Lernfeld 8 · Prüfung Teil 2

Elektrische Antriebe und Frequenzumrichter

Asynchronmotor, Typenschild und Frequenzumrichter kurz erklärt: Drehzahl, Schlupf, Stern und Dreieck, U/f-Kennlinie und Feldschwächung.

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Darum geht es

Der Drehstrom-Asynchronmotor ist der Standardantrieb in der Anlage. Sein Drehfeld dreht mit der synchronen Drehzahl, die von Netzfrequenz und Polpaarzahl abhängt. Der Läufer dreht etwas langsamer, die Differenz heißt Schlupf. Auf dem Typenschild steht immer die abgegebene mechanische Leistung; die aufgenommene elektrische Leistung ist um den Wirkungsgrad größer.

Die Spannungsangabe 230/400 V Δ/Y bedeutet: Jeder Strang verträgt 230 V. Am 400-V-Netz schaltest du deshalb in Stern. Die Betriebsart sagt, wie der Motor belastet werden darf, zum Beispiel S1 Dauerbetrieb oder S3 Aussetzbetrieb mit einer relativen Einschaltdauer.

Ein Frequenzumrichter richtet die Netzspannung gleich, glättet sie im Zwischenkreis und erzeugt im Wechselrichter eine Drehspannung mit einstellbarer Frequenz. Bis zur Nennfrequenz hält er das Verhältnis U/f konstant, damit Magnetfluss und Drehmoment gleich bleiben. Oberhalb der Nennfrequenz steigt die Spannung nicht weiter, der Motor arbeitet in der Feldschwächung und das verfügbare Drehmoment sinkt.

Beim schnellen Bremsen speist der Motor Energie in den Zwischenkreis zurück. Ohne Bremswiderstand oder längere Rampe schaltet der Umrichter mit Überspannung ab. Motorleitungen am Umrichter verlegst du geschirmt und legst den Schirm beidseitig großflächig auf.

Das solltest du dir merken

Typenschildleistung ist die abgegebene Leistung an der Welle.
230/400 V Δ/Y am 400-V-Netz heißt Sternschaltung.
Bis zur Nennfrequenz bleibt U/f konstant, darüber sinkt das Drehmoment in der Feldschwächung.
Überspannung beim Bremsen deutet auf zu kurze Bremsrampe oder fehlenden Bremswiderstand.

Formeln

Synchrone Drehzahl: $n_{s} = \frac{f \cdot 60}{p}$; $n_{s}$ Drehfelddrehzahl in 1/min, $f$ Frequenz in Hz, $p$ Polpaarzahl
Schlupf: $s = \frac{n _{s} - n}{n _{s}}$; $s$ Schlupf (oft in %), $n_{s}$ synchrone Drehzahl, $n$ Läuferdrehzahl in 1/min
Aufgenommene Leistung im Drehstromnetz: $P_{1} = 3 \cdot U \cdot I \cdot cos φ = \frac{P _{2}}{η}$; $P_{1}$ aufgenommene, $P_{2}$ abgegebene Leistung in W, $U$ Leiterspannung in V, $I$ Leiterstrom in A
Drehmoment aus Leistung und Drehzahl: $M = \frac{9550 \cdot P}{n}$; $M$ Drehmoment in Nm, $P$ Leistung in kW, $n$ Drehzahl in 1/min

Typische Fehler in der Prüfung

Polzahl und Polpaarzahl verwechselt; ein vierpoliger Motor hat $p = 2$ .
Typenschildleistung als aufgenommene Leistung behandelt und den Wirkungsgrad falsch herum angewandt.
Motor 230/400 V am 400-V-Netz in Dreieck geschaltet; die Wicklung wird überlastet.
Angenommen, über 50 Hz bleibe das volle Drehmoment erhalten.

Tipps aus der Werkstatt

Typenschild 230/400 V Δ/Y: Die kleinere Spannung gehört zur Dreieckschaltung, die größere zur Sternschaltung. Am 400-V-Netz läuft dieser Motor in Stern. Ein Motor mit 400/690 V darf dagegen in Dreieck ans 400-V-Netz und eignet sich für Stern-Dreieck-Anlauf.
Synchrone Drehzahl n = f · 60 / p mit der Polpaarzahl p. Der Umrichter hält U/f konstant, bis die Nennspannung erreicht ist; darüber bleibt die Spannung stehen und das verfügbare Moment sinkt (Feldschwächbereich). Bemessungsstrom: I = P / (√3 · U · η · cos φ).

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20 Aufgaben zu „Elektrische Antriebe und Frequenzumrichter“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: Rahmenlehrplan Mechatroniker/-in, Lernfeld 8 (KMK); DIN EN 60034-1 Drehende elektrische Maschinen. Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.