Ausgewählte Kapitel der Energieelektronik 1, Fach Nr Asynchronmaschinen

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1 Ausgewählte Kapitel der Energieelektronik 1, Fach Nr Prof. Dr.-Ing. H. Alt Asynchronmaschinen Der Asynchronmotor ist der am meisten verwendete Industriemotor. Er kann direkt (mit Motorschutzschalter) ans Drehstromnetz angeschlossen werden und ist sehr robust und einfach zu bauen. Grosse Asynchronmotoren haben einen guten Wirkungsgrad. Wegen dieser guten Eigenschaften ist dieser Antrieb international normiert und er wird auf der ganzen Welt in grossen Stückzahlen produziert. Motorbetrieb Generatorbetrieb Nennbetriebsbereich Drehzahl bei der Belastung mit der Nennleistung Schnitt durch einen Asynchronmotor Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie einer 2-poligen 3 kw Asynchronmaschine am 50 Hz Netz. 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 abweicht. Im Betriebsbereich ist das Drehmoment proportional zu dieser Abweichung, welche als Schlupf bezeichnet wird. Bei übersynchroner Drehzahl geht er in den Generatorbetrieb über. Bei der Asynchronmaschine wird die Rotorspannung über das Statormagnetfeld induziert, aus diesem Grund wird sie auch Induktionsmaschine 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. Der Asynchronmotor wird direkt an das Drehstromnetz (3 x 400 V) angeschlossen. Für kleine Leistungen (unter 2 kw) kann der Asynchronmotor mit einem Kondensator auch an das Wechselstromnetz (1 x 230 V) angeschlossen werden. Für noch kleinere Leistungen gibt es den Spaltpolmotor (einphasiger Asynchronmotor mit gespaltenem Stator), welcher einen schlechten Wirkungsgrad hat. Feld Symbol Bezeichnung Bemerkungen 1 Typenschild eines Asynchronmotors Motorenwerke ACME EFF2 7 ASM 100L V 5,9 A kw 0, U/min 50 Hz 11 6 Isol. Kl. F IP Hersteller 2 Motortyp 3 U Nennspannung 4 P Nennleistung 5 n Nenndrehzahl Typenbezeichnung des Herstellers, oft Baugrösse und Polzahl es wird die verkettete Spannung angegeben Zulässige dauernde mechanische Abgabeleistung 6 Isolationsklasse Temperaturfestigkeit der Wicklung 7 Effizienzklasse 8 Serienummer 9 I Nennstrom 10 cos Leistungsfaktor 11 f Nennfrequenz 12 Schutzklasse EFF1 ist am besten, ohne Bezeichnung EFF3 Stromaufnahme bei Nennspannung und Nennbelastung Phasenwinkel bei Nennspannung und Nennbelastung Schutz gegen das Eindringen von Fremdkörper und Wasser D:\FH\Hilfsb 72, Asynchronmaschine.doc

2 - 2 - Aus diesen Daten lassen sich folgende Nenngrössen ableiten: Formel Einheit Bezeichnung Beispiel Bemerkungen U/min Leerlaufdrehzahl rad/s Nennwinkelgeschwindigkeit U/min 302,6 rad/s aus der Nennfrequenz und Polpaarzahl oder von der Nenndrehzahl aufgerundet bei 50 Hz Netzfrequenz ein 2-poliger Motor, entsprechend n n =2.890 min -1 Nenndrehmoment 9,9 Nenndrehmoment an der Welle W Elektrische Leistung W aufgenommene elektrische Leistung - Wirkungsgrad 85,3 % W Verluste 515 W Das Minimum für Effizienzklasse EFF2 ist 82,6%, für EFF1 86,7% Verluste in der Statorwicklung, der Rotorwicklung,im Eisen, dem Lüfter und der Lagerreibung I w = I cos A Wirkstrom 5,1 A Bei Nennspannung und Nennlast I m = I sin A Magnetisierungsstrom 3,0 A Blindstrom Grundgleichungen: 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 Leerlaufdrehzahl 0 [rad/s] wird dieser Widerstandswert gross. Bei Drehzahlen über der Leerlaufdrehzahl wird der Widerstandswert negativ, der Widerstand wird zur Quelle (Generatorbetrieb). Die Leistung im Widerstand R r (1-s)/s I r ² [W] im Widerstand entspricht der mechanischen Leistung = 0 (1-s) [W], das Drehmoment ist somit M = R r I r ² / ( 0 ) []. Generatorbetrieb Bremsbetrieb Motorbetrieb Ersatzschaltbild einer Asynchronmaschine. s ist der Schlupf. Durch Zusammenfassen der beiden ohmschen Widerstände im Sekundärkreis ergibt sich resultierend R r /s als ein Widerstand. Drehmoment-Drehzahl-Kennline einer 2-poligen 3 kw, 50 Hz Asynchronmaschine. Wirkungsgradkennlinien einer streuarmen Asynchronmaschine beim Betrieb mit einem Frequenzumrichter in Abhängigkeit von der Drehzahl und Belastung:

3 - 3 - Aus dem einphasigen Ersatzschaltbild lassen sich untenstehende Grundgleichungen herleiten: Formel Einheit Bezeichnung Bemerkungen Drehmoment als Funktion der Statorspannung U s Drehmoment als Funktion des Statorstromes I s 1/s Leerlaufdrehzahl auch synchrone Drehzahl genannt s = r s = n = n 0 - Schlupf im Stillstand ist s = 1, im Leerlauf s = 0 Kippmoment das maximale Drehmoment des Motors im Betriebsbereich - Kippschlupf der Schlupf, bei dem das Kippmoment wirkt - Streuung - Rotorhilfswert drehzahlabhängig Drehmoment Formel von Kloss M k = Kippmoment, s k = Kippschlupf Formelzeichen (Symbol) Einheit Bezeichnung Bemerkungen U s V Statorspannung Strangspannung (Phase -Null) I s A Statorstrom Strangstrom (Sternschaltung) s rad/s Statordrehfrequenz f (bei 50 Hz = 314 rad/s) f Hz Statorfrequenz üblicherweise 50 Hz, in Amerika 60 Hz R s Statorwiderstand bei grossen Motoren zu vernachlässigen s H L s H Statorinduktivität L s = s + L h L h H Hauptinduktivität gemeinsame Induktivität von Stator und Rotor U r V Rotorspannung bei Kurzschlussankermotoren ist U r = 0 I r A Rotorstrom r rad/s Rotordrehfrequenz im Stillstand ist r = s im Leerlauf r = 0 R r Rotorwiderstand bei Industriemotoren schlupfabhängig r H Statorstreuinduktivität Rotorstreuinduktivität L r H Rotorinduktivität L r = r + L h m - Anzahl Phasen üblicherweise 3 (für Drehstrom) p - Polpaarzahl eine 2-polige Maschine hat die Polpaarzahl 1 rad/s Drehzahl U/min sind 314 rad/s Aus diesem Gleichungssystem lassen sich die nachfolgenden Kennlinien ableiten. Bei Schleifringankermotoren wird über Schleifringe und Bürsten die Verbindung zu der Rotorwicklung

4 - 4 - hergestellt und diese an externe Widerstände oder Phasenanschnittgeräte angeschlossen. Im Nennbetrieb sind die Rotorwicklungen intern oder extern kurzgeschlossen. 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 aber besser, jedoch sind solche Motoren sind nicht Standard. Für ein hohes Anlaufmoment setzt man spezielle Leiterformen ein, welche auch einen geringen Anlaufstrom ergeben. Synchronmaschine Asynchronmaschinen Verschiedene Formen der Rotorläufer. Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien von 2-poligen 3 kw Asynchronmaschinen mit unterschiedlichen Formen der Rotorleiter. Zusätzlich ist die Kennlinie eines Rotors mit Magneten (SM) eingetragen. 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 die nachfolgend angegebenen Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien. Für die Abschätzung der Ursache-Wirkungsbeziehungen von Asynchronmaschinen gelten folgende vereinfachte Beziehungen: Formel Einheit Bezeichnung Bemerkungen Drehmoment Drehmoment das Drehmoment ist im Bereich der Nenndrehzahl ungefähr gleich dem Produkt aus Wirkstrom und Magnetisierungsstrom das Drehmoment ist zwischen der Hälfte der Kippmomente gleich dem Produkt aus Nennmoment und dem relativen Schlupf s/s n 2 Rr I r P = m W Luftspaltleistung δ s V Spannung Die Luftspaltleistung teilt sich auf in die mechanische Leistung = P δ ( 1 s) und die Läuferverlustleistung = P δ s P el. P mech Symbol Einheit Bezeichnung Bemerkungen die Spannung ist ist im Bereich der Nenndrehzahl etwa proportional zum Magnetisierungsstrom und zur Drehzahl I w A Wirkstrom I w = I cos wird über eine Wirkleistungsmessung ermittelt I m A Magnetisierungsstrom I m = I sinauch Blindstrom genannt M n Nennmoment Nennleistung durch Nenndrehzahl in rad/s s n - Nennschlupf Schlupf bei der Nenndrehzahl P el

5 - 5 - 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. Der Softstarter (Phasenanschnittgerät zur kontinuierlichen Spannungserhöhung) wird normalerweise nach dem Hochfahren überbrückt. Motoren sind zur maximalen magnetischen Ausnützung des Eisens oft sehr knapp ausgelegt. Das heisst, wenn sie mit einer zu hohen Spannung betrieben werden, kommt das Eisen in die Sättigung und der Strom nimmt überproportional (hohe Leerlaufverluste) zu. 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. Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien einer 2- poligen 3 kw Asynchronmaschine mit unterschiedlichen Statorspannungen. Das Drehmoment nimmt mit dem Quadrat der Statorspannung zu. M ~ U s ² Leerlaufstrom in Funktion der Spannung. 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 in Wärme umgesetzt (Anlaufwiderstände) oder über ein Steuergerät (Untersynchrone Kaskade) ins Netz zurückgespeist. Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien einer 2- poligen 3 kw Asynchronmaschine mit unterschiedlichen Rotorwiderständen. Der Kippschlupf nimmt mit dem Rotorwiderstand proportional zu. s k ~ R r Das Kippmoment M k ist unabhängig vom Rotorwiderstand.

6 - 6 - 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 Eigenschaften eines Servoantriebes. 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. Veränderung der Streuung Die standardisierten Asynchronmotoren sind für den Betrieb am Drehstromnetz konstruiert. Das heisst, sie haben ein hohen Anlaufmoment (Stromverdrängungsnuten) und sind getrimmt auf einen möglichst niedrigen Anlaufstrom (Kippmoment das 2 bis 3-fache des Nennmomentes). 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 ist. Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien einer 2-poligen 3 kw Asynchronmaschine mit unterschiedlichen Statorfrequenzen. Die synchrone Drehzahl ist proportional zur Frequenz. 0 ~ s. Das Kippmoment fällt oberhalb der Nennfrequenz mit dem Quadrat der Frequenz ab. M k ~ 1 / s ² Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien einer 2-poligen 3 kw Asynchronmaschine mit unterschiedlicher Streuung. Das Drehmoment und der Anlaufstrom nehmen mit abnehmender Streuung zu. Quelle: GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS (Internet: