4. Asynchronmaschinen – Stationärer Betrieb

Asynchronmaschinen haben – in vielfältigen Ausgestaltungen – wegen ihres einfachen Aufbaus und ihrer Betriebssicherheit, auch unter extremen Betriebsbedingungen, eine sehr große praktische Bedeutung erlangt. Durch den Einsatz leistungselektronischer Speisung werden kontinuierlich neue Anwendungen in geregelten Antrieben erschlossen. Die Nutzung als Generator in Windenergieanlagen ist ein aktuelles Beispiel.

Wegen der in vielerlei Hinsicht unterschiedlichen mathematischen Modellierung werden der stationäre und der dynamische Betrieb in zwei Hauptabschnitten behandelt. Für die praktisch so wichtigen stationären Betriebszustände, i. a. gekennzeichnet durch konstante Drehzahl und eingeschwungene elektromagnetische Größen, wird die Kopplung zwischen Stator- und Rotorkreisen durch das vollständige zweidimensionale Luftspaltfeld berücksichtigt. Die Beschreibung des dynamischen Betriebs bezieht nur die Grundwellen des Luftspaltfeldes ein, darum kann der stationäre nicht als Spezialisierung des dynamischen Betriebs behandelt werden. Der Wechselrichterbetrieb mit konstanter Drehzahl kann mit der „stationären“ und auch mit der „dynamischen Theorie“ behandelt werden.

Dieses Kapitel beginnt mit einigen Bemerkungen zur geschichtlichen Entwicklung Von den Anfängen zu aktuellen FuE-Themen, gefolgt von Betrachtungen zu Ausführungsformen und zu Betriebsart und Modellierung. Im Abschnitt Funktionsprinzip wird die Drehmomentbildung ausgehend vom Magnetfeld der Statorgrundströme erklärt. Darauf aufbauend werden dann die einzelnen Etappen der analytischen Behandlung identifiziert. Zunächst wird die Wirkung der Statorgrundströme in den Blick genommen. Dies geschieht auf der Grundlage einer zweidimensionalen analytischen Berechnung der Magnetfelder. Mit der Ermittlung der Flussverkettung mit einer rotorfesten Windung wird die Grundlage für die Abschnitte Asynchronmaschinen mit Kurzschlussläufer und Asynchronmaschinen mit Schleifringläufer gelegt. Mit der Beschränkung der magnetischen Kopplung zwischen Stator und Rotor auf die Grundfelder gelingt es, eine einheitliche Darstellung Grundwellenmodell für Kurzschlussläufer – und Schleifringläufermaschinen anzugeben – mit Vertiefungen zu Leistungen, Drehmoment, Zeigerbild, Stromortskurven, einsträngiges Ersatzschaltbild, Verluste und Wirkungsgrad.

In einem eigenen Abschnitt wird der Betrieb mit veränderbarer Drehzahl behandelt. Dabei spielt der Betrieb am leistungselektronischen Stellglied eine große Rolle. Für Umrichter mit Spannungszwischenkreis wird (ohne Rückgriff auf die meistens nicht vorhandene Mittelpunktsspannung) gezeigt wie ein Drehspannungssystem realisiert werden kann. Die Grundfrequenztaktung und die Pulsweitenmodulation mittels Natural Sampling (Sinus-Dreieck-Vergleich) werden ausführlicher behandelt.

Im Schlussabschnitt werden Doppelt gespeiste Asynchronmaschinen behandelt. Im Abschnitt Betrieb mit veränderbarer Drehzahl wurde dargelegt, wie ein großer Drehzahl-Stellbereich mit vorteilhaftem Verhältnis Drehmoment zu Verlustleistung erreicht werden kann, wenn Statorfrequenz und -spannung simultan geändert werden können. Dabei wurde ein Betrieb ohne Zusatzspannung im Rotor zugrunde gelegt – mit Blick auf die übliche Anwendung als Motor. Bezieht man nun einen Energieaustausch¹ über die Schleifringe ein, so kann ein komfortabler drehzahlvariabler Betrieb sogar mit konstanter Statorfrequenz und -spannung erreicht werden. Dies ist für die Anwendung als Generator besonders günstig, wenn mit variabler Antriebsdrehzahl ins Netz eingespeist werden soll – Rahmenbedingungen, wie sie z. B. für Windkraftgeneratoren üblich sind. Ein Spezialfall für die Rotorspeisung ist die Einprägung eines Gleichstromes (oder auch eines Drehstromes mit konstanter Frequenz), somit bietet es sich an, hier die synchronisierte Asynchronmaschine als Sonderfall der doppeltgespeisten Asynchronmaschine anzufügen.