Aufbau, Funktion und Steuerung von Synchron- und Asynchronmotoren

AC-Elektromaschinen

AC-Maschinen umfassen sowohl Synchronmotoren als auch -generatoren. Bei Synchronmaschinen wird der Strom für die Feldwicklung (den Induktor) durch eine separate Gleichstromquelle bereitgestellt. Asynchronmaschinen hingegen arbeiten als Motoren, bei denen der Strom in der Feldwicklung durch magnetische Induktion erzeugt wird.

Unterschiede zwischen AC- und DC-Maschinen

Der Hauptunterschied zwischen AC- und DC-Maschinen liegt in der Anordnung der Spulen und der Art und Weise, wie die Induktivität erzeugt wird. Bei AC-Maschinen gibt es keine direkte elektrische Verbindung zwischen Rotor und Stator.

AC-Synchronmotoren

Stator

Der Stator besteht aus einem Gehäuse, in dem sich Nuten befinden, in die die Wicklungen für die verschiedenen Phasen eingelegt werden. Bei Drehstrommotoren sind die Wicklungen so angeordnet, dass sie im Raum um 120 Grad versetzt sind. Es gibt verschiedene Arten von Wicklungen, abhängig von der gewünschten Feldverteilung.

Rotor

Der Rotor besteht aus einer Reihe von Kupfer- oder Aluminiumstäben, die in Zylinderform angeordnet und an ihren Enden durch einen Metallring verbunden sind. Die Rotorwicklung fungiert als Induktor und ist so gewickelt, dass abwechselnd Nord- und Südpole entstehen. Die Anschlüsse der Rotorwicklung werden zu Schleifringen geführt, die auf der Welle montiert, aber von dieser isoliert sind. Über Schleifringe und Bürsten wird die Rotorwicklung mit Gleichstrom versorgt, um das Rotor-Magnetfeld zu erzeugen.

Funktionsweise

Synchronmotoren benötigen sowohl einen Gleichstromkreis für die Rotorwicklung (Erregung) als auch einen Wechselstromkreis für die Statorwicklung (Anker). Der Stromfluss in jeder Wicklung erzeugt ein Magnetfeld. Die Wechselwirkung dieser Magnetfelder führt zu einer Drehbewegung des Rotors. Das Gleichstrom-Magnetfeld des Rotors hat eine konstante Stärke und Richtung. Das Drehfeld des Stators wird durch den Mehrphasen-Wechselstrom erzeugt. Der Rotor versucht, dem Drehfeld des Stators zu folgen und synchron mit ihm zu laufen.

Synchrondrehzahl

Die Synchrondrehzahl ist die Drehzahl, mit der sich das Magnetfeld des Stators dreht. Sie ist abhängig von der Frequenz des Wechselstroms und der Polpaarzahl der Maschine. Bei einer gegebenen Frequenz dreht sich das Feld in einer zweipoligen Maschine einmal pro Periode des Wechselstroms. Bei realen Maschinen sind die Statorwicklungen jedoch verteilt angeordnet, um eine bessere Feldverteilung zu erreichen. Dadurch entstehen mehr als zwei Pole, und die Synchrondrehzahl verringert sich entsprechend.

Drehrichtungsumkehr

Die Drehrichtung eines Synchronmotors kann durch Vertauschen der Anschlüsse von zwei Phasen der Statorwicklung umgekehrt werden.

Startmethoden für Synchronmotoren

Es gibt drei Hauptmethoden zum Starten von Synchronmotoren:

• Anlauf mit reduzierter Frequenz: Die Frequenz des Wechselstroms wird langsam erhöht, wodurch die Synchrondrehzahl ebenfalls langsam ansteigt und der Rotor dem Feld folgen kann.
• Anlauf mit Hilfsmotor: Der Rotor wird durch einen externen Motor auf nahezu Synchrondrehzahl beschleunigt. Sobald der Rotor synchron läuft, wird der Hilfsmotor abgeschaltet und der Synchronmotor übernimmt.
• Anlauf mit Dämpferwicklung: Der Rotor ist mit einer zusätzlichen Dämpferwicklung versehen, die wie ein Kurzschlusskäfiganker aufgebaut ist. Diese Wicklung ermöglicht einen asynchronen Anlauf. Sobald der Rotor nahe der Synchrondrehzahl ist, übernimmt die Gleichstromerregung und der Motor läuft synchron.

Ein Synchronmotor mit Dämpferwicklung kann selbstständig anlaufen und benötigt keinen zusätzlichen Motor. Er ist auch stabiler im Betrieb, da die Dämpferwicklung bei Abweichungen von der Synchrondrehzahl stabilisierend wirkt. Wenn der Motor synchron läuft, wird in der Dämpferwicklung keine Spannung induziert.