Asynchronmaschine: Schlupf < Elektrotechnik < Ingenieurwiss. < Vorhilfe
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(Frage) beantwortet  | | Datum: | 17:49 Sa 04.08.2012 | | Autor: | Pille456 |
Hi,
Ich hab eine Frage zum Asynchronmotor:
Im Stator werden Spulen mit einem Drehstrom gespeist (also 120° versetzt, bei 3 Spulen), sodass ein Drehfeld ensteht. Also ein Feld das um den Luftspalt herum sich mit wechselnder Amplitude bewegt. Durch dieses Drehfeld kommt es wegen der Lenz'schen Regel im Rotor (z.B. als Käfigläufer) zu einer Induktion, die dem Magnetfeld der Spulen entgegenwirken will.
Dadurch kommt es zu einem Stromfluss, sodass es aufgrund der Lorentzkraft zu einer Bewegung kommt. Je "mehr" sich der Roter nun dreht, je geringer wird die Spannung (wegen Lenz'scher Regel), sodass der Stromfluss geringer wird. Dadurch ist die Lorentzkraft geringer, sodass das Moment sinkt.
Ich hoffe, soweit ist alles richtig.
Folgendes ist mir nicht ganz klar:
Nun muss das zwischen Rotor und Drehfeld des Stators eine Differenz - der Schlupf - herrschen, damit der Motor korrekt funktioniert.
Wenn der Motor eingeschaltet wird, bewegt sich das Drehfeld doch entlang des Luftspaltes und der Rotor steht zunächst. Somit kommt es doch automatisch zu einer (geringen) Differenz zwischen Rotor / Drehfeld, sodass der Rotor sich in jedem Fall mitdrehen wird. Wieso muss man den Schlupf noch künstlich herbeiführen? Ist das Drehmoment ohne einfach zu gering oder übersehe ich hier gerade etwas?
Viele Grüße
Pille
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Hallo!
> Hi,
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> Ich hab eine Frage zum Asynchronmotor:
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> Im Stator werden Spulen mit einem Drehstrom gespeist (also
> 120° versetzt, bei 3 Spulen), sodass ein Drehfeld ensteht.
> Also ein Feld das um den Luftspalt herum sich mit
> wechselnder Amplitude bewegt. Durch dieses Drehfeld kommt
> es wegen der Lenz'schen Regel im Rotor (z.B. als
> Käfigläufer) zu einer Induktion, die dem Magnetfeld der
> Spulen entgegenwirken will.
> Dadurch kommt es zu einem Stromfluss, sodass es aufgrund
> der Lorentzkraft zu einer Bewegung kommt. Je "mehr" sich
> der Roter nun dreht, je geringer wird die Spannung (wegen
> Lenz'scher Regel), sodass der Stromfluss geringer wird.
> Dadurch ist die Lorentzkraft geringer, sodass das Moment
> sinkt.
> Ich hoffe, soweit ist alles richtig.
>
> Folgendes ist mir nicht ganz klar:
> Nun muss das zwischen Rotor und Drehfeld des Stators eine
> Differenz - der Schlupf - herrschen, damit der Motor
> korrekt funktioniert.
>
> Wenn der Motor eingeschaltet wird, bewegt sich das Drehfeld
> doch entlang des Luftspaltes und der Rotor steht zunächst.
> Somit kommt es doch automatisch zu einer (geringen)
> Differenz zwischen Rotor / Drehfeld, sodass der Rotor sich
> in jedem Fall mitdrehen wird. Wieso muss man den Schlupf
> noch künstlich herbeiführen?
Nun, im Stillstand rotiert das Drehfeld mit synchroner Drehzahl und induziert in die stillstehende Läuferwicklung wegen der dort stattfindenden Flussänderung eine Rotorspannung [mm] U_{i}. [/mm] Diese Spannung treibt in den kurzgeschlossenen Stäben Rotorstabströme, die mit dem Ständerdrehfeld Lorentz-Kräfte bilden, die den Läufer beschleunigen. Die Lorentz-Kräfte bilden mit dem halben Läuferdurchmesser als Hebelarm das elektromagnetisiche Drehmoment [mm] M_{e}. [/mm] Im Motorbetrieb muss der Läufer zudem langsamer drehen als das Drehfeld [mm] (n
[mm] s=\bruch{n_{syn}-n}{n_{syn}}
[/mm]
lassen sich zusammenfassend die folgenden Fälle unterscheiden:
(a) [mm] n=0\Rightarrow{s=1}: [/mm] Der Läufer steht still.
(b) [mm] n=\bruch{n_{syn}}{2}\Rightarrow{s=0.5}: [/mm] Der Läufer rotiert halb so schnell wie das Drehfeld. (Der Motor wird belastet)
(c) [mm] n=n_{syn}\Rightarrow{s=0}: [/mm] Der Läufer rotiert genau so schnell wie das Drehfeld. (Der Motor befindet sich im Leerlauf)
Interessant zu betrachten wären in diesem Zusammenhang neben dem Ersatzschaltbild der Maschine je Strang (rotorseitiger Kurzschluss) auch die Strom-Moment-Kennlinie einer Asynchronmaschine im Motorbetrieb.
> Ist das Drehmoment ohne
> einfach zu gering oder übersehe ich hier gerade etwas?
>
> Viele Grüße
>
> Pille
Viele Grüße, Marcel
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(Frage) beantwortet | | Datum: | 23:44 Sa 04.08.2012 | | Autor: | Pille456 |
Hi,
> Im Motorbetrieb muss der Läufer zudem
> langsamer drehen als das Drehfeld [mm](n
> Änderung der Läufer-Flussverkettung stattfindet und eine
> Rotorspannung entsteht.
Wieso genau? Klar ist, wenn der Läufer langsamer dreht, dass die Flussänderung größer ist und damit das Moment [mm] M_e [/mm] größer ist. Aber wieso ist dieser Schlupf für den Motorbetrieb zwingend?
> (c) [mm]n=n_{syn}\Rightarrow{s=0}:[/mm] Der Läufer rotiert genau so
> schnell wie das Drehfeld. (Der Motor befindet sich im
> Leerlauf)
Meine Frage zielt im Endeffekt genau hierdrauf ab: Ich schalte den Motor ohne Belastung ein, dann dreht er im Leerlauf. Dann dreht/bewegt sich der Rotor auch ohne Schlupf. Wieso ist der Schlupf jedoch für den belasteten Fall zwingend notwendig? Ist das Moment schlicht zu klein, wenn kein Schlupf vorliegt?
Um die Frage eventuell noch auszuweiten: Ich sehe momentan nicht den (großen) Unterschied zu einer Synchronmaschine, da der Rotor sich im Leerlauf in beiden Fällen synchron zum Drehfeld bewegt - oder?
Gruß
Pille
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Hallo!
> Hi,
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> > Im Motorbetrieb muss der Läufer zudem
> > langsamer drehen als das Drehfeld [mm](n
> > Änderung der Läufer-Flussverkettung stattfindet und eine
> > Rotorspannung entsteht.
>
> Wieso genau? Klar ist, wenn der Läufer langsamer dreht,
> dass die Flussänderung größer ist und damit das Moment
> [mm]M_e[/mm] größer ist. Aber wieso ist dieser Schlupf für den
> Motorbetrieb zwingend?
Du hast doch selbst schon die Begründung geliefert. Den Schlupf
(1) [mm] s=\bruch{n_{syn}-n}{n_{syn}}
[/mm]
kann man auch als Drehzahlwachstumsrate auffasen, die nur dann positiv ist, wenn die Synchrondrehzahl größer ist als die Nenndrehzahl. Was würde passieren, wenn nun Gleichung (1) negativ werden würde? In diesem Fall würde der Läufer mechanisch rascher angetrieben als das Drehfeld [mm] (n>n_{syn}, [/mm] s<0), sodass dem Läufer mechanische Energie zukäme. Die Maschine befände sich dann im Generatorbetrieb und könnte (soweit vorhanden) aus dem Netz induktiven Blindstrom zwecks Erzeugung des Ständerdrehfeldes aufnehmen. Gleichzeitig könnte sie in ihrer Generatorfunktion Wirkstrom ins Netz liefern.
> > (c) [mm]n=n_{syn}\Rightarrow{s=0}:[/mm] Der Läufer rotiert genau so
> > schnell wie das Drehfeld. (Der Motor befindet sich im
> > Leerlauf)
>
> Meine Frage zielt im Endeffekt genau hierdrauf ab: Ich
> schalte den Motor ohne Belastung ein, dann dreht er im
> Leerlauf. Dann dreht/bewegt sich der Rotor auch ohne
> Schlupf. Wieso ist der Schlupf jedoch für den belasteten
> Fall zwingend notwendig? Ist das Moment schlicht zu klein,
> wenn kein Schlupf vorliegt?
Zeichne dir mal das Ersatzschaltbild einer Asynchronmaschine je Strang. Für den Leerlauffall ergibt sich aus einem Maschenumlauf der Leerlaufstrom unmittelbar zu
(2) [mm] {\underline{I}}_{s0}=\bruch{{\underline{U}}_{s}}{R_{s}+j(X_{s\sigma}+X_{h})}, [/mm] wobei rotorseitig [mm] \limes_{s\rightarrow{0}}\vektor{\bruch{R'}{s}}\to\infty\Rightarrow{\underline{I'}}_{r0}=0
[/mm]
gilt. Aus Gleichung (2) folgt also, dass aufgrund des kleinen Schlupfes rotorseitig kein Läuferstrom fließen kann; das Drehmoment ist also null. Nur wenn der Ausdruck [mm] \bruch{R'}{s} [/mm] endlich groß ist, kann rotorseitig ein Läuferstrom fließen. Das ist genau dann der Fall, wenn die Maschine mit Nenndrehzahl fährt und der Schlupf größer als null ist.
Viele Grüße, Marcel
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(Frage) beantwortet | | Datum: | 10:20 So 05.08.2012 | | Autor: | Pille456 |
Hi,
Vielen Dank für Deine Hilfe, aber ich habe das Gefühl, dass Du mir gerade den selben Sachverhalt immer wieder, nur mit anderen Worten erklärst. Nun habe ich meine Frage entweder falsch ausgedrückt oder ich habe irgendwo einen großen Denkfehler.
Also: Ich schalte den Motor ohne Belastung ein, dann dreht sich das Drehfeld und der Rotor steht. Das hat zur Folge, dass sich zwischen Rotor und Drehfeld ein Schlupf bildet (Der Rotor dreht sich mit einer Frequenz von [mm] n=0\Rightarrow [/mm] s=1), was dazu führt, dass der Rotor sich dreht. Durch die Rotordrehung verringert sich der Schlupf wieder, sodass das Drehmoment geringer wird.
Der Rotor hat jedoch auch gewisse Massenträgheit, das heißt, währenddessen der Rotor anfängt sich zu drehen, bewegt sich das Drehfeld ja auch weiter. Sogar unabhängig von der Massenträgheit brauchen ja auch die physikalischen Effekte wie Induktion / Lorentzkraft einen "kleinen" Augenblick, um vollständig zu wirken (in dieser Zeit bewegt sich ja das Drehfeld immer weiter). Dadurch wird meiner Meinung nach immer ein geringer Schlupf zwischen Rotor und Stator/Drehfeld herrschen, sodass es immer zu einem Drehmoment kommt.
Anders ausgedrückt: Wegen der Lenz'schen Regel tritt im Rotor immer eine solche Spannung auf, dass dem Drehfeld entgegengewirkt wird. Da sich das Drehfeld jedoch ständig bewegt, muss der Rotor diesem auch ständig (von der Richtung her, immer etwas anders) entgegenwirken, sodass der Rotor sich immer dreht.
Gruß
Pille
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(Mitteilung) Reaktion unnötig  | | Datum: | 22:54 So 05.08.2012 | | Autor: | Pille456 |
Nabend,
ich glaube ich habe die Lösungsidee für meine Frage:
Je größer der Schlupf, je stärker das Drehmoment, da die Induktion und damit die Spannung im Rotor größer ist. Wenn nun s=0 gilt, d.h. Rotor und Drehfeld gleich schnell drehen, dann würde keine Induktion mehr stattfinden und der Roter sich nicht mehr drehen. Das Drehfeld würde sich weiterbwegen, was die Induktion wieder erhöht. Jedoch würde der Rotor zu diesem Zeitpunkt sich nicht mehr bewegen oder wäre schon deutlich langsamer geworden, da selbst im Leerlauf (d.h. unbelastet) er durch Reibung etc. eine gewisses Moment aufbringen muss.
Wenn der Rotor die Reibung überwinden konnte, dann würde der Schlupf kleiner werden, sodass der Rotor sich automatisch wieder langsamer drehen würde. Somit würde sich der Rotor selber runterregeln. Damit kommt es selbst im Leerlauf zu einem geringen Schlupf, in dem sich der Motor selber hineinregelt. In Verbindung mit Reibung / Last wird dieser Effekt natürlich noch größer.
Zudem wird der Wirkungsgrad (aufgrund der geringeren Läuferströme bei größerem Schlupf) und Drehmoment wahrscheinlich mit größerem Schlupf besser sein, sodass man diesen künstlich herbeiführt.
Beim Synchronmotor hat man ein konstantes Magnetfeld, welches sich einfach wegen Nord-Südpol immer entsprechend des äußeren Feldes ausrichten möchte. Hierbei reagiert der Motor viel direkter, da keine Induktion etc nötig ist, sodass er natürlich fast synchron zum äußeren Feld läuft.
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Hallo!
> Hi,
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> Vielen Dank für Deine Hilfe, aber ich habe das Gefühl,
> dass Du mir gerade den selben Sachverhalt immer wieder, nur
> mit anderen Worten erklärst. Nun habe ich meine Frage
> entweder falsch ausgedrückt oder ich habe irgendwo einen
> großen Denkfehler.
>
> Also: Ich schalte den Motor ohne Belastung ein, dann dreht
> sich das Drehfeld und der Rotor steht. Das hat zur Folge,
> dass sich zwischen Rotor und Drehfeld ein Schlupf bildet
> (Der Rotor dreht sich mit einer Frequenz von [mm]n=0\Rightarrow[/mm]
> s=1), was dazu führt, dass der Rotor sich dreht. Durch die
> Rotordrehung verringert sich der Schlupf wieder, sodass das
> Drehmoment geringer wird.
> Der Rotor hat jedoch auch gewisse Massenträgheit, das
> heißt, währenddessen der Rotor anfängt sich zu drehen,
> bewegt sich das Drehfeld ja auch weiter. Sogar unabhängig
> von der Massenträgheit brauchen ja auch die physikalischen
> Effekte wie Induktion / Lorentzkraft einen "kleinen"
> Augenblick, um vollständig zu wirken (in dieser Zeit
> bewegt sich ja das Drehfeld immer weiter). Dadurch wird
> meiner Meinung nach immer ein geringer Schlupf zwischen
> Rotor und Stator/Drehfeld herrschen, sodass es immer zu
> einem Drehmoment kommt.
Das Drehmoment ist bei Schlupf Null ebenfalls Null, steigt mit steigendem Schlupf bis zu einem Maximalwert (Kippmoment) an und sinkt dann wieder ab, um bei sehr großen Schlüpfen wieder Null zu werden. Das Wellenmoment M ist im Motorbetrieb um das Reibungsmoment kleiner als [mm] M_{e}. [/mm] Der Betriebsbereich der Asynchronmaschine zwischen Leerlauf und Nennpunkt umfasst dabei den sehr engen Drehzahlbereich zwischen 95% und 100% der Synchrondrehzahl.
> Anders ausgedrückt: Wegen der Lenz'schen Regel tritt im
> Rotor immer eine solche Spannung auf, dass dem Drehfeld
> entgegengewirkt wird. Da sich das Drehfeld jedoch ständig
> bewegt, muss der Rotor diesem auch ständig (von der
> Richtung her, immer etwas anders) entgegenwirken, sodass
> der Rotor sich immer dreht.
>
> Gruß
>
> Pille
Viele Grüße, Marcel
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| Status: |
(Frage) beantwortet | | Datum: | 17:54 So 05.08.2012 | | Autor: | db60 |
> > > Im Motorbetrieb muss der Läufer zudem
> > > langsamer drehen als das Drehfeld [mm](n
> > > Änderung der Läufer-Flussverkettung stattfindet und eine
> > > Rotorspannung entsteht.
> >
> > Wieso genau? Klar ist, wenn der Läufer langsamer dreht,
>
>
> Du hast doch selbst schon die Begründung geliefert. Den
> Schlupf
>
> (1) [mm]s=\bruch{n_{syn}-n}{n_{syn}}[/mm]
>
>
> Zeichne dir mal das Ersatzschaltbild einer
> Asynchronmaschine je Strang. Für den Leerlauffall ergibt
> sich aus einem Maschenumlauf der Leerlaufstrom unmittelbar
> zu
>
> (2)
> [mm]{\underline{I}}_{s0}=\bruch{{\underline{U}}_{s}}{R_{s}+j(X_{s\sigma}+X_{h})},[/mm]
> wobei rotorseitig
> [mm]\limes_{s\rightarrow{0}}\vektor{\bruch{R'}{s}}\to\infty\Rightarrow{\underline{I'}}_{r0}=0[/mm]
>
>
> gilt. Aus Gleichung (2) folgt also, dass aufgrund des
> kleinen Schlupfes rotorseitig kein Läuferstrom fließen
> kann; das Drehmoment ist also null. Nur wenn der Ausdruck
> [mm]\bruch{R'}{s}[/mm] endlich groß ist, kann rotorseitig ein
> Läuferstrom fließen. Das ist genau dann der Fall, wenn
> die Maschine mit Nenndrehzahl fährt und der Schlupf
> größer als null ist.
>
>
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>
> Viele Grüße, Marcel
Guten Tag,
ich beschäftige mich zurzeit auch mit dem Thema wie eine Asynchronmaschine funktioniert. ich habe jetzt so viel verstanden, dass wenn die Maschine im Leerlauf läuft, der Läuferstrom = 0 ist. hHißt das, dass die bei größerer Belastung der Stromfluss größer wird?
Was ich auch nicht genau verstehe ist was in dem Läufer genau passiert, also wie der Strom induziert wird. Der Läufer müsste theoretisch eine postive Magnetfeldänderung erfahren oder ? Oder wie kann ich mir das rotierende Magnetfeld vorstellen ? Dabei wird eine Spannung induziert, die ein Magnetfeld bildet, das der Ursache entgegenwirkt! Heißt das, dass der Strom entgegen der Bewegungsrichtung fließt? Wie kann das sein?
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Hi,
schau Dir am besten mal die Lenz'sche Regel und die Lorentzkraft an, die macht einiges klar:
http://de.wikipedia.org/wiki/Lorentzkraft
http://de.wikipedia.org/wiki/Lenz%27sche_Regel
Ein rotierendes Drehfeld ist ein Feld, welches eine konstante Amplitude und Richtung hat, sich jedoch bewegt. Das heißt im Klartext, dass sich eine Welle entlang des Luftspalts zwischen Rotor/Stator bewegt. Dieser magnetische Fluss führt dazu, dass (bedingt durch die Lenz'sche Regel), sich eine Spannung im Läufer ausbildet. Die Spannung führt dazu, dass sich ein Stromfluss IM Läufer einstellt. Um den Stromfluss bildet sich ein magnetisches Feld, welches das äußere Drehfeld kompensieren möchte (Lenz'sche Regel).
Wegen der Lorentzkraft werden die bewegten Elektronen des Stromflusses jedoch abgelenkt. Diese Ablenkung ist immer im "rechten Winkel" nach der rechten Handregel, sodass der Läufer sich anfängt zu bewegen.
Häufig sieht man in Abbildungen ja nur einen Querschnitt eines Läufers. Der Strom im Läufer fließt dann sozusagen ins Papier hinein/heraus (je nach Richtung), sodass sich ein entsprechendes Magnetfeld bildet (Richtung wieder nach "rechte Hand Regel"), welches dem Magnetfeld im Luftspalt entgegenwirkt (In diesen Abbildungen bewegt sich das Drehfeld im Kreis zwischen Rotor und Stator), sodass dann wegen der Lorentzkraft der Läufer in eine Richtung gedreht wird.
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