mini|Asynchrongenerator mit 200 kVA in einem Kleinwasserkraftwerk Asynchrongeneratoren sind in der elektrischen Energietechnik Asynchronmaschinen, welche als Generator betrieben werden. Sie werden unter anderem in dezentralen Kleinwasserkraftwerken aus wirtschaftlichen Gründen anstelle von Synchrongeneratoren zur Stromerzeugung eingesetzt. Des Weiteren kommen Asynchrongeneratoren als sogenannte Zusatz- oder Hilfsgeneratoren zum Einsatz.

Grundlagen mini|Asynchrongenerator vereinfachtes Ersatzschaltbild

Jede Asynchronmaschine kann sowohl als Motor als auch als Generator eingesetzt werden. Für den Einsatz als Generator muss die Asynchronmaschine magnetisch erregt und mechanisch angetrieben werden. Werden Asynchronmotoren schneller angetrieben als die Umdrehungsfrequenz des Drehfeldes, dann arbeiten sie als Generator und speisen Wirkleistung ins Netz. Dieses kann z. B. beim Abwärtsfahren von Personenaufzügen, Fördermaschinen oder Kränen auftreten. Dieser Effekt wird als Nutzbremsung bezeichnet. Bei polumschaltbaren Maschinen mit dem Umschalten von hoher Drehzahl auf niedrige Drehzahl (oder umgekehrt) ergeben sich zusätzliche Anforderungen, damit keine unzulässigen Spitzen bezogen auf Strom oder mechanische Last entstehen können. Das Ziel bleibt, die Abbremsenergie im Generatorbetrieb ins Netz zu speisen. Werden Asynchronmotoren über eine Antriebssteuerung (Frequenzumrichter) betrieben, so muss diese rückspeisefähig sein. Das bedeutet, der Frequenzumrichter muss einen Vierquadrantenbetrieb zulassen.

Aufbau und Funktion mini|Prinzipzeichnung eines Kurzschlussläufers (ohne Eisenblechpakete)

Als klassische Asynchrongeneratoren kommen Drehstromasynchronmaschinen mit Kurzschlussläufer zum Einsatz. Sie sind wesentlich einfacher aufgebaut als andere Asynchrongeneratoren. Die gängigsten Asynchrongeneratoren haben 4 Pole. Dadurch bedingt liegt die Drehfelddrehzahl nur bei 1500 min−1. Um eine Drehzahlstufung und damit eine weichere Netzkopplung zu erreichen, werden in bestimmten Bereichen Ständer mit polumschaltbaren Wicklungen verwendet. Dadurch erreicht man mit dem Asynchrongenerator im gesamten Leistungsbereich eine optimale Energieausbeute. Der Läufer wird als Rundstabläufer ausgeführt. Neben der Verwendung von normalen Industriemotoren werden auch spezielle Asynchronmaschinen für den Generatoreinsatz gebaut. Diese Asynchrongeneratoren haben Läuferstäbe aus Kupfer, um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Außerdem sind sie, bedingt durch eine bessere Blechqualität (verlustarme Magnetbleche für Stator und Rotor), speziell für den Einsatz als Generator konstruiert und optimiert.

Maßgeblich für das Betriebsverhalten der Asynchronmaschine ist die Abhängigkeit des Drehmomentes M von der Drehzahl n. Diese Abhängigkeit lässt sich aus der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie der Asynchronmaschine ablesen. Wirken auf die Generatorwelle zusätzliche Kräfte ein, so vergrößert sich der Schlupf, dieses wiederum hat eine Erhöhung der elektrischen Leistungsabgabe zur Folge. Der Unterschied zwischen Volllastdrehzahl und Leerlaufdrehzahl ist in der Praxis sehr klein. Die Differenz zur Synchrondrehzahl wird in Prozent angegeben und als Generatorschlupf bezeichnet, sie beträgt rund 1 Prozent. Das bedeutet für eine vierpolige Maschine, dass sie bei Volllastbetrieb mit 1515 min−1 läuft.

Da Asynchronmaschinen sowohl untersynchron als auch übersynchron betrieben werden können, gilt für eine vierpolige Maschine folgender Zusammenhang:

Untersynchroner Betrieb: Schlupf s > 0 → Motorbetrieb nN = 1480 min−1 Übersynchroner Betrieb: Schlupf s < 0 → Generatorbetrieb nN = 1515 min−1

Weil bei übersynchronem Betrieb die Läuferdrehzahl höher ist als die Drehfelddrehzahl, ist auch die Läuferfrequenz höher als die Drehfeldfrequenz. Somit wird in den Stäben des Läufers jeweils eine Spannung induziert. Da die Stäbe untereinander räumlich versetzt sind, besteht auch zwischen den jeweiligen Spannungen der einzelnen Stäbe eine Phasenverschiebung. Somit ist im Läufer eine Vielphasenspannung wirksam. Hat der Läufer z. B. 25 Stäbe, sind 25 phasenverschobene Wechselspannungen wirksam. Da die Läuferstäbe an den Stirnseiten des Läufers jeweils über Kurzschlussringe verbunden sind, fließt ein Vielphasenwechselstrom. Bei 25 Stäben fließt somit ein 25-phasiger Wechselstrom. Um den Läufer herum ruft der Vielphasenwechselstrom ein Läuferdrehfeld hervor, das genau dieselbe Polzahl hat wie das erregende Ständerdrehfeld, da der Käfigläuferrotor sich selbstständig an die Polzahl des Ständers anpasst. Aus diesem Grund kann dieser Läufer für eine Vielzahl von Polzahlen verwendet werden. Das Läuferdrehfeld ist um den Lastwinkel λ gegenüber dem Ständerdrehfeld versetzt und dreht sich in Drehrichtung des Läufers, wobei es diesem um den Schlupf hinterher hinkt, weil der Läufer (übersynchron) schneller dreht als das Ständerdrehfeld. Voraussetzung ist aber, dass die Antriebsleistung gleich bleibt. Das Läuferfeld induziert in der Ständerwicklung eine Spannung.

Wirkungsgrad mini|Verluste beim AsynchrongeneratorLegendePzu = zugeführte LeistungPab = abgegebene LeistungPCu1 = Kupferverluste (Wicklungen)PFe = EisenverlustePReibung = ReibungsverlustePCu2 = ohmsche Verluste im Kurzschlussläufer

Bei Generatoren, die mit hoher Einschaltdauer betrieben werden, ist der Wirkungsgrad der Maschine von großer Bedeutung. Der Wirkungsgrad des Generators wird im Wesentlichen durch drei Faktoren beeinflusst, die Kupferverluste, die Eisenverluste und die Reibungsverluste. Bei Generatoren, die über lange Zeit im Teillastbetrieb betrieben werden, ist zusätzlich ein guter Teillastwirkungsgrad wichtig. Die lastabhängigen Zusatzverluste betragen in der Regel 0,5 Prozent der Bemessungsleistungsabgabe. Durch konstruktive Maßnahmen lässt sich der Wirkungsgrad η des Generators optimieren. Dieses Optimum liegt je nach Leistung bei Asynchrongeneratoren bei bis zu 90 Prozent, bei größeren Generatoren sogar noch darüber.

Leistungsfaktor Der Leistungsfaktor cos φ ist beim Asynchrongenerator lastabhängig. Dies wirkt sich insbesondere dann aus, wenn die Maschine ein kleines Kippmoment hat. Der Leistungsfaktor ist ein Maß für die Maschinengüte. Dies bedeutet, dass mit größer werdendem Blindleistungsbedarf in einem gegebenen Betriebspunkt des Generators der Maschinenstrom auch größer wird. Der größere Maschinenstrom führt wiederum zu größeren Verlusten. Im Teillastbereich führt eine Verschlechterung des Leistungsfaktors zu einer relativen Verschlechterung der Verlustbilanz der Maschine. Deshalb ist schon bei der Maschinenauslegung im Vorfeld darauf zu achten, ob der Generator über längere Zeit im extremen Teillastbereich arbeiten muss. Durch leistungsumschaltbare Statorwicklungen lässt sich der Magnetisierungsbedarf der Maschine besser anpassen. Durch diese Maßnahme wird der erforderliche Blindleistungsbedarf der tatsächlich gelieferten Wirkleistung bereits generatorseitig angepasst. Der optimale maschinenseitige Leistungsfaktor liegt bei modernen Asynchrongeneratoren bei 0,87.

Magnetische Erregung Der Drehstromasynchrongenerator benötigt für die magnetische Erregung keine dauerhaft angeschlossene Gleichstromquelle. Allerdings ist er auch nicht in der Lage, sich selbst magnetisch zu erregen. Dies hat die Ursache in dem Umstand, dass die Richtung des induktiven Blindanteils zwischen Motor- und Generatorbetrieb unverändert bleibt. Aus diesem Grund ist es dem Asynchrongenerator auch nicht möglich, in ein nur mit induktiven oder ohmschen Widerständen belastetes Netz generatorisch einzuspeisen. Ohmsche und induktive Widerstände können nicht den erforderlichen induktiven Strom, welcher in diesem Fall als Magnetisierungsstrom dient, liefern. Die notwendige Erregung des Asynchrongenerators kann durch Fremderregung oder durch Kondensatorerregung erfolgen. Die Fremderregung erfolgt durch den Anschluss an ein von Synchrongeneratoren gespeistes Netz, die Synchrongeneratoren können den nötigen induktiven Blindstrom liefern. Man nennt diese Schaltung dann einen netzerregten Asynchrongenerator. Die Kondensatorerregung erfolgt durch Parallelschalten von Kondensatoren zur Statorwicklung. Man nennt diese Schaltung dann einen kondensatorerregten oder selbsterregten Asynchrongenerator.

Netzerregter Asynchrongenerator Beim netzerregten Asynchrongenerator entnimmt der Stator dem Versorgungsnetz die zum Magnetfeldaufbau erforderliche Blindleistung. Hierzu ist es erforderlich, dass andere Generatoren als Phasenschieber arbeiten und die erforderliche Blindleistung liefern. Wird der Rotor übersynchron angetrieben, so nennt man dieses einen negativen Schlupf. In dem Läufer entsteht die Quellenspannung −U02. Es fließt der Läuferstrom −I2. Dieser Läuferstrom ruft wiederum das Läuferfeld hervor, welches aufgrund des negativen Schlupfes der mechanischen Drehrichtung entgegenläuft. Die Folge davon ist, dass die Asynchronmaschine Wirkleistung ins Netz speist. Die ins Netz gespeiste Wirkleistung steigt mit der Erhöhung der übersynchronen Drehzahl. Die Netzfrequenz wird bestimmt von den angeschlossenen Synchrongeneratoren.

Kondensatorerregter Asynchrongenerator mini|Kondensatorerregter Asynchrongenerator

Beim kondensatorerregten Asynchrongenerator bildet die Parallelschaltung von Ständerwicklung und Kondensator einen Schwingkreis. Zusätzlich muss im Rotoreisen noch ein Teil Restmagnetismus vorhanden sein. Ist keine Remanenz mehr vorhanden, muss das Rotoreisen über eine Batterie vormagnetisiert werden. Hierzu wird eine entsprechende Leistungselektronik benötigt. Mit Hilfe des Schwingkreises wird der Magnetfluss im Ständerkreis aufgebaut. Werden die Kondensatoren entsprechend bemessen, wird die gewünschte Quellenspannung erzeugt. Der Asynchrongenerator arbeitet hierbei ohne Blindleistungsversorgung aus dem Netz. Die Kondensatoren können sowohl im Stern als auch in Dreieck geschaltet werden. Allerdings hat es sich in der Praxis bewährt, dass die Kondensatoren im Dreieck geschaltet werden. Die Kondensatoren dürfen jedoch nicht unmittelbar an die Generatorklemmen angeschlossen werden, weil es sonst zu einer unerwünschten Selbsterregung kommt. Um dieses zu vermeiden, müssen die Kondensatoren am Ende der Leitung angeschlossen werden. Da die Frequenz beim Asynchrongenerator nicht sehr stark beeinflusst wird, gilt es einen anderen Parameter, in diesem Fall die Spannung, konstant zu halten. Beim Asynchrongenerator ist die Spannung drehzahlabhängig und muss über eine Regelung konstant gehalten werden. Dies geschieht durch Regelung der Drehzahl. Um die Spannung konstant zu halten, muss die Drehzahl zwischen Leerlauf und Volllast veränderbar sein. Eventuell entstehende Frequenzschwankungen sind ohne praktische Bedeutung.

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