Asynchronmaschine


Zuletzt aktualisiert von Rolf Gloor am 04.06.2013

Artikel Introbild
Der Asynchronmotor ist der am meisten verwendete Industriemotor. Er kann direkt (mit Motorschutzschalter) ans Drehstromnetz angeschlossen werden, er ist sehr robust und einfach zu bauen. Grosse Asynchronmotoren haben einen hohen Wirkungsgrad. Wegen diesen guten Eigenschaften ist dieser Antrieb international normiert, auch in der Energieeffizienz.

Einleitung

  • asynchronmaschine_schnitt

    Schnitt durch einen Asynchronmotor.

Der Asynchronmotor hat seinen Namen von der Tatsache, dass er sich nicht genau mit der Netzfrequenz dreht. Er hat nur ein Drehmoment, wenn seine Drehzahl von der synchronen Drehzahl (Netzfrequenz) abweicht. Im Betriebsbereich ist das Drehmoment proportional zu dieser Abweichung, welche als Schlupf bezeichnet wird. Wenn die Maschine langsamer als das Netz dreht, ist sie ein Motor, wenn sie schneller dreht, ein Generator. Die Berechnung der Schlupfleistung kann grafisch erfolgen, die Berechnung des Drehmomentes ist komplizierter.

Beim Asynchronmotor wird die Rotorspannung über das Statormagnetfeld induziert, aus diesem Grund wird er auch Induktionsmotor genannt. In die Nuten des Stators sind die Wicklungspakete eingelegt. Im Rotor ist beim Kurzschlussankermotor nur ein Leiter pro Nut eingelegt oder eingegossen. Die Rotorleiter werden über je einen Ring an den Stirnflächen des Rotors kurzgeschlossen. Es werden weder Bürsten noch Magnete verwendet. Es gibt auch grössere Asynchronmaschinen, welche im Rotor eine Wicklung wie im Stator haben. Die 3 Anschlüsse dieser Wicklungen werden über 3 Schleifringe nach aussen geführt. Man nennt diesen Motorentyp Schleifringmotor. Der Asynchronmotor wird direkt an das Drehstromnetz (3 * 400 V) angeschlossen. Für kleine Leistungen (unter 2 kW) kann der Asynchronmotor mit einem Kondensator auch an das Wechselstromnetz (1 * 230 V) angeschlossen werden. Für noch kleinere Leistungen gibt es den Spaltpolmotor (einphasiger Asynchronmotor mit gespaltenem Stator und Kurzschlussringen), welcher einen schlechten Wirkungsgrad hat.

  • asynchronmaschine_kennlinie_2polig

    Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie einer 2-poligen 3 kW Asynchronmaschine am 50 Hz Netz.

Typenschild eines Asynchronmotors

1 Motorenwerke ACME IE3 7
2 ASM 100L-2 0123456 8
3 ∆ 400 V 5.76 A 9
4 3 kW cosφ 0.86 10
5 2890 U/min 50 Hz 11
6 Isol. Kl. F IP 44 12

Die einzelnen Eintragungen bedeuten:

Feld Symbol Bezeichnung Bemerkungen
1   Hersteller  
2   Motortyp Typenbezeichnung des Herstellers, oft Baugrösse und Polzahl
3 U Nennspannung es wird die verkettete Spannung angegeben
4 P Nennleistung Zulässige dauernde mechanische Abgabeleistung
5 n Nenndrehzahl Drehzahl bei der Belastung mit dem Nennmoment
6   Isolationsklasse Temperaturfestigkeit der Wicklung
7   Effizienzklasse IE4 ist derzeit am besten, früher EFF1
8   Serienummer  
9 I Nennstrom Stromaufnahme bei Nennspannung und Nennbelastung
10 cosφ Leistungsfaktor Phasenwinkel bei Nennspannung und Nennbelastung
11 f Nennfrequenz  
12   Schutzklasse Schutz gegen das Eindringen von Fremdkörper und Wasser

Aus diesen Daten lassen sich folgende Nenngrössen ableiten:

Formel Einheit Bezeichnung Beispiel Bemerkungen
U/min Leerlaufdrehzahl 3000 U/min aus der Nennfrequenz und Polpaarzahl (p)
rad/s Nennwinkelgeschwindigkeit 302.6 rad/s bei 50 Hz Netzfrequenz ein 2-poliger Motor
Nm Nenndrehmoment 9.9 Nm Zulässige dauernde Belastung
W Elektrische Leistung 3432 W Leistungsaufnahme bei Nennblastung
- Wirkungsgrad 87.4%

Für IE3 sind 87.1% Wirkungsgrad erforderlich
Ein üblicher 3 kW Motor hat einen Wirkungsgrad um die 80%

W Verluste 432 W Verluste in der Statorwicklung, der Rotorwicklung, im Eisen, dem Lüfter und Lagerreibung
Mit einer Toleranz von 15% können die Nennverluste auch 65 W grösser sein.
A Wirkstrom 4.95 A Bei Nennspannung und Nennbelastung
A Magnetisierungsstrom 2.94 A Blindstrom

Grundgleichungen

  • asynchronmaschine_schaltbild

    Ersatzschaltbild einer Asynchronmaschine. s = Schlupf

Das Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine ist sehr ähnlich dem eines Transformators. Im Ersatzschaltbild wird als Last an den Sekundärklemmen ein Widerstand eingesetzt, welcher vom Schlupf s [-] abhängig ist. Bei Drehzahlen um die Leelaufdrehzahl Ω0 [rad/s] wird dieser Widerstandswert gross. Bei Drehzahlen über der Leerlaufdrehzahl wird der Widerstandswert negativ, der Widerstand wird zur Quelle. Die Leistung im Widerstand Rr (1-s)/s Ir² [W] im Widerstand entspricht der mechanischen Leistung M Ω = M Ω0 (1-s) [W], das Drehmoment ist somit M = Rr Ir² / (s Ω0) [Nm].

Aus diesem einphasigen Ersatzschaltbild lassen sich untenstehende Grundgleichungen herleiten:

Formel Einheit Bezeichnung Bemerkungen
M(u,f) Nm Drehmoment in Funktion der Statorspannung Us
M(I) Nm Drehmoment in Funktion des Statorstromes Is
n0(f,p) 1/s Leerlaufdrehzahl auch synchrone Drehzahl genannt
s(n0,n) - Schlupf im Stillstand ist s = 1 im Leerlauf  s = 0
Mk(U,f) Nm Kippmoment das maximale Drehmoment des Motors
im Betriebsbereich
sk(R,f,L,h) - Kippschlupf der Schlupf, bei dem das Kippmoment wirkt
h(Lh,Ls,Lr) - Streuung  
x - Rotorhilfswert drehzahlabhängig
Kloss   Drehmoment Formel von Kloss
Symbol Einheit Bezeichnung Bemerkungen
Us V Statorspannung Strangspannung (Phase-Null)
Is A Statorstrom Strangstrom (Sternschaltung)
ωs rad/s Statordrehfrequenz ω = 2 π f (bei 50 Hz = 314 rad/s)
f Hz Statorfrequenz üblicherweise 50 Hz, in Amerika 60 Hz
Rs Ω Statorwiderstand bei grossen Motoren zu vernachlässigen
s H Statorstreuinduktivität beeinflusst das Kippmoment und den Anlaufstrom
Ls H Statorinduktivität Ls = s + Lh
Lh H Hauptinduktivität gemeinsame Induktivität von Stator und Rotor
Ur V Rotorspannung bei Kurzschlussankermotoren ist Ur = 0
Ir A Rotorstrom  
ωr rad/s Rotordrehfrequenz im Stillstand ist ωr = ωs im Leerlauf  ωr = 0
Rr Ω Rotorwiderstand bei Industriemotoren schlupfabhängig
r H Rotorstreuinduktivität beeinflusst das Kippmoment und den Anlaufstrom
Lr H Rotorinduktivität Lr = r + Lh
m - Anzahl Phasen üblicherweise 3 (für Drehstrom)
p - Polpaarzahl eine 2-polige Maschine hat die Polpaarzahl 1
Ω rad/s Drehzahl 3000 U/min sind 314 rad/s

Daraus ergibt sich untenstehende Kennlinie, wie sie bei Schleifringankermotoren gemessen werden. Bei diesen wird über Schleifkontakte die Rotorwicklung abgegriffen und an externe Widerstände oder Phasenanschnittgeräte angeschlossen. Im Nennbetrieb sind die Rotorwicklungen intern oder extern kurzgeschlossen.

  • asynchronmaschine_mn_ursprung

    Theoretische Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie einer 2-poligen 3 kW 50 Hz Asynchronmaschine.

Stromverdrängungsläufer

Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie eines Asynchronmotors mit einer runden Leiterform im Rotor ist für den Netzbetrieb nicht universell geeignet, da das Anlaufmoment (auch Anzugsmoment genannt) gering ist. Für den Betrieb mit Frequenzumrichter wären runde Rotorleiter besser, aber solche Motoren sind nicht Standard. Für ein hohes Anlaufmoment setzt man spezielle Leiterformen ein, welche auch einen geringen Anlaufstrom ergeben.

  • asynchronmaschine_laeufer

    Verschiedene Formen der Rotorläufer.

Bei hoher Rotorfrequenz (beim Anlauf) wird durch das wechselnde Magnetfeld des Rotorstroms der Strom aus den inneren Zonen des Rotor Richtung Luftspalt gedrängt (Stromverdrängung). Dadurch erhöht sich der Widerstand der Rotorwicklung und der Kippschlupf wird grösser, was ein höheres Moment bei tiefen Drehzahlen ergibt. Wenn der Motor in den Bereich der Nenndrehzahl gelangt, wird die Rotorfrequenz immer kleiner (fast Gleichstrom) und die Stromverdrängung wirkt kaum noch. Dadurch steht der ganz Rotorleiterquerschnitt zur Verfügung, was einen geringen Widerstandswert und somit einen kleinen Kippschlupf ergibt. Durch die steile Kennlinie läuft der Motor auf einer hohen Nenndrehzahl (geringer Schlupf) und hat eine grosse Leistung und geringe Rotorverluste (hohen Wirkungsgrad). Beim Rundstabläufer ist der Stromverdrängungseffekt gering, dafür hat er die beste Nennleistung. Standardmotoren haben einen Hochstab- oder Doppelstabläufer. Es gibt auch noch weitere Läuferformen wie der Tropfenstab und Keilstab. Die Leiterformen bewirken untenstehende Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien:

  • asynchronmaschine_kennlinie_verschiedene_rotorleiter

    Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien von 2-poligen 3 kW Asynchronmaschinen mit unterschiedlichen Formen der Rotorleiter. Zusätzlich ist die Kennlinie eines Rotors mit Magneten (Synchronmaschine) eingetragen.

Vereinfachte Grundformeln

Für Asynchronmotoren können folgende vereinfachte Beziehungen verwendet werden:

Formel Einheit Bezeichnung Bemerkungen
Nm Drehmoment das Drehmoment ist im Bereich der Nenndrehzahl
ungefähr proportional zum Produkt aus Wirkstrom und Magnetisierungsstrom
Nm Drehmoment das Drehmoment ist zwischen der Hälfte der Kippmomente
ungefähr proportional zum Schlupf
V Spannung die Spannung ist ist im Bereich der Nenndrehzahl etwa
proportional zum Magnetisierungsstrom und zur Drehzahl
Symbol Einheit Bezeichnung Bemerkungen
Iw A Wirkstrom Iw = I cosφ kann über eine Wirkleistungsmessung ermittelt werden
Im A Magnetisierungsstrom Im = I sinφ auch Blindstrom genannt
Mn Nm Nennmoment Nennleistung durch Nenndrehzahl in rad/s
sn - Nennschlupf Schlupf bei der Nenndrehzahl

Veränderung der Statorspannung

Beim Anlauf nimmt der Asynchronmotor sehr hohe Ströme auf. Um die Belastung des Stromnetzes zu reduzieren wird der Motor bei grösseren Leistungen mit einer tieferen Spannung angefahren. Mit dem Stern/Dreieck Anschluss liegen in der Sternschaltung 400 V über zwei Windung an. Nach einer gewissen Zeit wird durch einen externen Schalter in die Dreieckschaltung umgeschaltet und 400 V an eine Windung angelegt. In der Sternschaltung hat der Motor nur ein Drittel des Nenndrehmomentes. Auf dem Typenschild sind die erforderlichen Spannungen für die Nennleistung in Dreieck und Sternschaltung angegeben (Nennspannung 400/690 V). Die hohen Anlaufströme und die mechanischen Anfahrstösse können auch mit einem Sanftanlaufgerät reduziert werden. Das Sanftanlaufgerät (Phasenanschnittgerät zur kontinuierlichen Spannungserhöhung) wird normalerweise nach dem Hochfahren überbrückt.

  • asynchronmaschine_kennlinie_verschiedene_statorspannungen

    Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien einer 2-poligen 3 kW Asynchronmaschine mit unterschiedlichen Statorspannungen. Das Drehmoment nimmt mit dem Quadrat der Statorspannung zu. M ~ Us²

  • asynchronmaschine_saettigung

    Leerlaufstrom in Funktion der Spannung.

Motoren sind zur maximalen magnetischen Ausnützung des Eisens oft knapp ausgelegt. Das heisst, wenn sie mit einer zu hohen Spannung betrieben werden, kommt das Eisen in die Sättigung und der Strom nimmt überproportional zu (hohe Leerlaufverluste). Industriemotoren werden oft knapp unter der Sättigungsgrenze ausgelegt, eine höhere Betriebsspannung bewirkt eine überproportionale Zunahme des Stromes, erhöht kaum das Drehmoment und kann den Motor zerstören.

Veränderung des Rotorwiderstandes

Für besondere Anwendungen (Aufzüge ...) werden auch Asynchronmotoren mit einem hohen Läuferwiderstand (Rotorwiderstand) gebaut. Je höher der Widerstand ist, desto mehr verschiebt sich das maximale Drehmoment (Kippmoment) zu tiefen Drehzahlen. Solche Widerstandsläufermotoren haben einen schlechten Wirkungsgrad und brauchen deshalb ein grosses Gehäuse, um die Verlustwärme loszuwerden. Bei grösseren Leistung wird statt des Kurzschlussankers im Rotor eine Drehstrom-Wicklung eingelegt, deren Enden über 3 Schleifringe von aussen abgegriffen werden. Die Rotorleistung wird dann in externen Widerständen verheizt (Anlaufwiderstände) oder über ein Steuergerät (Untersynchrone Kaskade) ins Netz zurückgespiesen.

  • asynchronmaschine_kennlinie_verschiedene_rotorwiderstaende

    Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien einer 2-poligen 3 kW Asynchronmaschine mit unterschiedlichen Rotorwiderständen. Der Kippschlupf nimmt mit dem Rotorwiderstand proportional zu. sk ~ Rr. Das Kippmoment Mk ist unabhängig vom Rotorwiderstand.

Veränderung der Statorfrequenz

Mit einem Frequenzumrichter kann die Statorspannung und Frequenz des Asynchronmotors stufenlos verändert werden. Dadurch wird aus dem Standardmotor ein drehzahlveränderliches Antriebssystem. Mit einem Rotorlagegeber, dem Errechnen der Magnetisierung und dem Einprägen der entsprechenden Statorströme (Vektorregelung) hat ein Asynchronmotor die Regeleigenschaften eines Servoantriebes.

  • asynchronmaschine_kennlinie_verschiedene_frequenzen

    Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien einer 2-poligen 3 kW Asynchronmaschine mit unterschiedlichen Frequenzen unter der Nennfrequenz. Die synchrone Drehzahl ist proportional zur Frequenz. Ω0 ~ ωs. Unterhalb der Nennfrequenz muss die Spannung wegen der Sättigung reduziert werden. Us ~ ωs

Wenn die Frequenz über die Nennfrequenz erhöht wird, was für den Frequenzumrichter kein Problem ist, nimmt der Magnetisierungsstrom ab, da die Ausgangsspannung normalerweise nicht über den Nennwert erhöht werden kann. Wie bei der Gleichstrommaschine bei geschwächtem Erregerfeld nennt man diesen Bereich Feldschwächbereich. Das Kippmoment fällt quadratisch mit der Frequenz, das Nennmoment proportional zur Frequenz. Daraus ergibt sich ein Bereich konstanter Nennleistungsabgabe, bis das Kippmoment kleiner als das Nennmoment wird.

  • asynchronmaschine_kennlinie_verschiedene_stator_frequenzen

    Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien einer 2-poligen 3 kW Asynchronmaschine mit unterschiedlichen Statorfrequenzen. Die synchrone Drehzahl ist proportional zur Frequenz. Ω0 ~ ωs. Das Kippmoment fällt über der Nennfrequenz im Quadrat zur Frequenz. Mk ~ 1 / ωs²

Veränderung der Streuung

Die standardisierten Asynchronmotoren sind für den Betrieb am Drehstromnetz konstruiert. Das heisst, sie haben ein hohen Anlaufmoment (Stromverdrängungsnuten), sie sind getrimmt auf einen möglichst niedrigen Anlaufstrom und ein Kippmoment das das 2 bis 3-fache des Nennmomentes beträgt. Auch Asynchronmaschinen im Megawattbereich, welche in Einzelstücken hergestellt werden, unterliegen dieser Orientierung am Netzbetrieb. Ein Antriebssystem, welches aus einem Frequenzumrichter und einer Asynchronmaschine besteht, stellt andere Anforderungen an den Motor.

Durch eine geschickte Konstruktion, welche die Streuung minimiert, kann das Kippmoment sehr viel höher liegen. Dadurch kann der Asynchronmotor kurzzeitig ein mehrfaches seines Nennmomentes abgeben, ohne überdimensioniert zu sein. Bei Anwendungen, welche über einen weiten Bereich konstante Leistung benötigen (spanabhebende Bearbeitung, Zentrumswickler, Traktion ...), erlaubt dieses hohe Kippmoment einen grossen Feldschwächbereich, indem der Wirkungsgrad besser als im Nennpunkt sein kann.

  • asynchronmaschine_kennlinie_verschiedene_streuung

    Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien einer 2-poligen 3 kW Asynchronmaschine mit unterschiedlichen Streuung. Das Drehmoment und der Anlaufstrom nehmen mit abnehmender Streuung zu.

Am Beispiel einer streuarmen Asynchronmaschine ergeben sich beim Betrieb mit einem Frequenzumrichter folgende Wirkungsgrade in Funktion der Drehzahl und Belastung:

  • asynchronmaschine_wirkungsgradfeld

    Wirkungsgradfeld einer 4-poligen streuarmen 3 kW Asynchronmaschine mit einem Frequenzumrichter zwischen 0 und 200 Hz.


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