Elektrotechnik

Asynchronmotor

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Motoren und Generatoren (Elektrisch) gibt es viele verschiedene Funktionsprinzipien. Hier geht es um einen ganz besonderen Motor, mit sehr universellen Eigenschaften: der Asynchronmotor, auch Asynchronmaschine, oder Drehstrom-Induktionsmaschine genannt. Dieser Motor ist wie fast jeder andere Elektromotor auch als Generator einsetzbar - sogar besonders einfach, da keine Umbauten erforderlich sind. Dazu in einem separaten Beitrag mehr (siehe hier).

Jeder Elektromotor wandelt elektrischen Strom in Bewegungsenergie um. Der Strom induziert in den Spulen (den Wicklungen) des Motors ein Magnetfeld (Elektromagnetfeld). Je nach Motorprinzip (Motorart) wirkt dieses Magnetfeld auf ein Dauermagnetfeld oder auf ein anderes Elektromagnetfeld. Wie erwähnt besprechen wir hier lediglich den Asynchronmotor, welcher keine Dauermagneten hat. Umgekehrt kann ein Motor (auch ein Asynchronmotor) auch als Generator arbeiten. Dann wird mechanische Bewegungsenergie (Drehbewegung) in elektrische Energie umgewandelt.

Der Asynchronmotor: Ein Motor verbirgt in seinem Innern zwei wesentliche Komponenten. Den Stator (das feststehende Teil des Motors) und den Rotor (das drehende Teil des Motors). Der Rotor ist üblicherweise innen mittig, es ist dann ein "Innenläufer". Vereinzelt - meist im kleineren Leistungsbereich anzutreffen, z.B. im Modellbaubereich - findet man auch "Aussenläufer". Diese haben dann den Stator (das feststehende Teil des Motors) innen, und den Rotor (das drehende Teil des Motors) aussen. Bei diesen "speziellen" Motoren handelt es sich jedoch nicht um eine typische Asynchronmaschine, sondern um eine permanent erregte Brushless Synchronmaschine. Diesen Spezialfall werden wir hier nicht weiter beschreiben.

Der Stator des Asynchronmotors: Der äußere Bereich ist mit Kupferwicklungen versehen, welche üblicherweise mit Drehstrom betrieben werden. Durch anlegen einer 3 phasigen Spannung (Anschluss an Drehstrom oder über einen FU, Frequenzumrichter), erzeugt das Paket mit den Wicklungen ein ganz spezielles Magnetfeld, nämlich das Drehfeld. Dieses Drehfeld (ein Magnetfeld) wirkt auf den zunächst noch stehenden Rotor.

Der Rotor des Asynchronmotors: Der innere Teil, welcher sich ja dreht, besteht nur aus Metallstäben, welche an den Enden elektrisch miteinander verbunden sind. Dadurch ergibt sich elektrisch ein Kurzschluss, der dann zum tragen kommt, wenn ein Magnetfeld auf den Rotor einwirkt. Das einwirkende Magnetfeld versucht nun in den Metallstäben eine Spannung zu induzieren (Prinzip Trafo / Transformator). Da die Stäbe kurzgeschlossen sind, fließt ein sehr hoher (Kurzschluss)Strom. Dieser erzeugt nun selber im Rotor ein Magnetfeld. Auf diese Weise sind im Rotor keine Dauermagneten erforderlich. Der Rotor beginnt sich zu drehen, und "folgt" dem Drehfeld, also der Drehfrequenz des Drehstromnetzes. Je nach Polzahl ergeben sich dabei z.B. Drehzahlen von 3000 RPM (Rounds per Minute). Die Drehzahl ergibt sich aus 50 Herz x 60 Sekunden (eine Minute). Ganz exakt kann der Rotor dem Drehfeld jedoch nicht folgen. Es muss sich systembedingt ein "Schlupf" (eine Differenz) ergeben, da sonst ja keine Induktion mehr möglich ist. Hinweis; vereinzelt werden Asynchronmotoren auch mit einem speziellen Rotor versehen, nämlich dem "Schleifring" Rotor. Diese Variante wird hier jedoch nicht weiter besprochen.

 
Bild oben: der Prinzipaufbau Bild oben: Bauformen einer Asynchronmaschine. Hier ein Schnittmodel, welches das "Innenleben" zeigt. Zu sehen sind die Wicklungen außen, sowie der innenliegende, rotierende "Rotor", welcher keine Wicklungen hat und auch keine (Dauer)Magnete. Bild oben: Schaltzeichen / Symbol

Vorteile: Liegen auf der Hand. Der Motor ist extrem einfach und überschaubar aufgebaut. Es gibt praktisch keinen Verschleiß, ausser vielleicht zwei Kugellager. Die Kosten sind recht gering, weil es sich um Massenware handelt.

Nachteile: Eigentlich keine. So ein Motor muss natürlich an 3 phasigen Drehstrom betrieben werden. Ist dieser nicht vorhanden, z.B. nur 230 V Wechselstrom (also nur Null, Schutzleiter und eine Phase), so kann man - notfalls - einen Kondensator (Anlaufkondensator) zwischen zwei der drei Wicklungsanschlüsse schalten. Die Kapazität muss zur Leistung passen und beträgt etwa 70 uF pro kW Leistung. Allerdings geht sowas nur bis ca. 2 kW Leistung. Insgesamt ist diese Methode (mit Kondensator) nicht optimal, da der Wirkungsgrad der Asynchronmaschine auf diese Weise schlechter wird.

Heute wird diese Methode mit Kondensator einen Drehstrommotor an einer Phase zu betreiben, üblicherweise daher nicht mehr angewandt (ausser bei sehr kleinen Drehstrommotoren, meist unter 1kW, z.B. bei Hauswasserwerken, oder Kühlschränken...), da geeignete elektronische Ansteuerschaltungen (FU, Frequenzumrichter) recht günstig kaufbar sind. Drehstrommotoren können das Netz beim einschalten sehr stark belasten, und sogar zur Abschaltung des Netzes führen. Ab ca. 3 kW Leistung werden diese Motoren daher zunächst in Sternschaltung gestartet, um dann umzuschalten auf Dreieckschaltung. Dabei wird der Strom begrenzt. Besser ist jedoch die Verwendung eines FU.

Weiter unten finden Sie noch einen Hinweis zum Thema "Kühlschrank" von einem Leser. Danke dafür :-)

Der FU/Frequenzumrichter: Ein FU kann beinahe jede beliebige Drehzahl des Motors einstellen, sogar höhere Drehzahlen als das Netz selber erlaubt (Netz = 50 Hz). FU werden zwar üblicherweise auch an Drehstrom betrieben, können aber auch an 230 V AC (eine Phase) betrieben werden (bei geringerer Leistung), und stellen am Ausgang 3 Phasen für den Asynchronmotor zur Verfügung. FU (Frequenzumrichter) können auch mit Gleichspannung betrieben werden (dann min. ca. 320 V DC erforderlich, bzw. ca. 530 V DC bei größeren FUs).

Hinweis: Wenn eine Asynchronmaschine (Motor) an einem FU betrieben wird, und die Maschine (der Motor) abgebremst werden soll, so wird beim Abbremsen mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Bei (sehr) kleinen Bremsenergiemengen kann der FU diese Energie selber aufnehmen und zwischenspeichern, und ggf. für den erneuten Start wieder einsetzen. Bei größeren Energiemengen muss die sich am ZK (Zwischenkreis) des FU aufbauende ggf. recht hohe Spannung natürlich abgeleitet werden. Geschieht dies nicht, geht der FU in Fehlerstellung und schaltet den Motor - der nun als Generator arbeitet - ab. Dieser Betriebsmodus (Generator) wird in einem separaten Beitrag noch beschrieben (Asynchrongenerator).

Achtung, bitte Vorsicht! Wir reden hier nicht über Kinderkram, sondern über lebensgefährliche Geräte, aufgrund der hohen Betriebsspannungen. Arbeiten Sie bitte nicht an FU und Asynchronmaschinen, wenn diese am lebensgefährlichen Stromnetz angeschlossen sind. Diese Arbeiten sind nur für ausgebildete Personen zulässig!

Halt, einen habe ich noch. Ende Dez. 2012 hat mich ein Leser (Mario Bode, Danke dafür) noch auf folgende Ergänzung zum Thema Kühlschrank hingewiesen; Kühlschränke haben keinen (separten) Motor, sondern einen Verdichter. In diesem Fall einen "Vollhermetischen Hubkolbenverdichter". Es gibt zwar tatsächlich Verdichter, die mit (separaten) Motoren angetrieben werden, diese sind aber nur in Industriekälteanlagen zu finden. Der Antrieb eines Kühlschrankverdichters ist in der Tat eine Art Elektromotor. Da aber SÄMTLICHE Teile dieses Verdichtertyps in einem Stück zusammengefaßt sind (und auch nicht getrennt werden können!!!), kann man beim Kühlschrank nicht von DEM Motor sondern nur vom Verdichter sprechen.

So, weiter möchte ich dieses Thema "Asynchronmotor" hier in den Grundlagen nicht ausführen :-) Nochmals Danke an Mario, für die Korrektur zum Thema "Motor/Kühlschrank".