Drehstrommotoren: Die kraftvollen und robusten "Industriearbeiter"

Wie funktionieren Elektromotoren mit Drehstrom?

Ein Drehstrommotor (auch Drehstrommaschine) ist ein Elektromotor, der mit dreiphasigem Wechselstrom (kurz "Drehstrom") betrieben wird. Drehstrom ist ein Wechselstrom mit drei Phasen, deren Sinuskurven sich gleichmässig überlagern. Dabei wird in drei voneinander getrennten Leitern jeweils eine eigene Spannung geführt, die periodisch wechselt und um jeweils 120 Grad versetzt ist. Dieses Magnetfeld wird daher auch als Drehfeld bezeichnet. Die Sinuskurven der drei Phasen ergeben in ihrer Summe sowohl im positiven als auch im negativen Bereich immer null.

Drehstrom lässt sich besonders effektiv und einfach für den Betrieb von Elektromotoren einsetzen, weil er den Läufer des Motors mit seiner Drehfrequenz einfach "mitzieht". Für die Konstruktion eines Drehstrommotors werden als Stator um den Läufer drei Elektromagnetspulen im Winkel von jeweils 120 Grad montiert. Jede dieser drei Spulen erzeugt ein Magnetfeld, das gegenüber dem der anderen beiden Spulen um jeweils eine Drittelperiode versetzt ist. Dadurch ergibt sich ein umlaufendes Magnetfeld, dessen Impulse mit der Frequenz des Drehstroms rotieren. Die Geschwindigkeit dieser Rotation (und damit die Umdrehungszahl des Motors) ist durch die Frequenz des Drehstroms vorgegeben. Für eine Richtungsänderung des Motors muss die Drehrichtung des Drehstroms geändert werden, was am einfachsten durch das Vertauschen zweier beliebiger Aussenleiter erfolgen kann (Wende-Schützschaltung). Im Gegensatz zu Elektromotoren, die mit einphasigem Wechselstrom betrieben werden (Wechselstrommotoren), ist bei Drehstrommotoren von Anfang an ein sich drehendes Magnetfeld vorhanden, das nicht eigens erzeugt werden muss.

Können Drehstrommotoren auch als Generatoren genutzt werden?

Drehstrommotoren können umgekehrt auch als Generator genutzt werden, wenn der Rotor mechanisch angetrieben wird, und erzeugen dann Dreiphasen-Drehstrom. Diese Umkehrbarkeit wird etwa in Pumpspeicher-Kraftwerken genutzt, wo dieselben Geräte je nach Bedarf als Pumpenantrieb oder als Generatoren genutzt werden. Bei manchen Elektroautos oder Zügen wird der Motor als Bremse genutzt und kann auf diese Art Energie zurückgewinnen.

Was unterscheidet Synchronmotoren und Asynchronmotoren?

Drehstommotoren können als Synchronmotoren und Asynchronmotoren konstruiert werden.

• Bei Asynchronmotoren läuft der Rotor dem Drehfeld des Stators ein wenig nach. Asynchrone Drehstrommotoren können mit einem Käfigläufer oder Schleifringläufer konstruiert werden: Der Käfigläufer wird ständig kurzgeschlossen (und heisst daher auch Kurzschlussläufer), der Schleifringläufer nur fallweise. Schleifringmotoren verfügen über ein hohes Anlaufdrehmoment, werden aufgrund der erhöhten Brandgefahr heute aber nur noch in Spezialbereichen eingesetzt.
• Bei Synchronmotoren rotiert der Läufer stets völlig synchron mit dem Feld des Drehstroms. Daher wird zur Steuerung der Drehzahl ein Frequenzumrichter benötigt, der die Frequenz je nach Bedarf anhebt oder absenkt. Synchronmotoren sind effizienter als Asynchronmotoren, ihr Wirkungsgrad kann bis zu 90 Prozent betragen. Sie haben allerdings den Nachteil, in der Herstellung teurer und im Betrieb wartungsintensiver zu sein. Daher sind die meisten Drehstrommotoren Asynchronmotoren.

Was bewirkt der Frequenzumrichter?

Bei Drehstrommotoren ist die Drehzahl durch die Frequenz des Drehstroms vorgegeben. Daher muss für eine Änderung der Drehzahl die Frequenz des Drehstroms verändert werden, was sich am einfachsten mit einem elektronisch steuerbaren Frequenzumrichter lösen lässt. Ein solcher Stromrichter wandelt Wechselspannung so um, dass sie in der Frequenz und Amplitude veränderbar ist, und ermöglicht damit die Steuerung des Drehstrommotors.

Welche Vorteile haben Drehstrommotoren?

Drehstrommotoren gelten als leistungsfähig und gleichzeitig als robust und wartungsarm. Sie können einfacher konstruiert werden als Gleichstrommotoren. So kommen sie etwa ohne Bürsten und Schleifringe aus. Wenn der Rotor als Käfigläufer konstruiert ist, dreht er sich völlig kontaktfrei im Gehäuse. Im Gegensatz zum einphasigen Wechselstrommotor benötigt ein Drehstrommotor keinen Stromwender, der bei leistungsstarken Maschinen Funkenschlag erzeugen und damit ein potenzielles Sicherheitsrisiko sein kann.

Für welche Einsatzbereich sind Drehstrommotoren sinnvoll?

Drehstrommotoren können sehr hohe Leistungen erbringen, für die Gleichstrommotoren nicht ausgelegt sind. Ausserdem gelten sie (vor allem als Asynchronmotoren) als günstig, robust und wartungsarm. Daher sind Drehstrom-Asynchronmotoren der Standard für Industriemotoren und Antriebe jeglicher Grössenordnung. Auch Züge und viele Elektroautos fahren mit Drehstrommotoren. Drehstrommotoren werden wie alle Elektromotoren in vier Wirkungsgradklassen eingeteilt: IE1, IE2, IE3 und IE4. Motoren einer hohen Wirkungsgradklasse sind effektiver, allerdings auch aufwändiger in Konstruktion und Herstellung und daher teurer.

Drehstrommotoren können über normale Haushaltssteckdosen nicht betrieben werden, da diese nur einen einphasigen Wechselstrom abgeben. Daher beschränkt sich ihr Einsatz meist auf den Industrie- und Gewerbebereich. In Haushalts- oder Kleingeräte werden überwiegend Wechselstrommotoren (sogenannte Universalmotoren) eingebaut.

Mit welchen Drehzahlen können Drehstrommotoren betrieben werden?

Da bei einem Drehstrommotor die Drehzahl mit der Frequenz des Drehstroms synchron ist, kann sie nur über eine Frequenzänderung des Drehstroms mittels Frequenzumrichter gesteuert werden. Allerdings können die Drehzahlen auch durch die Polpaarzahl beeinflusst werden, da eine höhere Polpaarzahl eine niedrigere Drehzahl des Motors zur Folge hat. Niedrigere Drehzahlen ergeben bei grossen Lasten einen ruhigeren und gleichmässigeren Lauf und sind daher bei sehr leistungsstarken Drehstrommotoren von Vorteil. Die Maximaldrehzahl bei der üblichen Netzfrequenz von 50 Hertz ist auf 3000 Umdrehungen pro Minute limitiert; höhere Drehzahlen lassen sich nur mit einer Erhöhung der Netzfrequenz durch einen Frequenzumrichter oder mit Getriebemotoren erreichen.