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asynchronmaschine

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asynchronmaschine [2009/04/26 20:44] (aktuell)
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 +**[[Start]] | [[Technik]] | [[CityEl Technik]] | [[CityEl Umbauten]] | [[CityEl Reparaturen]] | [[CityEL Links]] | [[Links]]**
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 +====== Drehstrom-Asynchronmaschine ======
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 +aus http://​de.wikipedia.org/​wiki/​Drehstrom-Asynchronmaschine
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 +Eine Drehstrom-Asynchronmaschine,​ auch Drehstrom-Induktionsmaschine genannt, ist eine als [[Motor]] oder [[Generator]] verwendete elektrische Maschine, die mit [[Drehstrom]] betrieben wird. Sie werden für unterschiedliche Anwendungen mit Leistungen bis zu mehreren Megawatt hergestellt.
 +
 +Die Entwicklung des Asynchronmotors geht zurück auf Arbeiten von Galileo Ferraris, 1885, Nikola Tesla, 1887 und Michail von Dolivo-Dobrowolsky,​ 1889. Letzterer baute den ersten Einfachkäfigläufer und später auch einen ersten Doppelkäfigläufer.
 +
 +===== Motor =====
 +==== Grundprinzip ====
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 +Das Antriebsprinzip durch das Drehfeld, das sowohl dem Drehstrom-Asynchronmotor als auch dem [[Drehstrom-Synchronmotor]] gemeinsam ist, ist in [[Drehstrommotor]] beschrieben.
 +Prinzipzeichnung eines Käfigläufers (ohne Eisenblechpakete)
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 +Prinzipzeichnung eines Käfigläufers (ohne Eisenblechpakete)
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 +==== Aufbau ====
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 +Der Rotor eines Drehstrom-Asynchronmotors hat eine Wicklung, die im Regelfall kurzgeschlossen ist (Kurzschlussläufer). Diese Wicklung ist entweder als Drahtspulenwicklung oder als Leiterstab-Käfig ausgeführt.
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 +In der Massenfertigung wird das Blechpaket des Rotors häufig mit Leiter-Nuten versehen, die mit Aluminium ausgegossen werden, wobei gleichzeitig Kühllüfter-Lamellen mit angearbeitet werden. ​
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 +Die internationale Initiative zur Wirkungsgradsteigerung empfielt das Aluminium durch **Kupfer** zu ersetzen, wie z.B. Im Teslar. Twike 096
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 +Insbesondere im Bereich der oberen Leistungsklasse von Motoren sind bei bestimmten Anforderungen Schleifringläufer - Motoren (engl. slip ring motor) wirtschaftlich und technisch vorteilhaft.
 +Anpassung an Spannung durch Schaltungswahl mit Brücken für Motoren Y/Δ 400V/230V
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 +Anpassung an Spannung durch Schaltungswahl mit Brücken für Motoren Y/Δ 400V/230V
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 +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 auch Kühlrippen für den Motor.
 +
 +Die Anschlüsse der Strangwicklungs-Paare werden meist auf ein Klemmbrett herausgeführt,​ wo sie üblicherweise mit den Kennbuchstaben U1-U2, V1-V2 und W1-W2 gekennzeichnet sind. An diesem Klemmbrett kann die Betriebs-Schaltung so vorgenommen werden, dass zum einen eine Anpassung an die gegebene Betriebsspannung oder aber eine Anlauf-Schaltung durch eine geeignete Schützschaltung z.B. die Stern-Dreieck-Schaltung ausgeführt werden kann.
 +
 +Steuerung [Bearbeiten]
 +
 +Anlaufschaltung [Bearbeiten]
 +
 +Damit insbesondere schwache Netze geschont werden, lässt man Asynchronmotoren sehr häufig mit der Stern-Dreieck-Schaltung anlaufen. Damit erreicht man eine Reduktion des Stromes in den Außenleitern um den Faktor 3. Gleichzeitig reduziert sich das Anlaufmoment ca. um den Faktor 3. Mit der Stern-Dreieck-Schaltung wird der Motor durch Umsteuerung der Schütze nach der Hochlaufzeit mit in Stern geschalteten Wicklungssträngen auf Dreieckbetrieb umgeschaltet.
 +
 +Drehzahlregelung [Bearbeiten]
 +
 +Asynchronmaschinen können
 +
 +    * am starren Netz
 +    * am Frequenzumrichter
 +    * mit Polumschaltung
 +    * als Schleifringläufer als Unter- oder Übersynchrone Kaskade
 +
 +betrieben werden.
 +
 +Unterschiedliche Polzahlen und Frequenzen ergeben folgende Drehzahlen für das Drehfeld:
 +Polpaarzahl nsync 50 Hz nsync 60 Hz
 +1 3000 min-1 3600 min-1
 +2 1500 min-1 1800 min-1
 +3 1000 min-1 1200 min-1
 +4 750 min-1 900 min-1
 +
 +Die reale Motor-Drehzahl liegt je nach Bauweise und aktueller Belastung jeweils geringfügig unter diesen Werten.
 +
 +Dahlander-Schaltung [Bearbeiten]
 +Dahlanderschaltung
 +vergrößern
 +Dahlanderschaltung
 +
 +    * Mit der Dahlanderschaltung (siehe unten) kann die Polzahl der Asynchronmaschine im Verhältnis 1:2 erhöht und somit deren Drehzahl annähernd im Verhältnis 2:1 verändert werden. Typische Anwendungen sind:
 +          o Drehmaschinen mit 2 Grunddrehzahlen:​ langsam- oder schnelllaufend.
 +          o 2-stufiger Lüfterantrieb für Gebäudelüftung
 +
 +Die Dahlander-Schaltung bietet bei Asynchronmaschinen in Käfigläuferausführung die Möglichkeit der Polumschaltung und damit der Drehzahlumschaltung. Jeder Wicklungsstrang der Maschine (z.B. U-V ) ist in zwei Wicklungteilen ausgeführt (1U-2U u.2V-1V). Je nach deren Verschaltung in Reihen- oder Parallelbetrieb lässt sich die Polzahl im Verhältnis 2:1 umschalten. Entsprechend ändert sich die Drehfelddrehzahl. Die gebräuchlichste Dahlanderschaltung ist die Dreieck-Doppelsternschaltung. Bei Reihenschaltung der Wicklungsteile erfolgt eine Dreieckverkettung der Stränge, die parallelgeschalteten Wicklungsteile hingegen werden im Stern verkettet, um durch Spannungsherabsetzung des Wicklungsteiles auf Uw = U/1,73 eine zu hohe magnetische Induktion B [Tesla] im Nutzbereich des Stators zu vermeiden.
 +
 +Die PAM-Schaltung der Firma Siemens ermöglicht ein Drehzahlverhältnis von 1:1,5 als 4/6poliger Antrieb nach dem Dahlanderprinzip
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 +Eine Erhöhung der Drehzahl über die durch die Netzfrequenz vorgegebene Drehzahl für „einpolige“ Drehstrommaschinen ist ebenso wie bei der Synchronmaschine nur durch Erhöhung der Frequenz (z.B. durch Frequenzumrichter) oder durch den Einsatz von Getrieben möglich.
 +
 +Vor- und Nachteile [Bearbeiten]
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 +Mit dem Siegeszug der Drehstromwechselrichter werden heute nahezu ausschließlich nur noch Kurzschluss - Käfigläufermotoren (engl. squirrel cage motor) benötigt. Dieser Ausführungsart verdankt der Asynchronmotor seine Bezeichnung als "​Arbeitspferd"​ der elektrischen Antriebstechnik. Als einziger Elektromotor ist er in der Lage, ohne zusätzliche Hilfsmittel auch gegen große Gegenmomente von Arbeitsmaschinen anzulaufen.
 +
 +Vorteile
 +
 +    * lange Lebensdauer,​ wartungsarm,​ kein Bürstenverschleiß,​ (typ. mittlerer Ausfallabstand 20.000 Std.)
 +    * kurzzeitig stark überbelastbar
 +    * nahezu konstante Drehzahl, kein „Durchgehen“ im Leerlauf
 +    * einsetzbar im Ex-Bereich (explosionsgefährdeter Bereich), da keine Bürsten oder Schleifringe
 +    * vergleichsweise geringe Herstellungskosten
 +    * Läufer spannungslos (kann auch in Medien oder in Gasen / im Vakuum laufen)
 +    * Anlauf gegen hohe Gegenmomente ohne Hilfsmittel
 +    * sehr robuste Ausführung,​ Medienverträglichkeit des Aktivteils (Öl, Gase, etc.)
 +    * hohe Drehzahltauglichkeit,​ daher bei Betrieb mit Wechselrichter hohe Leistungsausbeute
 +    * hoher Wirkungsgrad im Feldschwächbereich
 +
 +Nachteile
 +
 +    * Drehzahlveränderung nur bei Sonderbauformen mit Polumschaltung oder mit zusätzlichem Frequenzumrichter möglich
 +    * insbesondere bei kleinen Ausführungen ca. 20 .-. 30 % mehr Volumen pro [[Drehmoment]] gegenüber permanent - magnetisierten Synchronmotoren
 +    * 3 Außenleiter zur Versorgung notwendig
 +    * kleinerer Wirkungsgrad im Vergleich zur permanent magnetisierten Synchronmaschine bei hoher Momentausnutzung
 +    * komplexe theoretische Verfahren zur Berechnung (im Vergleich zu anderen elektrischen Maschinen)
 +
 +Normen und Kategorien [Bearbeiten]
 +
 +In der Europäischen Gemeinschaft ist die EN 60034 "​Drehende elektrische Maschinen"​ zu beachten.
 +
 +Normmotoren
 +
 +Genormte Anbaumaße werden für Deutschland mit der DIN 42673 ; 42 676 und 42 677 vorgegeben. Der Leistungsbereich bis ca. 200 kW gehört den Niederspannungs-Normmotoren.
 +
 +Im Bereich der Normmotoren,​ für die die großen Hersteller Listen mit technischen Daten veröffentlichen,​ sind die Motoren nach Drehmomentklassen eingeordnet. Üblicherweise können diese Motoren gegen das 2-fache Nennmoment anlaufen.
 +
 +Für die Konstruktion ist die Achshöhe ein Richtmaß. Der Normmotorenbereich beginnt bei der AH56 und reicht bis zur AH315 (ca. 200 kW). Oberhalb der AH 315 beginnt mit der AH 355 der Transnormmotorenbereich..
 +
 +Sonderbauformen
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 +    * Außenläufer mit Stator innen, Rotor außen
 +    * Linearmotor mit flacher „abgerollter“ Geometrie
 +    * Stator in linearer Rohrform zur Förderung von flüssigen Metallen in einem Rohr
 +    * Läufer als Aluminiumzylinder oder -scheibe im Luftspalt (Ferrarismotor)
 +
 +Asynchrongenerator:​ Aufbau und Wirkungsweise [Bearbeiten]
 +
 +Bei Schleifringläufer-Maschinen kann die Schlupfleistung aus dem Läuferkreis über einen Stromrichter ins Netz zurückgespeist werden (untersynchroner Betrieb), oder es wird Leistung dem Läufer zugeführt (übersynchroner Betrieb). Diese Methode wird für große Antriebe mit begrenztem Drehzahlbereich verwendet, wie Windkraftanlagen,​ Kesselspeisepumpen oder Bahnstrom-Umformer. Im Jahr 2004 gingen die größten derartigen Kaskadenantriebe in Europa im Pumpspeicherwerk Goldisthal mit einer Leistung von 340 MVA (325 MW im Motorbetrieb / 265 MW im Generatorbetrieb) und einer Drehzahlverstellung von (-10 ... +4 %) in Betrieb. Im Generatorbetrieb rotiert der Läufer schneller als das Magnetfeld und speist so Energie in das Netz ein.
 +
 +Der Asynchrongenerator gleicht im wesentlichen einem Asynchronmotor,​ hat jedoch meist sehr verlustarme Magnetblechqualität von Stator und Rotor. Dieser Typ bezieht seine Magnetisierungsleistung E = (L \cdot I^2)/2 bzw. Blindleistung aus dem angeschlossenen Stromnetz und liefert elektrische Wirkleistung in dieses hinein. Im Unterschied zu einem Motor, der immer untersynchron laufen muss, läuft dieser mit einer übersynchronen Drehzahl, um einige Prozent zwischen 10 und 15 % über der Synchrondrehzahl liegend.
 +
 +Vorteil ist der einfachere und billigere Aufbau gegenüber Synchronmaschinen,​ da der Rotor als Käfigläufer ohne elektrische Zuführung eines Erregerstroms ausgeführt ist. Er kann jedoch allein nur unter schwierigen und eingeschränkten Bedingungen einen Inselbetrieb (ohne Netzanschluss) z. B. als Notstromaggregat bewerkstelligen. Er findet gerne Verwendung in kleineren Wasser- und Biogaskraftwerken im Dauerbetrieb,​ mit bis zu einigen 100 kW Leistung, die in das öffentliche Niederspannungsnetz an bestimmten vorgegebenen Einspeisepunkten einspeisen.
 +
 +Eine Möglichkeit für den Inselbetrieb stellt der "​Selbsterregte Asynchrongenerator"​ dar. Ohne Anschluss an ein externes Drehstromnetz,​ das in der Lage ist, induktive Blindleistung zur Magnetisierung bereitzustellen,​ kann die Blindleistung durch eine Kondensatorbatterie zur Verfügung gestellt werden, die selbst kapazitive Blindleistung benötigt und damit induktive abgibt. Die Kondensatoren und die Hauptreaktanz der Maschine bilden einen Schwingkreis. Ein kurzer Stromstoß oder der Restmagnetismus im Läufer führen zu einer aufklingenden Schwingung. Die Spannungsamplitude ist durch die Kapazität der Kondensatorbatterie einstellbar. Da die Maschine bei Belastung einen größeren Magnetisierungsstrom benötigt als im Leerlauf, die Kapazität der Kondensatoren aber konstant ist, sinkt die Spannung bei steigender Last rasch ab. Abhilfe können zusätzlich parallele Drosselspulen schaffen.
 +
 +Idealisierte physikalische Betrachtung ("​Ersatzschaltung"​) [Bearbeiten]
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 +Zum Verständnis der Vorgänge einer Drehzahlregelung ist die Betrachtung des Ersatzschaltbilds der Asynchronmaschine unumgänglich. Das Ersatzschaltbild zeigt eine zur Maschine elektrisch äquivalente Schaltung, wie sie auch der Frequenzumrichter sieht.
 +
 +Bild:​induction_equivalent.png
 +
 +Auf der linken Seite sieht man die Ständerwicklung mit dem Kupferwiderstand Rs und Blindwiderstand der Induktivität Xs. Rechts sieht man den Läufer oder Rotor. Die Induktivität Xr des Rotors ist praktisch zu vernachlässigen,​ da sie beim Kurzschlussläufer in der Regel aus nur einer einzigen Windung besteht. Der Wirkwiderstand Rr entspricht hingegen direkt der von der Maschine abgegebenen Wirkleistung. Dieser Wert verändert sich in der Praxis mit der Veränderung des Drehmoments bzw. der Belastung der Maschine jedoch wesentlich. Er ist lediglich im Leerlauf der Maschine nahezu unendlich groß.
 +
 +Im Leerlauf besteht das Ersatzschaltbild des Asynchronmotors im Wesentlichen also aus Rs und Xs, weshalb eine solche Maschine fast nur Blindleistung aufnimmt. Der Gesamtstrom entspricht im Leerlauf deshalb auch in etwa dem Nennstrom und die Maschine wird bei Leerlauf auch annähernd so heiß wie bei Nennbelastung. Mit zunehmender Belastung steigt der Wirkstrom durch Rr. Bei hochmagnetisierten Asynchronmotoren findet mit ansteigendem [[Drehmoment]] jedoch zunächst durchaus ein Rückgang des Gesamtstroms statt, welcher erst später mit steigendem Drehmoment dann wieder bis zum Nennstrom ansteigt.
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 +Von der Asynchronmaschine wird also mit Xs ein Blindstrom aufgenommen,​ welcher für die Magnetisierung der Maschine sorgt. Im Gegensatz zur Synchronmaschine muss die magnetische Durchflutung in der Asynchronmaschine erst durch den Blindstrom in der Ständerwicklung aufgebaut werden. Ist dieser Blindstrom und damit die Durchflutung zu jedem Zeitpunkt konstant, so erreicht der Asynchronmotor ähnlich ideale Eigenschaften wie ein Synchronmotor,​ welcher mit Permanentmagneten aufgebaut sein kann.
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 +Leider ist ein konstanter Blindstrom wegen des Spannungsabfalls über Rs nur sehr schwierig zu erreichen, da auch der stark belastungsabhängige Strom durch Rr einen Spannungsabfall über Rs erzeugt. Außerdem ist der Kupferwiderstand Rs stark temperaturabhängig. Hinzu kommt, dass im Umrichterbetrieb bei immer kleiner werdender Frequenz der Blindwiderstand Xs ebenfalls immer kleiner wird. Damit wird das Verhältnis des Spannungsteilers Rs zu Xs immer ungünstiger und Rs ist keineswegs mehr zu vernachlässigen. Aus diesem Grund kann mit der Asychronmaschine ein Haltemoment bei der Drehzahl gegen Null nur noch mit der relativ aufwendigen Vektorregelung erreicht werden.
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 +Anwendungsbeispiele [Bearbeiten]
 +Typenschild einer Drehstrom-Asynchronmaschine im Kraftwerk Berlin-Moabit.
 +vergrößern
 +Typenschild einer Drehstrom-Asynchronmaschine im Kraftwerk Berlin-Moabit.
 +Typenschild einer Doppelt gespeisten Asynchronmaschine im Kraftwerk Berlin-Moabit.
 +vergrößern
 +Typenschild einer Doppelt gespeisten Asynchronmaschine im Kraftwerk Berlin-Moabit.
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 +Kleinleistungsmotoren
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 +    * Pumpenantriebe in allen Industriebereichen
 +    * Kompressoren (z. B. Kältemittelkompressoren für kleinere Kühlräume)
 +    * Ventilatoren für alle Industriebereiche
 +    * Antriebe für Flurförderzeuge
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 +Mittelleistungsmotoren
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 +    * Pumpen, Ventilatoren,​ Kompressoren für alle Industriebereiche
 +    * Pressenantriebe (Schwungrad-,​ Spindel-, Exzenter-)
 +    * Extruderantriebe
 +    * Traktionsantriebe für Autos und Busse (Hybridfahrzeuge)
 +    * Werkzeugmaschinenantriebe (z. B. Hauptspindelantriebe)
 +    * Hilfsantriebe auf Schiffen, Lokomotiven etc.
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 +Hochleistungsmotoren
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 +    * Pumpen, Ventilatoren,​ Kompressoren für alle Industriebereiche
 +    * Kraftwerkshilfsantriebe
 +    * Traktionsantriebe für Bahnen
  
asynchronmaschine.txt · Zuletzt geändert: 2009/04/26 20:44 (Externe Bearbeitung)