Asynchronmotoren: Ersatzschaltbild und Betriebsverhalten

Ersatzschaltbild und Prüfverfahren für Asynchronmotoren

Zur Bestimmung der Parameter des Ersatzschaltbilds eines Drehstrom-Asynchronmotors mit Käfigläufer werden im Wesentlichen zwei Messverfahren durchgeführt: der Leerlaufversuch und der Kurzschlussversuch.

Leerlaufversuch (freilaufender Rotor)

Beim Leerlaufversuch läuft der Motor mechanisch unbelastet an der Welle. Der Stator wird mit der Bemessungsspannung U_1N gespeist. Gemessen werden die aufgenommene Leerlauf-Wirkleistung P₀, die Phasenspannung U_1N und der Leerlaufstrom I₀.

Für die aufgenommene Wirkleistung gilt:

P₀ = P_Fe + P_mech + P_Cu1

• Kupferverluste des Stators: P_Cu1 = m₁ · R₁ · I₀² (wobei R₁ der zuvor mit Gleichstrom gemessene Statorwiderstand pro Phase ist).
• Eisen- und Reibungsverluste: P_Fe + P_mech = P₀ - m₁ · R₁ · I₀². Zur Trennung der beiden Verlustanteile wird die Speisespannung U₁ schrittweise reduziert und P₀ über U₁ aufgetragen.
• Parameterberechnung:
  • Leistungsfaktor: cos(φ₀) = P₀ / (m₁ · U_1N · I₀)
  • Wirkstromkomponente: I_Fe = I₀ · cos(φ₀) ⇒ R_Fe = U_1N / I_Fe
  • Blindstromkomponente: I_μ = I₀ · sin(φ₀) ⇒ X_μ = U_1N / I_μ

Kurzschlussversuch (blockierter Rotor)

Beim Kurzschlussversuch wird der Rotor mechanisch arretiert (Drehzahl n = 0, Schlupf s = 1, fiktiver Lastwiderstand R_c' = 0). Am Stator wird eine stetig ansteigende Spannung angelegt, bis der Nennstrom I_1N erreicht ist (I_k = I_1N). Aus den Messwerten U_1k, I_1N und P_k ergeben sich:

• cos(φ_k) = P_k / (m₁ · U_1k · I_1N)
• Kurzschlusswiderstand: R_k = R₁ + R₂' = (U_1k / I_1N) · cos(φ_k)
• Kurzschlussreaktanz: X_k = X₁ + X₂' = (U_1k / I_1N) · sin(φ_k)

Parameter des einphasigen Ersatzschaltbilds

Das einphasige Ersatzschaltbild beschreibt die elektromechanischen Eigenschaften der Maschine:

• R₀ (Eisenverlustwiderstand): Bildet die Eisenverluste sowie die mechanischen Reibungsverluste pro Phase ab.
• X₀ (Hauptfeld- bzw. Magnetisierungsreaktanz): Repräsentiert die zur Erzeugung des Hauptdrehfelds erforderliche Blindleistung pro Phase.
• R_c' = R₂' · (1 - s) / s: Fiktiver elektrischer Ersatzwiderstand für die abgegebene mechanische Leistung. Die umgesetzte Wirkleistung beträgt P_mech = 3 · (I₂')² · R_c'. Bei Stillstand (s = 1) ist R_c' = 0; bei synchroner Drehzahl (s = 0) geht R_c' gegen unendlich (∞).

Methoden zur Drehzahlregelung

Die mechanische Drehzahl wird durch die Beziehung n = n_s · (1 - s) = (60 · f / p) · (1 - s) bestimmt. Eine Drehzahlanpassung erfolgt durch:

• Änderung der Polpaarzahl (p): Ermöglicht eine stufenweise Drehzahlumschaltung (z. B. Dahlander-Schaltung). Ein Käfigläufer passt seine Polzahl selbsttätig an das Statorfeld an. Einsatzgebiete: Lüfter, Aufzüge und Krane.
• Änderung des Schlupfs (s): Durch Stelltransformatoren kann die Statorspannung variiert werden (das Drehmoment verhält sich quadratisch zur Spannung: M ∼ U²). Bei Schleifringläufern kann der Rotorwiderstand über Vorwiderstände vergrößert werden, was jedoch hohe ohmsche Verluste hervorruft.
• Änderung der Frequenz (f): Moderne Drehzahlregelung über Frequenzumrichter (Gleichrichter und Wechselrichter mit Thyristoren oder IGBTs). Um das Nennmoment aufrechtzuerhalten und eine magnetische Überlastung zu verhindern, muss das Verhältnis von Spannung zu Frequenz konstant gehalten werden (U / f = const.).

Einphasen-Asynchronmotor: Funktionsprinzip

Einphasen-Induktionsmotoren werden meist für kleine Leistungen (< 1 PS / 736 W) in Haushaltsgeräten, Ventilatoren und Pumpen eingesetzt. Sie besitzen einen Käfigläufer und eine einphasige Statorwicklung.

Ein einphasiger Wechselstrom erzeugt im Luftspalt ein zeitlich sinusförmiges Wechselfeld (Pulsationsfeld). Nach dem Ferraris-Prinzip lässt sich dieses in zwei gegenläufig rotierende Drehfelder mit den Drehzahlen +n_s und -n_s zerlegen:

• Im Stillstand (n = 0) heben sich die entgegengesetzten Drehmomente gegenseitig auf, sodass das resultierende Anlaufmoment null ist. Der Motor läuft nicht selbsttätig an.
• Wird der Rotor von außen oder über eine Hilfsphase in eine Richtung angestoßen, überwiegt das mitlaufende Drehfeld und ein resultierendes Drehmoment entsteht.
• Der Schlupf bezüglich der beiden Felder beträgt: s_d = s für das mitlaufende Drehfeld und s_i = 2 - s für das gegenläufige Drehfeld.
• Ersatzschaltbild: Reihenschaltung zweier Ersatzsysteme, die das mit- und gegenläufige Drehfeld repräsentieren.

Doppelkäfigläufer für verbesserten Anlauf

Der Doppelkäfigmotor nutzt den Effekt der Stromverdrängung im Läufer, um das Anlaufverhalten zu optimieren. Der Stator ist herkömmlich ausgeführt, während der Rotor zwei getrennte Käfigwicklungen besitzt:

• Außenkäfig (nahe dem Luftspalt): Hoher ohmscher Widerstand und geringe Streureaktanz.
• Innenkäfig (tief in den Nuten): Geringer ohmscher Widerstand und hohe Streureaktanz.

Beim Einschalten (s = 1) entspricht die Rotorfrequenz der Netzfrequenz. Wegen der hohen Streureaktanz des Innenkäfigs wird der Strom in den Außenkäfig gedrängt. Dies bewirkt ein hohes Anzugsmoment bei reduziertem Anlaufstrom. Bei Nenndrehzahl sinkt die Rotorfrequenz auf wenige Hertz; die Streureaktanzen verlieren an Einfluss, und der Strom fließt überwiegend im niederohmigen Innenkäfig, was einen hohen Wirkungsgrad sichert.

Nachteil: Im Teillastbetrieb können interne Kreisströme fließen, wodurch zusätzliche Stromwärmeverluste entstehen.

Typische Anwendungen: Schwer anlaufende Lasten wie Krane, Förderanlagen, Aufzüge, Großlüfter und Zentrifugalpumpen.