Eine dreiphasige Stromversorgung liefert ein rotierendes Magnetfeld in einem Induktionsmotor

Inhärenter Schlupf – ungleiche Drehfrequenz des Statorfeldes und des Rotors

Sowohl bei Induktions- als auch bei Synchronmotoren erzeugt die dem Stator des Motors zugeführte Wechselstromleistung ein Magnetfeld, das sich synchron mit den Wechselstromoszillationen dreht. Während sich der Rotor eines Synchronmotors mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Statorfeld dreht, dreht sich der Rotor eines Induktionsmotors mit einer etwas langsameren Geschwindigkeit als das Statorfeld. Das Magnetfeld des Stators des Induktionsmotors ändert sich daher relativ zum Rotor. Dies induziert einen Gegenstrom im Rotor des Induktionsmotors, also in der Sekundärwicklung des Motors, wenn diese über eine externe Impedanz kurzgeschlossen oder geschlossen wird. Der rotierende magnetische Fluss induziert Ströme in den Wicklungen des Rotors, ähnlich wie Ströme, die in der / den Sekundärwicklung (en) eines Transformators induziert werden.

Die induzierten Ströme in den Rotorwicklungen erzeugen wiederum Magnetfelder im Rotor, die gegen das Statorfeld reagieren. Die Richtung des erzeugten Magnetfeldes wird der Stromänderung durch die Rotorwicklungen entgegengesetzt sein, in Übereinstimmung mit dem Lenzschen Gesetz. Die Ursache des induzierten Stroms in den Rotorwicklungen ist das rotierende Statormagnetfeld, so dass sich der Rotor gegen die Änderung der Rotorwicklungsströme in Richtung des rotierenden Statormagnetfelds zu drehen beginnt. Der Rotor beschleunigt, bis die Größe des induzierten Rotorstroms und des Drehmoments die aufgebrachte mechanische Last auf die Drehung des Rotors ausgleicht. Da eine Drehung mit synchroner Drehzahl zu keinem induzierten Rotorstrom führen würde, arbeitet ein Induktionsmotor immer etwas langsamer als die Synchrondrehzahl. Der Unterschied oder „Schlupf“ zwischen tatsächlicher und synchroner Drehzahl variiert zwischen etwa 0,5% und 5,0% für Standard-B-Drehmomentkurven-Induktionsmotoren. Der wesentliche Charakter des Induktionsmotors besteht darin, dass er ausschließlich durch Induktion erzeugt wird, anstatt wie bei Synchron- oder Gleichstrommaschinen separat erregt oder wie bei Permanentmagnetmotoren selbstmagnetisiert zu werden.

Damit Rotorströme induziert werden können, muss die Drehzahl des physikalischen Rotors niedriger sein als die des rotierenden Magnetfelds des Stators ( n s {\displaystyle n_{s}}

); andernfalls würde sich das Magnetfeld relativ zu den Rotorleitern nicht bewegen und es würden keine Ströme induziert. Wenn die Drehzahl des Rotors unter die Synchrondrehzahl fällt, nimmt die Rotationsrate des Magnetfelds im Rotor zu, wodurch mehr Strom in den Wicklungen induziert und mehr Drehmoment erzeugt wird. Das Verhältnis zwischen der Rotationsrate des im Rotor induzierten Magnetfeldes und der Rotationsrate des Statordrehfeldes wird als „Schlupf“ bezeichnet. Unter Last sinkt die Drehzahl und der Schlupf nimmt ausreichend zu, um ein ausreichendes Drehmoment zum Drehen der Last zu erzeugen. Aus diesem Grund werden Induktionsmotoren manchmal als „Asynchronmotoren“ bezeichnet. Ein Induktionsmotor kann als Induktionsgenerator verwendet werden, oder er kann zu einem linearen Induktionsmotor abgerollt werden, der direkt eine lineare Bewegung erzeugen kann. Der Erzeugungsmodus für Induktionsmotoren wird durch die Notwendigkeit erschwert, den Rotor anzuregen, der nur mit einer Restmagnetisierung beginnt. In einigen Fällen reicht diese Restmagnetisierung aus, um den Motor unter Last selbst anzuregen. Daher ist es notwendig, entweder den Motor einzurasten und kurzzeitig an ein stromführendes Netz anzuschließen oder Kondensatoren hinzuzufügen, die anfänglich durch Restmagnetismus aufgeladen sind und die erforderliche Blindleistung während des Betriebs bereitstellen. Ähnlich ist der Betrieb des Induktionsmotors parallel zu einem Synchronmotor, der als Leistungsfaktorkompensator dient. Ein Merkmal im Generatorbetrieb parallel zum Netz ist, dass die Rotordrehzahl höher ist als im Fahrbetrieb. Dann wird aktive Energie an das Netz abgegeben. Ein weiterer Nachteil des Induktionsmotorgenerators besteht darin, dass er einen signifikanten Magnetisierungsstrom I0 = (20-35)% verbraucht.

Synchrondrehzahlbearbeiten

Die Synchrondrehzahl eines Wechselstrommotors, f s {\displaystyle f_{s}}

, ist die Drehrate des Magnetfeldes des Stators, f s = 2 f p {\displaystyle f_{s}={2f \\p}}

,

wobei f {\displaystyle f}

die Frequenz der Stromversorgung ist, p {\displaystyle p}

ist die Anzahl der magnetischen Pole und f s {\displaystyle f_{s}}

ist die synchrone geschwindigkeit der Maschine. Für f {\displaystyle f}

in Hertz und n s {\displaystyle n_{s}}

Synchrondrehzahl in U/min wird die Formel: n s = 2 f p ⋅ ( 60 s e c o n d s m i n u t e ) = 120 f p ⋅ ( s e c o n d s m i n u t e ) {\displaystyle n_{s}={2f \über p}\cdot \links({\frac {60\ \mathrm {Sekunden} }{\mathrm {minute} }}\rechts)={120f \über {p}}\cdot \links({\frac {\mathrm { sekunden} }{\mathrm {minute} }}\rechts)}

.

Zum Beispiel für einen vierpoligen Drehstrommotor p {\displaystyle p}

= 4 und n s = 120 f 4 {\displaystyle n_{s}={120f \over 4}}

= 1.500 U/min (für f {\displaystyle f}

= 50 Hz) und 1.800 U/min (für f {\displaystyle f}

= 60 Hz) synchron.

Die Anzahl der Magnetpole p {\displaystyle p}

ist gleich der Anzahl der Spulengruppen pro Phase. Um die Anzahl der Spulengruppen pro Phase in einem 3-Phasen-Motor zu bestimmen, zählen Sie die Anzahl der Spulen und dividieren Sie sie durch die Anzahl der Phasen (3). Die Spulen können mehrere Schlitze im Statorkern überspannen, was es mühsam macht, sie zu zählen. Wenn Sie für einen 3-Phasen-Motor insgesamt 12 Spulengruppen zählen, hat er 4 Magnetpole. Für eine 12-polige 3-Phasen-Maschine gibt es 36 Spulen. Die Anzahl der Magnetpole im Rotor ist gleich der Anzahl der Magnetpole im Stator.

Die beiden Abbildungen rechts und links oben zeigen jeweils eine 2-polige 3-Phasen-Maschine, die aus drei Polpaaren mit jeweils 60° Abstand besteht.

SlipEdit

Typischer Drehmomentverlauf als Funktion des Schlupfes, hier dargestellt als „g“

Schlupf, s {\displaystyle s}

, ist definiert als die Differenz zwischen Synchrondrehzahl und Betriebsdrehzahl bei gleicher Frequenz, ausgedrückt in U / min oder in Prozent oder Verhältnis der Synchrondrehzahl. Also s = n s − n r n s {\displaystyle s={\frac {n_{s}-n_{r}}{n_{s}}}\,}

wobei n s {\displaystyle n_{s}}

ist stator elektrische geschwindigkeit, n r {\displaystyle n_{r}}

ist rotor mechanische geschwindigkeit. Der Schlupf, der bei Synchrondrehzahl von Null und bei Stillstand des Rotors von 1 variiert, bestimmt das Drehmoment des Motors. Da die kurzgeschlossenen Rotorwicklungen einen geringen Widerstand haben, induziert selbst ein kleiner Schlupf einen großen Strom im Rotor und erzeugt ein signifikantes Drehmoment. Bei voller Nennlast variiert der Schlupf von mehr als 5% für kleine oder spezielle Motoren bis zu weniger als 1% für große Motoren. Diese Drehzahlschwankungen können zu Lastverteilungsproblemen führen, wenn unterschiedlich große Motoren mechanisch verbunden sind. Es stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, um den Schlupf zu reduzieren, wobei VFDs oft die beste Lösung bieten.

TorqueEdit

Standard torqueEdit

Speed-torque curves for four induction motor types: A) Single-phase, B) Polyphase cage, C) Polyphase cage deep bar, D) Polyphase double cage

Typical speed-torque curve for NEMA Design B Motor

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Übergangslösung für einen Wechselstrom-Induktionsmotor vom vollständigen Stillstand bis zu seinem Betriebspunkt unter variierender Last.

Das typische Drehzahl-Drehmoment-Verhältnis eines Standard-Mehrphasen-Induktionsmotors NEMA Design B ist in der rechten Kurve dargestellt. Geeignet für die meisten niedrigen leistung lasten wie kreiselpumpen und fans, Design B motoren sind eingeschränkt durch die folgenden typische drehmoment bereiche:

• Durchbruchsdrehmoment (Spitzendrehmoment), 175-300% des Nenndrehmoments
• Sperrdrehmoment (Drehmoment bei 100% Schlupf), 75-275% des Nenndrehmoments
• Pull-up-Drehmoment, 65-190% des Nenndrehmoments.

Über den normalen Lastbereich eines Motors ist die Steigung des Drehmoments annähernd linear oder proportional zum Schlupf, da der Wert des Rotorwiderstands geteilt durch den Schlupf, R r ‚ / s {\displaystyle R_{r}’/s}

, das Drehmoment linear dominiert. Wenn die Last über die Nennlast ansteigt, werden die Reaktanzfaktoren von Stator und Rotor in Bezug auf R r ‚ / s {\displaystyle R_{r}’/s}

allmählich signifikanter, so dass sich das Drehmoment allmählich in Richtung des Durchbruchsmoments krümmt. Wenn das Lastdrehmoment über das Durchbruchdrehmoment hinaus ansteigt, bleibt der Motor stehen.

StartingEdit

Es gibt drei grundlegende Arten von kleinen Induktionsmotoren: Split-Phase einphasig, Spaltpol einphasig und mehrphasig.

Bei zweipoligen Einphasenmotoren geht das Drehmoment bei 100% Schlupf (Nulldrehzahl) auf Null, so dass diese Änderungen am Stator erfordern, z. B. schattierte Pole, um ein Anlaufmoment bereitzustellen. Ein einphasiger Induktionsmotor erfordert eine separate Startschaltung, um dem Motor ein Drehfeld bereitzustellen. Die normal laufenden Wicklungen innerhalb eines solchen Einphasenmotors können dazu führen, dass sich der Rotor in beide Richtungen dreht, so dass die Startschaltung die Betriebsrichtung bestimmt.

Magnetischer Fluss im Spaltpolmotor.

Bei bestimmten kleineren Einphasenmotoren erfolgt der Start mittels einer Kupferdrahtwindung um einen Teil eines Pols; Ein solcher Pol wird als Spaltpol bezeichnet. Der dabei induzierte Strom bleibt hinter dem Versorgungsstrom zurück und erzeugt ein verzögertes Magnetfeld um den schattierten Teil der Polfläche. Dadurch wird eine ausreichende Drehfeldenergie zum Starten des Motors bereitgestellt. Diese Motoren werden typischerweise in Anwendungen wie Tischventilatoren und Plattenspielern verwendet, da das erforderliche Anlaufdrehmoment niedrig ist und der geringe Wirkungsgrad im Vergleich zu den reduzierten Kosten des Motors und des Startverfahrens im Vergleich zu anderen Wechselstrommotordesigns tolerierbar ist.Größere Einphasenmotoren sind Splitphasenmotoren und haben eine zweite Statorwicklung, die mit phasenverschobenem Strom gespeist wird; Solche Ströme können erzeugt werden, indem die Wicklung durch einen Kondensator gespeist wird oder unterschiedliche Induktivitäts- und Widerstandswerte von der Hauptwicklung erhalten werden. Bei Kondensator-Start-Konstruktionen wird die zweite Wicklung getrennt, sobald der Motor auf Hochtouren ist, normalerweise entweder durch einen Zentrifugalschalter, der auf Gewichte auf der Motorwelle einwirkt, oder durch einen Thermistor, der sich erwärmt und seinen Widerstand erhöht, wodurch der Strom durch die zweite Wicklung auf ein unbedeutendes Niveau reduziert wird. Die kondensator-run designs halten die zweite wicklung auf, wenn läuft, verbesserung drehmoment. Bei einem Widerstandsstartdesign wird ein Starter verwendet, der in Reihe mit der Startwicklung geschaltet ist, Reaktanz erzeugen.

Selbststartende mehrphasige Induktionsmotoren erzeugen auch im Stillstand Drehmoment. Verfügbare Kurzschluss-Induktionsmotor-Startmethoden umfassen Direkt-Online-Start, Drossel- oder Autotransformatorstart mit reduzierter Spannung, Stern-Dreieck-Start oder zunehmend neue Solid-State-Soft-Baugruppen und natürlich Frequenzumrichter (VFDs).

Mehrphasenmotoren haben Rotorstäbe, die so geformt sind, dass sie unterschiedliche Drehzahl-Drehmoment-Eigenschaften ergeben. Die Stromverteilung innerhalb der Rotorstäbe variiert in Abhängigkeit von der Frequenz des induzierten Stroms. Im Stillstand hat der Rotorstrom die gleiche Frequenz wie der Statorstrom und neigt dazu, sich an den äußersten Teilen der Käfigrotorstäbe zu bewegen (durch Skineffekt). Die verschiedenen Stabformen können zweckmäßigerweise unterschiedliche Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien sowie eine gewisse Kontrolle über den Einschaltstrom beim Start ergeben.Obwohl Mehrphasenmotoren von Natur aus selbststartend sind, müssen ihre Auslegungsgrenzen für Start- und Pull-Up-Drehmoment hoch genug sein, um die tatsächlichen Lastbedingungen zu überwinden.

Bei gewickelten Rotormotoren ermöglicht die Verbindung des Rotorkreises über Schleifringe mit externen Widerständen die Änderung der Drehzahl-Drehmoment-Eigenschaften zur Beschleunigungs- und Drehzahlregelung.

Speed controlEdit

ResistanceEdit

Typische Drehzahl-Drehmoment-Kurven für unterschiedliche Motoreingangsfrequenzen, wie sie beispielsweise bei Frequenzumrichtern verwendet wurden

Vor der Entwicklung der Halbleiter-Leistungselektronik , es war schwierig, die Frequenz zu variieren, und Käfiginduktionsmotoren wurden hauptsächlich in Anwendungen mit fester Geschwindigkeit verwendet. Anwendungen wie elektrische Brückenkräne verwendeten Gleichstromantriebe oder Wickelrotormotoren (WRIM) mit Schleifringen für den Rotorkreisanschluss an einen variablen Außenwiderstand, die eine beträchtliche Drehzahlregelung ermöglichen. Widerstandsverluste, die mit dem Betrieb von WRIMs mit niedriger Geschwindigkeit verbunden sind, sind jedoch ein großer Kostennachteil, insbesondere für konstante Lasten. Große Schleifringmotorantriebe, genannt Beleg-Energierückgewinnungssysteme, einige noch gebräuchlich, gewinnen Energie vom Rotorstromkreis zurück, korrigieren ihn und bringen ihn zum Energiesystem unter Verwendung eines VFD zurück.

CascadeEdit

Die Drehzahl eines Schleifringmotorenpaares kann durch eine Kaskadenverbindung oder Verkettung gesteuert werden. Der Rotor eines Motors ist mit dem Stator des anderen verbunden. Wenn die beiden Motoren auch mechanisch verbunden sind, laufen sie mit halber Geschwindigkeit. Dieses System war einst weit verbreitet in dreiphasigen Wechselstrom-Eisenbahnlokomotiven wie der FS-Baureihe E.333.

Frequenzumrichter

Frequenzumrichter

In vielen industriellen Anwendungen mit variabler Drehzahl werden DC- und WDM-Antriebe durch VFD-gespeiste Käfiginduktionsmotoren verdrängt. Die gebräuchlichste effiziente Methode zur Steuerung der Asynchronmotordrehzahl vieler Lasten sind VFDs. Die Hindernisse für die Einführung von VFDs aufgrund von Kosten- und Zuverlässigkeitserwägungen wurden in den letzten drei Jahrzehnten erheblich verringert, so dass schätzungsweise 30-40% aller neu installierten Motoren mit Antriebstechnologie ausgestattet sind.

Frequenzumrichter implementieren die skalare oder Vektorsteuerung eines Induktionsmotors.

Bei der Skalarregelung werden nur Größe und Frequenz der Versorgungsspannung ohne Phasenregelung geregelt (fehlende Rückkopplung durch Rotorstellung). Skalare Steuerung ist für Anwendung passend, in der die Last konstant ist.

Die Vektorsteuerung ermöglicht eine unabhängige Steuerung der Drehzahl und des Drehmoments des Motors, wodurch eine konstante Drehzahl bei variierendem Lastdrehmoment aufrechterhalten werden kann. Die Vektorsteuerung ist jedoch aufgrund der Kosten des Sensors (nicht immer) und der Anforderung eines leistungsstärkeren Controllers teurer.