Eine Drehstrom-Asynchronmaschine (DASM) (Drehstrom-Induktionsmaschine) ist eine Drehstrommaschine, bei der der Rotor (auch Läufer) im Betrieb als Generator mit höherer und als Elektromotor mit niedrigerer Drehzahl läuft als das Drehfeld des Stators. Sie besitzt einen passiven Läufer, der entweder ständig (Kurzschlussläufer, Käfigläufer) oder fallweise kurzgeschlossen wird (Schleifringläufer). Beim Einsatz als Generator kann der Läufer dieser Asynchronmaschine auch mit einer abweichenden Frequenz erregt werden (doppelt gespeiste Asynchronmaschine). Einphasig betreibbare Asynchronmotoren sind der Kondensatormotor, der Spaltpolmotor und der Anwurfmotor. Die Drehstrom-Asynchronmaschine wurde 1889 von Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski bei der Firma AEG entwickelt und ist in der elektrischen Antriebstechnik weit verbreitet.
mini|hochkant=1.25|Normmotor mit Gebläse und Kühlrippen,Dreieck: 750 W, 1420 min−1
Grundlagen Die Entwicklung des Asynchronmotors geht zurück auf Vorarbeiten von Galileo Ferraris (1885) und wesentliche Arbeiten von Michail von Dolivo-Dobrowolsky (1891). Letzterer baute den ersten Einfachkäfigläufer und später auch einen ersten Doppelkäfigläufer.
Der Asynchronmotor ist heute der am meisten verwendete Elektromotor. Drehstrom-Asynchronmaschinen werden mit Leistungen von bis zu mehreren Megawatt hergestellt. Der Vorteil gegenüber anderen Elektromotoren ist das Fehlen von Kommutator und Bürsten. Bürsten verschleißen und erzeugen Funken („Bürstenfeuer“), wodurch das Leitungsnetz mit hochfrequenten Schwingungen gestört wird. Außerdem dürfen Maschinen mit Bürsten wegen möglicher Wirkung des Bürstenfeuers als Zündquelle nicht in explosionsgeschützten Bereichen eingesetzt werden. Allerdings verursachen auch Asynchronmotoren – insbesondere beim Betrieb an einem Frequenzumformer – Oberschwingungen, die auf das Netz zurückwirken.
Motor Typischer Aufbau mini|Modell eines Käfigläufers mit 3 Eisenblechen (Beispiel) mini|Käfigläufer (links), Ständer (rechts) mit Ständerwicklungen
Der Motor besteht aus zwei Teilen, dem äußeren, feststehenden Ständer oder Stator und dem sich darin drehenden Läufer oder Rotor. Alternativ kann der Läufer auch um den Stator herumlaufen, wie es bei einem Radnabenmotor der Fall ist. Beidseits des schmalen Luftspalts fließen elektrische Ströme im Wesentlichen in axialer Richtung. Die Ströme sind in Spulendrähten konzentriert, die von weichmagnetischem Eisen umgeben sind. Das Eisen ist senkrecht zur Achse geblecht.
Beim Betrieb an Drehstrom beträgt die Zahl der Kupferspulen im Stator drei oder ein Vielfaches davon, siehe Polpaarzahl, mit einer Phasenverschiebung der Ströme in benachbarten Spulen von 120 Grad. Die Statorspulen sind zu drei Wicklungssträngen verbunden, deren Enden herausgeführt sind.
Für den Läufer eines Drehstrom-Asynchronmotors existieren zwei Bauformen: Bei einem Kurzschluss- oder Käfigläufer sind massive, gut leitfähige Stäbe an beiden Enden des Rotors ringförmig kurzgeschlossen. In der Massenfertigung wird das Blechpaket des Rotors entweder mit Nuten oder Kanälen versehen, die danach mit Aluminium ausgegossen werden. Zugleich werden oft Lüfter-Flügel gegossen, die auch als Kühllamellen dienen. Die Zahl der Stäbe ist oft verschieden von der Zahl der Pole des Stators, um die Polfühligkeit zu verringern.
Alle Anschlüsse des Schleifringläufermotors laufen entweder zu einem großen Motoranschlusskasten oder zu zwei getrennten Motoranschlusskästen. Im großen Anschlusskasten liegen die Wicklungsanfänge und -enden der Ständerwicklungen mit den Bezeichnungen U1 V1 W1/U2 V2 W2, die Enden der Läuferwicklungen mit den Bezeichnungen K L M (in großen Buchstaben) sowie der Schutzleiteranschluss (PE für Protective Earth). In der anderen Variante sind im ersten Motoranschlusskasten die Ständerwicklungen sowie der Schutzleiter und im zweiten die Läuferwicklungsenden und ebenfalls der Schutzleiter herausgeführt. Die Bezeichnungen der Anschlüsse sind identisch. Die Anschlussbezeichnungen an den Anlasswiderständen heißen (k l m) in kleinen Buchstaben. Dazu kommt wiederum PE. Da dieser Motor mit Anlasswiderständen betrieben wird, benutzt man nicht wie beim Kurzschlussläufer eine Stern-Dreieck-Schaltung. Anlasswiderstände oder Stern-Dreieckschaltungen werden benutzt, weil der Anlaufstrom das ca. 10fache des Nennstromes erreichen kann und evtl. die Motorsicherungen frühzeitig auslösen könnten. Außerdem ist bei diesen Anlaufschaltungen ein „sanfter“ und langsamer Anlauf des Motors gewährleistet, wie er in vielen Fällen gewünscht wird.
Der Ständer oder Stator besteht aus dem Gehäuse, dem Ständerblechpaket und der darin eingelegten Ständerwicklung, die immer als Mehrphasenwicklung ausgeführt ist. Das Gehäuse muss das Drehmoment gegen das Fundament abstützen. Häufig hat das Gehäuse außen Kühlrippen, die vom Lüfter des Läufers angeblasen werden.
Funktion mini|Wicklung einer 2 Polpaarigen Asynchronmaschine mit drei Strängen und Käfigläufer mini|Asynchronmaschine mit Polpaarzahl 2, Schlupf, das Statorfeld hat eine höhere Umlaufgeschwindigkeit als der Rotor Die Wirkungsweise der Drehstrom-Asynchronmaschine basiert auf dem Drehfeld, das im Luftspalt zwischen Stator und Rotor radial gerichtet ist.
Bewegt sich der Rotor synchron zum Drehfeld, so ist (bis auf TransientenEin noch vorhandener Käfigstrom klingt durch ohmsche Verluste ab.) der magnetische Fluss durch die Maschen des Käfigs konstant und es wird keine Spannung induziert. Das Drehmoment ist bzw. wird null.
Dreht sich der Rotor langsamer als das Drehfeld, so ändert sich der magnetische Fluss, was eine Spannung induziert, die wiederum einen Strom hervorruft. Solange der Schlupf klein ist, ist der Strom proportional zur Änderungsrate des Flusses, also zum Schlupf. Das mit dem Käfigstrom einhergehende Feld ist noch klein im Vergleich zum Feld des Stators und zu diesem um 90° phasenverschoben. Das dadurch entstehende Drehmoment ist proportional zum Schlupf.
Wird das Gegenfeld des Käfigs spürbar, so steigt der Käfigstrom nicht mehr proportional zum Schlupf an und die Phasenverschiebung nimmt ab. Das Drehmoment erreicht ein Maximum. Der Betriebspunkt liegt zwischen diesem Maximum und der Synchrondrehzahl.
Im anderen Extrem des blockierten Rotors entspricht der Käfig der Sekundärwicklung eines (kurzgeschlossenen) Transformators. Die Stromaufnahme ist begrenzt durch den Streufluss und ohmsche Verluste. Im Anfahrbereich hat der Motor einen schlechten Wirkungsgrad und erwärmt sich stark. Der hohe Anfahrstrom kann durch einen vorgeschalteten Anlasswiderstand gemindert werden. Neben dem Aufwand für zusätzliche Komponenten muss man eine längere Anfahrzeit in Kauf nehmen.
Während des Anfahrens können starke Geräusche auftreten. Es kann ein Verharren (Kleben) bei Drehzahlen unterhalb der Nenndrehzahl unter starker Geräuschbildung auftreten, häufig bei 1/7 der Synchrondrehzahl. Durch die Nuten in den Blechpaketen von Stator und Rotor werden Oberschwingungen im Stromnetz erzeugt (Nutenpfeifen).
Erster Grund: Beim Vorbeidrehen der Rotor- an den Statornuten treten Magnetflusspulsationen in den nicht genuteten Bereichen des Blechpaketes des Stators auf. Haben Rotor und Stator die gleiche Anzahl von Nuten, dann wirken die Pulse miteinander und der Motor kann „kleben“.
Zweiter Grund: Wenn Oberschwingungen mit der Eigenschwingung eines Maschinenteils (Rotor mit Lagerspiel) in Resonanz geraten, kann der Rotor kleben. Der Rotor läuft kurz an und bleibt unter Brummen stehen oder er schleicht über diesen Punkt hinweg.
Das Problem wird umgangen, wenn man die Nuten des Rotors schräg zur Wellenachse anordnet. Das verteuert zwar die Herstellung, phasenverschobene Magnetfelder können so jedoch nicht mehr in Resonanz kommen.
Steuerung Die Motoren werden meistens durch Schütze gesteuert, je nachdem welche Betriebsart vorgesehen ist. Ein Beispiel ist die Stern-Dreieck-Schaltung. Man kann die Motordrehzahl auch über Umrichter, wie z. B. Frequenzumrichter steuern, indem man die Frequenz erhöht oder reduziert. Das ist sinnvoll bei Anlagen, die eine variable Drehzahl benötigen, ohne dass ein verstellbares Getriebe eingesetzt werden soll. Auch ohne die Notwendigkeit variabler Drehzahlen können Frequenzumrichter sinnvoll sein, etwa zur Anpassung unterschiedlicher Netzfrequenzen (60 Hz – 50 Hz) und zur Änderung der Drehrichtung. Dabei sind Schutzfunktionen gegen Überstrom, Überlastung (Ixt) und Übertemperatur oft schon integriert, so dass der FU eine Anzahl mechatronischer Teile wie Schütze, Motorschutzschalter und -relais sowie Anlaufschaltungen ersetzen kann.
Drehstrom-Asynchronmotoren mit der Kennzeichnung 230V/400V auf dem Typenschild können mit einphasigen Frequenzumrichtern in Sternschaltung ohne Leistungsverlust betrieben werden. In allen anderen Fällen kann ein einphasiger Frequenzumrichter nur eine Strangspannung (von Phase zu Phase) von ca. 180 Volt anstelle der vorgesehenen 230 Volt erzeugen, was zu einem Leistungsverlust von rund einem Drittel führt.Mitmachprojekt Bandschleifmaschine, Foren-Beitrag vom 20. September 2017. In: werkzeug-news.de
In der Holzverarbeitung werden Motoren von Fräsmaschinen über einen Frequenzumrichter angeschlossen, der die Netzfrequenz von 50 Hz auf 200 oder 300 Hz erhöht, um die Drehzahl auf ca. 10.000 oder 17.000 min−1 zu steigern. Aufgrund der höheren Fliehkräfte müssen angepasste Werkzeuge verwendet werden.Forenbeiträge in Hochfrequenzwerkzeuge gesucht und Fein 200Hz Werkzeuge. In: werkzeug-news.de
Anlaufschaltung Asynchronmotoren besitzen einen hohen Einschaltstrom; ist dieser nicht bekannt, geht man vom Achtfachen des Nennstromes aus. Um das Netz und angeschlossene Getriebe zu schonen, sowie das Auslösen vorgeschalteter Sicherungen zu vermeiden, verwendet man bei Asynchronmotoren spezielle Anlassverfahren. Das am häufigsten verwendete Verfahren ist die Stern-Dreieck-Schaltung. Beim Anlauf in Sternschaltung sind Leistung und Drehmoment auf ein Drittel reduziert. Nach der Hochlaufzeit wird durch Umsteuerung der Schütze auf Dreieckbetrieb umgeschaltet. Frequenzumrichter können bei entsprechender Konfigurierung beziehungsweise Programmierung Asynchronmotoren sanft und lastangepasst hochfahren. Bei stärkeren Motoren muss das jeweilige Anlassverfahren mit dem Netzbetreiber abgestimmt werden.
Bei Käfigläufermotoren wirkt sich beim Anlaufen der Skineffekt günstig aus. Bei hohem Schlupf konzentriert sich der Strom am Rand der Kurzschlussstäbe, wodurch der Widerstand steigt. Über das Profil der Kurzschlussstäbe lässt sich die Kennlinie von Leistung und Drehmoment gegen die Drehzahl beeinflussen.
Früher verwendete man (u. a. bei Fahrgeschäften) Anlasswiderstände: Hier wurden zwei Elektroden in einen mit Salzwasser gefüllten Behälter eingetaucht. Durch die Eintauchtiefe konnte der Widerstand von Hand gesteuert werden, um ein langsames Anfahren zu ermöglichen. Ein Teil der Energie wurde dabei in Wärme umgesetzt und sorgte für einen charakteristischen Geruch durch das verdampfende Salzwasser, wie es in Museumsanlagen noch erlebbar ist.
In der Kältemaschinentechnik ist der Teilwicklungsanlauf ein etabliertes Standardverfahren zur Reduzierung des Anlaufstromes.
Drehzahlregelung mini|Schnittmodell durch den Stator bis zum Rotor mini|Kompletter Rotor einer Drehstrom-Asynchron-Lokomotive Asynchronmaschinen können am starren Netz am Frequenzumrichter oder Direktumrichter mit Polumschaltung (Dahlander oder getrennte Wicklungen) als Schleifringläufer als unter- oder übersynchrone Kaskade betrieben werden.
Unterschiedliche Polzahlen und Frequenzen ergeben folgende Drehzahlen für das Drehfeld: Polzahl Polpaarzahl nsync 50 Hz nsync 60 Hz 2 1 50 s−1 60 s−1 4 2 25 s−1 30 s−1 6 3 16,6 s−1 20 s−1 8 4 12,5 s−1 15 s−1 10 5 10 s−1 12 s−1 12 6 8,3 s−1 10 s−1 14 7 7,15 s−1 8,56 s−1 16 8 6,25 s−1 7,5 s−1
Das sind die Ständerdrehfeld-Drehzahlen, also die Drehzahl, die das Netz dem Motor über die Feldwicklungen im Stator aufprägt. Sie werden auch als Synchrone Drehzahl bezeichnet.