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Elektrische Antriebe im Maschinenbau

Energieeffizienz, Sanftlauf, (a)synchrone Drehzahlsteuerungen

©2008 Diplomarbeit 141 Seiten

Zusammenfassung

Inhaltsangabe:Einleitung:
Elektrische Antriebe sind heute wichtige und bestimmende Komponenten vieler Maschinen und Anlagen. Dabei teilen sich die Antriebe in verschiedene Varianten auf. Zu einem hohen Prozentsatz (80%) sind es einfache Antriebe mit festen Betriebsdrehzahlen. Immer häufiger nehmen jedoch die anspruchsvolleren Antriebe zu, die in weiten Bereichen drehzahlvariabel arbeiten. Der Markt fordert kostengünstige, robuste und wartungsarme Lösungen. Dadurch wurde der bewährte Gleichstromantrieb bei Neukonstruktionen im betrachteten Leistungsbereich zu Gunsten des Drehstromantriebs weitgehend verdrängt. Dies zeigen die Prozentzahlen des Diagramms in Bild 1.1 sehr deutlich.
Betrachtet man die Verteilung der Stückzahlen auf die Leistungsklassen, die die statistische Erfassung des ZVEI vorgibt, so erkennt man, dass die großen Stückzahlen im Leistungsbereich von 750 W; 7,5 kW liegen.
Weitere Untersuchungen haben ergeben, dass 93% der Antriebe in die Leistungsklasse bis 7,5 kW und ca. nur 0,6% in die über 75 kW einzuordnen sind. Aus diesem Grund beschränken sich die Ausführungen weitgehend auf den oben genannten Leistungsbereich mit den hohen Stückzahlen. Um die vielfältigen Antriebsaufgaben zu erfüllen, werden 4 Arten von elektrischen Antrieben eingesetzt:
- direkt geschaltete Antriebe mit festen Betriebsdrehzahlen (Festdrehzahlantriebe).
- solche mit überwiegend festen Betriebsdrehzahlen, die zum Anlassen über Schalter oder Schütze sowie oft über Vorschaltelemente geschaltet werden.
- solche, die sanft starten und stillsetzen sowie solche mit überwiegend variablen Betriebsdrehzahlen, die zum Anlauf oder im Betrieb über elektronische Stellglieder gestellt oder geregelt betrieben werden. Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Grundlagen der Asynchronmaschinen1
1.1Stand der Technik und Marktsituation1
1.2Wirkungsweise und Aufbau5
1.2.1Bauarten6
1.2.1.1Kurzschlussläufer6
1.2.1.2Schleifringläufer7
1.2.2Bauformen8
1.2.3Motorkonfigurationen9
1.2.3.1Bremsmotoren10
1.2.3.2Getriebemotoren10
1.2.3.3Umrichtermotoren11
1.2.3.4Asynchron-Servomotoren11
1.2.4Baugrößen (Achshöhe und Baulänge12
1.3Motorkühlung und Motorschutz14
1.3.1Motorschutz14
1.3.2Schutzart14
1.4Betriebsverhalten und Kenngrößen15
1.4.1Drehzahl und Schlupf15
1.4.2Drehmoment15
1.4.3Leistung16
1.4.4Verluste und Wirkungsgrad18
1.5Herstellerneutrale Motortabelle19
1.5.1Normen19
1.5.1.1Normzahlen19
1.5.1.2Toleranzen19
1.5.2Herstellerneutrale Tabelle für […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis


Ayhan Uzun
Elektrische Antriebe im Maschinenbau
Energieeffizienz, Sanftlauf, (a)synchrone Drehzahlsteuerungen
ISBN: 978-3-8366-2340-7
Herstellung: Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2009
Zugl. Fachhochschule Köln, Köln, Deutschland, Diplomarbeit, 2008
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© Diplomica Verlag GmbH
http://www.diplomica.de, Hamburg 2009

Aufgabenstellung
Diplomaufgabe
für Herrn cand. Ing. Uzun
Elektrische Antriebe im Maschinenbau ­ Energieeffizienz, Sanftlauf, drehzahlvariable und
synchrone Steuerungen
Die Diplomaufgabe hat folgende Schwerpunkte:
1.)
Ermittlung des Standes der Technik: Motordaten
Typische eingesetzte Elektromotorenarten und ­konfigurationen. Recherche der Kennwerte der
Baureihen verschiedener Hersteller. Aufbau einer herstellerneutralen Motortabelle. Abgleich mit der
im Lehrgebiet verwendeten Motortabelle.
Hierzu Auswertung von Fachliteratur einschl. Fachaufsätzen und Herstellerangaben.
2.)
Ermittlung des Standes der Technik: Anlaufsteuerungen
Anlaufsteuerungen (Sanftanlauf) für verschiedene Einsatzfälle bei besonderer Berücksichtigung der
Stetigförderung (Förderbänder, Fahrtreppen, Ventilatoren, Pumpen, u.ä.), der Fahr- und
Hubwerksantriebe. Schematische Einteilung. Vergleich mit Anfahrkupplungen. Betrachtung des
Leistungsbedarfs. Auswahlkriterien und Dimensionierungsschritte. Kostengesichtspunkte.
Anwendungsbeispiele nach Herstellerangaben.
Hierzu Auswertung von Fachliteratur einschl. Fachaufsätzen und Herstellerangaben.
3.)
Ermittlung des Standes der Technik: Drehzahlvariable Antriebe
Drehzahlvariable Antriebe für verschiedene Einsatzfälle der Automatisierungs- und Fördertechnik.
Synchronlauf und Steuerung von Bewegungsabläufen. Schematische Einteilung. Auswahlkriterien und
Dimensionierungsschritte. Kostengesichtspunkte. Anwendungsbeispiele nach Herstellerangaben.
Hierzu Auswertung von Fachliteratur einschl. Fachaufsätzen und Herstellerangaben.
4.)
Ermittlung des Standes der Technik: Energiesparmotoren
Untersuchung der gängigen Wirkungsklassen, Vergleiche mit Standardmotoren und Amortisierung,
Schematische Einteilung, Auswahlkriterien und Dimensionierungsschritte. Kostengesichtspunkte.
Anwendungsbeispiele nach Herstellerangaben.
Hierzu Auswertung von Fachliteratur einschl. Fachaufsätzen und Herstellerangaben.
5.) Die Arbeit ist nachvollziehbar zu dokumentieren.

Inhaltsverzeichnis
1
Grundlagen der Asynchronmaschinen
...
1
1.1 Stand der Technik und Marktsituation...
1
1.2 Wirkungsweise und Aufbau ...
5
1.2.1 Bauarten...
6
1.2.1.1 Kurzschlussläufer...
6
1.2.1.2 Schleifringläufer...
7
1.2.2 Bauformen...
8
1.2.3 Motorkonfigurationen...
9
1.2.3.1 Bremsmotoren...
10
1.2.3.2 Getriebemotoren...
10
1.2.3.3 Umrichtermotoren...
11
1.2.3.4 Asynchron-Servomotoren...
11
1.2.4 Baugrößen (Achshöhe und Baulänge)...
12
1.3 Motorkühlung und Motorschutz...
14
1.3.1 Motorschutz...
14
1.3.2 Schutzart...
14
1.4 Betriebsverhalten und Kenngrößen...
15
1.4.1 Drehzahl und Schlupf...
15
1.4.2 Drehmoment...
15
1.4.3 Leistung...
16
1.4.4 Verluste und Wirkungsgrad...
18
1.5 Herstellerneutrale Motortabelle...
19
1.5.1 Normen...
19
1.5.1.1 Normzahlen...
19
1.5.1.2 Toleranzen...
19
1.5.2 Herstellerneutrale Tabelle für Käfigläufer...
20
1.5.2.1 Herstellertabellen...
22
1.5.2.2 Konstruktion der herstellerneutralen Tabelle...
24
1.5.2.3 Charakteristische Kennlinien...
31
1.5.3 Herstellerneutrale Tabelle für Schleifringläufer...
34
1.5.3.1
Alte Motortabelle aus der Vorlesung...
34
1.5.3.2 Betriebsarten...
36
1.5.3.3 Relative Einschaltdauer ED...
37
1.5.3.4 Konstruktion der herstellerneutralen Tabelle...
38
1.5.3.5 Charakteristische Kennlinien...
42
1.6 Wachstumsgesetze...
45
2 An- und Auslaufsteuerungen von Asynchronmaschinen
...
46
2.1 Zeitkonstanten bei Antrieben...
46
2.1.2 Hochlaufzeitkonstante...
47
2.1.3 Übergangsvorgänge...
49
2.2 Anlaufverfahren - Konventioneller Betrieb (ohne Elektronik)...
50
2.2.1 Stromverdrängungsläufer...
51
2.2.2 Veränderung der Streuung...
51
2.2.3 Direktschalten...
52
2.3 Konventionelle elektrische Anlaufverfahren (Hochlauf)...
52
2.3.1 Stern-Dreieck-Anlauf (Y-
)...
53
2.3.2 Symmetrische Anlassvorwiderstände...
54
2.3.3 Anlasstransformator...
55
2.4 Sanftanlasser...
57
2.4.1 Aufbau und Betriebsverhalten von Sanftanlaufgeräten...
57

2.5 Schweranlauf mit Anlaufkupplung...
60
2.6 Bremsschaltungen...
63
2.6.1 Generatorbetrieb...
63
2.6.2 Gegenstrombremsen...
64
2.6.3 Gleichstrombremsen (DC-Bremsen)...
65
2.7 Dimensionierung von Antriebsmaschinen...
66
2.7.1 Stationäre Kennlinien von Antriebsmaschinen...
66
2.7.2 Stationäre Kennlinien von Arbeitsmaschinen...
67
2.7.2.1 Konstante Antriebsleistung...
67
2.7.2.2 Konstantes Lastmoment...
68
2.7.2.3 Linear ansteigendes Lastmoment...
69
2.7.2.4 Quadratisch ansteigendes Lastmoment...
69
2.7.3 Stabilität des Arbeitspunktes...
70
3 Drehzahlvariable Asynchronmaschinen
...
72
3.1 Änderung der Polpaarzahl...
72
3.1.1 Getrennte Wicklungen (p
1
und p
2
)...
72
3.1.2 Dahlanderschaltung (2:1)...
73
3.1.3 Polamplitudenmodulation (PAM)...
74
3.2 Vergrößerung des Schlupfes (Schlupfsteuerung)...
75
3.3 Spannungsabsenkung bei Wechselstrombetrieb...
76
3.4 Drehzahlvariabler Betrieb mit Leistungselektronik...
77
3.4.1 Stromrichter und ihre Bauteile (Halbleiterschalter)...
77
3.4.2 Betrieb am Drehstromsteller...
78
3.4.2.1 Symmetrische Stellerschaltungen...
79
3.4.2.2 Anlaufsteuerung...
80
3.4.2.3 3 -Schaltung...
81
3.4.2.4 Sanftanlauf mit 2-Strang-Geräten...
81
3.4.2.5 Betrieb am Steller mit variabler Drehzahl...
82
3.4.3 Betrieb am Frequenzumrichter...
84
3.4.3.1 Betrieb variabler Speisefrequenz...
87
3.4.3.2 Betriebsbereiche: Konstantfluss- und Feldschwächbereich...
88
3.4.3.3 Spannungsstellbereich ­ Konstantflussbereich...
90
3.4.3.4 Feldstellbereich ­ Feldschwächbereich...
91
3.4.4 Steuer- und Regelverfahren sowie besondere Parameter...
91
3.4.4.1 U/f-Kennliniensteuerung...
91
3.4.4.2 Feldorientierte Regelung (FOR)...
96
3.5 Bewegungssteuerungen und Synchronlauf (Motion Control)...
99
3.5.1 Motion Control in der Automatisierung...
100
3.5.2 Elektronische Lösungen...
101
3.5.2.1 Gleichlauf...
101
3.5.2.2 Elektronisches Getriebe...
101
3.5.2.3 Tänzerregelung...
102
3.5.2.4 Kurvenscheibe...
102
3.5.3 Beispiele aus der Praxis...
102
3.5.3.1 Abfüllanlagen...
102
3.5.3.2 Zugregelung...
103
3.5.3.3 Verpackungsmaschinen...
103
3.5.3.4 Sortieranlagen...
104
3.6 Dimensionierung drehzahlvariabler Asynchronmaschinen...
104
3.6.1 Ermittlung der Auslegungsgrößen für Frequenzumrichter...
105
3.6.2 Wahl des Frequenzumrichters...
106
3.7 Demag Antriebsauslegungsprogramm Caldrive...
108
3.7.1 Projektierungsdaten...
108

3.7.2 Lastdaten... 110
3.7.3 Rad und Fahrbahn... 111
3.7.4 Besonderes... 112
3.7.5 Datenbank... 113
3.7.6 Auswahl-Rad...
114
3.7.7 Auswahl Getriebemotor... 115
4 Energieeffiziente Asynchronmaschinen
... 116
4.1 Motoren für die EU-Motorwirkungsgradklassen... 117
4.2 Möglichkeiten der Energieeinsparung... 118
4.2.1 Einzelverluste... 118
4.2.2 Statorstromwärme... 120
4.2.3 Rotorstromwärme... 120
4.2.4 Energieeinsparung durch Drehzahlregelung... 123
4.2.4.1 Stoffmengenregelung... 123
4.3 Amortisationszeit... 126
4.3.1 Software zur Ermittlung der Amortisierungszeit... 127
4.4 Kriterien für den Einsatz von Energiesparmotoren... 130
5 Zusammenfassung
... 131
6 Anhang
... 132
6.1 Formelzeichen...
132
6.1.1 Indizes... 132
6.2 Literaturverzeichnis... 133

1 Grundlagen der Asynchronmaschinen
1.1 Stand der Technik und Marktsituation
Elektrische Antriebe sind heute wichtige und bestimmende Komponenten vieler Maschinen und
Anlagen. Dabei teilen sich die Antriebe in verschiedene Varianten auf. Zu einem hohen Prozentsatz
(80%) sind es einfache Antriebe mit festen Betriebsdrehzahlen. Immer häufiger nehmen jedoch die
anspruchsvolleren Antriebe zu, die in weiten Bereichen drehzahlvariabel arbeiten. Der Markt fordert
kostengünstige, robuste und wartungsarme Lösungen. Dadurch wurde der bewährte
Gleichstromantrieb bei Neukonstruktionen im betrachteten Leistungsbereich zu Gunsten des
Drehstromantriebs weitgehend verdrängt. Dies zeigen die Prozentzahlen des Diagramms in Bild 1.1
sehr deutlich.
Kleinm otoren 37%
Strom richter AC/DC 18%
Zubehör
DC-Motoren 2%
AC-Motoren 28%
Bild 1.1: Produktionsanteile elektrischer Antriebe (ZVEI)
Betrachtet man die Verteilung der Stückzahlen auf die Leistungsklassen, die die statistische Erfassung
des ZVEI vorgibt, so erkennt man, dass die großen Stückzahlen im Leistungsbereich von 750 W...7,5
kW liegen.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
7,5
75
750
7500
AC-Antriebe
DC-Antriebe
%
Leis tung P in kW
Bild 1.2: Marktanteile in den Leistungsklassen von AC- und DC-Antrieben (ZVEI)
Seite 1

Weitere Untersuchungen haben ergeben, dass 93% der Antriebe in die Leistungsklasse bis 7,5 kW und
ca. nur 0,6% in die über 75 kW einzuordnen sind. Aus diesem Grund beschränken sich die
Ausführungen weitgehend auf den oben genannten Leistungsbereich mit den hohen Stückzahlen. Um
die vielfältigen Antriebsaufgaben zu erfüllen, werden 4 Arten von elektrischen Antrieben eingesetzt
(Bild 1.3):
·
direkt geschaltete Antriebe mit festen Betriebsdrehzahlen (Festdrehzahlantriebe),
·
solche mit überwiegend festen Betriebsdrehzahlen, die zum Anlassen über Schalter oder
Schütze sowie oft über Vorschaltelemente geschaltet werden,
·
solche, die sanft starten und stillsetzen sowie
·
solche mit überwiegend variablen Betriebsdrehzahlen, die zum Anlauf oder im Betrieb über
elektronische Stellglieder gestellt oder geregelt betrieben werden. [1]
Bild 1.3: Antriebe mit fester und variabler Drehzahl [2]
Als elektronische Stellglieder zwischen Netz und elektrische Maschine werden abhängig von der
entsprechenden Aufgabe Drehstromsteller oder Frequenzumrichter eingesetzt.
Zur Klassifizierung teilt man die Antriebe ein in Bewegungs- oder Positionierantriebe, zu denen auch
die hochdynamischen Servoantriebe zählen. Zur Verdeutlichung zeigt folgende Tabelle hierzu einige
ausgeführte Beispiele.
Seite 2

Auswahl typischer
Anwendungsfälle
Maschinenart
Einsatzfall
Antriebsart * Eigenschaften
Baumwoll-Spinnmaschine
Ersatz einer mechanischen
B
1)elektrische Maschine
Kopplung
2)Netzausfallerkennung
3)Busvernetzung
Regalförderfahrzeuge
Schienenfahrzeuge
P
1)Drehmomentkopplung
mit Drehzahlklammerung
2)digitale Sollwertübertragung
(Leitfrequenz)
Verpackungsmaschinen
Positionierantrieb
P
1)Drehzahlregler mit geringer
Zykluszeit (250 µs)
2)Encordenachbildung
Ablängeinheit hinter Extruder
Schneiden auf Marke oder
P
1)Leitfrequenzkopplung
Länge
2)Tourch-Probe-Eingang
3)Schnittpunktberechnung
mit Funktionsblöcken
Kunststoff-Fasermaschinen
Materialverstreckung
B
1)elektrische Getriebe mit
online veränderbaren Getriebe-
faktoren
2)Motorpotifunktion
Pumpstation für Wasserversorgung
Pumpantrieb für Füllstands-
B
1)Füllstandsregelung
regelung
2)Mindestdrehzahl
Holzbearbeitungsmaschinen
Lüfterantrieb für Spanabsau-
B
1)Druckregelung
gung
2)Fangschaltung
Drahtziehmaschinen
Wickeltrieb
B
1)Tänzerlagerregelung
2)Liniengeschwindigkeit- und
Druckmesserbewertung
3)Nachlaufleger
Fördereinrichtungen
Kettenabtrieb
B
1)Drehmomentregelung
2)Drehzahlbegrenzung
Spinnradmaschinen (Kardenmaschinen)
Walzenantrieb
B
1)Netzausfallerkennung
2)Fangschaltung
*B:Bewegungsantrieb (FU); P: Positionierantrieb (Servo)
Tabelle 1.1: Verschiedene Antriebsarten mit typischen Lastfällen;
Bewegungsantriebe finden ein breites Einsatzfeld in de Industrie, in der Gebäudetechnik und im
Haushaltsbereich. Dabei überwiegen bei den eingesetzten elektrischen Maschinen eindeutig die
Asynchronmaschinen mit Käfigläufer in Drehstrom- oder Wechselstromausführung. Letztere Variante
ist besonders im unteren Leistungsbereich (< 2 kW) sehr stark vertreten; dort arbeiten jedoch nur
wenige Antriebe drehzahlvariabel. [2]
Im speziellen Segment der hochdynamischen Positionier- oder Servoantriebe sind es die Antriebe mit
Synchron- und EK-Maschinen (elektronisch kommutierte Gleichstrommaschinen) neben Lösungen
mit angepassten Asynchronmaschinen. Diese Antriebe arbeiten alle drehzahlvariabel und werden von
Umrichtern gespeist.
Getriebemotoren mit Asynchronmaschine sind in vielfältiger Ausführung im Einsatz. Sie wurden zur
Mechatronik weiterentwickelt und haben so einen hohen Reifegrad erreicht. Diese mechatronischen
Antriebe werden als dezentrale intelligente Antriebsmodule eingesetzt.
Seite 3

Bild 1.4: Wandel in der Antriebstechnik [3]
Antriebsmodule sind konstruktive Einheiten, die aus dem angepassten Getriebemotor mit integriertem
Frequenzumrichter bestehen. Die erweiterte Software des Umrichters verleiht dem Modul eine
dezentrale Intelligenz und die Vernetzung über Busschaltungen eine hohe Flexibilität.
Die aktuellen Entwicklungen auf dem Gebiet der Umrichter- und Anwendersoftware lassen die bisher
getrennten aufgabenorientierten Lösungen für Bewegungs- und Positionierantriebe wieder zu einer
vielseitig einsetzbaren universellen Gerätelösung - dem Servoumrichter - zusammenwachsen.
Bild 1.5: Entwicklung bei drehzahlveränderbaren Drehstromantrieben [3]
Seite 4

Diese neuen Gerätereihen überdecken mit zielorientiert einsetzbarer Software den gesamten
Anwendungsbereich der Bewegungs- und Positionierantriebe mit einem Gerät. Die Digitaltechnik mit
schnellen Signalprozessoren (DSP) ermöglicht in der AC-Antriebstechnik Regelverfahren, z.B. die der
feldorientierten Regelung (FOR) oder direkten Selbstregelung (DSR, digitaler Drehmomentregelung),
die eine bessere Dynamik als die bisher eingesetzten Gleichstromantriebe erreichen. Bei
Bewegungsantrieben wird dabei sogar oft auf besondere Drehzahlgeber verzichtet (sensorless speed
control, SSC). Dies funktioniert heute sogar auch bei Drehzahl 0 stabil. [3]
Vorkonfigurierte Softwareblöcke mit Zusatzfunktionalitäten und Klein-SPS-Systeme im Umrichter
übernehmen Technologiefunktionen und anwenderspezifische Steuerungsaufgaben, die bislang
selbstständige SPS-Einheiten ausgeführt haben. Dadurch entlasten diese intelligenten Einheiten die
übergeordneten Steuerungen. Durch die Gleichlauf-Technologiefunktionen werden die bisherigen
mechanischen Wellenverbindungen durch rein elektronische Verbindungen abgelöst; Beispiele sind
die Königswelle, das elektronische Getriebe oder koordinierte Bahnsteuerungen mehrerer Wellen.
Die Digitaltechnik in den Geräten ermöglicht die Datenvernetzung der Antriebe. Einzelantriebe
erhalten über ihre serielle Schnittstelle Prozess- oder Parameterdaten just in time von einem
übergeordneten Leitsystem oder einem anderen Modul, das umgekehrt die aktuellen Ist-Daten des
Antriebs abfragen und auswerten kann. Die Digitaltechnik in den Stromrichtern gestattet über
aufsteckbare Busmodule einen solchen bidirektionalen Datenverkehr über verschiedene
Feldbussysteme ohne großen Zusatzaufwand. Der weitere Datenfluss geht dann über Ethernet und
global über das Internet. [4]
Am öffentlichen Netz arbeiten die verschiedensten Verbraucher. Darunter auch solche, die sehr
empfindlich auf Spannungsabsenkungen reagieren. Zu solchen Spannungseinbrüchen kommt es beim
Direkteinschalten oder Y
-Anlauf von größeren Asynchronmaschinen. Um Störungen zu reduzieren
werden Anlaufdrosseln usw. oder Drehstromsteller vor die Asynchronmaschinen geschaltet, um sanft
an- oder auszulaufen (Sanftanlaufgeräte, Softstarter). Sanft bedeutet dabei, dass sowohl das speisende
Netz und die mechanischen Übertragungsglieder als auch die Arbeitsmaschine geschont werden. Bei
Pumpenantrieben verhindert ein geführter sanfter Auslauf über Steller die gefürchteten Wasserschläge
im Rohrsystem. [5]
1.2 Wirkungsweise und Aufbau von Drehstrom-Asynchronmaschinen
Anhand eines kausalen Erklärungsmodells soll die prinzipielle Wirkungsweise einer
Asynchronmaschine erläutert werden.
·
Zunächst wird ein Drehspannungssystem an die Ständerwicklungen gelegt.
·
Der daraus resultierende Stromfluss durch die Ständerwicklung erzeugt ein Drehfeld B
d
im
Luftspalt. Das Drehfeld rotiert synchron mit der Netzfrequenz.
·
Das Drehfeld induziert im (stehenden) Läufer eine Spannung U
2
bzw. Ströme I
2
(bei
Belastung der Läuferklemmen).
·
Wegen F = B * l * L wirken Tangentialkräfte auf die Läuferwicklungen bzw. Läuferstäbe. Es
wirkt ein Drehmoment auf den Läufer.
·
Der Läufer dreht sich mit einer Drehzahl n. Wird diese Drehzahl so groß wie die
Drehfelddrehzahl (n = n
1
), reduziert sich die Spannungsinduktion im Läufer auf U
2
= 0. Damit
sinkt auch das erzeugte Drehmoment auf Null ab.
Die Drehstromasynchronmaschine besteht aus einem stillstehenden Teil, dem Stator und dem
rotierenden Rotor bzw. Läufer. Sie sind durch einen kleinen Luftspalt (Bruchteil eines Millimeters)
voneinander getrennt.
Seite 5

Bild 1.6: Aufbau der Asynchronmaschine [6]
Der Ständer besteht aus gegeneinander isolierten Dynamoblechen, die ein geschichtetes
Eisenpaket bilden. Das Eisenpaket enthält Nuten zur Aufnahme der (hier: feststehenden)
Erregerwicklung (oft dreisträngig). Die Ständerwicklungen werden mit sog. Nutverschlüssen vor
mechanischen Schäden geschützt. Das Gehäuse besteht aus Gusseisen mit Kühlrippen. Der Läufer
sorgt für eine Oberflächenkühlung.
Alle elektrischen Ständergrößen werden mit dem Index 1gekennzeichnet (z.B. Ständerstrom I
1
).
Der Läufer (Rotor, Anker) besteht ebenfalls aus einem geschichteten Blechpaket mit Nuten (zur
Aufnahme der Läuferwicklung). Der Luftspalt zwischen Läufer und Ständer ist möglichst gering (mm
Bereich) zu halten. Nachteil: Leicht anfällig für Verschmutzung und Korrosion.
Alle elektrischen Läufergrößen mit dem Index 2 gekennzeichnet (z.B. Läuferstrom I
2
).
1.2.1 Bauarten
Es gibt zwei Arten von Asynchronmaschinen, nämlich mit
·
Kurzschlussläufer und mit
·
Schleifringläufer.
Diese unterscheiden sich, wie die Namen schon verraten, in der Konstruktion ihrer Läufer
voneinander. Der Aufbau des Ständers dagegen ist bei beiden identisch.
1.2.1.1 Kurzschlussläufer
Kurzschlussläufer werden die Rotoren von Asynchronmotoren genannt, die statt einer aus Draht
gewickelten Spule (Wicklung) mit Schleifringen (Schleifringläufermotor) im Blechpaket dauernd
kurzgeschlossene, massive Windungen (Käfigläufer) besitzen, die ähnlich wie ein Hamsterlaufrad aus
metallenen Querstäben mit beidseitigen metallenen Kurzschlussringen aufgebaut sind.
Bei großen Leistungen wird die Käfigwicklung im magnetischen Eisenblechpaket des Rotors aus
Kupfer- und Bronzestäben aufgebaut, die in beiderseits außenliegende Kurzschlussringe aus dem
Seite 6

gleichen Material eingelötet werden. Für Motoren mit kleinerer Leistung wird die ,,Käfigwicklung" in
entsprechende Aussparungen des Eisenblechpakets (Nuten oder Löcher) im Aluminium-
Druckgussverfahren eingegossen. Eine besondere Bauart des Käfigläufers ist der
Stromverdrängungsläufer.
Die Nuten für den Käfigläufer verlaufen in der Regel etwas schräg (leicht verdreht gestapeltes
Blechpaket), um das Nutenpfeifen (inhomogenes Drehmoment, Netzverunreinigung) zu vermindern.
Durch das magnetische Drehfeld der Stator-Spulen werden in dem Metallkäfig Wirbelströme
induziert, die in den untereinander kurzgeschlossenen Metallstäben fließen und ein eigenes
Magnetfeld erzeugen. Die Verkopplung des Stator-Drehfeldes mit dem Käfigläufer-Feld führt zur
Drehbewegung des Rotors.
Bild 1.7: Läufertypen: Kurzschluss- und Schleifringläufer [6]
1.2.1.2 Schleifringläufer
Der Stator des Schleifringläufermotors ist genauso aufgebaut wie der Stator des
Kurzschlussläufermotors. Auf der Läuferwelle befinden sich das Blechpaket und die Schleifringe. Je
nach Baugröße des Motors wird entweder eine Rippenwelle oder eine zylindrische Welle verwendet.
Auf die Welle wird das Blechpaket, in welchem sich rillenförmige Nuten befinden, aufgeschrumpft.
Die Läuferwicklung wird in die Nuten des Läuferblechpaketes eingefügt. Die zu den Schleifringen
führenden Spulenenden sind wie auch bei Kollektormotoren mit einer Bandage gegen
Zentrifugalkräfte gesichert.
Die Läuferwicklung hat einen kleineren Leiterquerschnitt als beim Käfigläufer und dementsprechend
viele Windungen. Aus diesem Grund sind die induzierte Spannung und der Wirkwiderstand
wesentlich größer als dies beim Käfigläufer der Fall ist. Der Strom ist geringer, wodurch die
Übertragung über Schleifringe und Kohlebürsten ermöglicht wird.
Die Läuferwicklung ist in der Regel eine Dreiphasenwicklung. Die Wicklungen sind meistens in
Stern, seltener in Dreieck geschaltet. Der Sternpunkt der Wicklungen wird im Innern des Läufers
verschaltet. Bei einigen Motoren wird der Sternpunkt über einen vierten Schleifring nach außen
Seite 7

geführt. Dieser Sternpunktanschluss wird mit Q bezeichnet. Die Wicklungsenden sind an
Schleifringen angeschlossen, an welchen als Stromabnehmer Kohlebürsten anliegen. Die dreisträngige
Läuferwicklung hat die Anschlussbezeichnungen K, L, M.
Auf die Funktionsweise der Maschine hat es keinen Einfluss, ob die Rotorwicklung dreiphasig oder
zweiphasig ausgeführt ist. Allerdings müssen der Rotor und der Stator die gleiche Polzahl haben;
haben Rotor und Stator unterschiedliche Polzahlen, wird kein Drehmoment erzeugt.
Über die Schleifringe kann der Schleifringläufermotor mittels Leistungswiderständen angelassen
werden. Die Anlassschaltung ist vom speisenden Netzpotential getrennt. [6]
1.2.2 Bauformen
Die Möglichkeiten für mechanische Gestaltung einer elektrischen Maschine und ihre Lage im Raum
können auf verschiedene Arten kombiniert werden. Man nennt diese Kombinationen Bauformen.
Die Bauformen elektrischer Maschinen sind in IEC 60034-7 festgelegt. Zur einfacheren
Verständigung sind Kurzzeichen genormt worden.
Bild 1.8: Bauformen nach IEC 60034-7 [7]
Seite 8

Die Bauformen von Elektromotoren wurden bestimmt durch:
·
Richtung der Antriebswelle (horizontal/vertikal...)
·
Art der Lagerung(Lagerschild/Stehlager/...)
·
Aufstellung(Bodenfläche/Grundplatte/...)
·
Ausführung des Wellenendes (frei/Flansch/außengelagert/...)
Tabelle 1.2: Häufig verwendete Bauformen elektrischer Maschinen (Auswahl aus IEC 60034-7) [7]
1.2.3 Motorkonfigurationen
Neben den Standardmodellen für Drehstrommaschinen gibt es eine Reihe von Asynchronmaschinen,
die mit Hilfe von integrierten Antriebskomponenten oder konstruktionstechnischen Maßnahmen
spezielle Eigenschaften besitzen. Im Fokus stehen nun die wichtigsten Konfigurationen, die in der
Industrie zum Einsatz kommen.
Seite 9

1.2.3.1 Bremsmotoren
Asynchronmotor mit einer angebauten Einscheibenfederbremse oder einer anderen Bremsausführung.
Die Bremse besitzt zwei Reibflächen und die Bremskraft wird von Druckfedern aufgebracht.
Das durch Reibschluss erzeugte Bremsmoment steht im stromlosen Zustand zur Verfügung.
Zum Lüften der Bremse wird die Bremsspule mit Gleichspannung beaufschlagt. Die entstehende
Magnetkraft zieht die Ankerscheibe gegen die Federkraft an das Magnetteil. [8]
Bild 1.9: Bremsmotor(DEMAG) 1)Welle, 2)Winkelfuß,3)Lagerschild AS, 4)Impulsgeber,
5)Magnetisierung für Impulsgeber, 6)Leitungsdose für Impulsgeber, 7)Ansteuerbaustein,
8)Reihenklemmen, 9)Ständer, 10)Läufer, 11)Bremsscheibe, 12)Bremsbelag, 13)Ankerscheibe mit
Bremsbelag, 14)Magnetspule, 15)Handbremslüfteinrichtung, 16)Lagerschild BS, 17)Bremsfedern,
18)Lüfter, 19)Lüfterhaube
1.2.3.2 Getriebemotoren
Getriebemotoren bestehen aus einem Elektromotor mit einem Untersetzungsgetriebe und bildet eine
konstruktive Einheit. Kriterien für die Auswahl der geeigneten Getriebeart sind unter anderem
Platzverhältnisse, Befestigungsmöglichkeiten und Verbindung mit der Arbeitsmaschine. Es stehen
Stirnradgetriebe, Flachgetriebe, Kegelradgetriebe in normaler und spielreduzierter Ausführung, sowie
Schneckengetriebe, Spiroplan-Getriebe, Planetengetriebe und spielarme Planetengetriebe zur
Auswahl.
Bild 1.10: Getriebemotor (SEW)
Seite 10

Eine Besonderheit stellt das Stirnradgetriebe mit einer verlängerten Lagernabe dar. Es wird mit RM
bezeichnet und hauptsächlich für Rührwerksanwendungen eingesetzt. RM-Getriebe sind für besonders
hohe Quer- und Axialkräfte sowie Biegemomente ausgelegt. Die übrigen Daten entsprechen den
Standard-Stirnradgetrieben.
Für besonders niedrige Abtriebsdrehzahlen lassen sich auch Doppelgetriebe durch antriebsseitigen
Anbau eines passenden Stirnradgetriebes im Baukastensystem erzeugen. [9]
1.2.3.3 Umrichtermotoren
Der Umrichtermotor besteht aus einem eigenbelüfteten Elektromotor und einem Frequenzumrichter.
Auf dem Markt haben sich Umrichtermotoren mit zwei unterschiedlichen Konstruktionen etabliert.
Bei der einen Konstruktion ist der Frequenzumrichter axial am Elektromotor angebaut. Bei der
anderen Konstruktion ist der Frequenzumrichter in einem vergrößerten Klemmkasten integriert oder
als separates Gehäuse am Motorumfang montiert. Dabei ist die vom Motor her mögliche
Leistungsfähigkeit bei umrichterintegrierten Systemen häufig wegen Problemen hinsichtlich einer
effektiven Abfuhr der Umrichterverluste eingeschränkt.
Die Verwendung von elektrisch betriebenen Fremdlüftern zur Umrichterkühlung ist häufig mit
Einschränkung in der Ausführbarkeit der Gesamtschutzart und/oder der Lebensdauer der Fremdlüfter
verbunden. Die Ausführungen der Umrichtermotoren führen in der Regel zu besonders
langgestreckten oder hohen Bauformen, die von den Normabmessungen eines Standardmotors
erheblich abweichen. Bei vielen Industrieanwendungen steht jedoch nur ein geringer Einbauraum für
den Umrichtermotor zur Verfügung. Bei derartigen Industrieanwendungen muss wie allgemein üblich
Motor und Frequenzumrichter räumlich getrennt aufgebaut werden, wodurch Kosten für Verkabelung
und Schaltschrank entstehen.
Bild 1.11: Umrichtermotor (CAV)
Im Handel ist ebenfalls ein Umrichtermotor erhältlich, dem A-seitig mit einem Stirnradgetriebe und B-
seitig mit einem Lagegeber, einer Positionselektronik und einer Leistungsendstufe eines Stellgliedes
zur Drehzahlverstellung eines bürstenlosen permanenterregten Synchronmotors integriert sind. Diesen
Umrichtermotor gibt es im Leistungsbereich von ca. 50 W. Durch die Integration dieser Elemente in
einem Elektromotor verlängert sich die Bauform des Elektromotors axial. Ein derartiger
Umrichtermotor in einer höheren Leistungsklasse ist nicht vorhanden. Bei höheren Leistungsklassen
steigt der Aufwand für eine Entwärmung des integrierten Frequenzumrichters. [10]
1.2.3.4 Asynchron-Servomotoren
Die speziell für Motion Control-Anwendungen konzipierten Asynchron-Servomotoren zeichnen sich
im Unterschied zu Norm-Asynchronmotoren durch eine hohe Rundlaufgenauigkeit aus. Sie sind
wesentlich kompakter und mit unterschiedlichen Einbaugebern erhältlich.
Seite 11

Es gibt verschiedene Schutzarten für unterschiedliche Umgebungsbedingungen und auch
Ausführungen mit Hohlwelle. Asynchron-Servomotoren werden in Werkzeugmaschinen für
Hauptantriebe und Spindeln benutzt oder in Produktionsmaschinen als Antriebe von Rundachsen wie
Walzen und Wicklern.
Bild 1.12: Asynchron-Servomotor (Bosch-Rexroth)
Für Vorschubachsen in Werkzeugmaschinen und Positionierachsen bei Produktionsmaschinen werden
die noch kompakteren, in großer Variantenvielfalt erhältlichen Synchron-Servomotoren eingesetzt.
Vor allem für Handling- und Fördertechnikanwendungen sind Getriebe-Servomotoren mit Winkel-
und Stirnradgetriebe oder präzisen Planetengetrieben die beste Wahl. [11]
1.2.4 Baugrößen (Achshöhe und Baulänge)
In IEC 72 sind die Baugrößen und die dazugehörigen wichtigen Anbaumaße der Maschinen festgelegt.
Bei der weitverbreiteten Fußbauform (IM B3) sind die Wellenhöhe (Achshöhe AH), Fußlochabstände,
sowie Abstand der Wellenschulter von der Fußlochmitte; bei der Flanschbauform (IM V1) sind dies
die Flanschabmessungen. Für Drehstrommaschinen liegen die Leistungsreihen und die Abmessungen
der Wellenenden fest.
Bild 1.13: Achshöhe H bzw. AH und Baulänge S/M/L
Seite 12

Das Maß für die Wellenhöhe (Achshöhe) entspricht der Baugrößenbezeichnung; die Baugröße ist oft
noch unterteilt in S, M und L (short, medium, long). Für Normmotoren (oberflächengekühlte
Drehstrommaschinen mit Käfigläufer IM B3) sind den Baugrößen bestimmte Bemessungsleistungen
zugeordnet. Die Baugröße einer elektrischen Maschine wird im Wesentlichen durch das Drehmoment
bestimmt.
Bild 1.14: Auswirkung von Leistung und Drehmoment
Auf die Baugröße bei elektrischen Maschinen [12.1]
Achshöhe AH Leistung P
N
Drehzahl n
d
Polpaarzahl p
cos
Masse
in mm
in kW
in min
-1
in %
in kg
160 M
11
3000
1
0,92
87
81
160M
11
1500
2
0,85
86
92
160
11
1000
3
0,86
85,2
114
180
11
750
4
0,78
85
136
200
9
600
5
0,65
83
175
Tabelle 1.3:Einfluss der Drehzahl auf die Baugröße von Asynchronmaschinen gleicher
Leistung(ABB)
Bei gleichem Drehmoment baut die Maschine bei fallender Drehzahl größer. Die Achshöhe (AH)
steigt an und damit steigt auch das Gewicht. Mit zunehmender Polpaarzahl sinken cos
und
Wirkungsgrad tendenziell ab. Wegen der besseren Wärmemenge in der niedrigeren Schutzart baut die
Maschine auch kleiner.
Leistung
Schutzart
Daten
Drehzahl n
d
in min
-1
3000
1500
1000
750
55
IP55
AH in mm
250 M
250 M
280 M
315 S
Masse in kg
415
435
580
740
IP23
AH in mm
200 L
225 M
250 M
280 S
Masse in kg
225
275
390
565
Tabelle 1.4: Einfluss der Schutzart (Kühlung) auf die Baugröße von Asynchronmaschinen
gleicher Leistung [12.1]
Seite 13

1.3 Motorkühlung und Motorschutz
Die Verluste der elektrischen Maschine führen zur Erwärmung, vor allem der Wicklung, aber auch des
Blechpaketes. Damit die Maschine keinen thermischen Schaden erleidet, muss sie über eine
zuverlässige Kühlung verfügen. Je nach Umgebung (Schmutz, Spritzwasser) und Betriebsart (z. B.
niedrige Drehzahl bei vollem Moment) werden innengekühlte, oberflächengekühlte oder
fremdgekühlte Maschinen eingesetzt.
Bild 1.15: Unterschiedliche Motorkühlungen [6]
1.3.1 Motorschutz
Der Motorschutz (zum Beispiel ein Motorschutzschalter) schützt Asynchronmaschinen vor
thermischer Überlastung aufgrund mechanischer Überlastung oder bei Ausfall einzelner Phasen.
Es gibt zwei grundlegende Arten, eine Asynchronmaschine im Betrieb vor Überlastung zu schützen,
zum einen die Überwachung seiner Stromaufnahme, zum anderen die direkte Überwachung der
Temperatur in den Motorwicklungen. Zur ersten Kategorie gehört der Motorschutzschalter und das
Überlastrelais (auch Motorschutzrelais), zur zweiten selbstrückstellende Bimetallschalter und
Kaltleiter.
1.3.2 Schutzart
Schutzarten für elektrische Maschinen werden nach IEC 60034-5 durch die Kennbuchstaben IP und
zwei Kennziffern für den Schutzgrad angegeben.
IP
1. Kennziffer Fremdkörperschutz
2. Kennziffer Wasserschutz
0 Nicht geschützt
Nicht geschützt
1 Geschützt gegen feste Fremdkörper
Geschützt gegen Tropfwasser
d = 50 mm
2 Geschützt gegen feste Fremdkörper
Geschützt gegen Tropfwasser
d = 12 mm und größer
Gehäuse bis zu 15° geneigt
3 Geschützt gegen feste Fremdkörper
Geschützt gegen Sprühwasser
d = 2,5 mm und größer
4 Geschützt gegen feste Fremdkörper
Geschützt gegen Spritzwasser
d = 1mm und größer
5 Staubgeschützt
Geschützt gegen Strahlwasser
6 Staubdicht
Geschützt gegen starkes Strahlwasser
7
Geschützt gegen zeitweiliges Untertauchen
in Wasser
8
Geschützt gegen dauerndes Untertauchen
in Wasser
Tabelle 1.5: Schutzarten nach IEC 60034-5 [9]
Seite 14

1.4 Betriebsverhalten und Kenngrößen der Asynchronmaschine
1.4.1 Drehzahl und Schlupf
Die Drehzahl der Asynchronmaschine ist primär von der Frequenz und der Polpaarzahl abhängig.
Diese Größen bestimmen die Drehfelddrehzahl (Synchrondrehzahl) wie folgt:
n
d
= 60*f/p
(Gl 1.1)
Das asynchrone Betriebsverhalten ist darauf zurückzuführen, dass der Läufer dem Drehfeld
hinterherhinkt. Die Relativgeschwindigkeit zwischen n
d
und n wird als Schlupf bezeichnet. Er wird
durch die Gleichung
d
d
n
n
s
n
-
=
(Gl 1.2)
ausgedrückt. Uns interessiert aber meist der prozentuelle Unterschied zwischen der Drehzahl des
Drehfeldes und des Läufers, sodass wir die Gleichung wie folgt erweitern:
d
d
n
n
s
*100%
n
-
=
(Gl. 1.3)
Für Stillstand des Motors ergibt sich n = 0 und damit s = 1. Falls Drehfeld und Läufer synchron laufen
würden, also die gleiche Drehzahl hätten, dann wäre n
d
= n und damit s = 0. Die Grenze n
d
= n wird
allerdings bei einem Asynchronmotor nicht erreicht. Sein Drehzahlarbeitsbereich bewegt sich viel
mehr innerhalb der Grenze 0 s 1. Die Schlupfwerte von Asynchronmotoren liegen bei Nennbetrieb
je nach Motorleistung bei etwa 3 bis 8 %. Seine Nenndrehzahlen sind deshalb nur wenig kleiner als
die entsprechenden Synchrondrehzahlen. Haben wir den Schlupf eines Motors einmal ermittelt,
können wir die Frequenz des Läuferstroms bestimmen:
f
2
= s*f
1
(Gl. 1.4)
f
1
= 50 Hz ist die Frequenz des Ständerstromes bzw. der Ständerspannung. Nehmen wir für den
Schlupf einen Wert von s = 5% an, so ergibt sich für die Frequenz des Läuferstroms f
2
= 2,5 Hz.
1.4.2 Drehmoment
Die vereinfachte Drehmomentgleichung, welche auch als Kloßsche Gleichung bekannt ist, erhält man
bei Vernachlässigung des Ständerwirkwiderstandes R
1
zu:
K
K
K
2 * M
M
s
s
s
s
=
+
(Gl 1.5)
oder umgestellt:
K
K
2
2
K
2 * M *s *s
M
s
s
=
+
(Gl. 1.6)
Seite 15

mit dem Kippmoment M
K
und dem Kippschlupf s
K
(= R
2
'/X
'). Für kleine Schlupfwerte s ist s
K
2
s
2
und man erhält näherungsweise:
K
K
2 * M
M
*s
s
=
(Gl. 1.7)
Da der Bruch ein konstanter Wert ist, kann auch vereinfacht geschrieben werden:
M = K*s
(Gl. 1.8)
Bild 1.16: Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie
Diese lineare Abhängigkeit gilt sehr gut im hauptsächlichen Betriebsbereich zwischen dem Leerlauf-
und dem Bemessungspunkt. Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie verläuft dort nahezu linear und
somit ähnlich der Lastkennlinie einer fremderregten Gleichstrommaschine; daher spricht man auch
vom Nebenschlussverhalten der Asynchronmaschine in diesem Bereich. Aus der Gleichung erkennt
man aber nochmals deutlich, dass bei der Asynchronmaschine ohne Schlupf kein Drehmoment erzeugt
wird.
1.4.3 Leistung
Das öffentliche Netz versorgt die Asynchronmaschine mit der Scheinleistung
P
Schein
= P
Wirk
+ P
Blind
(Gl 1.9)
Die Wirkleistung als Anteil der Scheinleistung beschreibt jene Leistung, durch die elektrische Energie
umgewandelt wird und welche so Arbeit verrichtet, beispielsweise in Form von mechanischer oder
thermischer Energie. Die Blindleistung hingegen ist jener Anteil der Scheinleistung, der periodisch
zwischen Erzeuger und Verbraucher hin- und herpendelt und somit keine Arbeit verrichtet.
Uns interessiert primär die Wirkleistung, die auch in anderer Schreibweise dargestellt wird:
P
Wirk
= P
zu
= P
el
(Gl 1.10)
Dem Ständer der Asynchronmaschine wird die elektrische Leistung P
el
zugeführt. Hier entstehen bei
der realen streuungsbehafteten Asynchronmaschine die Ständerverluste P
V1
, die sich aus den Kupfer-,
Eisen- und Zusatzverlusten zusammensetzen:
P
V1
= P
Cu1
+ P
Fe1
+ P
Z1
(Gl 1.11)
Seite 16

Die vom Ständer auf den Läufer vom Drehfeld übertragene Leistung (Drehfeld- oder
Luftspaltleistung)
P
d
= P
el
- P
V1
(Gl. 1.12)
teilt sich auf in die Läuferwicklungsverluste (ohmsche Läuferverluste) P
V2
(P
Cu2
)
und in die
mechanische Leistung P
mech
auf:
P
d
= P
V2
+ P
mech
(Gl. 1.13)
wobei:
P
mech
= P
mech
' + P
R
+ P
Fe2
+ P
Z2
(Gl. 1.14)
P
mech
' die die nutzbare mechanische Leistung an der Welle ist. Die ohmschen Läuferverluste P
V2
enthalten die Stromwärmeverluste der Läuferwicklung und die Verluste der eventuell vorhandenen
Vorwiderstände (Schleifringläufer). Im Bemessungspunkt sind die Eisenverluste im Läufer zu
vernachlässigen. Die mechanische Leistung enthält neben der an der Kupplung abgegebenen Leistung
noch die Reibungs- und Zusatzverluste. Aus dem Zusammenhang zwischen Leistung und
Drehmoment erhält man für die mechanische Leistung
P
mech
=
*M
(Gl. 1.15)
und für die Drehfeldleistung:
P
d
=
d
*M
(Gl. 1.16)
Aus den beiden Gleichungen folgt:
P
mech
= P
d
*
/
d
= (1 ­ s)*P
d
(Gl. 1.17)
Für die ohmschen Läuferverluste folgt daraus:
P
V2
= P
d
*s
(Gl. 1.18)
Bei der idealisierten Asynchronmaschine werden die Verluste im Ständer vernachlässigt, diese spielen
bei kleineren Maschinen eine Rolle. Also folgt daraus:
P
el
= P
d
Hiermit kann man nun für den vereinfachten Fall der idealen Asynchronmaschine den Wirkungsgrad
bestimmen:
P
mech
= (1 ­ s)*P
d
(Gl. 1.19)
P
mech
/ P
d
= (1 ­ s) =
(Gl. 1.20)
Seite 17

Bild 1.17:Leistungsbilanz einer Asynchronmaschine [13]
1.4.4 Verluste und Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad eines Motors ist das Verhältnis der mechanisch abgegebenen Leistung zur
elektrisch aufgenommenen Wirkleistung. Die aufgenommene Wirkleistung ist gleich der abgegebenen
Leistung zuzüglich der Gesamtverluste.
Es ist daher
*100
ab
zu
P
P
=
in %
(Gl. 1.21)
Der Wirkungsgradverlauf eines Drehstrom-Asynchronmotors von 110 kW, 1500 1/min, in
Abhängigkeit von der abgegebenen Leistung P
2
kann Bild 3/4 entnommen werden. Der Wirkungsgrad
ändert sich ändert sich über einen großen Lastbereich nur wenig. Dieser Verlauf, der für Motoren
mittlerer Leistung typisch ist, kommt den in der Praxis vorkommenden Belastungsverhältnissen
entgegen, da die Antriebe oft nicht voll belastet werden.
Die Gesamtverluste des erwähnten Drehstrommotors mit Käfigläufer verteilen sich wie folgt auf die
Einzelverluste:
Eisenverluste
1,60kW
Luft- und Lagerreibungsverluste
3,00 kW
Stromwärmeverluste im Ständer
1,50 kW
Stromwärmeverluste im Läufer
1,10 kW
Zusatzverluste (nach VDE 0530)
0,55 kW
Verlustsumme
7,75 kW
Abgegebene Leistung
110,00 kW
Aufgenommene Leistung
117,75 kW
Seite 18
P
el
P
Cu1
P
Fe1
P
Z1
P
d
Luftspalt
P
Cu2
P
mech
P
Fe2
P
R
P
Z2
P
mech'

Wirkungsgrad
110
*100
93, 4%
117, 75
=
=
Hinsichtlich der Verlustaufteilung unterscheidet man grundsätzlich zwei Gruppen von Motoren:
1. Motoren, bei denen die lastabhängigen Verluste, also die Stromwärmeverluste in den Wicklungen,
überwiegen.
2. Motoren, bei denen die lastunabhängigen Leerlaufverluste, das sind die Eisen- und
Reibungsverluste, überwiegen. [14]
1.5 Herstellerneutrale Motortabelle
1.5.1 Normen
1.5.1.1 Normzahlen
Normzahlen (NZ) nach DIN-323 sind ein durch internationale Normen vereinbartes, allgemeingütiges
Zahlensystem, das einer umfassenden Ordnung und Vereinfachung im technischen und
wirtschaftlichen Schaffen dient. NZ sind Vorzugszahlen für die Wahl bzw. Stufung von Größen
beliebiger Art z.B.
·
Längen
·
Flächen
·
Volumina
·
Momente
·
Leistungen
·
Drehzahlen
mit dem Ziel, eine praktisch erforderliche Zahlenmenge auf ein notwendiges Minimum zu
beschränken. Es ist anzustreben, die Zahlenwerte von Größen nach NZ zu wählen, soweit nicht
besondere Gründe, z.B. bestimmte physikalische Voraussetzungen, die Wahl anderer Zahlen
erfordern. [15]
1.5.1.2 Toleranzen
Nach IEC 34 (EN 60034) sind folgende Toleranzen für Elektromotoren bei Bemessungsspannung
zulässig. Die Toleranzen gelten auch, wenn anstatt eines eindeutigen Werts für die
Bemessungsspannung ein Bemessungsspannungsbereich angegeben ist.
Spannung U
N
:
U +- 5% von U
N
Frequenz f
N
:
f +- 3% von f
N
Wirkungsgrad
:
bei P
N
= 50 kW oder P
N
50 kW:
-0,15*(1 -
N
)
bei P
N
50 kW
-0,1*(1 -
N
)
Leistungsfaktor cos
:
-(1 - cos
N
)/6
Schlupf:
bei P
N
1 kW
+- 30% von s
N
bei P
N
= 1 kW oder P
N
1 kW
+- 20% von s
N
Seite 19

Anlaufstrom I
A
:
+ 20%
Anlaufmoment M
A
:
-15% bis + 25%
Kippmoment M
K
:
- 10%
Massenträgheitsmoment J:
+- 10%
1.5.2 Herstellerneutrale Tabelle für Käfigläufer
Nach DIN EN 50347 sind Baugröße und Leistung genormt. Es umfasst Baugrößen 56M bis 315M mit
den Leistungen 0,06 kW bis 132 kW.
Tabelle 1.6: DIN EN 50347 Oberflächengekühlte Käfigläufermotoren
Die Werte für Baugröße und Leistung basieren auf Normzahlen, die der DIN 323 Grundreihe R40
entnommen sind. Zur besseren Übersicht werden Normzahlen, die den Baugrößen zugeordnet sind,
blau und die den Leistungen zugeordnet sind, rot markiert.
Seite 20

Tabelle 1.7: DIN 323 mit markierten Normzahlen für Baugröße und Leistung [15]
Das untere Diagramm zeigt die Abhängigkeit der Nennleistung von der Baugröße für alle
Polpaarzahlen. Es wurden die Baugrößen mit der maximalen Leistung aus den Baureihen gewählt.
Seite 21

1
10
100
1000
1
10
100
1000
p = 1
p = 2
p = 3
p = 4
P
N
-BG-Daigramm
P
N
in kW
BG in mm
1.5.2.1 Herstellertabellen
Es gibt eine Fülle von Firmen, die Asynchronmaschinen herstellen, doch uns interessieren nur solche,
die die geforderten Informationen anbieten.
Die herstellerneutrale Tabelle soll folgende Kenngrößen aufzeigen:
·
Baugröße BG
·
Polpaarzahl p (1, 2, 3 und 4)
·
Nennleistung P
N
·
Nenndrehzahl n
N
·
Nennwirkungsgrad
N
·
Nennleistungsfaktor cos
N
·
Nennstrom I
N
·
Nenndrehmoment M
N
·
Verhältnis von Anlauf- und Nenndrehmoment M
A
/M
N
·
Verhältnis von Anlauf- und Nennstrom I
A
/I
N
·
Verhältnis von Kipp- und Nenndrehmoment M
K
/M
N
·
Massenträgheitsmoment J
·
Gewicht m
Nach umfangreichem Recherchieren ist die Wahl auf die folgenden vier Hersteller gefallen, von denen
zwei marktführend und die anderen beiden eher bescheiden sind:
·
Siemens
·
VEM
·
Kemmerich
·
Gloor
Im Folgenden sind die Herstellertabellen aufgeführt, wobei man sich auf 2-polige Maschinen
beschränkt hat (komplette Herstellertabellen auf den Internetseiten der Hersteller). Alle Motoren sind
für Dauerbetrieb S1 (siehe 1.6.3.2) ausgelegt.
Seite 22

BG
p
P
N
n
N
N
cos
N
I
N
M
N
M
A
/M
N
I
A
/I
N
M
K
/M
N
J
m
mm
kW
min
-1
%
A
Nm
kgm²
kg
100L
1
3
2890
84
0,85
6,1
9,9
2,8
6,8
3
0,0035
34
112M 1
4
2905
86
0,86
7,8
13
2,6
7,2
2,9
0,0059
43
132S 1
5,5
2925
86,5
0,89
10,4
18
2
5,9
2,8
0,015
53
132S 1
7,5
2929
88
0,89
13,8
24
2,3
6,9
3
0,019
58
160M 1
11
2940
89,5
0,88
20
36
2,1
6,5
2,9
0,034
96
160M 1
15
2940
90
0,9
26,5
49
2,2
6,6
3
0,043
105
160L
1
18,5
2940
91
0,91
32
60
2,4
7
3,1
0,051
115
180M 1
22
2945
91,6
0,86
40,5
71
2,5
6,4
3,4
0,068
145
200L
1
30
2950
91,8
0,88
54
97
2,3
6,5
3
0,13
205
200L
1
37
2955
92,9
0,89
65
120
2,5
7,2
3,3
0,15
225
225M 1
45
2960
93,6
0,88
79
145
2,4
6,7
3,1
0,22
285
250M 1
55
2970
93,6
0,88
96
177
2,1
6,7
3,1
0,4
375
280S 1
75
2975
94,5
0,88
130
241
2,5
7,5
3,1
0,72
500
280M 1
90
2975
95,1
0,89
154
289
2,6
7,2
3,1
0,83
540
315S 1
110
2982
94,6
0,88
190
352
2,4
7,2
3,1
1,2
720
315M 1
132
2982
95,1
0,9
225
423
2,4
6,9
3
1,4
775
Tabelle 1.8: Siemens
BG
p
P
N
n
N
N
cos
N
I
N
M
N
M
A
/M
N
I
A
/I
N
M
K
/M
N
J
m
mm
kW
min
-1
%
A
Nm
kgm²
kg
100L 1
3
2865
83,4
0,84
6,15
2,4
7
2,8
0,00275
25
112M 1
4
2900
84,4
0,81
8,4
2,2
7
2,9
0,0045
32
132S 1
5,5
2890
86,3
0,84
11
2,4
7,5
3
0,0055
40
132S 1
7,5
2900
87
0,86
14,5
1,8
6,6
2,5
0,011
57
160M 1
11
2900
88,5
0,9
20
2,4
7
3
0,0258
81
160M 1
15
2930
89,4
0,9
27
2,2
7,1
2,9
0,0575
118
160L 1
18,5
2920
90,5
0,92
32
2,1
7,2
2,8
0,0675
134
180M 1
22
2935
91,8
0,92
37,5
1,7
6,8
2,6
0,105
165
200L 1
30
2940
92,8
0,92
50,5
2
7,3
2,9
0,128
195
200L 1
37
2940
93
0,9
64
1,8
7
2,4
0,193
255
225M 1
45
2940
93,7
0,91
76
1,8
7,5
2,7
0,22
290
250M 1
55
2955
93,7
0,91
93
2
7,5
2,6
0,375
360
280S 1
75
2970
94,6
0,92
124
2
7,5
2,6
0,65
490
280M 1
90
2970
94,7
0,91
151
2,2
8,5
2,8
0,675
510
315S 1
110
2975
95,4
0,91
183
1,5
8,5
2,5
1,21
720
315M 1
132
2975
95,4
0,91
219
2
8,5
2,7
1,44
800
Tabelle 1.9: VEM
BG
p
P
N
n
N
N
cos
N
I
N
M
N
M
A
/M
N
I
A
/I
N
M
K
/M
N
J
m
mm
kW
min
-1
%
A
Nm
kgm²
kg
100L 1
3
2860
83,5
0.86
6,07
10,1
1,9
6,5
2,1
0,0029
20,7
112M 1
4
2860
85,5
0,87
8
13,4
2,5
7
2,8
0,0055
26
132S 1
5,5
2870
86,5
0,85
10,9
18,4
2,5
7,5
3,6
0,0104
36
132S 1
7,5
2875
87,1
0,83
14,6
24,7
3
8,5
3,6
0,0121
43
160M 1
11
2940
88
0,9
19,9
35,9
2,1
8
2,3
0,037
115
160M 1
15
2940
89
0,9
26,8
48,8
2,1
8
2,3
0,0432
125
160L 1
18,5
2940
90
0,9
32,2
60,3
2,1
8,2
2,3
0,0525
145
180M 1
22
2950
90,5
0,9
38,3
71,2
2,1
8,2
2,3
0,071
173
200L 1
30
2950
91,2
0,9
52,6
72,5
1,9
7,6
2,3
0,119
232
200L 1
37
2960
92
0,9
63,5
89,5
1,9
7,6
2,3
0,133
250
225M 1
45
2970
92,3
0,9
77,8
145
1,7
7,6
2,3
0,221
312
250M 1
55
2975
92,5
0,9
96
177
1,5
7,6
2,3
0,305
387
280S 1
75
2975
93,2
0,91
128
241
1,5
7,6
2,3
0,584
515
280M 1
90
2975
93,8
0,91
151
289
1,5
7,6
2,3
0,655
566
315S 1
110
2980
94
0,91
184
353
1,8
7,1
2,2
1,13
922
315M 1
132
2980
94,5
0,92
221
423
1,8
7,1
2,2
1,75
1010
Tabelle 1.10: Kemmerich
Seite 23

BG
p
P
N
n
N
N
cos
N
I
N
M
N
M
A
/M
N
I
A
/I
N
M
K
/M
N
J
m
mm
kW
min
-1
%
A
Nm
kgm²
kg
100L
1
3
2885
83
0,86
6,1
9,8
2,4
7,2
2,6
0,0038
21
112M 1
4
2895
84
0,88
7,8
13
2,4
7,6
2,8
0,0055
28
132S 1
5,5
2910
85
0,84
11,1
18
2
6,3
2,6
0,014
40
132S 1
7,5
2910
86
0,85
14,8
25
2,2
6,9
2,6
0,019
50
160M 1
11
2915
87
0,85
21,5
36
2
6,3
2,6
0,033
69
160M 1
15
2925
88
0,85
29
49
2,3
7,2
3,1
0,04
82
160L
1
18,5
2930
90
0,87
34
60
2,6
7,7
3,3
0,05
99
180M 1
22
2940
91,7
0,89
39
71
2,5
6,9
3,2
0,077
165
200L
1
30
2940
92,3
0,89
53
97
2,4
6,9
2,8
0,14
230
200L
1
37
2945
92,8
0,9
64
120
2,4
6,9
2,8
0,16
250
225M 1
45
2955
93,3
0,9
77
145
2,3
6,9
2,7
0,24
310
250M 1
55
2965
93,6
0,91
93
177
2,1
6,9
2,8
0,45
415
280S 1
75
2970
94,4
0,9
127
241
1,9
7
2,7
0,79
570
280M 1
90
2970
94,8
0,91
151
289
2
7
2,7
0,92
610
315S 1
110
2980
94,8
0,9
186
353
1,8
7
2,8
1,3
790
315M 1
132
2980
94,9
0,9
225
423
1,9
7
2,8
1,5
850
Tabelle 1.11: Gloor
1.5.2.2 Konstruktion der herstellerneutralen Tabelle
Mit Hilfe der oben genannten Herstellertabellen ist es nun möglich, die herstellerneutrale Tabelle zu
konstruieren. Dabei sind manche Größen schon vorgegeben, einige können nur durch Mittelwerte
gebildet werden und andere rechnerisch ermittelt werden. Im Folgenden werden die einzelnen Schritte
zur Ermittlung der Größen näher erläutert.
Baugröße, Polpaarzahl und Leistung
Diese Größen sind, wie schon bereits erwähnt, die einzigen, die von der DIN vorgegeben sind und
müssen daher nicht ermittelt werden.
Drehzahl
Die Nenndrehzahl an der Motorwelle ist nicht vorgegeben und muss demnach ermittelt werden. Zu
beobachten ist, dass die Nenndrehzahlen mit steigender Leistung bzw. Baugröße sich der
Synchrondrehzahl nähern. Bei BG 100 beispielsweise beträgt die Nenndrehzahl ca. 96% und bei BG
315 ca. 99% der Synchrondrehzahl. Dazu ein Beispiel aus der Siemens-Tabelle:
n
100L
/ n
d
= 2890/3000 = 0,963 = 96,3%
n
315M
/ n
d
= 2982/3000 = 0,994 = 99,4%
Die Drehzahl wird per Mittelwert erfasst. Die aus den Herstellertabellen entnommenen Drehzahlen
werden zunächst für die die kleinste BG miteinander addiert und durch die Anzahl der Hersteller
dividiert. Danach wird dasselbe Verfahren für die übrigen Baugrößen angewendet. Zum Schluss wird
dieser Wert durch die Anzahl der Baugrößen dividiert. So bekommt man die gemittelte Drehzahl.
Wirkungsgrad
Der Nennwirkungsgrad des Motors ist das Verhältnis aus abgegebener mechanischer Nennleistung zur
aufgenommenen elektrischen Wirkleistung.
Seite 24

Details

Seiten
Erscheinungsform
Originalausgabe
Jahr
2008
ISBN (eBook)
9783836623407
Dateigröße
3.8 MB
Sprache
Deutsch
Institution / Hochschule
Technische Hochschule Köln, ehem. Fachhochschule Köln – Informatik und Ingenieurwissenschaften, Studiengang Maschinenbau
Erscheinungsdatum
2014 (April)
Note
2,0
Schlagworte
elektrotechnik drehstrom asynchronmotor antrieb frequenzumrichter
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Titel: Elektrische Antriebe im Maschinenbau
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