Elektromotor

Induktionsmotoren

Der einfachste Typ des Induktionsmotors ist im Querschnitt in der Abbildung dargestellt. Ein dreiphasiger Satz von Statorwicklungen ist in Nuten im Statoreisen eingelegt. Diese Wicklungen können entweder in einer Sternschaltung, normalerweise ohne externe Verbindung zum Sternpunkt, oder in einer Dreieckschaltung angeschlossen sein. Der Rotor besteht aus einem zylindrischen Eisenkern mit Leitern, die in Schlitzen auf der Oberfläche angeordnet sind. In der üblichsten Form sind diese Läuferleiter an jedem Ende des Rotors durch einen leitenden Endring miteinander verbunden.

Die Grundlage für den Betrieb des Induktionsmotors kann entwickelt werden, indem zunächst angenommen wird, dass die Statorwicklungen an eine dreiphasige Stromversorgung angeschlossen sind und dass ein Satz von drei sinusförmigen Strömen der in der Abbildung gezeigten Form in den Statorwicklungen fließt. Diese Abbildung zeigt die Wirkung dieser Ströme bei der Erzeugung eines Magnetfeldes über den Luftspalt der Maschine für sechs Zeitpunkte in einem Zyklus. Der Einfachheit halber ist nur die zentrale Leiterschleife für jede Phasenwicklung dargestellt. Zum Zeitpunkt t1 in der Abbildung ist der Strom in der Phase a maximal positiv, während der Strom in den Phasen b und c halb so groß und negativ ist. Das Ergebnis ist ein Magnetfeld mit einer annähernd sinusförmigen Verteilung um den Luftspalt mit einem Maximum nach außen oben und einem Maximum nach innen unten. Zum Zeitpunkt t2 in der Abbildung (d. h. ein Sechstel eines Zyklus später) ist der Strom in der Phase c maximal negativ, während der Strom sowohl in der Phase b als auch in der Phase a den halben Wert positiv hat. Das Ergebnis ist, wie für t2 in der Abbildung gezeigt, wieder ein sinusförmig verteiltes Magnetfeld, aber um 60° gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Die Betrachtung der Stromverteilung für t3, t4, t5 und t6 zeigt, dass sich das Magnetfeld mit fortschreitender Zeit weiterdreht. Das Feld vollendet eine Umdrehung in einem Zyklus der Statorströme. Die kombinierte Wirkung von drei gleichen sinusförmigen Strömen, die zeitlich gleichmäßig verschoben sind und in drei winkelmäßig gleichmäßig verschobenen Statorwicklungen fließen, ist also die Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes mit konstanter Größe und einer mechanischen Winkelgeschwindigkeit, die von der Frequenz der elektrischen Versorgung abhängt.

Die Drehbewegung des Magnetfeldes in Bezug auf die Rotorleiter bewirkt, dass in jedem eine Spannung induziert wird, die proportional zur Größe und zur Geschwindigkeit des Feldes relativ zu den Leitern ist. Da die Rotorleiter an jedem Ende kurzgeschlossen sind, fließen in diesen Leitern Ströme. In der einfachsten Betriebsart sind diese Ströme etwa gleich der induzierten Spannung geteilt durch den Leiterwiderstand. Das Muster der Rotorströme für den Zeitpunkt t1 der Abbildung ist in dieser Abbildung dargestellt. Man sieht, dass die Ströme annähernd sinusförmig um den Rotorumfang verteilt sind und so angeordnet sind, dass sie ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn auf den Rotor erzeugen (d. h. ein Drehmoment in der gleichen Richtung wie die Felddrehung). Dieses Drehmoment wirkt zur Beschleunigung des Rotors und zur Drehung der mechanischen Last. Wenn die Drehzahl des Rotors zunimmt, nimmt seine Geschwindigkeit relativ zu der des Drehfelds ab. Dadurch verringert sich die induzierte Spannung, was zu einer proportionalen Verringerung des Rotorleiterstroms und des Drehmoments führt. Die Rotordrehzahl erreicht einen stabilen Wert, wenn das von den Rotorströmen erzeugte Drehmoment dem Drehmoment entspricht, das bei dieser Drehzahl von der Last benötigt wird, wobei kein überschüssiges Drehmoment zur Beschleunigung der kombinierten Trägheit von Last und Motor zur Verfügung steht.

Die mechanische Ausgangsleistung muss durch eine elektrische Eingangsleistung bereitgestellt werden. Die in der Abbildung dargestellten ursprünglichen Statorströme reichen gerade aus, um das magnetische Drehfeld zu erzeugen. Um dieses Drehfeld in Anwesenheit der Rotorströme der Abbildung aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, dass die Statorwicklungen eine zusätzliche Komponente des sinusförmigen Stroms mit einer solchen Größe und Phase führen, um die Wirkung des Magnetfelds aufzuheben, das ansonsten durch die Rotorströme in der Abbildung erzeugt werden würde. Der gesamte Statorstrom in jeder Phasenwicklung ist dann die Summe aus einer Sinuskomponente zur Erzeugung des Magnetfeldes und einer weiteren Sinuskomponente, die der ersten um eine Viertelperiode oder 90° vorauseilt, um die erforderliche elektrische Leistung bereitzustellen. Die zweite oder Leistungskomponente des Stroms ist in Phase mit der an den Stator angelegten Spannung, während die erste oder magnetisierende Komponente der angelegten Spannung um eine Viertelperiode oder 90° nacheilt. Bei Nennlast liegt diese Magnetisierungskomponente in der Regel im Bereich von 0,4 bis 0,6 des Betrags der Leistungskomponente.

Die meisten Drehstrom-Asynchronmotoren arbeiten mit ihren Statorwicklungen, die direkt an eine dreiphasige elektrische Versorgung mit konstanter Spannung und konstanter Frequenz angeschlossen sind. Typische Versorgungsspannungen reichen von 230 Volt Netzspannung für Motoren mit relativ geringer Leistung (z. B. 0,5 bis 50 Kilowatt) bis zu etwa 15 Kilovolt Netzspannung für Hochleistungsmotoren bis zu etwa 10 Megawatt.

Abgesehen von einem kleinen Spannungsabfall im Widerstand der Statorwicklung ist die Versorgungsspannung an die zeitliche Änderungsrate des magnetischen Flusses im Stator der Maschine angepasst. So wird bei einer Versorgung mit konstanter Frequenz und konstanter Spannung die Größe des rotierenden Magnetfeldes konstant gehalten, und das Drehmoment ist ungefähr proportional zur Leistungskomponente des Versorgungsstroms.

Bei dem in den vorangegangenen Abbildungen dargestellten Induktionsmotor dreht sich das Magnetfeld pro Zyklus der Versorgungsfrequenz um eine Umdrehung. Bei einer 60-Hertz-Versorgung beträgt die Feldgeschwindigkeit dann 60 Umdrehungen pro Sekunde, also 3.600 pro Minute. Die Rotordrehzahl ist um einen Betrag geringer als die Felddrehzahl, der gerade ausreicht, um die erforderliche Spannung in den Rotorleitern zu induzieren und den für das Lastdrehmoment benötigten Rotorstrom zu erzeugen. Bei Volllast ist die Drehzahl typischerweise 0,5 bis 5 Prozent niedriger als die Felddrehzahl (oft als Synchrondrehzahl bezeichnet), wobei der höhere Prozentsatz für kleinere Motoren gilt. Dieser Drehzahlunterschied wird häufig als Schlupf bezeichnet.

Andere Synchrondrehzahlen können bei einer konstanten Frequenzversorgung erreicht werden, indem eine Maschine mit einer größeren Anzahl von Magnetpolpaaren gebaut wird, im Gegensatz zu der zweipoligen Konstruktion der Abbildung. Die möglichen Werte der Magnetfeldgeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute sind 120 f/p, wobei f die Frequenz in Hertz (Zyklen pro Sekunde) und p die Anzahl der Pole ist (die eine gerade Zahl sein muss). Ein gegebener Eisenrahmen kann für eine beliebige von mehreren möglichen Anzahlen von Polpaaren gewickelt werden, indem Spulen verwendet werden, die einen Winkel von ungefähr (360/p)° überspannen. Das vom Maschinenrahmen verfügbare Drehmoment bleibt unverändert, da es proportional zum Produkt aus Magnetfeld und zulässigem Spulenstrom ist. Somit ist die Nennleistung des Rahmens, die sich aus dem Produkt von Drehmoment und Drehzahl ergibt, ungefähr umgekehrt proportional zur Anzahl der Polpaare. Die gängigsten Synchrondrehzahlen für 60-Hertz-Motoren sind 1.800 und 1.200 Umdrehungen pro Minute.