Asynchronmotor: Aufbau, Messprinzip und Anlaufverfahren

Aufbau des einphasigen Asynchronmotors (Induktionsmotor)

Die Elemente sind Stator, Erde und Rotor. Normalerweise werden im Rotor durch den Stator induzierte Ströme erzeugt. Abhängig vom Rotortyp wird die Maschine als Käfigläufer oder als Läuferwicklung eingestuft. Der Käfigläufer besteht aus einem Satz von Stäben, die in Nuten am äußeren Umfang eines Zylinders angeordnet sind. Das ferromagnetische Material wird aus Silizium-Blechpaketen gefertigt, um die Verluste zu reduzieren. In der Mitte befindet sich eine Bohrung für die Welle der Maschine.

Bei der Käfigausführung sind die Stäbe an beiden Stirnseiten durch Kurzschlussringe verbunden. Beim Läufer mit Wicklung besitzt der Rotor eine dreiphasige, dem Stator ähnliche Wicklung, deren Enden an Schleifringe angeschlossen werden. Auf diese Weise lassen sich externe Widerstände in den Läuferkreis einbringen, um den Anlaufstrom zu begrenzen.

Messprinzip: Konstitution und Betrieb der Induktionsmaschine

Wird die Maschine ohne Rotor betrieben, dreht sich das Drehfeld mit der synchronen Drehzahl (n = n_s). Diese hängt von der Frequenz f und der Polpaarzahl p ab: n_s = (60·f) / p.

Der Stator wird an ein einphasiges oder dreiphasiges Netz angeschlossen und erzeugt ein magnetisches Drehfeld. Im Rotor werden durch Induktion Spannungen und Ströme erzeugt, die ein Drehmoment hervorrufen. Der Rotor läuft dabei stets etwas langsamer als das Drehfeld, da ohne Schlupf keine Induktion stattfinden würde.

Betrieb des isolierten Synchrongenerators (Alternator)

Das Verhalten eines Alternators ohne Netzanschluss unterscheidet sich nur dadurch, dass er entweder isoliert (leerlaufend) oder an einen Verbraucher angeschlossen betrieben wird. Beim Messprinzip wird die Maschine von einer Antriebsmaschine mit konstanter Drehzahl angetrieben. Bei Belastung entsteht ein Ankerstrom, dessen Ankerrückwirkung das Feld schwächt und die Klemmenspannung sinkt. Durch Erhöhung des Erregerstroms über den Spannungsregler kann die Klemmenspannung konstant gehalten werden.

Zusammenfassend gilt: (1) Die Frequenz hängt von der Drehzahl des Antriebs ab. (2) Die Spannung hängt von der Erregung ab. (3) Die Klemmenspannung ist abhängig von Erregerstrom und Belastung.

Bedingungen für die Parallelschaltung von Alternatoren und deren Steuerung

Für die Synchronisation zweier Alternatoren müssen vier Bedingungen erfüllt sein: (1) Gleiche Spannung. (2) Gleiche Frequenz. (3) Gleiche Phasenlage, überprüft mit einem Synchronoskop oder Lampen; die Schaltung erfolgt, wenn die Lampen erloschen sind. (4) Gleiche Phasenfolge, anderenfalls müssen zwei Phasen vertauscht werden.

Messprinzip des Universalmotors

Der Universalmotor ist ein Reihenschlussmotor mit Kollektor, der mit Gleich- und Wechselstrom betrieben werden kann. Bei Wechselstrom erzeugt die Erregerwicklung ein sinusförmiges, pulsierendes Feld, das sich in zwei gegenläufige Drehfelder zerlegen lässt. Da Strom und Feld gleichzeitig umgepolt werden, bleibt die Drehrichtung erhalten.

Vorteile: Sehr hohes Anzugsmoment, das proportional zu I² ist; keine Begrenzung durch Spannung oder Frequenz.
Nachteile: Schlechte Kommutierung und hohe Funkstörungen durch Bürstenfeuer.
Anwendungen: Maschinen mit hoher Drehzahl (bis 3000 U/min) wie Handbohrmaschinen, Küchengeräte und ähnliche Motoren.

Messprinzip des Käfigläufer-Asynchronmotors

Der Stator wird an ein dreiphasiges Netz angeschlossen und erzeugt ein magnetisches Drehfeld mit der Drehzahl n_s = (60·f) / p. Das Drehfeld wird als Vektor beschrieben und induziert im Rotor eine Spannung e = -dΦ/dt (Faraday). Die Rotorstäbe sind kurzgeschlossen, sodass Ströme i = e / Z fließen. Zwischen dem Strom im Rotor und dem Drehfeld entsteht nach dem Lorentz-Gesetz eine Kraft F = B·i·l, die ein Drehmoment erzeugt und den Rotor in Bewegung setzt.

Der Rotor dreht sich dabei immer etwas langsamer als das Drehfeld. Die relative Differenz wird als Schlupf bezeichnet: s = (n_s − n) / n_s.

Messprinzip des Asynchronmotors mit Schleifringläufer

Der Stator besteht wie bei allen Drehstrommaschinen aus drei Strängen, die in Stern oder Dreieck geschaltet und an ein dreiphasiges Netz angeschlossen werden. Er erzeugt ein Drehfeld mit der synchronen Drehzahl n_s = (60·f) / p.

Der Rotor besteht aus drei Wicklungen, die in Stern geschaltet sind und über Schleifringe und Kohlebürsten nach außen geführt werden. Dadurch lassen sich zusätzliche Widerstände R₂' in den Läuferkreis schalten. Das Drehmoment und die Drehzahl können so variiert werden, ohne den Käfigläufer zu verändern.

Vorteile: Regelung der Drehzahl und des Anlaufstroms, Erhöhung des Anzugsmoments.
Nachteile: Aufwändige Konstruktion, höhere Wartung und höhere Kosten.
Anwendungen: Hebezeuge, Krane, Motoren mit variabler Drehzahl.

Anlaufverfahren: Direktanlauf und Anlasserwiderstände

Direktanlauf: Die Nennspannung wird direkt an die Motorklemmen gelegt. Dabei fließt ein hoher Anlaufstrom. Dieses Verfahren wird nur bei Kleinmotoren (P < 5 kW) verwendet, die aufgrund ihres hohen Anzugsmoments den Vorteil des einfachen Anlaufs besitzen.

Anlasserwiderstände im Stator: In Reihe zu den Statorphasen wird ein Regelwiderstand geschaltet, der die Motorspannung beim Anlauf reduziert. Mit steigender Drehzahl wird der Widerstand verringert. Das Verfahren ist preiswert, hat aber hohe Verluste und eine starke Energiedissipation (Wärme) während des Anlaufs.