Grundlagen der Asynchron- und Synchronmaschinen

Asynchronmaschinen

Einzel-Asynchronmotor

Wirkprinzip

Grundsätzlich besteht ein Einphasen-Induktionsmotor aus einem Käfigläufer, ähnlich dem von Drehstrommotoren, und einem Stator mit einer einphasigen Wicklung. Gewöhnlich werden diese Motoren mit Leistungen von weniger als 1 PS gefertigt und daher auch als Kleinstmotoren bezeichnet.

Durch die Einführung eines Wechselstroms in die Statorwicklungen wird eine magnetomotorische Kraft im Luftspalt erzeugt. Dies erzeugt ein Magnetfeld, das Ströme im Rotor induziert, ähnlich wie im Sekundärkreis eines Transformators. Da die Drehmomente durch die Wechselwirkung der Ströme in den Läuferwicklungen mit dem Statorfeld entstehen, heben sie sich bei Stillstand gegenseitig auf. Das Fehlen eines Anlaufmoments ist das charakteristische Merkmal einphasiger Maschinen; sie können nicht von selbst anlaufen.

Wenn bei einem Drehstrommotor eine Phase getrennt wird, arbeitet die Maschine ähnlich wie ein Einphasenmotor.

Startverfahren

Da der Einphasenmotor kein Anlaufmoment besitzt, sind folgende Verfahren üblich:

• a) Hilfsphase: Der Stator besitzt zwei Wicklungen, die räumlich um 90° versetzt sind. Die Hauptwicklung hat einen niedrigen Widerstand und hohe Induktivität. Die Hilfswicklung hat wenige Windungen, einen hohen Widerstand und ist in Reihe mit einem Fliehkraftschalter geschaltet.
• b) Kondensatormotor: Hier ist die Hilfswicklung in Reihe mit einem Kondensator geschaltet, um eine Phasenverschiebung von etwa 90° zu erreichen. Oft werden ölimprägnierte Papierkondensatoren für den Dauerbetrieb verwendet.

Synchronmaschinen

Einführung

Synchronmaschinen sind elektrische Maschinen, deren Drehzahl n (U/min) fest mit der Netzfrequenz f verknüpft ist: n = 60f / p (wobei p die Polpaarzahl ist). Sie können als Generator oder Motor arbeiten. In der Praxis werden sie häufig als Generatoren zur Stromerzeugung eingesetzt. Als Motoren finden sie Anwendung in industriellen Antrieben mit konstanter Geschwindigkeit, wobei sie zudem den Leistungsfaktor (cos φ) regeln können.

Konstruktive Aspekte

Synchronmaschinen bestehen aus zwei getrennten Wicklungen:

• Feldwicklung: Gespeist mit Gleichstrom, erzeugt sie die Pole der Maschine.
• Ankerwicklung: Eine verteilte Dreiphasen-Wechselstromwicklung.

Bei kleinen Maschinen (bis 10 kVA) liegt die Feldwicklung meist im Stator. Bei großen Generatoren (bis 1500 MVA) befinden sich die Wicklungen auf dem Rotor (Schenkelpol- oder Vollpolrotor). Die Erregung erfolgt über Schleifringe oder bürstenlose Systeme.

Erregersysteme

Traditionell wird Gleichstrom über Schleifringe und Bürsten zugeführt. Moderne Generatoren nutzen bürstenlose Erregereinrichtungen mit rotierenden Gleichrichtern, um Wartungsaufwand zu minimieren.

Wirkprinzip eines Generators

Durch Drehen des Rotors werden in den Statorwicklungen EMKs induziert. Die Leerlaufkennlinie beschreibt den Zusammenhang zwischen der induzierten Spannung und dem Erregerstrom.

Ankerrückwirkung

Unter Last beeinflusst der Ankerstrom das Magnetfeld im Luftspalt. Dies führt zu einer Spannungsänderung, die je nach Lastart (ohmsch, induktiv oder kapazitiv) unterschiedlich ausfällt:

• Ohmsche Last: Querfeldreaktion.
• Induktive Last: Entmagnetisierende Wirkung.
• Kapazitive Last: Magnetisierende Wirkung.

Betrieb am Netz

Die Parallelschaltung eines Generators an das Netz erfordert die Übereinstimmung von Phasenfolge, Spannungshöhe, Frequenz und Phasenlage. Zur Überwachung werden Synchronoskope eingesetzt.

Synchronmotor

Der Synchronmotor benötigt eine Anlaufhilfe (z. B. einen Asynchron-Anlaufkäfig), da er aus dem Stillstand kein Drehmoment entwickelt. Er ist ideal zur Blindleistungskompensation geeignet.