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Asynchron- und Synchronmaschine Funktionsprinzip
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UniGuy
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Anmeldungsdatum: 25.08.2016
Beiträge: 19

BeitragVerfasst am: 31 Aug 2017 - 19:28:43    Titel: Asynchron- und Synchronmaschine Funktionsprinzip

Guten Abend,

ich bin gerade ein wenig verwirrt aufgrund des Funktionsprinzips der Asynchron- und Synchronmaschine. Um es besser zu veranschaulichen, ziehe ich immer die primitiven Maschinenmodelle (zB ASM: Rotor mit 2 um 90° versetzten Spulen und Stator auch 2 um 90° versetzten Spulen) hinzu.

Wäre nett, wenn sich das jemand die Zeit nimmt, das durchzulesen und mich zu belehren^^

Hier mal, wie ich es mir aktuell erkläre:

Asynchronmotor:
Vereinfaches Modell mit nur 2 Spulen: Im Stator 2 um 90° versetzte Spulen, im Rotor ebenfalls 2 um 90° versetzte Spulen.
Statorspulen werden mit 3 um 120° phasenverschobenen Strömen bestromt. Dadurch entsteht ein Drehfeld, das auch auf den Rotor wirkt. Dadurch werden in die Rotorspulen (eigentlich kurzgeschlossen) Spannungen induziert, die Ströme hervorrufen. Und auf Ströme wirken in einem veränderlichen Magnetfeld bekanntermaßen Kräfte -> Drehmoment entsteht.
Dadurch beschleunigt der Läufter immer weiter, erreicht aber aufgrund seiner Trägheit (?) nicht die Geschwindigkeit des Statordrehfelds. Es wird aber weiterhin ein Drehmoment erzeugt, da immer noch Spannung in den Rotor induziert wird, da es ja immer noch eine relative Magnetfeldänderung zwischen Rotor- und Statordrehfeld gibt (wäre das nicht der Fall, dürfte kein Drehmoment mehr entstehen oder? Also, wenn die ASM mit Schlupf s=0 läuft).

Synchronmotor (Generatorbetrieb)
Die Statorwicklungen sind kurzgeschlossen, die Rotorwicklung mit Gleichstrom bestromt - dadurch entsteht eine konstantes Magnetfeld Durch Rotation - im Falle des Generators ,,von außen" zB Turbine - entsteht wiederum ein Drehfeld. Das Drehfeld induziert Spannung in die kurzgeschlossenen Statorspulen, dadurch fließt dann ein Strom. Die Frequenz des Stroms ist proprtional zur Drehzahl des Rotors.


Synchronmotor (Motorbetrieb)
Hier habe ich Schwierigkeiten in der Vorstellung. Das vereinfachte Modell wäre ja: Im Stator 3 um 120° versetzte Spulen, im Rotor eine Spule (wenn man Dämpferwicklung weglässt).

Die Statorwicklungen sind wieder von um 120° phasenverschobenen Strömen durchflossen, sodass ein Drehfeld erzeugt wird. Der Rotor ist mit Gleichstrom bestromt (falls elektrisch erregt, bei Verwendung von Permamagneten natürlich nicht notwendig). So nun hätte man ja an dieser Stelle fast den selben Ausgangspunkt wie bei der ASM. Im Rotor fließt ein Strom, ein Drehfeld ist ebenfalls vorhanden. Aber warum ist es jetzt ohne zustätzlichen Aufwand nicht möglich, dass sich die Synchronmaschine aus dem Stillstand bewegt? Rein physikalisch sollte das nach meinen Überlegungen ja klappen.

Was ich so dazu im Internet gelesen habe: Das Statordrehfeld dreht sich mit 3000/min, wenn am Netz angeschlossen. Durch die Trägheit des Rotors kann sich der Rotor nicht schnell genug ausrichten (würde dann vermutlich ein klein wenig"zittern" bzw. sich gar nicht bewegen). Klingt für mich plausibel, aber wieso ist das dann nicht bei der ASM der Fall? Da hat das Statordrehfeld auch 3000 U/min und der Rotor läuft "langsam" an. Zudem kommt, dass Synchronmaschinen meines Wissens nach (vorallem die mit Polradläufer) ein geringeres Trägheitsmoment besitzen wie ASM. Also sollte das ja noch leichter gehen.

Ich habe das Gefühl, dass ich einfach in meiner Überlegung zur Synchronmaschine entwas ganz banales vergessen habe. Wäre äußerst nett, wenn mich jemand korrigieren könnte, vorallem in Bezug auf Synchronmaschine Motorbetrieb. Das erschließt sich mir rein physikalisch noch nicht ganz. Ich würde an dieser Stelle sehr gern auf Formeln verzichten, da es mir wirklich um das reine "praktische" Verständnis geht, d.h. "sieht man an Formel XY" hilft mir da nicht weiter.
isi1
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Anmeldungsdatum: 10.08.2006
Beiträge: 7336
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BeitragVerfasst am: 01 Sep 2017 - 12:39:51    Titel: Re: Asynchron- und Synchronmaschine Funktionsprinzip

UniGuy hat folgendes geschrieben:
Asynchronmotor:
Vereinfaches Modell mit nur 2 Spulen: Im Stator 2 um 90° versetzte Spulen, im Rotor ebenfalls 2 um 90° versetzte Spulen.
Statorspulen werden mit 3 um 120° phasenverschobenen Strömen bestromt.
Das ist unklar, UniGuy, denn wo schließt Du die dritte Phase an?
UniGuy
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Anmeldungsdatum: 25.08.2016
Beiträge: 19

BeitragVerfasst am: 01 Sep 2017 - 17:15:16    Titel:

Das vereinfachte Modell mit zwei Spulen haben wir mehrmals in der Uni verwendet. Da hieß es dann so ähnlich wie "ein System aus 3 um 120° verschobenen Spulen kann in ein identisches System aus 2 um 90° verschobenen Spulen überführt werden" - vermutlich nur mathematisch so, sonst bräuchte man wohl ein zweiphasiges Netz. Da diente eigentlich nur zur Vereinfachung und zur Herleitung der Elemente der L-Matrix für die Asynchron- und Synchronmaschine (primitive Maschinenmodelle).

Aber ausschlaggebend sollte das eigentlich nicht sein, mir geht ja es ehr um das Funktionsprinzip. Wie erwähnt hab ich die Probleme mit der Synchronmaschine, da es für mich fast 1:1 so aussieht wie die ASM und ich dann eben nicht verstehe, warum das Teil nicht von alleine anlaufen sollte.
konstantin87
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Anmeldungsdatum: 08.08.2008
Beiträge: 5978

BeitragVerfasst am: 02 Sep 2017 - 09:47:25    Titel:

UniGuy hat folgendes geschrieben:

Aber ausschlaggebend sollte das eigentlich nicht sein, mir geht ja es ehr um das Funktionsprinzip. Wie erwähnt hab ich die Probleme mit der Synchronmaschine, da es für mich fast 1:1 so aussieht wie die ASM und ich dann eben nicht verstehe, warum das Teil nicht von alleine anlaufen sollte.


Es sieht zu recht identisch fuer dich aus, weil der Hauptunterschied ist, dass die Synchronmaschine ein Erregerfeld braucht und die Asynchronmaschine nicht. Eine Synchronmaschine im Motorbetrieb faehrt so an wie eine Asynchronmaschine, mit Kurzschlusskaefig bis die Synchronendrehzahl erreicht ist und du das Erregerfeld im Laeufer dafuer nutzten kannst.
Im Generatorbetrieb muss die Synchronmaschine zunaechst synchronisiert werden, bevor es an das Netz geht. Zudem koennen Synchronmaschinen zur Blindleistungskompensation genutzt werden.

Ploetzlich aenderndes Lastmoment fuehrt im Motorbetrieb einer Synchronmaschine auch dazu, dass es nicht mehr synchron zum Drehfeld laeuft. Die Welt ist nicht ideal, alles hat einen Widerstand, kapazitive oder induktive Anteile. Nichts ist perfekt isoliert. Es ist fliesst immer ein winziger Strom. Die Idealannahmen der ersten Semester dienen nur dem einfacheren rechnen.
elexberd
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BeitragVerfasst am: 04 Sep 2017 - 23:52:15    Titel:

Das kann man aber nicht so stehen lassen:

Bei einer Asynchronmaschine spricht man zur Erläuterung der Eigenschaften vom Schlupf, das ist die Differenz zwischen Drehfelddrehzahl und Maschinendrehzahl dividiert durch die Drehfelddrehzahl. Das Drehmoment ist im Bereich zwischen Null (Leerlauf) und Nenndrehzahl etwa proportional dem Schlupf. Das bedeutet, dass sie immer etwas langsamer läuft als das Drehfeld. Das Drehmoment entsteht durch den Strom im Läufer, der wiederum induktiv durch den Schlupf bedingt ist. Darum heißen solche Maschinen auch Induktionsmaschinen.

Bei der Synchronmaschine ist wegen des konstanten Läuferfeldes das Drehmoment vom Winkel zwischen dem Drehfeld und dem Läufer abhängig. Das kann man sich einfach klar machen, wenn man sich vorstellt, dass die Frequenz des speisenden Netzes Null ist. Dann erzeugen die Spulen für das Drehfeld ein konstantes Magnetfeld, dass sich nicht dreht, sondern immer in der gleichen Richtung bleibt. Der Läufer wird nun eine bestimmte Richtung einnehmen und dort verbleiben. Man kann nun versuchen, den Läufer zu verdrehen. Das wird mit entsprechendem Aufwand auch gelingen bis zu einer bestimmten Grenze, dem Kippmoment, dann kippt der Läufer aus seiner Lage und das Ständerfeld kann ihn nicht mehr halten.
Wenn nun die Netzfrequenz erhöht wird, wird das dann drehende Ständerfeld den Läufer mitnehmen. Er selbst wird dann natürlich exakt dieselbe Drehzahl haben, wie das Ständerfeld. Lediglich der Winkel zwischen dem Läufer und dem Drehfeld wird vom Drehmoment abhängen, das von der Belastung der Maschine verlangt wird.
Wenn aber die Maschine direkt eingeschaltet wird, hat sie keine Chance, mit ihrem Läufer dem schon vorhandenen Drehfeld zu folgen, weil sie nicht so schnell beschleunigt werden kann. Sie bleibt also stehen und brummt nur vor sich hin, weil ihr Drehmoment mit der Netzfrequenz periodisch seine Richtung wechselt.
Es gibt allerdings Spezialmaschinen, die zusätzlich eine Kurzschlusswicklung auf dem Läufer haben, so dass sie dadurch beim Anlauf wie eine Asynchronmaschine arbeiten. Sie können somit selbständig hochlaufen und fallen in Synchronismus, wenn die Drehzahl hoch genug geworden ist. Mit der Belastung gibt es beim Hochlauf Einschränkungen, die beachtet werden müssen.
UniGuy
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Anmeldungsdatum: 25.08.2016
Beiträge: 19

BeitragVerfasst am: 05 Sep 2017 - 18:04:41    Titel:

Danke für die ausführliche Antwort!

zur Asynchronmaschine:
Den Zusammenang zwischen Schlupf und Induktion / Drehmoment habe ich verstanden. Ist der Schlupf s = 0 bewegen sich Läufer und Statordrehfeld gleich, d.h. gibt es keine Magnetfeldänderung / Flussänderung im Rotor, dadurch keine induzierte Spannung, keinen Strom, im Ergebnis also kein Drehmoment. Was ich aber hierzu noch nicht 100% verstehe, welche phsyikalische Phänomen bewirkt den Schlupf? Was ich dazu so lese, kommt es so rüber, als wäre er "gottgegeben", nach dem Motto "die ASM braucht einen Schlupf also hat sie einen". Ist das Trägheitsmoment des Läufers dafür verantwortlich, dass der Läufer nicht die selbe Winkelgeschwindigkeit erreicht? (bzw das Trägheitsmoment der Last, wenn angeschlossen?).

zur Synchronmaschine:

1.)
Die Dämpferwicklungen, die für den Anlauf benötigt werden müssen dann wie bei der ASM kurzgeschlossen sein, damit eine Spannung induziert wird, Drehmoent entsteht ect. - also gleiche Funktion wie eine Asynchronmaschine. Dadurch kann dann der Läufer auf eine Geschwindigkeit anlaufen, die es ihm ermöglicht, die Geschwindigkeit des Drehfelds anzunehmen, was vorher aufgrund seiner Trägheit nicht möglich war (zu schnelle Drehfeld- / Drehmomentänderung) Das habe ich jetzt verstanden, danke (muss das immer nochmal in eigene Worte fassen, um das zu reflektieren^^).

2.)
Zitat:
Dann erzeugen die Spulen für das Drehfeld ein konstantes Magnetfeld, dass sich nicht dreht, sondern immer in der gleichen Richtung bleibt. Der Läufer wird nun eine bestimmte Richtung einnehmen und dort verbleiben. Man kann nun versuchen, den Läufer zu verdrehen. Das wird mit entsprechendem Aufwand auch gelingen bis zu einer bestimmten Grenze, dem Kippmoment, dann kippt der Läufer aus seiner Lage und das Ständerfeld kann ihn nicht mehr halten.


Das hört sich für mich ein bisschen nach dem Reluktanzmoment an, sehe ich das richtig? Darauf wäre ich sowieso noch eingegangen^^.
Nur um sicher zu sein, ob ich es richtig verstanden habe:

Im Grund gibt es das Reluktanzmoment, weil die Magnetfeldlinien den
magnetisch günstigsten Weg annehmen wollen, d.h. den Weg mit dem geringsten magnetischen Widerstand. Das heißt, dass der Weg durch den Luftspalt (hoher magnetischer Widerstand) möglichst kurz sein soll. Das ganze würde also klappen, wenn man ein Drehfeld (sollte auch mit einem konstanten Magnetfeld klappen oder?) im Stator anlegt und die Maschine einen asymmetrischen Läufer besitzt. Bei einem symmetrischen Läufer würde es ja nicht funktionieren, weil der magnetische Kreis immer gleich ist. Würde man nur den Rotor bestromen, würde es auch nicht funktionieren, denn von der Rotorspule aus gesehen, ist der magnetische Kreis auch bei einem Schenkelpolläufer immer gleich. Stelle ich es mir nun ganz primitiv vor, dass im Stator nur eine Spule sitzt und der Läufer um einige Grad verschoben zur Statorspule steht, so würden die Magnetfeldlinien der Statorspule den Rotor in eine magnetisch günstige Lage "ziehen" - also direkt "unter" die Statorspule (Winkel zwischen Rotor- und Statorspule = 0°). Es sollte keinen Unterschied machen, ob die Maschine elektrisch oder permanent-erregt ist, oder? Und wenn ich es mir jetzt so recht überlege, ist es nicht das Reluktanzmoment, was du da beschrieben hast, oder?^^
elexberd
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Beiträge: 783
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BeitragVerfasst am: 14 Sep 2017 - 21:40:05    Titel:

Zur Asynchronmaschine:
Ein Schlupf wird erst durch Belastung der Maschine erzeugt. Das ist natürlich auch schon die eigene Reibung. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen dem Drehmoment und dem durch den Schlupf resultierenden Strom und dem damit verbundenen Läufermoment ein.

Zur Synchronmaschine:
Du musst dir darüber klar sein, dass durch Betrieb mit Drehstrom ein sich drehendes Magnetfeld entsteht. Der mitlaufende Läufer kann dabei mit einem Moment belastet werden, das vom Ständerfeld und von seinem eigenen Magnetfeld abhängt. Dieses kann ein Permanetfeld sein oder ein elektrisch erregtes. Der Ausdruck Reluktanz ist höchstens dann angebracht, wenn kein Permanentfeld vorhanden ist und der Läuferstrom Niull ist. Das ist aber kein Betriebsfall. Offenbar hast du die Sache nun ganz gut verstanden.
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