Wie Sie die Drehzahl Ihres 3-Phasen-Induktionsmotors einfach steuern können: Ein einfacher Leitfaden

Der Drehstrom-Asynchronmotor ist ein sehr wichtiges Werkzeug in den heutigen Fabriken. Man findet diesen starken Induktionsmotor an vielen Orten, wie in Werkstätten und auf Bauernhöfen. Aber diese Motoren laufen in der Regel nur mit einer Geschwindigkeit, und zwar mit einer konstanten Geschwindigkeit. Was aber, wenn man einen Ventilator langsamer oder ein Förderband schneller laufen lassen will? Aus diesem Grund ist die Drehzahlregelung so nützlich. In diesem Leitfaden lernen Sie einige einfache Möglichkeiten zur Steuerung von Drehstrommotoren kennen. Wenn Sie diesen Leitfaden lesen, werden Sie lernen, wie Sie Ihre Maschinen besser laufen lassen können. Sie werden auch lernen, wie Sie Energie sparen und Ihre Arbeit reibungsloser gestalten können. Wir erklären knifflige Ideen in einfachen Schritten. So können Sie sie leicht verstehen und in die Praxis umsetzen.

Warum ist eine Drehzahlregelung für einen Induktionsmotor erforderlich?

Viele Aufgaben erfordern nicht, dass ein Motor die ganze Zeit mit Höchstgeschwindigkeit läuft. Denken Sie zum Beispiel an eine Wasserpumpe. Manchmal muss man eine große Menge Wasser bewegen. Ein anderes Mal muss man nur wenig bewegen. Sie verschwenden viel Energie, wenn Ihr Induktionsmotor immer mit voller Drehzahl läuft. Mit der Drehzahlregelung können Sie die Motordrehzahl an die zu verrichtende Arbeit anpassen. Dies ist sehr wichtig für die Steuerung der Drehzahl.

Eine gute Drehzahlregelung von Drehstrommotoren hat viele Vorteile. Sie hilft Ihnen, Strom zu sparen, und das spart Ihnen Geld. Sie sorgt dafür, dass Ihre Maschinen im Laufe der Zeit weniger Schaden nehmen. Das hilft, dass sie länger halten. Außerdem haben Sie dadurch mehr Kontrolle über Ihre Arbeit. Sie können zum Beispiel ein Förderband langsam anlaufen lassen, damit die Gegenstände nicht herunterfallen. Eine gute Geschwindigkeitskontrolle macht einen guten Induktionsmotor noch besser. Er wird hilfreicher und verschwendet weniger Energie.

Wie funktioniert ein 3-Phasen-Induktionsmotor auf einfache Art und Weise?

Bevor wir über die Drehzahlregelung sprechen, sollten wir uns ansehen, wie ein Drehstrom-Asynchronmotor funktioniert. Er besteht aus zwei Hauptteilen. Diese sind der Stator und der Rotor. Der Stator ist der Teil an der Außenseite, der stillsteht. In seinem Inneren befinden sich Drahtspulen, die als Statorwicklung bezeichnet werden. Der Rotor ist der Teil auf der Innenseite, der sich herumdreht.

Wenn Sie eine dreiphasige Spannung an die Statorwicklung anlegen, geschieht etwas Interessantes. Es entsteht ein rotierendes Magnetfeld. Man kann sich das wie einen Magneten vorstellen, der sich im Inneren des Stators herumdreht. Dieses Magnetfeld bewegt sich an den Stäben des Rotors vorbei. Dadurch werden eine Spannung und ein Strom in ihnen erzeugt oder induziert. Dieser induzierte Rotorstrom erzeugt sein eigenes Magnetfeld. Die beiden Magnetfelder schieben und ziehen sich gegenseitig an. Das Statorfeld zieht dann den Rotor mit sich, wodurch er sich dreht. Der Motor wird als Induktionsmotor bezeichnet, weil die Spannung im Rotor erzeugt wird, ohne dass irgendwelche Drähte ihn berühren.

Was ist Synchrongeschwindigkeit und warum ist sie wichtig?

Die Geschwindigkeit des rotierenden Magnetfelds im Stator wird als Synchrondrehzahl bezeichnet. Dies ist die schnellstmögliche Drehzahl, die der Asynchronmotor erreichen kann. Die mathematische Regel für die Synchrondrehzahl (Ns) lautet:

Ns = (120 x f) / P

• f steht für die Netzfrequenz des Stroms (z. B. 60 Hz in den USA).
• P steht für die Anzahl der Pole des Stators.

Die tatsächliche Rotordrehzahl ist immer ein wenig langsamer als die Synchrondrehzahl. Der winzige Geschwindigkeitsunterschied zwischen der Synchrondrehzahl und der Rotordrehzahl wird als "Schlupf" bezeichnet. Durch diesen Schlupf kann der Induktionsmotor eine Drehkraft oder ein Drehmoment erzeugen und Arbeit verrichten. Gäbe es keinen Schlupf, hätte der Asynchronmotor kein Drehmoment. Um die Drehzahl eines Asynchronmotors zu ändern, müssen wir also entweder die Synchrondrehzahl oder den Schlupf ändern. Die Synchrondrehzahl des Motors ist der wichtigste Teil.

Kann man einen Induktionsmotor über das Statorteil steuern?

Ja, das können Sie natürlich! Die Steuerung eines Induktionsmotors von der Statorseite aus ist eine ganz normale Sache. Das heißt, wir ändern die Leistung, die in den Stator fließt. Auf diese Weise wird die Drehzahl eingestellt. Diese Methoden wie die Änderung der Spannung oder der Frequenz sind sehr beliebt. Das liegt daran, dass man keine Änderungen am Induktionsmotor selbst vornehmen muss.

Hierfür gibt es im Wesentlichen drei Möglichkeiten:

• Steuerung der Statorspannung: Das bedeutet, dass die Spannung, die an den Stator angelegt wird, verändert wird.
• Polumschaltung: Das bedeutet, dass die Anzahl der Statorpole geändert wird.
• Frequenzkontrolle: Dies bedeutet eine Änderung der Frequenz der Versorgungsspannung.

Jede Methode der Geschwindigkeitskontrolle hat ihre guten und ihre schlechten Seiten. Wir werden uns jede einzelne Methode ansehen. So können wir sehen, wie sie bei einem Asynchronmotor funktioniert. Diese Art der Drehzahlregelung über den Statorkreis wird an vielen Stellen eingesetzt.

Ist die Änderung der Versorgungsspannung eine gute Methode zur Drehzahlregelung?

Eine Möglichkeit, die Drehzahl eines Induktionsmotors zu steuern, besteht darin, die Versorgungsspannung zu ändern. Sie können ein Gerät wie einen Transformator verwenden, um die Spannung, die an den Motor angelegt wird, ebenfalls zu senken. Wenn die an den Stator angelegte Spannung sinkt, sinkt auch das vom Induktionsmotor erzeugte Drehmoment erheblich. Das Drehmoment hängt mit der mit sich selbst multiplizierten Spannung zusammen. Das bedeutet, dass ein kleiner Spannungsabfall zu einem sehr großen Rückgang des Drehmoments führt.

Diese Methode der Drehzahlregelung ist einfach zu handhaben, aber für viele Aufgaben nicht die beste Wahl. Wenn das Drehmoment sinkt, wird der Asynchronmotor langsamer. Aber der Schlupf nimmt zu, was bedeutet, dass mehr Energie als Wärme im Rotor verloren geht. Dadurch vergeudet der Induktionsmotor mehr Energie und wird möglicherweise zu heiß. Diese Technik der Drehzahlregelung wird manchmal für kleine Motoren verwendet, die Lüfter oder Pumpen antreiben. In diesen Fällen wird das Lastmoment kleiner, wenn die Drehzahl sinkt. Auch der Leistungsfaktor verschlechtert sich bei einer niedrigen Spannung.

Wie wird die Geschwindigkeit durch die Änderung der Anzahl der Statorpole gesteuert?

Erinnern Sie sich an die mathematische Regel für die Synchrongeschwindigkeit? Sie besagt, dass die Drehzahl von der Anzahl der Pole abhängt. Die Methode der Polumschaltung zur Drehzahlregelung basiert auf dieser Idee. Einige spezielle Arten von Induktionsmotoren werden mit einer Statorwicklung hergestellt, die auf eine neue Art verdrahtet werden kann. Dies geschieht, um eine andere Polzahl zu erreichen. So kann man zum Beispiel einen Motor mit 4 Statorpolen in einen Motor mit 8 Statorpolen umwandeln.

Wenn Sie die Anzahl der Pole ändern, erhalten Sie einen großen Sprung in der Drehzahl. Ein 4-poliger Induktionsmotor mit einer 60-Hz-Stromversorgung hat eine Synchrondrehzahl von 1800 U/min. Wenn Sie ihn auf 8 Pole umstellen, sinkt die Synchrondrehzahl auf 900 U/min. Mit dieser Methode erhalten Sie unterschiedliche Drehzahlen. Aber sie ermöglicht keine gleichmäßige Drehzahlregelung. Sie können nur zwischen zwei oder vielleicht drei Geschwindigkeiten wählen. Dies ist z. B. bei zweistufigen Ventilatoren oder bestimmten Werkzeugmaschinen hilfreich. Der Bereich der Drehzahlregelung ist jedoch klein. Es ist eine einfache und wirksame Methode, um eine stufenweise Geschwindigkeitsänderung zu erreichen.

Was ist die V/F-Methode für die Drehzahlregelung von Induktionsmotoren?

Dies ist die beste und gebräuchlichste Methode der Drehzahlregelung für einen Drehstrom-Asynchronmotor, die heute verwendet wird. Sie ist bekannt als Variable Voltage Variable Frequency (V/VVF) oder Voltage-to-Frequency (U/f)-Steuerung. Die Idee ist einfach zu verstehen. Wenn man die Frequenz der Stromversorgung ändert, ändert sich die Synchrondrehzahl des Induktionsmotors. Erhöht sich die Drehzahl, so liegt das daran, dass die Frequenz erhöht wurde. Wenn die Drehzahl sinkt, liegt das an einer Verringerung der Frequenz.

Damit dies gut funktioniert, muss man gleichzeitig mit der Frequenz auch die Spannung ändern. Das Drehmoment eines Induktionsmotors hängt von dem Magnetfeld (mmf) im Stator ab. Um dieses Feld und das Drehmoment auf demselben Niveau zu halten, muss das Verhältnis von Spannung und Frequenz (U/f) gleich bleiben. Dazu verwenden wir ein spezielles Gerät, das wir Umrichter nennen. Der Wechselrichter wandelt die normale Wechselspannung in Gleichspannung um. Dann wandelt er den Gleichstrom durch einen Prozess namens Modulation wieder in Wechselstrom um. Dieser neue Wechselstrom kann mit jeder gewünschten Spannung und variablen Frequenz geliefert werden. Dadurch erhalten wir eine sehr gleichmäßige Drehzahlregelung über einen sehr großen Drehzahlbereich. Dies ist die Methode der Drehzahlregelung, bei der am wenigsten Energie verschwendet wird.

Können wir eine Methode zur Drehzahlregelung vom Rotorteil aus verwenden?

Ja, aber das funktioniert nur mit einer speziellen Art von Induktionsmotor. Bei den meisten Induktionsmotoren handelt es sich um Käfigläufermotoren. Bei diesen Motoren sind die Stäbe im Rotor fest installiert. Bei diesen Motoren ist eine Drehzahlregelung auf der Rotorseite nicht möglich. Es gibt jedoch eine andere Art von Motoren, die als gewickelter Rotor oder Schleifringläufer bezeichnet werden. Dieser Hauptmotor hat in seinem Rotor Drahtspulen, genau wie der Stator.

Diese Spulen im Rotor sind an drei Schleifringen auf der Motorwelle befestigt. Die Bürsten kommen mit diesen Ringen in Kontakt. So können wir dem Rotorkreis einen externen Widerstand hinzufügen. Durch Änderungen am Rotorkreis können wir das Drehzahl- und Drehmomentverhalten dieses Induktionsmotors ändern. Dadurch ergeben sich ganz neue Möglichkeiten der Drehzahlregelung.

Wie hilft der zusätzliche Rotorwiderstand bei der Steuerung eines 3-Phasen-Induktionsmotors?

Bei einem Induktionsmotor mit gewickeltem Rotor ist die einfachste Art der Drehzahlregelung auf der Rotorseite das Hinzufügen eines Rotorwiderstands. Dazu wird ein Rheostat (ein veränderbarer Widerstand) an den Schleifringen des Rotors angebracht. Wenn wir dem Rotorkreis einen externen Widerstand hinzufügen, verhält sich der Motor anders. Durch den zusätzlichen Widerstand erhöht sich der Schlupf des Motors bei einem bestimmten Drehmoment.

Wenn der Schlupf zunimmt, sinkt die Rotordrehzahl. Durch einfaches Drehen des Reglers am Rheostat können wir also einen breiten Bereich der Drehzahlregelung erreichen. Diese Methode der Drehzahlregelung eignet sich gut für Arbeiten, die ein sehr hohes Anlaufmoment erfordern. Einige Beispiele sind Kräne, Hebezeuge und Walzwerke. Der Nachteil ist ein sehr großer Leistungsverlust. Durch den zusätzlichen Widerstand im Rotorkreis wird elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Das ist so, als würde man versuchen, ein Auto zu fahren, während man die Bremsen betätigt. Es funktioniert zwar, aber es wird eine Menge Energie verschwendet. Der Anlaufstrom kann mit dieser Methode gut gesteuert werden.

Was ist eine Kaskadenregelung für einen 3-Phasen-Motor?

Die Kaskadenregelung ist eine kompliziertere Methode der Drehzahlregelung, die auch auf der Rotorseite funktioniert. Sie ist ein intelligenter Weg, um zu verhindern, dass die gesamte Schlupfleistung als Wärme verschwendet wird, was bei der Rotorwiderstandsregelung der Fall ist. Bei dieser Anordnung werden zwei Motoren verwendet, die miteinander verbunden sind. Der Hauptmotor ist ein Induktionsmotor mit gewickeltem Rotor.

Der Strom, der vom Rotorkreis des Hauptmotors kommt, wird nicht an einen Rheostat geleitet. Stattdessen wird dieser Strom zum Betrieb eines zweiten Motors, des sogenannten Hilfsmotors, verwendet. Dieser Hilfsmotor hilft, die Hauptwelle zu drehen. Indem wir die Einstellung des Hilfsmotors ändern, können wir die Schlupffrequenz und die Rotor-EMK des Hauptmotors steuern. Dadurch ändert sich seine Drehzahl. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Motoren zu verbinden. So können Sie vier verschiedene konstante Drehzahlen wählen. Dieses System verschwendet weniger Energie als die Steuerung des Rotorwiderstands, ist aber auch kostspieliger und komplizierter. Heute sind Frequenzumrichter, die einen Umrichter und einen Wechselrichter verwenden, oft eine bessere Option für die Drehzahl von Asynchronmotoren.

Das Wichtigste zur Erinnerung

Hier ein kurzer Überblick über das, was wir über die Drehzahlregelung eines Dreiphasen-Asynchronmotors gelernt haben:

• Warum Geschwindigkeitskontrolle? Um weniger Energie zu verbrauchen, die Lebensdauer der Maschinen zu verlängern und eine bessere Kontrolle über Ihre Arbeit zu haben. Ein Drehstrom-Asynchronmotor ist bei der Drehzahlregelung sehr viel hilfreicher.
• Zwei Hauptbereiche: Sie können einen Induktionsmotor von der Statorseite oder von der Rotorseite aus steuern.
• Statorseitige Steuerung: Dazu gehören die Änderung der Spannung, die Änderung der Anzahl der Pole oder die Änderung der Frequenz.
• Spannungssteuerung: Das ist einfach, vergeudet aber eine Menge Energie. Das Drehmoment nimmt schnell ab, wenn die Spannung gesenkt wird. Dies führt zu einem hohen Leistungsverlust.
• Polumschaltung: Auf diese Weise können Sie einige Geschwindigkeiten einstellen. Es funktioniert gut, aber es ist nicht ein reibungsloser Wechsel.
• V/F-Steuerung: Dies ist für die meisten Situationen die beste Methode der Drehzahlregelung. Sie verwendet einen Antrieb (Wechselrichter), um die Spannung und die Frequenz gleichzeitig zu ändern. Sie ist sehr energiesparend und ermöglicht eine gleichmäßige Drehzahlregelung.
• Rotor Side Control: Dies ist nur bei speziellen Induktionsmotoren mit gewickeltem Rotor möglich.
• Steuerung des Rotorwiderstands: Eine einfache Methode der Drehzahlregelung für Motoren mit gewickeltem Rotor. Sie eignet sich hervorragend für ein hohes Startdrehmoment, verwandelt aber viel Energie in verschwendete Wärme. Wir tun dies, indem wir einen externen Widerstand einfügen.
• Auswahl einer Methode: Welche Drehzahlregelung für Ihren Asynchronmotor die richtige ist, hängt von Ihrer Maschine, Ihrem Budget und dem Umfang der benötigten Regelung ab. Für fast alle modernen Anwendungen ist die U/f-Steuerung die erste Wahl.