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.

Das Antriebsprinzip durch das Drehfeld, das sowohl dem Drehstrom-Asynchronmotor als auch dem Drehstrom-Synchronmotor gemeinsam ist, ist in Drehstrommotor beschrieben.

Der Rotor eines Drehstrom-Asynchronmotors hat eine Wicklung, die im Regelfall kurzgeschlossen ist (Kurzschlussläufer). Diese Wicklung ist entweder Drahtspulenwicklung oder als Leiterstab-Käfig ausgeführt.

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. Insbesondere im Bereich der oberen Leistungsklasse von Motoren sind bei bestimmten Anforderungen Schleifringläufer - Motor en (engl. slip ring motor) wirtschaftlich und technisch vorteilhaft.

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.

Die Drehzahl des Rotors ist immer um einen geringfügigen Betrag kleiner als die des Drehfeldes, um die erforderliche Induktion um Rotor-Stromkreis zu erzeugen. Bei motorischer Belastung nimmt die Drehzahl des Rotors ab, die Induktion steigt an und verstärkt das Rotor-Magnetfeld. Daher rührt der Name Asynchronmaschine.

Damit sind zwei miteinander gekoppelte Effekte verbunden:

• Das Luftspaltfeld induziert mit der Differenzfrequenz (Schlupffrequenz, Läuferfrequenz) eine Spannung in der kurzgeschlossenen Wicklung und treibt einen Kurzschlussstrom. Dieser Strom bildet zusammen mit dem magnetisierenden Luftspaltfeld eine Umfangskraft und daraus das Drehmoment, das an der Welle abgegriffen werden kann.

• Der entstehende Kurzschlussstrom seinerseits erzeugt ein rückwirkendes, dämpfendes Rotorfeld, das sich dem Statorfeld überlagert. Aufgrund des Induktionsgesetzes wächst der Statorstrom an, der Motor nimmt aus dem speisenden Netz Leistung auf.

Daher ist bei der Asynchronmaschine die Drehzahl des Läufers im Motorbetrieb geringer als die Drehzahl des antreibenden elektromagnetischen Drehfeldes, d. h. der Läufer rotiert asynchron zum Drehfeld.

Die Drehzahl bei Belastung ist dann um den Schlupf niedriger, der proportional zur Belastung der Maschine ist. Bei kleinen Maschinen beträgt der Nennschlupf bis zu 8 %, bei Maschinen größer 150 kW ist der Nennschlupf kleiner 1,5 % und nimmt mit wachsender Leistung des Typenleistung der Motoren weiter ab.

Die elektrischen Läuferverluste sind proportional zum Schlupf und der Wellenleistung. Der Wirkungsgrad des Motors ist eng mit den Kühlungsverhältnissen gekoppelt. Ein schlecht gekühlter Motor hat prinzipiell einen guten Wirkungsgrad und hat deshalb prinzipiell ein schlechtes Leistungsgewicht. Daher ist der Wirkungsgrad eines Motors für sich alleine nicht ausreichend zur Beurteilung.

Damit insbesondere schwache Netze geschont werden, läßt man Asynchronmotoren sehr häufig mit der Stern-Dreieck-Schaltung anlaufen. Damit erreicht man eine Reduktion des Anlaufstromes um den Faktor und 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.

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:

Die reale Motor-Drehzahl liegt je nach Bauweise udn aktueller Belastung jeweils geringfügig unter diesen Werten.

• 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:
  • Drehmaschinen mit 2 Grunddrehzahlen: langsam- oder schnelllaufend.
  • 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

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.

Mit dem Siegeszug der Drehstromwechselrichter werden heute nahezu ausschliesslich nur noch Kurzschluss - Käfigläufermotern (engl. squirrel cage motor) benötigt. Dieser Ausführungsart verdankt der Asynchronmotor seine Bezeichung 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)

Die wichtigste Norm ist die EN 60034.

Leistungsklassen Der Leistungsbereich bis ca. 200 kW gehört den Niederspannungs-Normmotoren gemäß DIN42673, DIN42676. Die Normung beschränkt sich auf die Ausführung des Gehäuses, und bestimmt die Mindestleistung des Motors.

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.

Konstruktions- und Schutzklassen 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..

Ein weiteres Klassifikationsmerkmal ist die Schutzart. Die IP Schutzart wird durch die VDE 0710 festgeschrieben. Die bekannteste und übliche Ausführung ist die Schutzart IP54 (Staub- und Spritzwasserschutz). Insbesondere im Bereich der hoch ausgenutzten Mittelspannungsmotoren findet man jedoch auch häufig die Schutzart IP23. Die meisten Hochleistungs - Traktionsmotoren für Bahnanwendungen sind in Schutzartz IP23 ausgeführt.

Sonderbauformen

• 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)

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 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.

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.

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.

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.

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.

Kleinleistungsmotoren

• Pumpenantriebe in allen Industriebereichen
• Kompressoren (z. B. Kältemittelkompressoren für kleinere Kühlräume)
• Ventilatoren für alle Industriebereiche
• Antriebe für Flurförderzeuge

Mittelleistungsmotoren

• 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.

Hochleistungsmotoren

• Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren für alle Industriebereiche
• Kraftwerkshilfsantriebe
• Traktionsantriebe für Bahnen

• Doppelt gespeiste Asynchronmaschine
• Drehzahlregelung