Elektromotoren

 

Gleichstrommotor

Der Gleichstrommotor ist der klassische Regelantrieb. Er wird als Hauptantrieb bis zu einigen 100 kW Leistung, als Universalantrieb und als Servoantrieb bis hinunter in den Wattbereich eingesetzt.

Das Prinzip des Gleichstrommotors ist relativ einfach, die mechanische Konstruktion dafür recht aufwendig. Die Leiter des Rotor werden von Magnetfeld des Stators durchdrungen. Die Kommutierung (Nachführung des Strombelages im Rotor) erfolgt auf mechanische Art. Dazu sind auf der Achse Schalter (Kollektor mit Bürsten) angebracht, welche direkt durch die Drehung die entsprechenden Leiter (Windung) einschalten. Die mechanische Festigkeit des Kollektors begrenzt die Maximaldrehzahl des Gleichstrommotors. Das Drehmoment ist proportional zum Strom, die Drehzahl proportional zur Spannung. Ein entsprechendes Regel-/Steuergerät ist einfach und günstig (Serienwiderstand in der Erregung, Thyristortechnik, DC-Chopper).

 

Für die Erregung (Erzeugung des Magnetfeldes) gibt es folgende Varianten:

+ Hauptschluss (Erregung im Ankerstromkreis)

+ Neben- und Fremdschluss (Erregung unabhängig des Ankerstromes)

+ Compoundschluss (Kombination oberer Varianten)

+ Permanenterregung (Erregung mit Magneten) - "Perm-Motor"

 

Das Prinzip des Gleichstrommotors funktioniert auch mit Wechselstrom, wenn die Erregung und der Ankerstrom die gleiche Frequenz haben. Die meisten einfachen Kleinantriebe (Scheibenwischermotoren, Kinderspielzeuge, Haushaltgeräte, Stellantriebe ...) sind mit Kollektormotoren ausgerüstet, welche direkt ans Netz geschaltet werden können.

Oft wird auch von bürstenlosen Gleichstrommaschinen "brushless DC" gesprochen. Damit ist ein kommutatorloser Antrieb mit dem Betriebsverhalten einer Gleichstrommaschine gemeint. Eigentlich handelt es sich um eine mit Permanentmagneten erregte Synchronmaschine, welche mit blockförmigen Strömen angesteuert wird.


 

Synchronmotor

Der Synchronmotor wird in der Elektrizitätserzeugung als Generator eingesetzt. Als Motor findet er durch den Einsatz von Permanet-Magneten für die Erregung und Leistungselektronik für die Ansteuerung immer mehr Verbreitung.

Beim Synchronmotor befindet sich die Erregung im Rotor. Der Rotor dreht synchron mit dem Feld des Statorstromes.

Wenn der Rotor nicht mit der Statorfrequenz drehen kann (hohe Beschleunigung oder zu hohes Lastmoment), fliessen in den Statorwindungen sehr hohe Ströme. Der Synchronmotor kann daher nur bei einfachen Anwendungen zusammen mit einem Frequenzumrichter betrieben werden. Bei Servoantrieben wird durch einen Rotorlagegeber im Motor (zum Beispiel ein Resolver) der Elektronik mitgeteilt, welche Windungsspule gerade im Magnetfeld ist und eingeschaltet werden soll. Die Kommutierung erfolgt elektronisch (Transistoren als Schalter). Es gibt auch Ansteuergeräte, welche Synchronmotoren ohne Sensoren betreiben (zum Beispiel durch die Erfassung der 3. Oberwelle). Für einen hochwertigen Servoantrieb (Beherrschen von tiefen Drehzahlen, geringe Momentpulsationen ...) ist aber eine Rückführung von Informationen über die Bewegung notwendig.

Synchronmotoren mit Permanentmagenten sind für Drehmomente bis etwa 30 Nm interessant In Katalogen sind sehr selten Angaben über den Wirkungsgrad zu finden. Obwohl im Rotor eigentlich keine Verluste entstehen sollten, werden die Motoren sehr heiss, vorallem bei höheren Nenndrehzahlen.

 

Asynchronmotor

Der Asynchronmotor ist der am meisten verwendete Industriemotor. Er kann direkt (mit Motorschutzschalter) ans Drehstromnetz angeschlossen werden und ist sehr robust und einfach zu bauen. Wegen diesen guten Eigenschaften ist dieser Antrieb international normiert und er wird auf der ganzen Welt in grossen Stückzahlen produziert.

 

Der Asynchronmotor hat seinen Namen von der Tatsache, dass er sich nicht genau mit der Netzfrequenz dreht. Er hat nur ein Drehmoment, wenn seine Drehzahl von der synchronen Drehzahl abweicht. Im Betriebsbereich ist das Drehmoment proportional zu dieser Abweichung, welche als Schlupf bezeichnet wird. Beim Asynchronmotor erfolgt die Erregung über die Statorspannung. In die Nuten des Stators sind die Wicklungenspakete eingelegt. Im Rotor ist beim Kurzschlussankermotor nur ein Leiter pro Nut eingelegt oder eingegossen. Es werden weder Bürsten noch Magnete verwendet. Der Asynchronmotor wird direkt an das Drehstromnetz (3 * 400 V) angeschlossen. Für kleine Leistungen (unter 2 kW) kann der Asynchronmotor mit einem Kondensator auch an das Wechselstromnetz (1 * 230 V) angeschlossen werden. Für noch kleinere Leistungen gibt es den Spaltpolmotor (einphasiger Asynchronmotor mit gespaltenem Stator), welcher einen schlechten Wirkungsgrad hat.

Beim Anlauf nimmt der Asynchronmotor sehr hohe Ströme auf. Um die Belastung des Stromnetzes zu reduzieren wird der Motor bei grösseren Leistungen mit einer tieferen Spannung angefahren. Mit dem Stern/Dreieck Anschluss liegen in der Sternschaltung 400 V über zwei Windung an. Nach einer gewissen Zeit wird durch einen externen Schalter in die Dreieckschaltung umgeschaltet und 400 V an eine Windung angelegt. In der Sternschaltung hat der Motor nur ein Drittel des Nenndrehmomentes. Auf dem Typenschild sind die erforderlichen Spannungen für die Nennleistung in Dreieck und Sternschaltung angegeben (Nennspannung 400/700 V). Die hohen Anlaufströme und die mechanischen Anfahrstösse können auch mit einem Sanftanlaufgerät reduziert werden. Der Softstarter (Phasenanschnittgerät zur kontinuierlichen Spannungserhöhung) wird normalerweise nach dem Hochfahren überbrückt.

Motoren sind zur maximalen magnetischen Ausnützung des Eisens oft sehr knapp ausgelegt. Das heisst, wenn sie mit einer zu hohen Spannung betrieben werden, kommt das Eisen in die Sättigung und der Strom nimmt überproportional (hohe Leerlaufverluste) zu.

 

Industriemotoren werden knapp unter der Sättigungsgrenze ausgelegt, eine höhere Betriebsspannung bewirkt eine überproportionale Zunahme des Stromes und kann den Motor zerstören.

Für besondere Anwendungen (Aufzüge ...) werden auch Asynchronmotoren mit einem hohen Läuferwiderstand (Rotorwiderstand) gebaut. Je höher der Widerstand ist, desto mehr verschiebt sich das maximale Drehmoment (Kippmoment) zu tiefen Drehzahlen. Solche Widerstandsläufermotoren haben einen schlechten Wirkungsgrad und brauchen deshalb ein grosses Gehäuse, um die Verlustwärme loszuwerden. Bei grösseren Leistung wird statt des Kurzschlussankers im Rotor eine Drehstrom-Wicklung eingelegt, deren Enden über 3 Schleifringe von aussen abgegriffen werden. Die Rotorleistung wird dann in externen Widerständen verheizt (Anlaufwiderstände) oder über ein Steuergerät (Untersynchrone Kaskade) ins Netz zurückgespiesen.

Mit einem Frequenzumrichter kann die Statorspannung und Frequenz des Asynchronmotors stufenlos verändert werden. Dadurch wird aus dem Standardmotor ein drehzahlveränderliches Antriebssystem. Mit einem Rotorlagegeber, dem Errechnen der Magnetisierung und dem Einprägen der entsprechenden Statorströme (Vektorregelung) hat ein Asynchronmotor die Eigenschaften eines Servoantriebes.
 

 

 Frequenzumrichter

Die standardisierten Asynchronmotoren sind für den Betrieb am Drehstromnetz konstruiert. Das heisst, sie haben ein hohen Anlaufmoment (Stromverdrängungsnuten) und sind getrimmt auf einen möglichst niedrigen Anlaufstrom (Kippmoment das 2 bis 3 fache des Nennmomentes). Auch Asynchronmaschinen im Megawattbereich, welche in Einzelstücken hergestellt werden, unterliegen dieser Orientierung am Netzbetrieb. Ein Antriebssystem, welches aus einem Umrichter und einer Asynchronmaschine besteht, stellt andere Anforderungen an den Motor.

Durch eine geschickte Konstruktion, welche die Streuung minimiert, kann das Kippmoment sehr viel höher liegen. Dadurch kann der Asynchronmotor kurzzeitig ein mehrfaches seines Nennmomentes abgeben, ohne überdimensioniert zu sein. Bei Anwendungen, welche über einen weiten Bereich konstante Leistung benötigen (spanabhebende Bearbeitung, Zentrumswickler, Traktionsfahrzeuge ...), erlaubt dieses hohe Kippmoment einen grossen Feldschwächbereich, indem der Wirkungsgrad besser als im Nennpunkt ist.

 
 

Kosten von Antriebssystemen

Weit mehr als der technische Aufwand beeinflusst die Losgrösse der Produktion und die Standardisierung im Marketing den Preis der Antriebssysteme. Für Industrieantriebe ist der IEC-Normmotor und der darauf aufbauende Markt der Frequenzumricher eine Richtgrösse. Normmotoren kosten ab einigen kW etwa 15 Franken pro Kilogramm Motorengewicht. Bei 2 und 4 poligen Motoren ergibt das etwa 100 pro kW. Frequenzumrichter kosten im höheren Leistungsbereich etwa 200 Franken pro kW, also etwa das Doppelte des Motors.

Ein Servoantriebssystem mit einem Synchronmotor unterscheidet sich vom Asynchronmotor mit Frequenzumrichter theoretisch nur durch die Permanentmagnete im Motor und durch den Rotorlagegeber. Der kleine Synchronmotor hat einen besseren Wirkungsgrad als der entsprechende Asynchronmotor und kann dadurch kompakter gebaut werden, was die Mehrkosten für die Magnete ausgleicht. Der Resolver alleine ist nicht schuld, dass ein 2 kW Synchronservo mehr als doppelt so teuer wie eine entsprechende ASM mit FR ist.

 
 

Vergleich von Antrieben

Wenn man die Theorie der Antriebe betrachtet, so müsste der Synchronmotor in Bezug auf das Leistungsgewicht, die Dynamik und den Wirkungsgrad gewinnen. Bei einem Vergleich der Katalogdaten von in der Schweiz erhältlichen Motoren ist im Leistungsgewicht keine Dominanz der Synchronmotoren erkennbar geworden. Deutlich wurde eine Unterlegenheit der Gleichstromantriebe. Wenn man davon ausgeht, dass die Motordimension vorallem von der Verlustleistung abhängt, ist das Leistungsgewicht auch ein Mass für den Wirkungsgrad.

Bei einem Hersteller von Asynchronmotoren fiel auf, dass seine Motoren ein überdurchschnittlich gutes Leistungsgewicht haben. Auf Anfrage erklärte dieser Hersteller, dass von seinen Motoren die Nennleistung nie dauernd abverlangt würde, und er daher seine Motoren so klassiere. Auch in Bezug auf den Wirkungsgrad sind schon Anbieter aufgetreten, welche die Daten den Kundenbedürfnissen (leider nur auf dem Papier) anpassen.

Sie rechnen damit, dass der Wirkungsgrad nicht überprüft wird oder dass die Messgenauigkeit (elektrische Leistung ± 1%, mechanische Leistung ± 2%) die Übertreibung schluckt. Dem Anwender der Wert auf einen guten Wirkungsgrad legt, wird empfohlen, seine Maschine mit Musterantrieben auszurüsten, und die verschiedenen Antriebe mit einem einfachen Stromzähler zu vergleichen.

>> Es gibt keinen universalen Superantrieb ! <<

Je nach Anwendung haben die verschiedenen Antriebssysteme ihre Vor- und Nachteile. Mit dem Einzug der Frequenzumrichter wurde die Gleichstrommaschine schon mehrmals für tot erklärt. Betrachtet man die Zollstatistik der Schweiz, so sieht man, dass der Trend nicht auf ein baldiges Ableben hinweist.

Ein Vergleich der Antriebssystem lässt in Bezug auf den Wirkungsgrad folgende verallgemeinerte Aussage zu: Bei Antrieben unter einem Kilowatt Leistung sind die permanenterregten Motoren (Synchron und Gleichstrom) besser als die Asynchronmotoren. Bei Leistungen ab 5 kW ist derzeit die Asynchronmaschine die beste Lösung.



 

Quelle: www.energie.ch / rudolf gloor, gloor engineering