Prinzip der Asynchronmaschine ASM.doc

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1 Prinzip der Aynchronmachine AM.doc 13 Aynchronmachine Die Aynchronmachine (AM) it wegen ihrer obutheit die am häufigten für eletriche Antriebaufgaben eingeetzte Machine. Dehalb ind mehr al 80% aller Eletromotoren über 1W Leitung Aynchronmotoren. Nachteilig it die enge Bindung der Drehzahl an die peiende Netzfrequenz. Bei Diretanchluß an da 50Hz- Netz ind dadurch eine Drehzahlen über /min erreichbar. Die Anpaung der Drehzahl an den Arbeitproze muß daher mit Getrieben erfolgen. Neuerding ind auch eletroniche Umrichter o preigüntig, daß diee vermehrt zur peiung von drehzahlvariablen Aynchronmachinen verwendet werden. Bild 13.1: Anwendung von Aynchronmachinen Bild 13.: chnittbild einer Aynchronmachine mit angebautem Getriebe 13.1 Prinzip der Aynchronmachine Die Wirungweie der Aynchronmachine beruht auf der Enttehung eine magnetichen Drehfelde durch die dreiphaige Wiclung. Die prinzipielle Arbeitweie der Aynchronmachine oll anhand eine einfachen Modell nach Bild 13.3 erlärt

2 Aynchronmachine werden. Wie bei der Erzeugung einer Drehpannung durch einen Drehtromgenerator (iehe Bild 7.1?) trägt da tatorblechpaet bei dieem einfachen Modell drei Durchmeerpulen, und T, die um jeweil 10 räumlich gegeneinander veretzt ind. φ φ 14_.cdr ETI Vo 14_.cdr ETI Vo T T φ T φ T T γ T T 14_.cdr ETI Vo 14_.cdr ETI Vo Bild 13.3: 14_.cdr ETI Vo ichtungen de Flue, wenn nur jeweil eine Wiclung betromt wird und Überlagerung der Einzelflüe bei einem inuförmigen tromytem. Wenn man annimmt, daß jede Wiclung für ich in der angegebenen Weie vom trom durchfloen it, o erhält man die um jeweil 10 räumlich gegeneinander verchoben Flüe Φ, Φ und Φ T. Die Flüe in Bild 13.3 ind unter der Annahme gezeichnet, daß die ie erregenden tröme gleich groß ind. Eratzweie läßt ich eine Durchmeerpule durch eine Indutivität enrecht zur Durchmeerpule eretzen. Werden nun die Wiclungen mit einem inuförmigen Drehtromytem nach Bild 13.3 gepeit, dann verändern die Einzelflüe ihre Amplitude entprechend der Zeitverläufe der tröme. Außerdem überlagern ich die Flüe vetoriell innerhalb der Machine zu einem Geamtfluß. In Bild 13.4 ind für die Winel ω t =0, 60, 10 und 180 die Flüe vetoriell addiert. Man erennt, daß der Betrag φ + φ + φ de Geamtflue ontant bleibt und ich genau mit dem T Winel de peienden tromytem räumlich bewegt. E entteht dehalb in der Machine ein ich räumlich drehende Magnetfeld. Wenn wir für ω t = x etzen, erhalten wir für die zeitliche Abhängigeit der Flüe Φ t =Φ co x ; () ( ) M

3 Prinzip der Aynchronmachine 13.3 π Φ () t =ΦM co x 3 ; (13.1) 4π Φ T () t =ΦM co x 3. i i i i T t φ ω ω φ φ T φ T ω φ φ T φ φ φ T φ φ ω φ Bild 13.4: äumlicher ich drehender Fluß bei peiung der tänderwiclung mit Drehtrom. Al Modell für die in der Aynchronmachine vorhandenen otorwiclungen bringen wir eine drehbare pule in da ich drehende Feld und führen für die mit der pule vernüpften Größen die Zahl al Index ein. Bei tilltehender pule wird in der pule eine pannung induziert. Fall ich die pule genau ynchron mit dem Fluß dreht, findet für die pule eine Flußänderung tatt und die induzierte pannung it Null, folglich ann dann in den otorwiclungen ein trom fließen. Ert wenn ich die pule aynchron, alo langamer oder chneller al da Drehfeld dreht, wird in der otorwiclung eine zu der elativgechwindigeit proportionale pannung induziert. AM4.cdr ETI Vo

4 Aynchronmachine Bild 13.5: In ich urzgechloene Leiterchleife in einem tänder mit 3 Polpaaren (lin). Drehende Magnetfeld durchetzt ein Kurzchlußäfig (recht). Wenn ich die pule mit dem Winel γ bewegen ann, gilt für die von den tänderwiclungen, und T erregten Teilflüe durch die otorpule: () Φ =Φ t co γ π Φ =Φ() t co γ 3 (13.) 4π Φ T =ΦT () t co γ 3. Der Geamtfluß Φ durch die otorpule etzt ich au der umme der Teilflüe zuammen und it von dem tellungwinel γ und dem eletrichen Winel ω t bzw. der Zeit t abhängig. Für den Geamtfluß gilt: Φ =Φ +Φ +Φ T. (13.3) Wenn wir die zeitabhängigen Flüe nach Gl.(13.1) in Gl.(13.) einetzen und nach Gl.(13.3) den Betrag ermitteln, erhält man: 4 4 M co x co co x π co π co x π co π Φ =Φ γ+ γ + γ π = ΦM co( x ) co( x ) co( x ) co x co( x ) γ + +γ + γ + +γ + γ 3 8π + co x +γ. 3 Durch weitere Umformungen erhält man darau den Geamtfluß Φ durch die otorpule 3 Φ = ΦM co( ωt γ ). (13.4) Au der Gl.(13.4) ann man am Argument der Koinufuntion ehen, daß die Flußänderung durch die pule vom Differenzwinel ω γ t abhängig it. Wenn ich der

5 Prinzip der Aynchronmachine 13.5 otor genau mit dem vom tändertrom erregten magnetichen Feld dreht, it Φ max. ( ω t =γ ). Die Winelgechwindigeit de otor bezeichnet man in dieem Fall al die ynchrone Winelgechwindigeit Ω. Durch die Überlagerung der drei Teilflüe haben wir fetgetellt, daß ich ein magneticher Fluß Φ mit zwei Polen ergibt (Nord- und üdpol). Die tänderwiclung nach Bild 13.4 hat alo ein Polpaar, da wir mit p bezeichnen. Bringt man nun im tänder der Machine nicht nur 3 pulen, ondern p 3 pulen gleichverteilt am Umfang an, dann bewegt ich da magnetiche Feld nur noch um 1/ p de geamten mechanichen Umfang weiter, wenn der eletriche Winel ich um π ändert (Bild 13.5 und Bild 13.6). Die mechaniche ynchrone Winelgechwindigeit Ω it daher ω Ω =. (13.5) p Die ynchrone Drehzahl n erhält man darau zu Ω ω f n = = = π p π p. (13.6) V1 W W1 U V1 Läufer U1 W U Ω Ω U1 Luftpalt W1 V tänder V AM.cdr ETI Vo AM.cdr ETI Vo Bild 13.6: Anordnung der Wiclungen bei einem und zwei Polpaaren. Am 50Hz-Netz ergibt ich für p = 1 die größte ynchrone Drehzahl von 1 n = 3000 min, bei 60Hz-Netzen (UA) it die höchte ynchrone Drehzahl 1 n = 3600 min. Bei verchiedenen Polpaarzahlen p ergeben ich die folgenden ynchronen Drehzahlen: n p /min Zur ichtungumehr der ynchronen Drehzahl n ind zwei beliebige Leiteranchlüe de Drehtromnetze an den Machinenlemmen zu vertauchen. Analytich drüct ich die in einem Vorzeichenwechel im Argument der Koinufuntion von Gl.(13.4) au.

6 Aynchronmachine Die auf die ynchrone Winelgechwindigeit bezogene elativ-winelgechwindigeit Ω de otor zu der ynchronen Winelgechwindigeit Ω de Drehfeld bezeichnet man al chlupf. oder ω Ω Ω Ω = = = 1 Ω Ω Ω ( 1 ) (13.7) Ω=Ω. (13.8) Durch die Definition de chlupfe vereinfachen ich viele Gleichungen, die für die AM gültig ind. Der dimenionloe chlupf it Null, wenn ich der otor genau mit der ynchronen Winelgechwindigeit dreht. Bei tilltehendem otor it = 1 und im otor tritt die ynchrone Winelgechwindigeit Ω al otorfrequenz ω auf. Au Gl.(13.8) erhält man: Ω=Ω Ω =Ω ω oder ω = Ω. (13.9) Die gleichen Zuammenhänge gelten auch für die Frequenzen. f = f. (13.10) Für die in der otorpule induzierte pannung gilt bei ontanten Winelgechwindigeiten mit x=ωt, γ =Ω t und unter Vernachläigung de Nullphaenwinel ( p = 1) i 3 i i 3 u =Φ = ΦM in x γ x γ = ΦM ωt Ωt ω Ω Mit der otorreifrequenz ω =ω Ω wird darau ( ) in( ) ( ) 3 u = ω ΦM in ω t. (13.11) Die in der otorpule induzierte pannung u it bei ontantem Fluß alo zu der Differenzreifrequenz ω bzw. zum chlupf =ω / Ω proportional (Bild 13.7).. ω U 1 0 0,5 0-0,5 0,5 1 0,5 14_4.cdr ETI Vo n n Bild 13.7: Effetivwert U der Läuferpannung und Differenz-Kreifrequenz ω in Abhängigeit vom chlupf bzw. der bezogenen otordrehzahl n/ n. Die otorpule ann durch eine Indutivität L und einen Widertand owie durch die pannungquelle u dargetellt werden. Die im Läufer der Aynchronmachine

7 Prinzip der Aynchronmachine 13.7 vorhandenen otorpulen ind urzgechloen, daher chließen wir auch unere Modellpule urz. I i L i π U u u L u 14_4.cdr ETI Vo ϕ -I 14_4.cdr ETI Vo Bild 13.8: Eratzchaltung und Zeigerdiagramm der otorpule In der urzgechloenen pule fließt dann ein Wecheltrom i = i, der gegenüber der treibenden pannung u die Phaenverchiebung ϕ hat u 3 1 i = M in ( t ) Z = ω Φ Z ω ϕ. (13.1) Mit den omplexen Effetivwerten gilt: U I = (U ei reell) (13.13) Z = + ω ( ) Z L ω ϕ= arctan L = arcco. Z Weil ich die tromdurchfloenen Leiter der otorpule in einem magnetichen Feld befinden, wird auf ie eine Kraft F augeübt, die proportional zu dem Produt Bi it. Die Leiter befinden ich an der telle γ +π /, wehalb auch die magnetiche Indution B an dieer telle für die Berechnung eingeetzt werden muß. Um die mechanichen Abmeungen und damit die Machinenontanten bei der folgenden Herleitung nicht berücichtigen zu müen, wird nur die Proportionalität der Größen betrachtet. φ (γ+ π ) F γ φ (γ) F φ T Bild 13.9: Kräfte auf die tromdurchfloenen Leiter der otorpule Mit der oben gewählten Zählweie für γ erhält man

8 Aynchronmachine π F m B γ + i( γ) ( m = zeitlich veränderliche Drehmoment) B Φ B π π co x π co t π γ + Φ γ + γ = ω = in ( ωt). Daher folgt für den Momentanwert mt () de Drehmoment: ω m in ω t in ( ω t ϕ ), Z durch einfache trigonometriche Umformung wird darau m ω co ϕ co( ω t ϕ ) Z. Nun bilden wir den zeitlichen Mittelwert über da Drehmoment m. Da der zweite Term wegen ω einen Beitrag zum Mittelwert liefert, erhält man ω ω co ϕ= co arcco, m M Z + ( ω ) Z L ω ω 1 M = =, Z + ( ω ) L ω L + L ω L 1 M. (13.14) ω L + ω L Bei gegebenen Parametern und L it da mittlere Drehmoment M nur von der otorreifrequenz ω abhängig. Wir unteruchen, wo die Funtion M ( ω ) ihr Maximum hat. Da die Abhängigeit nur im Nenner vorommt, liegt ein Maximum von M dann vor, wenn 1/ M ein Minimum hat. E läßt ich zeigen, daß der Arbeitpunt bei dem maximalen Drehmoment intabil it; man agt die Machine ippt und bezeichnet dieen Punt al Kipppunt. Die zu dem Maximum gehörenden Größen erhalten dehalb den zuätzlichen Index (otor-kippreifrequenz ω, Drehmoment M uw.). δ ω! L + = 0 oder δω ωl L ω L = + = L L 0 ω ω =. (13.15) L Da Kippmoment wird damit

9 Prinzip der Aynchronmachine M. (13.16) ω ω + ω ω Zu der otorreifrequenz ω gehört der Kippchlupf ω = Ω ; ω = Ω Damit wird durch Einetzen in die Momentengleichung Gl.(13.16) 1 M. + Für die graphiche Dartellung beziehen wir da Drehmoment M auf da oeben berechnete maximal auftretende Kippmoment M und erhalten dafür + M = = M + + M M = +. (Klo che Formel) (13.17) Die Gl.(13.17) wird al Klo'che Formel bezeichnet und bechreibt die Abhängigeit de Drehmoment vom chlupf. Zum Zeichnen der Funtion M / M machen wir folgende Näherungen: M = in der Nähe der ynchronen Drehzahl M + M = in der Nähe von n=0 M + M = = 1. M Die Abhängigeit de auf da Kippmoment bezogenen Drehmoment it in Bild dargetellt. Die alierung der Ache für den chlupf läuft der alierung der Drehzahlache entgegen. Bei der Dartellung wird im Gegenatz zur Gleichtrommachine üblicherweie da Drehmoment auf der Ordinatenache und die Drehzahl auf der Abzie aufgetragen. Die bei realiierten Machinen gültigen Kennlinien haben prinzipiell immer den in Bild dargetellten Verlauf, önnen jedoch bei Drehzahlen um Null von dem theoretichen Verlauf abweichen.

10 Aynchronmachine Bild 13.10: Drehmomenten-Drehzahl-Kennlinie der Aynchronmachine 13. Eratzchaltbild der Aynchronmachine Für die Aynchronmachine ann ein zum Tranformator ehr ähnliche einphaige Eratzchaltbild angegeben werden, wobei ich die urzgechloenen otorwiclungen durch einen Widertand / und die otortreuindutivität L σ dartellen laen. Die ommt daher, daß bei tilltehender Machine ( =1) in den otorwiclungen genau wie beim Tranformator in der eundärwiclung pannungen induziert werden. Wenn der otor in Drehrichtung der ynchronen Drehzahl gedreht wird, verringert ich die Änderunggechwindigeit de otorflue und damit auch die in der otorwiclung induzierte pannung nach Gl.(13.11). Wegen I U / folgt U / I /. Durch mathematiche Umformung ann man den Widertand / in die umme + ( 1 ) / aufpalten (Bild 13.11). Die am otorwidertand auftretende Leitung it die Verlutleitung im Läufer. Die am Eratzwidertand ( 1 ) / auftretende Leitung wird von der Machine al mechaniche Leitung abgegeben. Die umme der beiden Leitungen wird über da Drehfeld bzw. über den Luftpalt in den otorrei übertragen. Man nennt dehalb diee Leitung die Drehfeldleitung P. D

11 Leitungen I I Ŕ j L ω σ I µ j ω L σ U j ω L h 1- tänderrei otorrei Bild 13.11: Eratzchaltung der Aynchronmachine 13.3 Leitungen Die Aynchronmachine belatet da Drehtromnetz wie ein Drehtromverbraucher, daher laen ich die Leitungen au den trang- (Index ) oder den Leitergrößen (Index L ) berechnen. Die an den Klemmen aufgenommene cheinleitung it = 3 U I = 3 U I. (13.18) L L Wirleitung de tator P = 3 U I coϕ = 3 U I co ϕ = coϕ. (13.19) L L Blindleitung Q= 3 U I in ϕ = 3 U I in ϕ = in ϕ. (13.0) L L Die vom tator über den Luftpalt übertragene Leitung nennt man die Drehfeldleitung P D, ie it die vom Netz aufgenommene tatorleitung P, verringert um die Verlute P v im tatorwidertand. Verlutleitung im tänder bei 0 : Pv = 3 I. (13.1) Damit it die Drehfeldleitung P = P 3 I. (13.) D Im Kippunt bezeichnet man die Drehfeldleitung al Kippdrehfeldleitung P D. Im otor teilt ich die Drehfeldleitung in die otorverlute P v und die mechanich abgegebene Leitung P mech auf. Die in Bild 13.1 dargetellten mechanichen eibungverlute P v m im Lager ind hier vernachläigt. Die Verlutleitung im otor it: P 3 I v =, (13.3) 1+ 1 PD = 3 I = 3 I = Pv 1+ PD = Pv + Pmech. (13.4) Der Wirunggrad der Machine it daher

12 Aynchronmachine P P Pv Pv η= = P P mech (13.5) Die Leitungen auf der otoreite laen ich in Übereintimmung mit dem Eratzchaltbild auch mit Hilfe de chlupfe audrücen. Für die Drehfeldleitung gilt nach Bild 13.1: P P D P V tänder otor Lager P V P mech i. P mech. P V 14_8.cdr ETI Vo Bild 13.1: Leitungfluß bei Motorbetrieb in der Aynchronmachine Durch Vergleich mit Gl.(13.3) und Gl.(13.4) erhält man die Verlutleitung im otor P v = PD, (13.6) owie die mechanich abgegebene Leitung ( 1 ) ( 1 ) Pmech = PD = Pv. (13.7) Wenn die tatorverlute vernachläigt werden önnen, it die Drehfeldleitung gleich der tatorleitung. Da von der Machine abgegebene Drehmoment läßt ich durch die Drehfeldleitung und die ynchrone Drehzahl audrücen: ( 1 ) PD Ω PD M = = 1 1+ oder Ω Ω Ω PD Pmech M = = (13.8) Ω Ω In Bild ind die Drehfeldleitung, die mechanich abgegebene Leitung und die otorverlutleitung al Flächen dargetellt. Die Drehfeldleitung wird durch den auf der Momentenennlinie liegenden Arbeitpunt in die mechaniche Leitung und die Verlutleitung aufgeteilt. P mech P D 1 0 P V 0 0 0

13 Typenchild der Aynchronmachine Bild 13.13: Aufteilung der Drehfeldleitung P D in die mechaniche Leitung P mech und die otorverlutleitung P v bei Motorbetrieb Typenchild der Aynchronmachine Da Typen- oder Leitungchild einer Aynchronmachine enthält die wichtigten Angaben, die zum Betrieb notwendig ind. Au den Angaben ann Folgende abgeleen werden. Der Motor ann an ein Drehtromnetz 30/400V angechloen werden Motortype: Drehtrommotor 5,8W; 4-polig (p=) Dreiecchaltung, d.h. Anlauf in ternchaltung möglich tromaufnahme bei Nennleitung 11,5 A Herteller: D-Motor 5,8/4 Nr /400 11,5 A 5,8 W co ϕ 0, U/min 50 Hz Nennleitung de Motor 5,8 W. Diee Leitung ann er dauernd an der Welle abgeben Nenndrehzahl = Drehzahl bei Belatung mit Nennmoment Drehtromnetz 50 Hz Leitungfator bei Nennlat it 0,85

14 Aynchronmachine Beipiel: Für die Machine mit dem obigen Typenchild oll die ynchrone Drehzahl, die aufgenommene Leitung, die cheinleitung, der Nennchlupf und der Wirunggrad berechnet werden. 1 Die ynchrone Drehzahl it 1500 min. Den Nennchlupf N erhält man darau zu nn 1440 min N = 1 = 1 = 0,04. n 1500 min Au der mechanich abgegebenen Leitung und der Nenndrehzahl erhält man da Nennmoment M. N Pmech N 5,8 W 60 M = N 38 Nm π n = N π1440 =. Die cheinleitung it = 3 U I = 3 400V 11,5 A= 7,96 VA. L L Die vom Netz bei Motorbetrieb aufgenommene Wirleitung erhält man darau zu: P= co ϕ = 7,96VA 0,85 = 6, 77 W und die Blindleitung Q= in ϕ = 7,96 VA 0,56 = 4, VA. Der Wirunggrad η it η= Pmech 5,8 W 0,856 P = 6,77 W = tationäre Betriebverhalten der Aynchronmachine Da tationäre Betriebverhalten ann mit Hilfe der Klo'chen Formel diutiert werden. Dabei ind die folgenden chlupfwerte von beonderer Bedeutung, da = 1 und = 0 da Betriebdiagramm in den Brem-, Motor und Generatorbereich einteilen (Bild 13.14). =1: Der Läufer teht till, die geamte Drehfeldleitung P D wird nach Gl.(13.4) im otorwidertand in tromwärmeverlute P v umgeetzt. Die Machine wirt wie ein urzgechloener Tranformator (iehe Eratzchaltbild für = 1). =0: Theoreticher Leerlaufpunt; die Drehfeldleitung, da Moment und die mechaniche Leitung ind Null. Um dieen Betriebpunt genau zu erreichen, muß die Machine von außen angetrieben werden. Ohne äußeren Antrieb läuft die Machine im Leerlauf wegen unvermeidlicher Lüfterverlute und Lagerreibung nur näherungweie in dieem Punt.

15 tationäre Betriebverhalten der Aynchronmachine Weitere augezeichnete Punte ind: = : Beim Kippchlupf tritt da höchte Drehmoment, da ogenannte Kippmoment M auf. = N : chlupfwert bei Nennmoment M N Motorbetrieb Für den tationären Motorbetrieb wird der Bereich 0 < < augenutzt, in dem die Drehzahl bei Belatung näherungweie linear abnimmt. Bei Nennbelatung mit Nennmoment M N it der dazugehörende Nennchlupf N typicherweie 3 6 %. Da Nennmoment bezogen auf da Kippmoment beträgt ca. MN / M = 0,4 0,6. Al Näherung für da Drehmoment von = 0 bi zum Nennbetriebpunt = N ann man d.h. 0 in die Klo'che Formel einetzen und erhält M M () = + für N N. (13.9) Bild 13.14: Drehfeldleitung, mechaniche Leitung und eletriche Leitung in Abhängigeit vom chlupf bzw. n n Wenn die Belatung mit Nennmoment M N erfolgt und Nennpannung anliegt, tellt ich die Nenndrehzahl ein, welche immer leiner al die ynchrone Drehzahl it. Ty- /

16 Aynchronmachine piche Werte der Nenndrehzahlen n N bei verchiedenen Polpaarzahlen ind in der folgenden Tabelle angegeben. n n N p /min /min Bei Motorbetrieb it die abgegebene Leitung P mech und die eletrich zugeführte Leitung poitiv. Die eletrich zugeführte Leitung teilt ich in die Verlutleitung P v und die mechaniche Leitung auf. Weil da Drehmomenten-Drehzahl-Verhalten ähnlich wie bei einer fremderregten Gleichtrommachine it, nennt man dieen Bereich auch den Nebenchlußbereich. Beim Anlauf der Machine vom tilltand n= 0( = 1) auf Nenndrehzahl, wird der chlupfbereich < < 1 durchlaufen, wobei da Bechleunigungmoment N MB = M ML im geamten Bereich poitiv ein muß. Für da Anlaufmoment bei Drehzahl n= 0( = 1) erhält man mit der Klo'chen Formel M( = 1) = =. (13.30) M Wenn einige % bi 10 % beträgt, it näherungweie M / M Generatorbetrieb Der Läufer wird überynchron angetrieben. Dadurch wecheln die eletriche und die mechaniche Leitung ihr Vorzeichen. Die in dieem Fall mechanich zugeführte Leitung P mech teilt ich in die otorverlute eletriche und die Drehfeldleitung P D auf. Nach Abzug der tänderverlute P v peit die Machine die Wirleitung in Drehtromnetz, nimmt jedoch wie im Motorbetrieb Blindleitung auf. Der Generatorbetrieb bei der Aynchronmachine it nur dann möglich, wenn die tänderwiclungen an pannungquellen angechloen ind, die einen Magnetiierungtrom zulaen Brembetrieb Der Läufer wird entgegen dem Drehfeld angetrieben. E wird owohl mechaniche Leitung P mech über die Welle al auch eletriche Leitung P zugeführt. Die geamte zugeführte Energie wird im otor der Machine in Wärme umgeetzt. Daher darf der Betrieb nur ehr urzzeitig, z.b. beim everieren, durchlaufen werden. Wird eine chleifringläufermachine mit Vorwidertänden im otorrei verwendet, treten die Verlute hauptächlich in den zuätzlichen Widertänden auf.

17 Kontrutiver Aufbau der Aynchronmachine Kontrutiver Aufbau der Aynchronmachine Der tänder der Aynchronmachine beteht au gegeneinander iolierten Blechen, die zu einem Blechpaet zuammengechichtet ind. In den Nuten de Blechpaet it eine Drehtromwiclung o angeordnet, daß ie magnetich p Pole bildet. Die 6 Enden der 3 tränge ind auf da Klemmbrett geführt und entprechend bezeichnet. Durch geeignete Verbindung ann die Wiclung je nach der angegebenen pannung zu einer tern- oder Dreiecchaltung verchaltet werden. In den Nuten de Läuferblechpaet befinden ich runde oder annähernd runde täbe au Aluminium, Bronze oder Kupfer. Diee täbe ind beidereit de Blechpaet mit Kurzchlußringen urzgechloen und bilden damit einen Käfig (Bild 13.15). Au dieem Grund wird der Aynchronmotor auch Käfig- oder Kurzchlußläufer genannt. Bei dem Läufer mit Aluminiumtäben werden die täbe und die Kurzchlußringe in einem pritzgußverfahren eingebracht. Dazu werden in da otorblechpaet ohne weiter Iolierung eine gut leitende Aluminiumlegierung eingepritzt. Wegen der gegeneinander iolierenden Oxidchicht der otorbleche önnen nur ehr leine Kurzchlußtröme auftreten. Nach dem Einbringen der pritzgußwiclung wird der otor auf einer Drehban überdreht. Bei Bronze- und Kupfertäben werden die Kurzchlußringe hart angelötet. Bild 13.15: Verchiedene Kurzchlußläufer ohne Blechpaet und Welle Um die Welligeit de Drehmoment gering zu halten, wird die otorwiclung oder die tänderwiclung gechrägt. Au dem gleichen Grund wird auch die tänderwiclung auf mehrere Nuten verteilt. Für den in Bild dargetellten Blechchnitt

18 Aynchronmachine für tänder und Läufer einer vierpoligen Machine mit 4 tändernuten ind für jede eite einer Wiclung 3 Nuten vorgeehen ( [ eiten] [ Nuten] [3 Phaen] [ Polpaare] = 36 Nuten ). Die chrägung erennt man an dem aufgechnittenen Läufer in Bild recht. Bild 13.16: Blechchnitt einer vierpoligen ( Polpaare p =) Aynchronmachine mit 4 tändernuten Leitung 550 W n=1470 1/min. Da otorblech paßt ert nach dem Abdrehen in die Bohrung de tänder (lin). Aufgechnittener otor mit eingegoenen Aluminiumtäben. Bild 13.17: prengzeichnung einer Aynchronmachine 13.7 chleifringläufermachine Die Wiclungenden de otor ind auf chleifringe geführt. Damit nicht 6 chleifringe auf der Welle angebracht werden müen, ind die otorwiclungen auf dem otor zu einer ternchaltung zuammengechaltet und die drei verbleibenden Enden auf drei chleifringe geführt. Der Kurzchluß wird dann außerhalb mit Hilfe von zuätzlichen Widertänden realiiert. Wenn man eine olche Machine fet bremt ( n =0), ann man ie al telltranformator benutzen. Zur Vertellung der pannung

19 chleifringläufermachine muß der otor um einen betimmten Winel verdreht werden. Durch da Einchalten der zuätzlichen Widertände verändert ich der Kippchlupf bzw. die otorippreifrequenz ω nach Gl.(13.15) linear mit dem Widertand (iehe Drehzahlvertellmöglicheiten). Über die chleifringe läßt ich auch mit Hilfe von tromrichtern ein Drehtromytem variabler Frequenz einpeien. Diee ogenannte doppeltgepeite AM wird teilweie bei Windraftanlagen großer Leitung ( W) eingeetzt. Bild 13.18: otor einer chleifringläufermachine 15 W. Bild 13.19: Wicelopf und chleifringe eine chleifringläufer 15 W

20 Aynchronmachine Bild 13.0: Aufgechnittene Aynchronmachine (lin). Wicelopf der tänderwiclung (recht) (Leitung ca. 1,5 W). Bild 13.1: Aufgechnittener tänder mit tänderwiclung und otor mit pritzgußtäben (Leitung ca. 1,5 W) Drehzahlvertellmöglicheiten Bei der Aynchronmachine ann die Drehzahl im Leerlauf nur durch Vertellen der peiefrequenz oder durch Umchaltung der Polpaarzahl geändert werden. Bei Belatung gibt e zuätzlich die Möglicheit der pannungvertellung und beim chleifringläufer da Einchalten zuätzlicher Widertände in den Läuferrei pannungvertellung Durch die Vertellung der tänderpannung verändert ich nach Gl.(13.11) die im otor induzierte pannung und damit auch der otortrom. Wird bei ontantem chlupfwert die tänderpannung geändert, o it da Drehmoment quadratich von der tänderpannung abhängig M U.

21 Drehzahlvertellmöglicheiten 13.1 Bild 13.: Drehmomenten-Drehzahl-Kennlinien bei der pannungvertellung ( U = U, U / ) N N Eine häufige Anwendung der pannungvertellung it die tern-dreiecchaltung. Durch die Umchaltung von tern- auf Dreiecchaltung ändert ich die pannung an den tänderwiclungen im Verhältni 1: 3. Im gleichen Verhältni ändern ich auch die tröme. Daher ändern ich die Leitung und die Drehmomente im Verhältni 1:3. Da im Normalbetrieb die Nennleitung der Machine benötigt wird, verwendet man bei leinem Latmoment die tern-dreiecchaltung nur zum Anlaen Polumchaltung Durch Veränderung der Polpaarzahl ann nach Gl.(13.6) die ynchrone Drehzahl n( Ω ) in tufen verändert werden. Dazu gibt man dem Motor entweder zwei getrennte Wiclungen verchiedener Polzahl oder orgt dafür, daß mittel eine beonderen chalter die Wiclungen auf eine andere Polzahl umgruppiert werden. Die Polumchaltung wird auch al Dahlanderchaltung bezeichnet. Bild 13.3: Drehmomenten-Drehzahl-Kennlinien bei polumchaltbarer Wiclung bei einer Drehtromaynchronmachine (Dahlanderchaltung) p1/ p =

22 Aynchronmachine chleifringläufer Durch Einchalten von zuätzlichen otorwidertänden v erhöht ich der geamte wirame Widertand im otor auf den Wert + v und damit auch der Kippchlupf proportional zu dem Widertand (vergleiche dazu Gl.(13.15) ). Bezieht man daher den Kippchlupf mit Vorwidertand auf den Kippchlupf ohne zuätzlichen Vorwidertand, ann man mit ω = und ω = Ω chreiben: L V + = (13.31) Der erhöhte Kippchlupf führt nach der Klo'chen Formel Gl.(13.17) dazu, daß die Kennlinie getrect wird, wobei der ynchrone Punt ( M =0; =0 ) und die Höhe de Kippmoment erhalten bleibt (Bild 13.4). Die Arbeitennlinie wird dadurch flacher. Diee Vertellmethode hat den entcheidenden Nachteil, daß in den zuätzlichen Widertänden erhebliche Verlute anfallen. Bild 13.4: Drehzahlvertellung bei einem chleifringläufer durch Einchalten zuätzlicher otorwidertände ( V,15; 5,5; 8,375 = ) tänderfrequenzvertellung peit man eine Aynchronmachine mit einem Drehtromytem variabler Frequenz z.b. mit einem Umrichter nach Bild 13.6, o wird nach Gl.(13.5) die ynchrone Drehzahl und damit auch die Betriebdrehzahl geändert. Die Veränderung der tänderfrequenz erfordert, daß im Grunddrehzahlbereich n < n die tänderpannung U proportional mitverändert wird. Die Höhe de Kippmoment bleibt dadurch erhalten. Wenn die vertellbare tänderpannung die Nennpannung erreicht hat, bedeutet eine weitere Frequenzerhöhung Feldchwächung mit vermindertem Kippmoment. Drehrichtungumehr ann mit Hilfe de Umrichter ohne Probleme durch Umehr de Drehfelde erreicht werden. Die Kennlinie der Aynchronmachine wird durch diee tellmethode auf der Drehzahlache parallelverchoben. Da Prinzip eine Umrichter zur peiung einer Aynchronmachine it in Bild 13.6 dargetellt. Moderne Umrichter ind mit einer chnitttelle augerütet, die die teuerung de Antrieb von einem übergeordneten Leitytem erlaubt. N

23 Drehzahlvertellmöglicheiten 13.3 Bild 13.5: Drehmoment-Drehzahl-Kennline der AM bei Betrieb mit variabler tänderfrequenz. L1 L L3 Umrichter Wechelrichter Zwichenrei Gleichrichter M 3 teuerung und egelung teuereingang (analog oder digital) 14_19.cdr ETI Vo Bild 13.6: Grundprinzip einer tromrichtergepeiten Aynchronmachine