Synchron- und Asynchronmaschinen: Funktionsprinzipien und Anlassverfahren

1. AC-Maschinentypen und grundlegende Unterschiede zum DC-System

Die Maschinen sind Synchronmotoren und Generatoren, bei denen der Erregerstrombedarf durch eine separate Maschine in Form einer Gleichstromquelle (DC) gedeckt wird.

Die Asynchronmaschine wird nur als Motor verwendet, und die Induktionswicklung wird durch magnetische Induktion mit Strom versorgt.

Unterschiede:

• Die Lage der Induktionsspulen und die induzierte Spannung unterscheiden sich je nach Art der Maschine.
• Bei AC-Maschinen gibt es keine elektrische Verbindung zwischen Rotor und Stator. Es gibt keinen Kollektor.

2. Funktionsprinzip von Synchronmotoren

AC-Synchronmotoren benötigen DC, um durch die Wicklungen des Rotors zu laufen, und AC, das durch die Statorwicklungen zirkuliert. Jeder dieser Ströme erzeugt ein Magnetfeld mit unterschiedlichen Eigenschaften, deren Wechselwirkung zur Drehbewegung des Rotors führt.

Im DC-Rotor wird durch seine Bewegung ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Feld wird durch eine DC-Quelle erregt, seine Richtung wird durch die Korkenzieherregel bestimmt. Im Stator entsteht durch eine einphasige oder dreiphasige Wicklung ein rotierendes Magnetfeld. Wenn sich diese beiden Magnetfelder nahe sind, beginnt der Rotor zu drehen, da er versucht, dem rotierenden Feld des Stators zu folgen und es einzuholen.

3. Verfahren zum Anlassen von Synchronmotoren

Es gibt drei Hauptverfahren:

1. Reduzierung der Drehzahl des Stator-Magnetfeldes: Die Synchronisationsgeschwindigkeit wird so weit reduziert, bis der Rotor einrasten kann. Anschließend wird der Rotor schrittweise auf die Nenndrehzahl $n$ beschleunigt.
2. Verwendung eines externen Motors: Der Rotor wird bis zur Synchrondrehzahl beschleunigt.
3. Nutzung der Dämpferwicklung: Dies ist die am häufigsten verwendete Methode. Sie besteht aus der Montage von Stäben an den Läuferstirnflächen, die miteinander kurzgeschlossen sind.

4. Funktionsprinzip von Asynchronmotoren

Bei einer Asynchronmaschine mit Käfigläufer wird eine Drehspannung an den Stator angelegt, wodurch ein rotierendes Magnetfeld erzeugt wird. Dieses Feld durchdringt die Rotorstäbe und induziert eine Spannung. Diese Spannung erzeugt einen Strom in den Rotorstäben, der gleichzeitig ein eigenes Magnetfeld erzeugt. Die Wechselwirkung zwischen den Feldern erzeugt ein Drehmoment, das den Rotor in die gleiche Richtung dreht wie das vom Stator erzeugte Feld.

5. Schlupf bei Asynchronmotoren

Der Schlupf wird als die relative Geschwindigkeit zwischen dem Rotor und dem Statorfeld definiert und wird üblicherweise in Prozent (%) ausgedrückt.

6. Methoden zum Anlassen von Asynchronmotoren

• Direktanschluss an das Netz: Nützlich, wenn der Motor eine geringe Leistung hat.
• Anschluss mit Widerstand in Serie zum Stator: Ein Widerstand wird in Serie zu jeder der Statorphasen geschaltet. Der Motor beschleunigt, und die Widerstände werden schrittweise getrennt.
• Autotransformatoren: Der Stator wird über einen Spartransformator mit dem Netz verbunden.
• Stern-Dreieck-Anlauf: Dies ist die am wenigsten genutzte Methode.

7. Funktionsprinzip eines Wechselstromgenerators

Ein Generator ist eine Maschine, bei der mechanische Energie über die Welle zugeführt wird, um den Rotor anzutreiben. Eine DC-Erregerwicklung im Rotor erzeugt ein Magnetfeld. Dadurch wird im Stator, wo sich die Ankerwicklung befindet, eine Wechselspannung erzeugt.

Eine Kraftmaschine dreht den Generator-Rotor. Während der Rotor durch eine DC-Quelle erregt wird, erzeugt er ein Magnetfeld, dessen Richtung und Sinn durch die Korkenzieherregel bestimmt werden. Dieses Feld wird im Rotor erzeugt und bewegt sich durch die Drehung der Welle.