^2 \cdot R$.
• Aktive Leistung (APC): $P_{AC} = 3 \cdot P_E$.
• Mechanische Leistung (Pmec): $P_{mec} = T \cdot \omega$, wobei $\omega = (1-s) \cdot \omega_s$.
• Nutzleistung (Pot.util): $P_{util} = P_{mech} - P_{mag}$ (wobei $P_{mag}$ die mechanischen Verluste sind).
• Eisenverluste (Pentrehierro): $P_{Eisen} = 3 \cdot (P_{e} - P_{Joule1})$.

Drehmoment-Charakteristik (CURVA caracteristica)

Das Drehmoment, das am Rotor erreicht wird, ist nicht konstant und proportional zum Quadrat der angelegten Spannung. Das maximale Drehmoment erhöht sich mit zunehmendem Rotorwiderstand ($r'$). Das Anlaufdrehmoment (Drehmoment bei $s=1$) ist in der Regel höher als das Nenndrehmoment. Um Probleme zu vermeiden, wird der Rotorwiderstand oft verringert, sodass das maximale Drehmoment bei einer geringeren Drehzahl als der Nenndrehzahl liegt. Die maximale Leistung ($P_{max}$) wird in der Regel bei höherer Nenndrehzahl erreicht.

Charakteristische Prüfungen (ENSAYOS caracteristicos)

Diese Tests dienen der Bestimmung der Parameter des äquivalenten Ersatzschaltbilds des Asynchronmotors:

• Test mit Gleichstrom (DC) am Stator (Rotor blockiert): Bestimmt den Statorwiderstand ($r_1$).
• Test mit Kurzschluss am Rotor: Es wird eine Wechselspannung unter Nennwert angelegt, sodass der Statorstrom dem Nennstrom entspricht. Die Magnetisierungsreaktanz wird vernachlässigt ($r_c \to \infty$). Man erhält $r_1 + x_1$ und $r'_2 + x'_2$. Wenn der Rotor blockiert ist ($s=1$), kann $x'_1 \approx x'_2$ gesetzt werden.
• Leerlaufversuch (No-Load Test): Der Motor wird bei Nennspannung ohne mechanische Last betrieben ($s \approx 0$, d.h. $r'_c \to \infty$). Hier können die Leerlaufparameter $x_m$ und die Verluste im Eisenkern bestimmt werden. Die Verluste bei diesen Bedingungen entsprechen den Rotationsverlusten ($r_1 + P_{Eisen}$).
• Synchronlauf-Test: Der Rotor wird bei dreiphasiger Spannungsversorgung mit einstellbarer Frequenz betrieben und mechanisch auf Synchron-Drehzahl ($s=0$) gebracht. Dies ermöglicht die Erstellung einer Kurve des erforderlichen Magnetisierungsstroms für jede Frequenz.

Anlauf des Asynchronmotors (ARRANQUE)

Der Anlaufstrom ist typischerweise 4- bis 7-mal höher als der Nennstrom. Die Wicklungen sind normalerweise für den Dauerbetrieb ausgelegt, aber der Anlaufstrom muss begrenzt werden, um Überlastungen der Leitungen zu vermeiden.

1. Bei Motoren mit Schleifringläufer: Die Strombegrenzung erfolgt durch Variation des externen Widerstands, der an den Rotor angeschlossen ist.
2. Bei Käfigläufermotoren: Einige Motoren haben einen Doppelkäfig, dessen Rotorwiderstand ($R_{Rotor}$) und Induktivität ($X_{Rotor}$) so gewählt sind, dass der Anlaufstrom begrenzt wird (geringere Induktivität, höherer Widerstand beim Start). Der Nachteil ist die höhere Komplexität und Kosten der Maschine.
3. Stern-Dreieck-Schaltung ($\Delta / Y$): Dies ist die häufigste Methode für Motoren, die für Dreieckschaltung ausgelegt sind. Beim Start wird die Sternschaltung verwendet, und bei einer bestimmten Drehzahl ($n'$) wird auf Dreieckschaltung umgeschaltet.
4. Andere Anlassverfahren: Versuchen, die Spannung zu reduzieren, die auf die Statorwicklungen beim Anlauf wirkt. Dies kann durch das Vorschalten von Widerständen (die später überbrückt werden) oder durch die Verwendung eines Spartransformators erreicht werden, wobei letzteres höhere Verluste verursacht.

Drehzahlregelung (Regelung der Geschwindigkeit)

1. Frequenzänderung: Die effektivste Methode. Eine Änderung der Frequenz ($f$) bewirkt eine Variation der Synchrondrehzahl. Um die Maschine im konstanten Fluss zu halten, muss die Spannung proportional zur Frequenz ($V/f$ konstant) geändert werden. Dies wird durch Frequenzumrichter erreicht. Dieses Verfahren ermöglicht eine stufenlose Geschwindigkeitsregelung über einen großen Bereich. Das Hauptproblem ist die Kosten des Umrichters.
2. Änderung der Polzahl: Dies erfolgt über einen Schalter, wenn die Statorwicklungen entsprechend angeordnet sind. Dies funktioniert automatisch für Käfigläufermotoren. Der Nachteil ist, dass nur diskrete Geschwindigkeiten erreicht werden können, keine stufenlose Variation.
3. Bei Motoren mit Schleifringläufer: Die Drehzahl kann durch Variation des angeschlossenen Rotorwiderstands geändert werden. Dies verändert die Form der $T-n$-Kurve und ermöglicht eine bestimmte Leerlaufdrehzahl.
4. Spannungsänderung: Manchmal wird die Drehzahl durch Änderung der $T-n$-Kurve über die Spannung gesteuert. Dieses System erlaubt nur geringe Geschwindigkeitsänderungen und ist im Dauerbetrieb meist nicht empfehlenswert.

Betriebsmodi (MODOS)

Die Maschine kann Leistung aufnehmen (Motorbetrieb) oder abgeben (Generatorbetrieb). Im Generatorbetrieb verbraucht die Maschine immer noch Blindleistung. Als Bremse (z.B. beim Aufzug) muss die Maschine so ausgelegt sein, dass sie den hohen Strom aufnehmen kann, der im Generatorbetrieb fließt. Der Rotor kann auch als einphasiger Induktionsmotor betrieben werden.

Einphasenmotor (MOTOR monofasico)

1. Er nimmt einphasigen Wechselstrom auf.
2. Der Rotor ist meist ein Käfigläufer (squirrel cage).
3. Ein rein einphasiger Motor hat eine Statorwicklung, die ein einzelnes, festes Magnetfeld erzeugt. Dieses Feld erzeugt kein Anlaufdrehmoment (das Drehmoment ist Null). Sobald der Motor jedoch in eine Richtung gedreht wird, nimmt er ein Drehmoment in dieser Richtung an und dreht sich weiter.
4. Tatsächlich haben die Statorwicklungen meist eine zweite Wicklung, die ein Phasenverschiebung erzeugt, sodass der Motor ein Anlaufmoment in eine bestimmte Richtung entwickelt. Diese zweite Wicklung bildet mit der ersten ein Zweiphasensystem, das ein Drehfeld erzeugt. Der Motor wird zwar einphasig gespeist, aber die Stromquelle speist die zweite Wicklung phasenverschoben zur ersten, um das Drehfeld zu erzeugen.
5. Für das äquivalente Ersatzschaltbild des reinen Einphasenmotors wird die zweite Wicklung als Hilfs- oder Anlaufwicklung betrachtet.

Prinzipien des Einphasenmotors und Drehmoment-Geschwindigkeitskurve

1. Eine einzelne Erregerwicklung erzeugt ein zeitlich veränderliches Feld, das zwei gegenläufig rotierende Felder äquivalent ist: eines dreht sich in die eine Richtung und das andere in die entgegengesetzte.
2. Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie ist die Summe des Drehmoments, das durch das Vorwärtsfeld erzeugt wird, und des Drehmoments, das durch das Rückwärtsfeld erzeugt wird. (Vorwärtsfeld: Drehmoment in die gewünschte Richtung; Rückwärtsfeld: Drehmoment in die entgegengesetzte Richtung).
3. Das äquivalente Ersatzschaltbild des Einphasenmotors entspricht dem des Drehstrommotors, wobei die Komponenten ($x_2$ und $r_2$) durch 2 geteilt werden. Der Widerstand $r_c$ wird zwischen zwei Zweigen aufgeteilt: Zweig 1 ($R_2/2 \cdot (1-s)/s$) und Zweig 2 ($R_2/2 \cdot (1-s)/(2-s)$). Die Verschiebung ist so gewählt, dass die Impedanz des Zweigs 2 in der Regel viel kleiner ist als die des Zweigs 1.

Typen von Einphasenmotoren

1. Motor mit Schattierring (Schattenpolmotor): Der Stator hat Polschuhe. Ein Teil der Pole ist mit einer kurzen Schleife versehen. Dadurch ändert sich das Magnetfeld in diesem Bereich, was ein kleines Drehmoment erzeugt, das den Motor in eine bestimmte Richtung startet. Sobald der Motor läuft, erzeugt die Schleife zusätzliche kleine Drehmomente in Bewegungsrichtung. Dies führt zu einem stabilen Lauf, aber mit einem sehr geringen Drehmoment.
2. Motor mit Anlaufkondensator (C): Die Wicklungen werden parallel gespeist, wobei ein Kondensator in Serie mit einer der Wicklungen geschaltet wird. Nach dem Anlaufen kann die Anlaufwicklung über einen Fliehkraftschalter getrennt werden, obwohl sie bei einigen Motoren permanent verbunden bleibt.
3. Motor mit geteilter Phase ohne Kondensator (Split-Phase): Die Phasenverschiebung zwischen den Strömen wird durch den Unterschied in den Induktivitäten (L) und Widerständen (R) der Wicklungen erreicht. Die Hauptwicklung besteht aus Drähten mit großem Querschnitt (hohes L, niedriges R), und die Hilfswicklung hat wenige Windungen mit kleinem Querschnitt (niedriges L, hohes R), wodurch ein geringer Strom mit großer Phasenverschiebung fließt.

Drehmoment des Einphasenmotors

1. Ein reiner Rotationsmotor (ohne Hilfswicklung) hat kein vorbestimmtes Drehsinne. Er startet nur, wenn er angestoßen wird, und dreht sich dann in die Richtung des anfänglichen Impulses.
2. Der Motor mit Schattierring dreht sich immer in eine durch die Position der Kurzschlusskurve vorgegebene Richtung. Diese Position bestimmt die Impulse, die dem Motor gegeben werden, um ihn in Bewegung zu setzen.