7.1 Drehfeld, Drehmoment und Abmessungen

7.1.1 Zum Aufbau von Drehfeldmaschinen

Drehfelder sind die Basis für die Arbeitsweise verschiedener Drehstrommaschinen (Asynchronmotoren, Synchrongeneratoren u. a.). Der feststehende Teil dieser Maschinen wird als Stator (bei Asynchronmaschinen auch als Ständer) bezeichnet. Der Stator ist ein aus Eisenblechen aufgebauter Ringzylinder. An der Innenfläche befinden sich Nuten, in denen eine Wicklung aus Kupferdraht oder –stäben untergebracht ist. Die Wicklung schließt sich an den Stirnseiten des Zylinders (Wickelköpfe).

Der rotierende Teil (Rotor, Läufer) ist für die verschiedenartigen Maschinen unterschiedlich aufgebaut. Für die folgende Betrachtung der Entstehung des Drehfeldes wird am Einfachsten vom Läufer einer Asynchronmaschine ausgegangen. Dieser ist ein aus Eisenblechen aufgebauter Zylinder, in dessen äußerem Mantel in Nuten eine Wicklung eingebracht ist, die aber im Folgenden keine Rolle spielt. Zwischen dem rotierenden Teil und dem feststehenden Teil befindet sich der Luftspalt, der je nach Maschinenart etwa Loading weit ist. In jedem Fall ist der Luftspalt so eng, dass bei der Betrachtung der magnetischen Verhältnisse zwischen dem Innenradius des Stators und dem Radius des Rotors nicht unterschieden werden muss; man rechnet ggf. mit einem mittleren Radius. Abbildung 7.1 zeigt den gesamten Aufbau. Die Koordinate Loading sei der Winkel.

Abbildung 7.1: Beispiel einer Drehfeldmaschine mit Drehstromwicklung in zwölf Statornuten (nur die Stäbe des Stranges R sind gezeichnet).

7.1.2 Grundprinzip der Drehfeldbildung

                                                                                                                                                   Abbildung 7.2: Bildung des Drehfeldes

Schließt man die drei um räumlich Loading gegeneinander versetzte Wicklungsstränge an ein symmetrisches Drehstromsystem an, dann wandert das Maximum des Stromes wie eine Welle dem Luftspalt entlang.

Nimmt die dargestellte Anordnung nur Loading des (räumlichen) Umfanges ein und wiederholt sich dann, dann legt das Maximum während einer Netzperiode nur Loading zurück. Die Anzahl der Wiederholungen am Umfang wird als Polpaarzahl Loading bezeichnet. Man bezeichnet den Winkel Loading als elektrischen Winkel.

7.1.3 Beschreibung des Drehfeldes

Abbildung 7.2 zeigt eine Abwicklung des Luftspaltes der Anordnung in Abbildung 7.1.

Abbildung 7.3: Zur Ermittlung des Feldverlaufes

Die durch den Strom i erzeugte magnetische Feldstärke wird aus dem Durchflutungssatz ermittelt:

und Loading

Berücksichtigt man als Randbedingung, dass Loading den Mittelwert Loading haben muss, dann ergibt sich der in Abbildung 7.3 dargestellte Feldverlauf. Charakteristisch sind die Sprungstellen an den stromdurchflossenen (als schmal angenommenen) Nuten. Die Feldform hängt also stark davon ab, wie viele Nuten es gibt und wie die Wicklung in den Nuten verteilt ist.

Für die weitere Betrachtung und die Überlagerung der Felder der Ströme in allen drei Wicklungssträngen ist die Fourier-Zerlegung gut geeignet. Die durch den Strom Loading erzeugte Flussdichte in Abbildung 7.3 kann also geschrieben werden:

Loading

mit Loading , um auch den Fall höherer Polpaarzahlen berücksichtigen zu können. (Eine mögliche Phasenverschiebung spielt für das Folgende keine Rolle und ist deshalb weggelassen.) Loading sind Konstanten, die keine besondere Bedeutung haben. Sie können nur ungerade sein, das wird hier aber nicht berücksichtigt. Der (räumliche) Scheitelwert  ist proportional zum Strom Loading , also bei willkürlicher Wahl des zeitlichen Bezugspunktes:

Loading

Für die Wicklungsstränge Loading und Loading muss jeweils die räumliche und zeitliche Verschiebung um Loading ergänzt werden und man erhält:

Loading

Unter Nutzung der Gleichung (Additionstheorem) _Loading und von Loading folgt:

Loading

Das gesamte Feld ist die Addition der drei einzelnen Felder. Da die Summe der zweiten cos-Terme null ist, folgt schließlich:

Loading

Das gesamte Feld besteht also aus :

1. Grundfeld (Loading ), das die Polpaarzahl Loading besitzt und mit der Winkelgeschwindigkeit

Loading (synchrone Drehzahl) rotiert (s. auch Abbildung 7.9).

      2. Oberfelder (Loading ), die die Polpaarzahl Loading besitzen und entsprechend mit

Loading rotieren.

Die Drehzahl des Rotors in einer Drehfeldmaschine ist durch das Grundfeld bestimmt (synchron oder asynchron). Die Oberfelder würden eine Rotation mit Loading Drehzahl erzeugen wollen und würden so die eigentliche Funktion behindern.

Die Oberfelder müssen also möglichst vermieden werden. (In Ergänzung wird auch die Wicklung im Rotor möglichst so gestaltet, dass sie auf ggf. verbleibende Oberfelder möglichst nicht reagiert). Es ist also anzustreben, das Loading für Loading ist.

Jeder Strang muss also ein möglichst sinusförmiges Feld erzeugen. Entsprechend der Darstellung in Abbildung 7.3 müssen die Windungen jeden Stranges deshalb auf mehrere Nuten verteilt werden. Bereits mit der Aufteilung auf je zwei Nuten wie in Abbildung 7.1 und Abbildung 7.3 ist einiges erreicht, wie Abbildung 7.4 zeigt.

Eine weitere Verbesserung lässt sich erzielen, wenn sich die Bereiche der einzelnen Wicklungsstränge überlappen, es also Nuten gibt, in der Wicklungen aus verschiedenen Strängen liegen. Die Möglichkeit einer wirtschaftlichen Fertigung der Wicklung hat außerdem einen wesentlichen Einfluss auf die Gestaltung.

Abbildung 7.5 zeigt die Wicklung und den resultierenden Feldverlauf für einen gebauten Loading -Drehstromasynchronmotor für zwei verschiedene Zeitpunkte zusammen mit einer ideal sinusförmigen Kurve. Die Wicklung liegt in zwei Schichten in den Nuten, sie wird deshalb als Zweischichtwicklung bezeichnet.

Dies ist heute eine übliche Bauart. Man erkennt, dass so die Sinusform schon sehr gut angenähert ist.

Abbildung 7.4: Feldverlauf bei zwei Nuten pro Pol und Strang

Abbildung 7.5: Wicklungsanordnung und Feldverlauf für zwei verschiedene Zeitpunkteund einer resultierenden Grundwelle

7.1.4 Drehmoment, Strombelag, Abmessungen

Nützlich ist ein Bezug des Stromes auf die Länge in Umfangsrichtung. Der Quotient

Loading

wird als Strombelag bezeichnet. Bei üblichen Maschinen ist etwa Loading . Aus Gleichung (3.1) kann dann der Zusammenhang

Loading

entnommen werden.

Setzt man in folgende Gleichung für die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter

Loading

statt des Stromes den Strombelag ein, dann erhält man mit

Loading

die Kraft pro Fläche am Umfang, dies wird Drehschub genannt.

Die magnetische Flussdichte Loading ist bei Drehfeldmaschinen am Maschinenumfang annähernd sinusförmig verteilt, sie liegt zwischen Loading und Loading . Der Strombelag Loading ist ebenfalls am Maschinenumfang annähernd sinusförmig verteilt und nimmt Werte zwischen Loading und Loading an. Wenn am Umfang Feldstärke und Strombelag ihr Maximum am gleichen Ort hätten, schwankt der Drehschub am Umfang zwischen null und einem Maximalwert (die Maschine hätte einen Leistungsfaktor Loading ).

Abbildung 7.6: Feld, Strombelag und Schub in einer Drehfeldmaschine (Loading )

Der „mittlere Drehschub Loading " ist dafür

Loading

Bei den üblichen Werten Loading und Loading ist Loading .

Es muss beachtet werden, dass die magnetische Feldstärke Loading meistens als Scheitelwert angegeben wird, der Strom, aus dem Loading berechnet wird, ist meistens als Effektivwert angegeben.

Zu den Abmessungen einer Maschine gelten sinngemäß die gleichen Überlegungen wie für die Gleichstrommaschine in Kapitel 6.4 und führen zu dem gleichen Ergebnis:

Die Größe einer Maschine wird also eher durch das Drehmoment und weniger durch die Leistung bestimmt!

Die folgenden Diagramme zeigen diesen Zusammenhang für eine handelsübliche Baureihe von Asynchronmotoren.

Abbildung 7.7: Zusammenhang zwischen Baugröße (hier die Masse), Drehmoment und Leistung für eine Baureihe von Drehstromasynchronmaschinen mit Käfigläufer

7.2 Asynchronmaschinen

7.2.1 Besondere Formelzeichen und Begriffe

Strang:

Eine Wicklung der Maschine (ggf. aus mehreren Teilen bestehend), die zwischen zwei Leiter des Netzes oder zwischen einem Leiter und einem Sternpunkt geschaltet ist.

Indizes:

0: Leerlauf

1: Stator, Ständer

2: Rotor, Läufer

7.2.2 Aufbau der Ständer- und Läuferwicklung, Begriffe

Asynchronmotoren sind die in der industriellen Antriebstechnik und in Bordnetzen von Schiffen am häufigsten vorkommenden Maschinen. Der Stator eines Asynchronmotors (oft auch Ständer genannt) ist aus Blechringen zu einem Ringzylinder zusammengeschichtet. Am inneren Umfang befinden sich in Nuten der drei Drehstromwicklungen. Bei kleineren Maschinen besteht diese aus isoliertem Kupferdraht, bei größeren Maschinen aus isolierten Kupferstäben. Die Stäbe sind an den Stirnseiten durch Verbindungen zu geschlossenen Wicklungen zusammengeschaltet. Die drei Wicklungsstränge sind in Sternschaltung oder in Dreieckschaltung mit dem speisenden Netz verbunden.

Abbildung 7.8: Alternative Schaltungen von Drehstromwicklungen

Die drei Stränge sind über den Umfang um je Loading versetzt angeordnet, die Rückleiter eines jeden Stranges liegen also den zugehörigen Hinleitern genau gegenüber. Hin- und Rückleiter liegen also um Loading auseinander.

Abbildung 7.9: Drehfeld mit Polpaarzahl Loading (links) und Loading (rechts)

Beim Anschluss des Stators an ein Drehstromsystem entsteht im Luftspalt ein magnetisches Feld, welches längs des Luftspaltumfanges annähernd sinusförmig verteilt ist. Diese Feldstärkewelle läuft mit konstanter, nur von der Netzfrequenz abhängiger Geschwindigkeit um.

Macht man jeden Strang nur Loading (Loading = ganze Zahl) groß, versetzt die drei Stränge nur um Loading gegeneinander und wiederholt diese Anordnung Loading -mal über den Umfang, dann wiederholt sich auch das Feldbild Loading -mal. Loading wird als die Polpaarzahl bezeichnet. (In Abbildung 7.9 ist das Feldbild für Loading und für Loading dargestellt).

In der Bohrung des Stators ist der Rotor angeordnet, der ebenfalls aus Einzelblechen zusammengeschichtet ist. Die Wicklungen des Rotors bestehen aus Stäben, die Stäbe sind an den Stirnseiten durch Verbindungen zu geschlossenen Wicklungen zusammengeschaltet.

Die Rotorwicklungen einer Asynchronmaschine sind entweder kurzgeschlossen oder die Anschlüsse sind an drei Schleifringe angeschlossen, über die sie über Kohlebürsten elektrisch zugänglich sind.

Die kurzgeschlossenen Wicklungen im Rotor versuchen den Fluss möglichst fest zu halten, deswegen wird der Rotor von dem umlaufenden Feld mitgenommen. Bei Asynchronmaschinen wird der Rotor auch als Läufer bezeichnet.

Es werden zunächst die Verhältnisse untersucht für einen Rotor, der nur eine in sich kurzgeschlossene Spule trägt.

7.2.3 Läuferspannungsgleichung

Die im Luftspalt umlaufende magnetische Feldwelle soll durch einen umlaufenden Vektor Loading dargestellt werden (Abbildung 7.10). Dieser Vektor zeigt in die Richtung der positiven Feldstärkeamplitude, seine Größe ist dem Scheitelwert der umlaufenden Feldwelle proportional.

Zur besseren Übersicht sind alle Darstellungen für Loading gemacht, die Gleichungen enthalten immer auch die Polpaarzahl Loading .

Bei der Netzfrequenz Loading dreht Loading sich wie die Feldwelle mit konstanter Winkelgeschwindigkeit.

Abbildung 7.10: Geometrische Beziehungen zwischen Magnetfeld und Läuferspule

Loading

Diese Drehzahl wird als Leerlaufdrehzahl oder synchrone Drehzahl bezeichnet.

Loading

Die Spule dreht sich mit der konstanten Winkelgeschwindigkeit Loading , dann ist der mechanische Winkel

Loading

Der Fluss durch die Spulenfläche ist

Loading

Der Maximalwert des Flusses Loading geht durch die Spulenfläche, wennLoading ist. Die Frequenz der Ströme im Rotor ist gleich der Differenz zwischen Drehfelddrehzahl Loading und Rotordrehzahl Loading . Diese Drehzahldifferenz - bezogen auf die synchrone Drehzahl Loading - wird Schlupf genannt:

Loading tritt bei Loading auf:       der Rotor steht (Anlauf)

Loading tritt bei Loading auf:    der Rotor läuft ebenso schnell wie das Drehfeld, also mit Synchrondrehzahl

Der Fluss durch die Spulenfläche kann damit abhängig vom Schlupf ausgedrückt werden:

Loading

Die in der Spule induzierte Spannung ist (ohne Berücksichtigung des Vorzeichens)

Da die Spule kurzgeschlossen ist, treibt die Spannung Loading einen Strom Loading durch den Widerstand Loading und die Streuinduktivität Loading der Spule. Die Streuinduktivität ergibt sich u. a. daraus, dass der Strom Loading auch zusätzlich ein magnetisches Feld z. B. um die stirnseitigen Kurzschlussringe und in den Läufernuten erzeugt. Diese Felder sind ja in Loading nicht berücksichtigt.

Wendet man auf Gleichung (7.3) und (7.5) die komplexe Transformation an, so wird

Loading

oder in Effektivwerten statt der Scheitelwerte

(Hierbei ist zu beachten, dass die Kreisfrequenz des Stromes Loading gleich Loading ist, denn die treibende Spannung Loading   hat nach Gleichung (7.4) die Kreisfrequenz Loading )

Daraus ergibt sich der Strom in der kurzgeschlossenen Spule

Loading

Betrachtet man die Reihenschaltung eines Widerstandes Loading und einer Induktivität Loading an einer Wechselspannungsquelle mit der Spannung Loading , so ist:

Abbildung 7.11: Reihenschaltung L-R passt zu Gleichung (7.8)

Loading

Die Gleichung (7.7) wird also durch die Ersatzschaltung nach Abbildung 7.11 abgebildet, wenn

Loading
ist.

Durch Vergleich von Gleichung (7.8) mit Gleichung (7.7) ergibt sich ein Ersatzschaltbild für die im Drehfeld rotierende kurzgeschlossene Spule:

Abbildung 7.12: Ersatzschaltbild für den Läuferkreis

Der Strom Loading hat dabei Netzfrequenz, die Spannung Loading bzw. Loading hat ebenfalls Netzfrequenz!!

Loading

In der Ersatzschaltung nach Abbildung 7.12 fließt ein Strom mit Netzfrequenz Loading , dessen Amplitude und Phasenlage gegenüber der treibenden Spannung ebenso ist, wie Amplitude und Phasenlage des Stromes mit Schlupffrequenz Loading in der kurzgeschlossenen Rotorspule.

7.2.4 Ortskurve des Läuferstromes, Ersatzschaltbilder

Zeichnet man die Ströme Loading als komplexe Zahlen für verschiedene Werte des Schlupfes Loading auf, so ergibt sich eine „Ortskurve" nach Abbildung 7.13:

Abbildung 7.13:  Ortskurve des Nenners von Gleichung (7.9), links,
                           Ortskurve des Stromes nach Gleichung (7.9), rechts

Die praktisch vorkommenden Betriebspunkte liegen zwischen Loading (Leerlauf) und Loading (Stillstand des Rotors).

Das Drehfeld wird durch Ströme in Spulen des Stators erzeugt. Es ist zweckmäßig, davon auszugehen, dass die drei Stränge der Maschine in Loading geschaltet sind. Betrachtet man nun einen dieser drei Stränge und teilt den gesamten magnetischen Fluss in einen Hauptfluss durch den Luftspalt der Maschine und einen Streufluss in den Wickelköpfen und den Nuten auf, dann kann man diesen Strang durch ein Ersatzschaltbild (Abbildung 6.14) nachbilden. Loading ist dabei die mit dem Hauptfluss verbundene Hauptinduktivität, Loading ist die Streuinduktivität des Stators.

                                                                                                                                  Abbildung 7.14: Ersatzschaltbild für die Ständerwicklung

Betrachtet man eine der Statorspulen, so ist die durch das Drehfeld in ihr induzierte Spannung

Diese Spannung ist nach Gleichung (7.10) gerade gleich der Spannung Loading , die zur Speisung der Ersatzschaltung nach Abbildung 7.12 nötig ist.

Man kann jetzt das Ersatzschaltbild der rotierenden Spule an das Ersatzschaltbild der Statorspule anschließen, da am Ausgang von Abbildung 7.14 und am Eingang von Abbildung 7.12 Spannungen gleicher Größe und gleicher Frequenz liegen und sich das gesamte magnetische Feld im Luftspalt aus der Summe aus Ständerstrom und Läuferstrom ergibt. Dabei ist stillschweigend angenommen, dass die Windungszahlen im Stator und Läufer so gewählt sind, dass der gemeinsame Fluss in beiden Wicklungen die gleiche Spannung induziert.

Abbildung 7.15: Mögliches einphasiges Ersatzschaltbild

Dieses Ersatzschaltbild kann weiter vereinfacht werden: Man kann mit Hilfe der Maschen- und Knotengleichungen zeigen, dass es keine Möglichkeit gibt, durch Messungen von Loading und Loading bei beliebigen Werten von Loading eine Schaltung nach Abbildung 7.15 von der von Abbildung 7.16 zu unterscheiden (die Werte für Loading unterscheiden sich aber geringfügig).

Man kann also die Hauptinduktivität Loading durch die „Leerlaufinduktivität Loading " ersetzen, welche an die Eingangsklemmen angeschlossen wird. Zur Berücksichtigung unterschiedlicher Windungszahlen (und ggf. anderer Faktoren) werden Strom, Widerstand und Streuinduktivität der Rotorwicklungen ähnlich wie beim Transformator auf die Statorseite transformiert, deshalb ist es üblich, die Größen mit einem Strich zu markieren. Die Größe Loading ist die Spannung an einer der drei in Loading geschalteten Stränge, Loading ist der Strom in einer Zuleitung.

Für die gesamte Maschine aus drei Strängen gelten insgesamt die gleichen Überlegungen. Bei stationären Zuständen sind die Größen in allen drei Strängen aber bis auf eine Phasenverschiebung von Loading gleich, deshalb reicht die Betrachtung eines Stranges für ein einzelnes Ersatzschaltbild aus. Für die Berechnung transienter Vorgänge ist das einphasige Ersatzschaltbild nicht geeignet.

Bei realen Maschinen hat auch die Statorwicklung einen ohmschen Widerstand und es entstehen auch Verluste im Eisenkern. Auf die Stromaufnahme und das Drehmoment haben diese beiden Effekte bei Maschinen ab wenigen kW Nennleistung keinen merklichen Einfluss. Sie werden deshalb im Ersatzschaltbild üblicherweise nicht berücksichtigt.

Im Leerlauf, für Loading fließt wegenLoading kein Strom überLoading und die Stromaufnahme des Asynchronmotors ist durch die Leerlaufinduktivität Loading gegeben.

Loading

Loading

Abbildung 7.16: Übliches einphasiges Ersatzschaltbild, gesamte Streuung in den Läufer verlegt

Die Gleichungen zu Abbildung 7.16 sind:

Loading

Loading

7.2.5 Stromortskurve der Asynchronmaschine (Heyland-Kreis)

Mit diesen Gleichungen kann man den Statorstrom und den Rotorstrom einer ASM für jeden Schlupf (d. h. für jede Drehzahl) berechnen und als komplexe Zahl darstellen. Es ergibt sich eine Ortskurve mit dem Schlupf als Parameter. Legt man den Spannungszeiger Loading so, dass er nach oben zeigt, und mit der reellen Achse zusammenfällt, so entsteht das Kreisdiagramm der Asynchronmaschine.

Gegenüber Abbildung 7.13 ist nur der induktive Strom Loading hinzugekommen.

Abbildung 7.17: Ortskurve des Ständerstromes (Heyland-Kreis)

Die Ortskurve ergibt immer einen Kreis, sofern die Streuinduktivität Loading unabhängig vom Schlupf Loading ist, und keine Sättigung der magnetischen Kreise vom Hauptfluss und Streuflüssen auftritt.

Im Kipppunkt gibt die Maschine das maximal mögliche Moment, das Kippmoment, ab.

Der Durchmesser des Ortskurvenkreises ist _Loading .

Der vom Motor aufgenommene Wirkstrom Loading liegt in Phase mit der Spannung Loading , er ist daher proportional dem Abstand zwischen Kreis und Abszisse. Die vom Stator aus dem Netz entnommene Wirkleistung Loading ist gleich:

Loading

Da die Verluste im Stator nicht berücksichtigt wurden, wird die Leistung Loading über den Luftspalt auf den Rotor übertragen. Da sich das magnetische Feld mit der festen Drehzahl Loading dreht und alle Kraftwirkungen auf den Rotor durch das magnetische Feld ausgeübt werden, ist das vom Stator auf den Rotor übertragene Drehmoment proportional der vom Stator aufgenommenen Wirkleistung:

(Kipppunkt:Loading )

Vernachlässigt man die Luft- und Lagerreibung des Rotors und betrachtet nur stationäre Betriebszustände - also konstante Rotordrehzahl - so wird dieses Moment über die Kupplung an die angekuppelte Arbeitsmaschine abgegeben. Das Drehmoment einer ASM ist also proportional dem Abstand zwischen Kreis und Abszisse.

Aus Abbildung 7.17 ist ersichtlich, dass im Kipppunkt der Läuferstrom Loading um Loading gegenüber Loading verschoben ist. Aus Gleichung (7.9) folgt somit für den Kippschlupf

Loading

Der Wirkanteil des Stromes aus Gleichung (7.12) ist damit

Loading

Mit Gleichung (7.13) folgt für das Drehmoment:

Loading (Kloß`sche Formel)

Für maßstäbliche Zeichnungen wählt man meist den Strommaßstab m_i (z. B. in Loading ).

Die Maßstäbe für Leistung und Drehmoment folgen dann:

Loading

7.2.6 Normierung der Stromortskurve

Bezieht man

• Ströme auf den Nennstrom: Loading
• Leistungen auf die Nennscheinleistung: Loading

• Drehmoment auf ein fiktives Moment, das sich aus Nennscheinleistung und synchroner. Drehzahl ergibt : Loading

so ergibt sich das Kreisdiagramm der ASM in normierter Darstellung, in der die Skalierung der Ordinate des Kreisdiagramms für Loading , Loading und Loading gleich ist.

Abbildung 7.18: Stromortskurve des Ständerstromes mit normierten Größen

Das Drehmoment an der Welle ist bei Nennbetrieb immer kleiner als eins, da der Motor außer der Wirkleistung auch Blindleistung aufnimmt und das Bezugsdrehmoment aus der Scheinleistung berechnet wurde.

Ferner wird oft auch die Drehzahl des Motors auf die synchrone Drehzahl bezogen, also nach Gleichung (7.3) :

Loading

sowie auch die Netzfrequenz auf die Nennnetzfrequenz.

Beim Schlupf Loading ist die Drehzahl null, hierzu gehört der Punkt Loading , der die Anlaufbedingungen beschreibt (Kurzschlusspunkt).

Der Motor nimmt beim Anlauf den Strom Loading auf und gibt an seiner Welle das Drehmoment Loading ab. Bei Nenndrehzahl nimmt der Motor den Nennstrom Loading auf, der Phasenwinkel Loading zwischen Strom und Spannung ist maßgeblich für das Verhältnis von aufgenommener Wirkleistung zu Scheinleistung

Der Schlupf des Motors im Nennpunkt (Loading ) liegt bei 1% bis 3 %, sodass Loading bis Loading ist. Bei Leerlauf des Motors (im Punkt Loading ) ist das Drehmoment null, der Rotor dreht sich mit der gleichen Drehzahl wie das Drehfeld (mit synchroner Drehzahl), d. h. Loading und er nimmt den Leerlaufstrom Loading aus dem Netz auf. Der Leerlaufstrom liegt bei ca. 30 % des Nennstromes, er ist (bei vernachlässigten Eisen- und Reibungsverlusten) ein Blindstrom. Bei negativem Schlupf (unterer Teil des Kreises) läuft der Rotor schneller als das Drehfeld, das Drehmoment ist negativ. In diesem Betriebszustand läuft der Motor als Asynchrongenerator, er gibt Wirkleistung in das Netz ab, und er nimmt aus der angekuppelten Arbeitsmaschine Leistung auf (Hebezeug beim Lastsenken, Generator in Windkraftanlagen). Im Gegensatz zu einem Synchrongenerator nimmt eine Asynchronmaschine auch im Generatorbetrieb aus dem Netz induktive Blindleistung auf, der Leistungsfaktor Loading ist immer induktiv.

Arbeitspunkte mit Loading stellen sich ein, wenn der Rotor gegen die Drehrichtung des Drehfeldes gedreht wird (Gegenstrombremsen, kommt bei Winden vor). Beim Schlupf Loading hat der Motor Nenndrehzahl, und er dreht sich entgegengesetzt zum Drehfeld. Größere Schlupfwerte gefährden den Motor durch die Fliehkräfte.

7.2.7 Drehmoment-Drehzahl- und Strom-Drehzahl-Kennlinien

Aus der Abbildung 7.18 kann man die Betriebskennlinie Loading und Loading entnehmen. Sie sind in Abbildung 7.19 eingetragen. Man erkennt, dass bei Belastung des Motors die Drehzahl von der synchronen Drehzahl ausgehend sinkt und das Drehmoment zunächst ansteigt bis zum Kippmoment. Nach Erreichen des Kipppunktes sinkt das Drehmoment des Motors. Hat die angekuppelte Arbeitsmaschine ein Drehmoment, welches nur wenig mit sinkender Drehzahl abnimmt, so wird die Motordrehzahl weiter sinken bis zum Stillstand. (Das kann beim Antrieb von Kolbenpumpen auftreten. Wird der Motor in einem solchen Falle nicht abgeschaltet, so verbrennt er infolge des großen Stromes).

Da das Kippmoment nach Gleichung (7.13) quadratisch von der Netzspannung abhängt, bedeutet eine kleine Abnahme der Netzspannung schon eine erhebliche Verminderung des Drehmomentes. Um in jedem Fall genügend Reserve für die Beschleunigung des Motors zu haben, muss das Kippmoment deutlich größer als das Nennmoment sein (Faktor 1,6 ist für die meisten Fälle vorgeschrieben).

Abbildung 7.19: Ständerstrom und Drehmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl

7.2.8 Aufteilung der Luftspaltleistung

Für den Schutz des Motors ist es wichtig, die Verluste im Rotor zu berücksichtigen. Die über den Luftspalt zufließende Leistung teilt sich in die Nutzleistung und die Rotorverlustleistung Loading auf.

Loading

Im Stillstand wird die gesamte Luftspaltleistung im Rotor in Wärme umgesetzt.

Nach dem Lehrsatz des Euklid gilt in Abbildung 7.20:

Loading

also ist Loading . Im Punkt Loading ist Loading die gesamte aufgenommene Leistung Verlustleistung. Loading entspricht also der Strecke unterhalb der Linie Loading . Die Differenz zur aufgenommenen Leistung wird als mechanische Leistung abgegeben.

Abbildung 7.20: Heyland-Kreis mit Drehmoment und Leistungen

Man erkennt den starken Anstieg der Rotorverluste bei sinkender Drehzahl. Es muss also zum Schutz des Rotors auf alle Fälle vermieden werden, den Motor durch Überlastung auf große Schlupfwerte zu bringen. Bei Unterspannung an den Motorklemmen verkleinert sich das Diagramm für die Ströme proportional zur Spannung (Gleichung (7.12)) und das Diagramm für die Leistungen und Drehmomente proportional zum Quadrat der Spannungen (Die Leistungen und die Drehmomente sind proportional dem Produkt aus Strom und Spannung). Eine Überlastung des Asynchronmotors ist also auch bei Drehmomenten unterhalb des Nenndrehmomentes möglich, wenn die Netzspannung unter ihren Nennwert sinkt.

Mit der Konstruktion nach Abbildung 7.20 ist es möglich, die zu den einzelnen Punkten der Ortskurve gehörenden Schlupfwerte zu berechnen. Es sind

Loading

Für den in Abbildung 7.20 eingetragenen Punkt Loading istLoading , Loading , also Loading . Der Schlupf an diesem Punkt ist also 17 %.

Der Heylandkreis gilt exakt für das einphasige Ersatzschaltbild, dieses gilt unter folgenden Voraussetzungen:

• symmetrische Maschine und Wicklung
• sinusförmige Feldverteilung im Luftspalt
• keine Sättigung
• keine Stromverdrängung (s. u.)
• sinusförmige Netzspannung
• keine Verluste außer den Läuferverlusten
• stationärer Betriebszustand Loading

Die letzte Voraussetzung bedeutet, dass der Heylandkreis und das einphasige Ersatzschaltbild nicht für dynamische Vorgänge (z. B. den Einschaltvorgang) gilt.

Für reale Motoren kann die Stromortskurve erheblich von der Kreisform abweichen. Für praktische Anwendungen ist im vorwiegend genutzten Arbeitsbereich zwischen Leerlauf und Nennpunkt eine Approximation durch einen Kreis genau genug möglich.

7.2.9 Polumschaltung, Schleifringläufer, Käfigläufer

Die synchrone Drehzahl wird durch die Polpaarzahl festgelegt. Bei vorgegebener Speisefrequenz können also nur Drehzahlen in der Nähe der synchronen Drehzahlen ausgeführt werden. Bei den in Europa üblichen Loading -Netzen gibt es also die synchronen DrehzahlenLoading . An Bord von Schiffen mit überwiegend Loading Netzen gibt es entsprechend Loading Betrieb mit vergrößertem Schlupf ist nur möglich, wenn der Rotorwiderstand Loading vergrößert wird. Die Rotorverluste können dann aber nicht aus der Maschine abgeführt werden, d. h. der Rotor muss mit einer Drehstromwicklung ausgeführt werden. Die drei Wicklungen werden im Stern geschaltet und die drei Anschlüsse werden über Schleifringe und Bürsten mit einem außerhalb der Maschine liegenden dreisträngigen Widerstand (Schleifringläufer) verbunden. Durch Verstellen des Widerstandes kann die Position des Punktes Loading auf dem Kreis verändert werden. Die Lage und die Größe des Kreises bleibt dabei unverändert. Für jedes vorgegebene Drehmoment kann damit die Drehzahl vom Nennwert in der Nähe der synchronen Drehzahl (Außenwiderstand im Rotorkreis = null, d. h. Schleifringe kurzgeschlossen) auf beliebig kleine Werte herabgesetzt werden. Eine Drehzahlregelung wird damit kaum gemacht, der Widerstand wird durch Schaltwerke stufenweise verstellt. Diese Anordnung wird jedoch gelegentlich benutzt, um beim Einschalten des Motors ein großes Drehmoment bei verhältnismäßig kleinem Anlaufstrom zu erreichen. Nach dem Anlauf werden die Schleifringe kurzgeschlossen. Für viele industrielle Anwendungen sind Motoren mit Schleifringläufer aber ungeeignet, wegen der erforderlichen Wartung der mechanischen Teile (insbesondere der Kohlebürsten).

Eine nahezu verlustlose Schlupfregelung ist möglich, wenn man die Schleifringe des Rotors an einen elektronischen Frequenzumrichter anschließt, der den Rotorstrom mit der Frequenz Loading in einen Strom mit Netzfrequenz Loading wandelt und der gleichzeitig die Rotorspannung in die Netzspannung umwandelt. Dann kann der Ausgang des Umrichters an das Netz angeschlossen werden und die dem Rotor zwecks Schlupfregelung entnommene Leistung an das Netz zurückgegeben werden.

Für manche Antriebe genügt eine stufenweise Umschaltung der Drehzahl, (einfache Winden und Kräne). Hier besteht die Möglichkeit, zwei Statorwicklungen mit unterschiedlicher Polpaarzahl in den Stator einzubauen oder Wicklungsteile der Statorwicklung so umzuschalten, dass sich die Polpaarzahl ändert (Dahlander-Schaltung). Wenn der Rotor eine Wicklung aus miteinander verbundenen Stäben hat (Käfigwicklung), tritt die Wirkung als Kurzschlusswicklung für jede Polzahl ein, sodass im Rotor keine Umschaltung erforderlich ist.

Die weitaus meisten Antriebe haben wegen des einfachen Aufbaus und den geringen Wartungsanforderungen Kurzschlussläufermotoren mit Käfigwicklung. Die Rotoren haben in sich geschlossene Windungen, die aus Stäben bestehen, welche an den Stirnseiten des Rotors durch Ringe miteinander verbunden sind (Abbildung 7.21). Diese „Käfigwicklung" ersetzt elektrisch und magnetisch in jeder Beziehung die kurzgeschlossenen Wicklungen im Rotor. Ihre Wirkungen sind unabhängig vom Drehwinkel des Rotors, da die „Käfigwicklung" symmetrisch am Umfang verteilt ist.

Abbildung 7.21: Aufbau eines Käfigläufers

7.2.10 Stromverdrängungsläufer

Die Kennlinien des Drehmomentes (Abbildung 7.19) zeigen, dass das Anlaufmoment kleiner sein kann als das maximale Moment.

Der Widerstand Loading der Rotorwicklung wird durch den Querschnitt der Stäbe und der Ringe und durch das Material festgelegt. Ein zur Erzielung eines großen Anlaufdrehmomentes erforderlicher großer Widerstand Loading kann nicht einfach durch Verkleinerung der Querschnitte realisiert werden, da die beim Anlauf auftretende Verlustenergie eine zu hohe Erwärmung der Stäbe und Ringe zur Folge haben würden. Eine große Wärmekapazität bei hohem elektrischem Widerstand der Rotorwicklung (und gleichzeitig große mechanische Festigkeit) wird durch elektrisch schlechter leitendes Material (Messing, Aluminium) erreicht.

Für die Festlegung des Rotorwiderstandes Loading sind zwei Kriterien wesentlich: Loading soll klein sein, damit bei Nennbetrieb die Rotorverluste klein sind und Loading soll groß sein, damit das Anlaufdrehmoment des Motors groß ist. Beide Forderungen werden annähernd durch einen „Stromverdrängungsläufer" erfüllt. Durch die im Folgenden beschriebene Stromverdrängung verändern sich Loading (und auch Loading ) abhängig der Drehzahl, so dass beide Kriterien erfüllt sind.

Abbildung 7.23: Die Position eines Stabes bestimmt die Größe der Streuinduktivität
links: Stab am Nutgrund; rechts: Stab am Luftspalt

Die Wicklungsstäbe in den Nuten erzeugen magnetische Streufelder. Die Feldlinien umschlingen die erzeugenden Stäbe. Da der magnetische Leitwert des Eisens groß ist, wird die Feldstärke in der Nut nur durch die Nutbreite Loading und den Strom Loading im Wicklungsstab bestimmt:

Loading

Der Streufluss, welcher den Stab umschlingt, ist proportional Loading und dem Abstand Loading zwischen Stab und Nutöffnung (und der Maschinenlänge Loading )

Loading

Der durch die Nutabmessungen und die Maschinenlänge bestimmte FaktorLoading ist die Streuinduktivität _Loading des Stabes. Die Rotorstreuinduktivität _Loading ist im Wesentlichen (bis auf den Anteil der Kurzschlussringe) diesem Wert proportional. Es besteht nun die Möglichkeit, den Rotor mit zwei „Kurzschlusskäfigen" auszurüsten. Die Stäbe des unteren Käfigs liegen am Grunde einer tiefen Nut, und haben einen kleinen ohmschen Widerstand. Die Stäbe des oberen Käfigs liegen in flachen Nuten in der Nähe des Luftspaltes und haben einen großen ohmschen Widerstand. Verbindet man die Enden aller Stäbe durch gemeinsame Kurzschlussringe, so ergibt sich ein Ersatzschaltbild gemäß Abbildung 7.24.

Abbildung 7.24: Prinzip der Stäbe eines Doppelkäfigläufers zur Veranschaulichung, entspricht die Länge der Symbole den jeweiligen Werten

Beim Anlauf ist der Schlupf groß (Loading ). Die Streureaktanzen bestimmen im Wesentlichen die Stromaufteilung. Der Strom fließt somit vorwiegend in den oberen Stäben und ein großer Rotorwiderstand kommt zur Wirkung. Zwar wird auch im Unterkäfig noch ein deutlicher Strom fließen, dieses ist jedoch ein reiner Blindstrom und bewirkt somit kein Moment; der Punkt Loading liegt auf der Stromortskurve für den Unterkäfig ganz rechts fast auf der imaginären Achse. Bei kleinem Schlupf, in der Nähe der Nenndrehzahl, sind die Streureaktanzen klein und die Widerstände sind daher parallel geschaltet. Der Strom fließt im wesentlich in den unteren Stäben. Der Nennpunkt Loading liegt also auf einem kleineren Kreis als der Anlaufpunkt Loading . Wegen des im Anlauf wirksamen großen Rotorwiderstandes hat der Anlaufstrom eine große Wirkkomponente, und daher ist auch das Anlaufdrehmoment hoch.

Abbildung 7.25: Ortskurve des Läuferstromes, das Drehmoment und den Ständerstrom für eine Maschine mit Doppelkäfig. Zum Vergleich sind auch die Kurven eingetragen, die sich ergeben, wenn nur der Unterkäfig oder nur der Oberkäfig vorhanden ist

Eine weitere Konstruktion von Stromverdrängungsläufern ist mit Hochstäben möglich. Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, dass bei höheren Frequenzen jeder Strom das Bestreben hat, sich nur im Oberflächenbereich von Leitern zu bewegen, das entspricht etwa dem Fall, dass in Abbildung 7.23 die beiden Leiter in derselben Nut lägen.

Im Anlaufpunkt, also bei Loading , ist die Läuferfrequenz gleich der Netzfrequenz. Besteht die Läuferkäfigwicklung aus rechteckförmigen Hochstäben im Blechpaket, so fließt bei dieser Frequenz der Strom nicht mehr über den Leiterquerschnitt gleichmäßig verteilt. Der wirksame ohmsche Widerstand dieses Stabes ist damit größer als der Gleichstromwiderstand.

Abbildung 7.26: Einige mögliche Formen von Stäben in Stromverdrängungsläufern

Bei Normmotoren werden die Rotoren im Allgemeinen mit Aluminiumwicklungen ausgeführt, die Käfigwicklung wird direkt durch Druckguss in die Nuten des Rotorblechpaketes eingebracht und die Kurzschlussringe werden im selben Arbeitsvorgang erzeugt. Die Nutenformen können weitgehend den elektrischen Bedürfnissen angepasst werden, die Drehzahl-Drehmomentkennlinien können dem gewünschten Verlauf gut angenähert werden.

Für Motoren mit häufigen Ein- und Ausschaltungen sind Leichtmetalldruckgusswicklungen nicht geeignet wegen mangelhafter Temperaturwechselfestigkeit. Derartige Motoren erhalten besser Stabwicklungen, wobei die Stäbe von Oberkäfig und Unterkäfig in einer gemeinsamen Nut oder in getrennten Nuten liegen können.

7.2.11 Verluste beim Anlaufen und Bremsen

Im Luftspalt der Maschine wird ein umlaufendes magnetisches Feld beobachtet, welches von den stillstehenden Statorwicklungen erzeugt wird. Bezüglich des Luftspaltes und des Rotors kann man sich auch vorstellen, dass das Feld durch eine mit synchroner Drehzahl Loading rotierende gleichstromdurchflossene Wicklung erzeugt wird. Man kommt damit zu einem Ersatzbild des Asynchronmotors in Form einer Schlupfkupplung. Diese Kupplung kann bezüglich ihrer Drehmomente und ihrer Eingangsleistung, Ausgangsleistung und Verlustleistung mit einer mechanischen Kupplung verglichen werden.

Abbildung 7.27: Analogie zwischen Asynchronmotor und mechanischer Rutschkupplung

Es ist offensichtlich, dass z. B. bei einem Anlauf des Motors zusätzlich zu Loading ein Moment zur Beschleunigung des Massenträgheitsmomentes Loading des gesamten Antriebsstranges aufgebracht werden muss. Besonders deutlich wird das bei einem sogenannten „Leeranlauf", bei dem Loading gleich null ist. Dies ist ein wichtiger Sonderfall, der einer analytischen Berechnung zugänglich ist. In der Praxis hat Loading tatsächlich oft keinen sehr großen Einfluss auf den Anlaufvorgang, weil z. B. bei Lüftern und Pumpen wegen des quadratischen Zusammenhanges zwischen Drehmoment und Drehzahl das Drehmoment während eines großen Teiles der Anlaufzeit relativ klein ist.

Die Kupplungsscheiben seien ohne Masse, deshalb folgt aus dem Momentengleichgewicht Loading . Es folgen die Leistungen:

Loading                                          zugeführte Leistung (Luftspaltleistung)

Loading                                      Mechanische Leistung

Loading      Verlustleistung im Läufer

Im Leerlauf (also bei Loading ) ist:

Loading

Loading

Loading

Diese Gleichungen wurden in den vorangegangenen Kapiteln für den stationären Betrieb des Asynchronmotors hergeleitet. Es ist also nicht korrekt, diese Gleichungen ohne weitere kritische Betrachtungen auch für einen transienten Vorgang wie die Beschleunigung des Motors anzusetzen. Bei üblichen Antrieben erfolgt der Hochlauf jedoch deutlich langsamer als der Aufbau des magnetischen Feldes in der Maschine. Insofern ist es gerechtfertigt, im Sinne einer Vereinfachung stets von einem stationär rotierenden magnetischen Feld in der Maschine auszugehen. (Einzelheiten dazu in 7.2.12)

Die während des gesamten Hochlaufes des Antriebs im Rotor entstehende Verlustenergie folgt aus der Integration

Loading

Die im Rotor während des Anlaufes in Wärme umgewandelte Verlustenergie ist also gleich der kinetischen Energie des Antriebs. Bei häufigen Anlaufvorgängen tragen die Anlaufverluste ganz erheblich zur Erwärmung des Rotors bei.

Wenn der Hochlauf bei der Anfangsdrehzahl Loading des Rotors beginnt, treten folgende Verhältnisse auf:

Loading

Die Anlaufverluste können z. B. durch eine Umschaltung der Polpaarzahl während des Anlaufes vermindert werden. Für einen Anlauf in einer ersten Stufe bis zur halben endgültigen synchronen Drehzahl (also bis Loading ), dann Umschaltung auf die zweite Stufe mit einem Anlauf von Loading bis Loading folgt:

Loading

Gegenüber einem Anlauf ohne Polumschaltung sind die Verluste also halbiert.

Beim Abbremsen oder einer Drehrichtungsumkehr gelten diese Zusammenhänge sinngemäß:

Loading                      Für das Bremsen bis zum Stillstand

Loading        Für eine Drehrichtungsumkehr

7.2.12 Anmerkungen zu instationären Betriebszuständen

Alle bisherigen Betrachtungen gelten für den Fall, dass die Maschine sich elektrisch und magnetisch in einem stationären Zustand befindet. Die folgende Abbildung 7.28 zeigt den Anlauf eines Asynchronmotors mit einer Anlaufzeitkonstanten Loading . Die dicken Linien zeigen die Verläufe aus Rechnungen mit einem Modell, das auch instationäre elektrische und magnetische Vorgänge richtig abbildet. Die dünnen Linien zeigen die Verläufe, die mit dem Heyland-Kreis ermittelt wurden, wobei der Heyland-Kreis aus den angegebenen Werten für den Leerlaufstrom und das Kippmoment konstruiert wurde (Als Strom ist hierfür der Scheitelwert gezeichnet). Wesentliche Unterschiede ergeben sich hauptsächlich im Verlauf des Drehmomentes. Dieser Gesichtspunkt ist wichtig, wenn die Belastung der Kupplung oder mögliche Drehschwingungen untersucht werden sollen. Ferner ist interessant, dass für die hier gewählte Maschine die Drehzahl kurzzeitig sogar die synchrone Drehzahl überschreitet.

Diese beispielhafte Rechnung wurde für einen vergleichsweise kleinen Motor durchgeführt. Bei größeren Motoren können die starken anfänglichen Drehmomentschwankungen erheblich länger andauern (bei einem Loading -Motor z. B. schon mehr als Loading ).

Insgesamt ist der Heyland-Kreis also auch für die Berechnung von Strom und Drehzahl bei mechanischen Ausgleichsvorgängen brauchbar. Entsprechendes gilt für die stationären Kennlinien von Maschinen mit Stromverdrängungsläufer.

Abbildung 7.28: Anlauf eines Asynchronmotors; dicke Linien: Gerechnet mit einem Modell, das für transiente Vorgänge geeignet ist dünne Linien: Zum Vergleich mit Heyland-Kreis gerechnet

7.2.13 Einphasiger Asynchronmotor

Für kleine Leistungen (Loading ) ist es sinnvoll, Asynchronmotoren mit Käfigläufer für den Anschluss an das (einphasige) Wechselstromnetz zu bauen. Zum Verständnis der Funktionsweise geht man am besten davon aus, dass von einer normalen Drehstromasynchronmaschine nur ein Strang an einer Wechselspannung angeschlossen ist. Die beiden anderen Stränge seien nicht vorhanden. Ein Drehfeld kommt dann nicht zu Stande, es ergibt sich vielmehr ein räumlich feststehendes Feld, das ebenso wie die anliegende Wechselspannung periodisch seine Richtung umkehrt.

Abbildung 7.29: Stillstehendes Wechselfeld als Überlagerung zweier entgegengesetzt rotieren-der Drehfelder:

Da aber auch die Überlagerung (Addition) von zwei entgegengesetzt drehenden "normalen" Drehfelder genau so ein Feld ergibt (Abbildung 7.29), kann man für die Analyse umgekehrt annehmen, dass das Feld von zwei normalen an Drehstrom angeschlossen dreisträngigen Wicklungen erzeugt sei, deren Drehsinn entgegengesetzt geschaltet ist. Ein auf dem Rotor der Maschine sitzender Beobachter hätte keine Möglichkeit, zu entscheiden, ob das von ihm beobachtete Feld eine Überlagerung zweier entgegengesetzter Drehfelder ist oder ob es von einer einzelnen einphasigen Wicklung erzeugt ist.

Beide Drehfelder erzeugen, ebenso wie in einer "normalen" Asynchronmaschine, ein von "ihrem" Schlupf abhängiges Drehmoment, und aus der Addition ergibt sich dann das gesamte Drehmoment der Maschine. (Abbildung 7.29) Man erkennt, dass die unbelastete Maschine offensichtlich nicht anlaufen kann, weil das Drehmoment bei Stillstand gleich null ist. Gibt man aber dem Rotor im Stillstand einen Anstoß in der einen oder der anderen Richtung, dann überwiegt das Moment in dieser Richtung sofort und die Maschine läuft bis knapp zur Leerlaufdrehzahl hoch. Sie ist dann auch mit etwa Nennmoment belastbar, allerdings entstehen durch das bremsende rückwärtslaufende Feld (Gegenfeld) zusätzliche Verluste. (Deshalb wird bei normalen Asynchronmaschine oft während des Betriebes überwacht, dass die Spannungen für alle Stränge vorhanden sind.)

Für den einphasigen Betrieb muss also zumindest für den Anlauf ein Drehfeld "künstlich" erzeugt werden.

Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten:

Kondensatormotor

Abbildung 7.30: Kondensatormotor mit zugehörigem Zeigerdiagramm

Eine häufig anwendete Methode (z. B. Umwälzpumpe in Hausheizungsanlage, Stellmotor für Regelventile) ist die, dass die Phasenverschiebung in einem Kondensator dazu ausgenutzt wird, eine gegenüber der Netzspannung phasenverschobene Hilfsspannung zu erzeugen, die dann einen zweiten Strang des Motors versorgt. Die beiden Stränge eines solchen Motors sind typisch senkrecht zueinander angeordnet. Das Zeigerbild macht deutlich, wie auf diese Art zwei um Loading versetzte Spannungen entstehen, die zusammen mit den um räumlich Loading versetzten Strängen in der Maschine ebenso wie bei Drehstrom ein Drehfeld erzeugen. (Unterschiedliche Beträge können leicht durch die Windungszahl ausgeglichen werden.) Da der Kondensator nur für einen Betriebspunkt optimal gewählt werden kann, gibt es auch Anordnungen, in denen der Hilfsstrang nach dem Hochlauf abgeschaltet wird, oder die Kapazität des Kondensators umgeschaltet wird.

Andere Varianten

Andere Varianten sind heute durch Motoren mit elektronischer Ansteuerungen weitgehend verdrängt. Dennoch ist es interessant, dass sich auch auf magnetische Art erreichen lässt, dass der Fluss in der Maschine in zwei räumlich versetzten Richtungen auch zeitlich phasenverschoben ist und sich so ein Drehfeld bildet, das für den Anlauf ausreicht. Bis vor 20 Jahren waren z. B. Spaltpolmotoren sehr verbreitet (Schallplattenspieler, Uhren): Eine einsträngige Wicklung (meist um ausgebildete Pole, ähnlich wie die Erregerwicklung einer Gleichstrommaschine) erzeugt das Feld. Ein Teil jeden Poles ist von einer zweiten Wicklung umschlungen, die kurzgeschlossen ist. Dieser Kurzschluss verzögert den Aufbau und den Abbau des magnetischen Feldes in dem umschlungenen Teil des Poles gegenüber dem Fluss in dem nicht umschlungen Teil und sorgt so für die erforderliche Phasenverschiebung.

Bei einer anderen Variante wurde die Hysterese des Eisens ausgenutzt, um über die Remanenz des Eisens die erforderliche Phasenverschiebung eines Teiles des Flusses zu erreichen.

7.3 Synchronmaschinen

7.3.1 Grundsätzliche Wirkungsweise und Eigenschaften

Eine Synchronmaschine besteht aus dem Stator, der eine symmetrische Drehstromwicklung enthält und einem Rotor (auch „Polrad" genannt), der in der Regel eine einsträngige Erregerwicklung trägt. Bei Sonderbauformen wird die Erregung an Stelle der gleichstromdurchflossenen Erregerwicklung auch durch Permanentmagnete aufgebracht.

Abbildung 7.31: Zweipolige Synchronmaschine

Wenn in den Statorwicklungen symmetrische Drehströme fließen, so entsteht ein Drehfeld konstanter Größe, das mit einer Kreisfrequenz gemäß der Kreisfrequenz der Ströme umläuft. Die dieser Frequenz entsprechende Drehzahl ist die synchrone Drehzahl der Maschine:

Loading : Frequenz der Drehströme

Loading : Polpaarzahl der Maschine

Der mechanisch unbelastete Rotor wird sich in Richtung des augenblicklichen Feldes einstellen:

Abbildung 7.32: Feldbild der unbelasteten Maschine

d. h., der Rotor läuft ebenfalls mit der synchronen Drehzahl um.

Für die Bildung eines Drehmomentes ist ein Strom im Stator erforderlich, der bei den Polen des Rotors jeweils den maximalen Betrag hat. Ein Strom mit dem maximalen Betrag zwischen den beiden Polen konnte kein Drehmoment erzeugen, sondern würde nur das durch die Erregerwicklung erzeugte Feld verstärken oder schwächen.

Abbildung 7.33 (links) zeigt einen Strom, der auf den Rotor ein Drehmoment entgegen der Drehrichtung ausübt. Die Maschine nimmt mechanische Leistung auf und wandelt sie in elektrische um. Zusammen mit dem Erregerstrom ergibt sich das in Abbildung 7.33 (rechts) dargestellte Feldbild. Der Rotor läuft dem Feld voraus, er „zieht" also das Feld hinter sich her. Der Winkel zwischen Polrad und Feld nimmt offensichtlich mit steigendem Drehmoment zu. Dies ist vergleichbar mit einer Drehfeder. Bei Betrieb als Motor kehrt sich das Vorzeichen des Statorstromes um und das Feld „zieht" den Rotor hinter sich her.

Die Herleitungen weiter unten werden zeigen, dass es wie bei der Asynchronmaschine ein Kippmoment gibt. Wird das Moment an der Welle größer als das Kippmoment, so reißt der Zusammenhang zwischen dem Drehfeld und der Rotorlage ab. Dieser Vorgang wird als „Kippen" oder als „außer Tritt fallen" bezeichnet. Der Rotor dreht dann nicht mehr synchron mit dem Drehfeld und das entstehende Moment wirkt mal bremsend und mal antreibend. Ein stationärer Betrieb ist nicht möglich.

Abbildung 7.33:  Felder in der Synchronmaschine:   links: Feld eines Wirkstromes im Stator, der auf den Rotor bremsend wirkt    rechts: Feld der erregten als Generator belasteten Maschine

Mit diesen qualitativen Überlegungen sind die hauptsächlichen Eigenschaften der Synchronmaschine beschrieben:

1. Im Normalbetrieb läuft der Rotor unabhängig von der mechanischen Belastung mit der synchronen Drehzahl um. Die Belastung wirkt sich lediglich auf den Winkel des Rotors relativ zum Drehfeld aus.
2. Bei zu großem bremsendem oder antreibendem Moment fällt die Maschine außer Tritt.
3. Bei der Inbetriebnahme als Generator oder als Motor muss durch entsprechende Maßnahmen dafür gesorgt werden, dass Synchronismus zwischen Rotordrehzahl und Drehfeld herrscht.
4. Bei Änderung der mechanischen oder elektrischen Belastung neigt die Maschine zu mechanischen Pendelungen des Rotors relativ zum Drehfeld, weil das Drehmoment etwa proportional zum Winkel zwischen Rotor und Drehfeld ist (also entsprechend einer Feder).

7.3.2 Konstruktive Ausführung, Anwendungen

Elektrisch erregte Synchronmaschinen werden hauptsächlich als „Schenkelpolmaschine" („Einzelpolmaschine") oder als „Vollpolmaschine" (Trommelläufer) ausgeführt.

Abbildung 7.34: Querschnitt durch eine Schenkelpolmaschine (aus: Kleinrath, Grund-lagen elektrischer Maschinen, Akademische Verlagsgesellschaft)

Abbildung 7.35: Querschnitt durch den zylindrischen Rotor einer zweipoligen Vollpolmaschine

Bei kleinen und sehr großen Synchronmaschinen wird der Erregerstrom über Schleifringe zugeführt. Im mittleren Leistungsbereich findet man oft eine schleifringlose Ausführung, bei der auf der Welle eine Erregermaschine vorhanden ist. Dies ist im Prinzip ein Synchrongenerator, bei dem die Erregerwicklung fest steht und die Drehstromwicklung rotiert. Der induzierte Drehstrom wird durch einen auf der Welle montierten Gleichrichter in Gleichstrom für die Erregung umgeformt.

Die Erregung der Erregermaschine wird oft durch einen weiteren meist sehr kleinen Generator erzeugt, der durch einen Permanentmagneten erregt ist. Generatoren dieser Bauart kommen ohne jede Hilfsspannung aus und sind deshalb besonders für Notstromaggregate geeignet.

Abbildung 7.36: Aufbau eines bürstenlosen Synchrongenerators mit rotierenden Gleichrichter und Hilfserregermaschine zur Selbsterregung ohne zusätzlich externe Stromquelle.

Die hauptsächlichen Anwendungen der Synchronmaschine sind:

Generatoren:

• In Wasserkraftwerken Einzelpolmaschinen, in thermischen Kraftwerken Vollpolmaschinen, Leistungen bis Loading
• auf Schiffen, in Flugzeugen und Kraftfahrzeugen, in Windenergieanlagen
• Notgeneratoren,
• Generatoren zur Kraft-Wärme-Kopplung
  
  Motoren:

• Propellerantriebe auf Schiffen
• Industrielle Antriebe (vor allem große Einzelantriebe und Mehrmaschinen-Gleichlauf- antriebe)
• Servorantriebe für Werkzeugmaschinen und Roboter (Motoren mit Permanentmagnet- erregung)
• Uhrenantriebe

7.3.3 Betriebsverhalten, Kennlinien

Im Folgenden werden die Verhältnisse nur für die Vollpolmaschine behandelt, weil diese wegen ihres über dem Rotorumfang konstanten Luftspaltes einfacher beschreibbar ist als die Schenkelpolmaschine.

Es wird für alle Betrachtungen unterstellt, dass die drei Stränge der Maschine im Stern geschaltet sind. Man rechnet also stets mit den Leiterströmen und den Sternpunktspannungen. Da man an den drei Anschlüssen der Maschine ohne zusätzliche Informationen nicht erkennen kann, ob Stern- oder Dreieckschaltung vorliegt, bedeutet dies keine Einschränkung.

Ferner sollen Wicklungswiderstände im Stator vernachlässigt werden.

Es werden zunächst drei Sonderfälle betrachtet.

a. Polrad erregt, Ständerwicklung stromlos

b. Ständerwicklungen führen Drehstrom, Polrad läuft unerregt synchron um

c. Polrad erregt, Klemmen kurzgeschlossen

7.3.3.1 Leerlaufkennlinie

Im Fall a. misst man an den Maschinenklemmen die Leerlaufspannung Loading als Funktion des Erregerstromes Loading ; diese Spannung wird durch den vom Polrad erzeugten Fluss in den Ständerwicklungen mit induziert. Die induzierte Spannung wird Polradspannung genannt. Sie ist proportional zum magnetischen Fluss Loading des Polrades und der Drehzahl:

Loading und Loading

Im Leerlauf also:

Loading

Abbildung 7.37: Leerlaufkennlinie

Das Abflachen der Kurve bei größeren Erregerströmen ist durch die Sättigung des Eisens bedingt.

7.3.3.2 Synchrone Reaktanz, bezogene Größen

Im Fall b. liegen die gleichen Verhältnisse wie bei einer leer laufenden Asynchronmaschine vor. Es wird durch die Ständerströme ein Drehfeld erzeugt, das wiederum zu induzierten Spannungen in den Strangwicklungen führt. Der Quotient aus Strangspannung und Strangstrom (der im Stern geschalteten Stränge) wird als „synchrone Längsreaktanz" Loading bezeichnet, was bei dem hier betrachteten Vollpolläufer gleich der „synchrone Reaktanz" Loading ist. Loading und Loading werden im Folgenden synonym benutzt. Loading ist vergleichbar der Leerlaufinduktivität der Asynchronmaschine:

Die synchrone Reaktanz Loading setzt sich aus der Hauptreaktanz Loading und der Streureaktanz Loading zusammen:

Loading

Loading beschreibt die Reaktanz des Drehfeldes, das sich über den Luftspalt, das Ständerblechpaket und den Rotor schließt, Loading die Reaktanz der Streufelder der Statornuten und der Wickelköpfe.

Um eine bessere Vergleichbarkeit zwischen Maschinen unterschiedlicher Größe zu erhalten, ist es üblich, alle Reaktanzen als bezogene Größen anzugeben. Dazu wird Gleichung (7.17) um Nenn-(Sternpunkt-)spannung und Nennstrom erweitert. Bezogene Größen werden mit kleinen Buchstaben bezeichnet.

7.3.3.3 Leerlauf-Kurzschluss-Verhältnis

Im Fall c., d. h. bei kurzgeschlossener Maschine wird durch das Polrad Polradspannung Loading induziert. Da die Spannung bei einem Kurzschluss null ist, muss auch der Fluss in der Maschine null sein. Der Kurzschlussstrom muss also gerade so groß sein, dass er den Fluss des Polrades aufhebt. Da Fluss und Spannung wegen konstanter Drehzahl proportional zueinander sind, kann dies auch so ausgedrückt werden, dass die in der synchronen Reaktanz durch den Kurzschlussstrom induzierte Spannung genauso gleich der vom Polrad induzierten Spannung sein muss, also:

Loading

Daraus folgt der Kurzschlussstrom:

Abbildung 7.38: Kurzschlusskennlinie

Da der Fluss bei einem Kurzschluss null ist, gibt es keine Sättigung im Eisen und die Kurzschlusskennlinie ist deshalb eine Gerade.

Eine charakteristische Größe der Synchronmaschine ist das „Leerlauf-Kurzschlussverhältnis" Loading . Dies ist das Verhältnis des Kurzschlussstromes, der sich bei Leerlauferregung Loading (vgl. Abbildung 7.37) einstellt, zum Nennstrom der Maschine.

Wegen Loading bei Loading gilt mit Gleichung (7.18) und (7.19) :

Das Leerlauf-Kurzschluss-Verhältnis liegt bei Synchronmaschinen üblicher Bauart bei Loading (Vollpolmaschine) bzw. bei Loading (Schenkelpolmaschine).

Der stationäre Kurzschlussstrom ist also im Vergleich zum Nennstrom nicht allzu hoch.

Bei einem plötzlich auftretenden Kurzschluss ist jedoch kurzzeitig (transient) der Strom sehr viel größer als der Nennstrom. Stromspitzen bis zum 15-fachen des Nennstromes kommen vor. Die Wicklungen und Schaltgeräte müssen so ausgelegt sein, dass sie den dadurch entstehenden Kräften Loading stand halten.

7.3.3.4 Ersatzschaltbild und Zeigerdiagramme

Auf Grund der obigen Betrachtungen kann man das einphasige Ersatzschaltbild entweder als Spannungsquelle (Abbildung 7.39) oder als Stromquelle (Abbildung 7.40) darstellen:

Abbildung 7.39: Einphasiges Ersatzschaltbild der Synchronmaschine mit Spannungsquelle
Loading : „Innere Spannung"

Abbildung 7.40: Einphasiges Ersatzschaltbild der Synchronmaschine mit Stromquelle

Abbildung 7.41: Addition der Durchflutungen von Ständer- und Erregerwicklung

Eine räumliche Darstellung erhält man, wenn die Durchflutungen Loading der Ständerwicklung und Loading des Polrades vektoriell addiert werden; der resultierende Vektor ergibt die augenblickliche Durchflutung in Bezug auf die Ständerwicklung Loading und damit das Hauptfeld Loading .

7.3.4 Ortskurve des Ständerstromes

Die Ortskurve der Vollpolmaschine kann aus den Ersatzschaltbildern (Abbildung 7.39 und Abbildung 7.40) abgeleitet werden.

Loading

Loading

Die geometrische Darstellung erhält man aus folgender Überlegung: Legt man die feste Netzspannung Loading in die reelle Achse, dann entspricht der erste Term einem Punkt auf der negativen imaginären Achse. Der Betrag des zweiten Terms ist durch die Erregung gegeben, die Phasenlage ist jedoch frei und bestimmt den Strom Loading . Alle Loading müssen also auf einem Kreis mit dem Mittelpunkt Loading mit dem Radius Loading liegen.

Abbildung 7.42: Ortskurven der Vollpol-Synchronmaschine mit dem Zeigerbild für einen Betrieb als Generator (UP/Xd~Ie)

In Betriebspunkten der oberen Halbebene in Abbildung 7.42 nimmt die Maschine elektrische Leistung auf, arbeitet also als Motor. Entsprechend arbeitet die Maschine in den Betriebspunkten der unteren Halbebene als Generator.

Wenn die Spitze von Loading in der rechten Halbebene liegt, nimmt die Maschine wie eine Induktivität Blindleistung auf, man spricht dann von „Untererregung".

Bei „Übererregung" wirkt die Maschine wie ein Kondensator und gibt Blindleistung an das Netz ab.

Ein besonderer Fall liegt vor beiLoading : FürLoading eilt Loading der Spannung Loading um Loading voraus, die Maschine verhält sich wie ein dreiphasiger Kondensator und gibt reine Blindleistung an das Netz ab. Synchronmaschinen werden in dieser Betriebsweise als sog. „Phasenschieber" in Stromversorgungssystemen eingesetzt, um den Leistungsfaktor der Netze zu verbessern, d. h. um den Blindstromverbrauch z. B. von Asynchronmotoren zu kompensieren. In dieser Betriebsweise ist das Drehmoment immer Loading , die Maschine braucht also keinen Antrieb (außer zum Anfahren).

Anmerkung: In der Literatur wird oft der Strom Loading in Abbildung 7.39 und Abbildung 7.40 umgekehrt angetragen, die Ortskurve sieht entsprechend anders aus.

7.3.5 Drehmomentbildung

Da eine verlustfreie Maschine vorausgesetzt wird, kann das Drehmoment aus der aufgenommenen elektrischen Leistung ermittelt werden:

(U₁ gemäß Abbildung 7.39 und Abbildung 7.40, also die Sternpunktspannung.)

Aus dem Zeigerbild (Abbildung 7.42) wird nach den Regeln der Trigonometrie entnommen:

Damit:

Da eine verlustlose Maschine vorausgesetzt wurde, ist

und es folgt das Drehmoment

Dem „Polradwinkel" Loading zwischen den Richtungen der Zeitzeiger Loading und Loading entspricht in der Maschine räumlich der Winkel zwischen der Polradachse und der Richtung des Ständerflusses. Loading ist positiv, wenn der Rotor vor dem Ständerfeld her läuft. Der Rotor „zieht" das elektrische Netz und die Maschine arbeitet somit als Generator.

Abbildung 7.43: Drehmoment als Funktion des Polradwinkels

Nach Gleichung (7.27) ist das maximal mögliche Drehmoment (das „Kippmoment") bei gegebener Polradspannung umgekehrt proportional zur synchronen Reaktanz Loading . Da Loading umgekehrt proportional zur Dicke des Luftspaltes ist, werden Synchronmaschinen mit relativ großen Luftspalten ausgeführt.

Wie schon qualitativ beschrieben, „kippt" die Synchronmaschine bei Polradwinkel Loading , d. h. der Zusammenhang zwischen Drehfeld und Polrad reißt ab und die Maschine kann kein Drehmoment mehr aufnehmen oder abgeben.

Für kleine Auslenkungen aus einer Gleichgewichtslage wachsen die Rückstellkräfte praktisch proportional zur Auslenkung an. Dies entspricht der Wirkung einer Feder, sodass in Verbindung mit dem Massenträgheitsmoment des Rotors ein schwingungsfähiges Gebilde entsteht, das eine mechanische Resonanzfrequenz aufweist. Insbesondere in Verbindung mit pulsierenden Antriebsmomenten (z. B. von Kolbenkraftmaschinen!) muss die Anlage auf Resonanz geprüft werden.

Zur Dämpfung solcher Schwingungen wird die in Abbildung 7.34 gezeigte Dämpferwicklung eingebaut. Es handelt sich um eine kurzgeschlossene Käfigwicklung wie bei Asynchronmotoren. Das dadurch erzeugte Drehmoment ist wie bei der Asynchronmaschine proportional zur Differenzgeschwindigkeit zwischen Ständerfeld und Rotor (Schlupf), wirkt also vergleichbar zu einem viskosen Dämpfer.

7.3.6 Betrieb der Synchronmaschine am Netz

Eine Synchronmaschine als Generator kann dann auf das Netz geschaltet werden, wenn die Spannungen des Netzes und der Synchronmaschine

• gleiche Drehrichtung (Phasenfolge),
• gleiche Frequenz,
• gleiche Größe und
• gleiche Phasenlage

haben. Die Zeiger der Netzspannung Loading und der Polradspannung Loading sind dann deckungsgleich und auch nach Schließen des Schalters zum Netz fließt kein Strom und es gibt eine sanfte Lastaufnahme.

Anderenfalls gäbe es mit dem Einschalten einen erheblichen Strom- und Momentenstoß (der auch zu einem Schaden führen kann) und die Maschine kann sofort außer Tritt fallen.

Die oben genannten Bedingungen werden vor dem Schließen des Schalters geprüft, oft ist eine automatische Sperre vorhanden, die ein nichtsynchrones Zuschalten verhindern soll.

Eine einfache, jedoch auch relativ ungenaue Synchronisierschaltung ist z. B. die sog. „Dunkelschaltung", bei der Glühlampen zwischen gleichen Phasen des zu synchronisierenden Generators und des Netzes geschaltet werden:

Abbildung 7.44: Synchronisierschaltung (Dunkelschaltung)

Die Lampen leuchten mit der Differenzfrequenz der Phasenspannungen auf, solange der Synchronismus nicht erreicht ist. Bei gleicher Frequenz jedoch unterschiedlicher Phasenlage leuchten alle Lampen gleichzeitig, bei Loading Phasenverschiebung leuchten sie mit maximaler Helligkeit. Sind alle Lampen dunkel, so ist der Generator synchronisiert und der Schalter kann geschlossen werden.

In der Praxis werden statt dieser einfachen Anordnung spezielle Messgeräte (z. B. „Synchronoskop") eingesetzt, die eine genauere Beurteilung ermöglichen.

Für eine Synchronmaschine als Motor gibt es für einen Anlauf folgende Möglichkeiten:

1. Anlauf über Dämpferwicklung (asynchroner Anlauf), also vergleichbar mit einem Asynchronmotor
2. Hochfahren der Synchronmaschine über einen Anwurfmotor und Synchronisation
3. Frequenzanlauf. Hierzu wird mit elektronischen Schaltmitteln (Thyristoren usw.) eine Spannung mit langsam steigender Frequenz und Amplitude erzeugt.

7.4 Antriebe mit Frequenzumrichter

7.4.1 Pulswechselrichter

Für Antriebe von wenigen Loading bis zu einigen Loading werden heute Frequenzumformer mit Pulsweitenmodulation (Frequenz einige Loading ) und Gleichspannungszwischenkreis eingesetzt.

Abbildung 7.45: Frequenzumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis
(GR: Gleichrichter, WR: Wechselrichter)

Abbildung 7.46: Ströme und Spannungen am Gleichrichter (GR), (hier für einphasige Ausführung), der Verbrauch des Wechselrichters ist vereinfacht durch einen Widerstand nachgebildet.

Der Wechselrichter besteht aus Halbleiterschaltern, die die Leitungen Loading zu dem Motor gemäß Abbildung 7.47 mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbinden.

Abbildung 7.47: Prinzip eines Pulswechselrichters

Als Schalter werden spezielle Transistoren eingesetzt. (IGBT, IGCT oder andere)

Die Pulsweite wird so moduliert, dass, der Mittelwert eines Impulses und der zugehörigen Lücke etwa der dem Sinus entsprechenden gewünschten Spannung entspricht. Die Modulation hat wenig Einfluss auf das Betriebsverhalten des Motors, jedoch werden Verluste und Geräusche sehr erheblich von der genauen Art der Modulation bestimmt.

In neueren Entwicklungen für große Antrieb wird mit mehreren Gleichspannungen unterschiedlicher Größe gearbeitet, sodass auch Zwischenstufen geschaltet werden und so die Sinusform noch besser angenähert werden kann.

7.4.2 Leistungsflüsse bei Motorbetrieb und bei Bremsbetrieb

Abbildung 7.48: Leistungsflüsse bei Motorbetrieb und bei Bremsbetrieb

Im Gleichspannungszwischenkreis ist das Vorzeichen der Spannung konstant. Die Umkehrung des Leistungsflusses bei Bremsbetrieb bedeutet somit auch eine Umkehr des Stromes. Der Strom wird durch den Bremswiderstand aufgenommen, wobei der vorgeschaltete Transistor als Chopper den Strom und damit die Bremskraft regelt. Aus anderer Sicht kann das so interpretiert werden, dass der Chopper den Widerstand nur zeitweise einschaltet und der Widerstand dadurch vergrößert erscheint. Der Chopper kann den Widerstandwert naturgemäß nicht verkleinern.

Wegen Loading bedeutet das, dass mit steigender Bremsleistung Loading auch die Zwischenkreisspannung steigt und unter Umständen den zulässigen Grenzwert überschreitet.

Abbildung 7.49: Zu den Vorzeichen bei Leistungsflüssen

Leistung ist immer das Produkt aus 2 physikalischen Größen:

• Loading
• Loading  usw.

Trägt man die beiden Größen entsprechend nebenstehendem Muster als Achsenkreuz auf, dann erhält man 4 Gebiete (Quadranten), die sich durch die Vorzeichen der Größen unterscheiden.

Je nachdem, in welchem Gebiet der Betrieb möglich ist, spricht man besonders bei Stromrichtern von 1-, 2-, oder 4-Quadranten Betrieb.

Beispiele:

7.4.3 Zur Regelung und Steuerung

Die Drehzahl - Drehmomentenkennlinie von Drehstromasynchronmaschinen ist durch deren Konstruktion fest vorgegeben, zumindest bei dem am weitesten verbreiteten Motor mit Käfigläufer. Frequenzumrichter erlauben es, die Spannung und die Frequenz zu verändern. In Antrieben mit Frequenzumformern ist die "natürliche" Kennlinie der Asynchronmaschine deshalb nur schwach erkennbar, wesentliche Merkmale der Kennlinie werden durch die Regelung des Umrichters bewirkt.

Abbildung 7.50: Prinzip der Steuerung und Regelung in einem üblichen Frequenzumrichter für Asynchronmotoren

Für eine genaue Drehzahlregelung ist bei Asynchronmaschinen ein Drehzahlsensor unerlässlich. Bei vielen Antrieben verzichtet man auf Sensoren an dem Motor. Stattdessen enthält die Steuerung des Frequenzumrichters ein Rechenmodell, mit dem - je nach Aufwand - die meisten internen Größen des Motors berechnet werden können. Diese werden dann als Basis für die eigentliche Drehzahl benutzt. Es ist klar, dass die Genauigkeit der "Regelung" von der Genauigkeit des Modells und der Maschinendaten abhängt.

In neueren Entwicklungen ist das Modell so umfangreich, dass die Größe und die Richtung des Magnetfeldes in der Maschine kontinuierlich berechnet wird und dies Basis für die Steuerung des Stromrichters genommen wird (Vektor-Regelung, feldorientierte Regelung.) Damit können auch die dynamischen Eigenschaften des Antriebs ausgezeichnet an die gestellten Anforderungen angepasst werden.

Da in der Steuerung des Frequenzumrichters heute immer ein Rechner vorhanden ist, wird dieser für die Erzeugung des Modells aus einigen wenigen Daten des Motors eingesetzt. Außer den Nenndaten braucht der Bediener kaum Daten einzugeben.
Neben der eigentlichen Steuerung des Antriebs (Drehrichtungsumkehr, Anfahren, Bremsen, Anfahren mit Rampe usw.) gibt es oft folgende Besonderheiten in der Regelung:

Schlupfkompensation: Aus dem Nennpunkt der Maschine und dem recht gut schätzbaren Leerlaufpunkt kann bereits ein Modell erzeugt werden, dass aus den bekannten Strömen und Spannungen den aktuellen Schlupf ermittelt. Der Regler kann mit dieser Information die Frequenz gerade umso viel höher einstellen, dass "trotz" Schlupf die gewünschte Solldrehzahl fast genau erreicht wird. Für die Einstellung ist die Kenntnis folgenden Zusammenhanges wichtig: Mit steigender Maschinentemperatur nimmt der Schlupf etwas zu. Ein genauer Abgleich der Schlupfkompensation bei betriebswarmer Maschine führt dazu, dass bei kalter Maschine die Drehzahl geringfügig zu hoch ist. In jedem Fall ist die Abweichung zwischen Soll- und Istdrehzahl viel kleiner als bei Anlagen ohne Schlupfkompensation.

Schlupf-, Momenten-, Strom- oder Leistungsbegrenzung: Überlast oder Kippen des Antriebs kann damit vermieden werden. Bei Überschreiten einer Grenze reduziert der Frequenzumrichter seine Ausgangsfrequenz.

u/f-Kennline, Spannungserhöhung: Da der Frequenzumrichter Spannung und Frequenz dem Antrieb vorgibt, kann beides beeinflusst werden. In Teilbereichen kann somit die M/n-Kennlinie des Motor beeinflusst werden. Anwendungen: Losbrechmoment; Spannungsabsenkung bei Schwachlast, um Geräusch- und Wärmeabgabe zu reduzieren