Schleifringläufer-Asynchronmotor

Der Schleifringläufer-Asynchronmotor ist eine Bauart des Drehstrom-Asynchronmotors. Stator und Drehfelderzeugung sind identisch zum Käfigläufer. Der Unterschied steckt ausschließlich im Rotor: Statt eines kurzgeschlossenen Käfigs sitzt im Läufer eine dreisträngige Wicklung, deren Enden über drei isolierte Schleifringe auf der Welle nach außen geführt sind.

Damit ist die Rotorwicklung von außen elektrisch zugänglich. Im Betrieb werden die Schleifringe entweder kurzgeschlossen — dann verhält sich der Motor ungefähr wie ein Käfigläufer — oder über einen Anlasswiderstand verbunden, der das Verhalten beim Hochlauf und bei der Drehzahlstellung gezielt beeinflusst.

Die zentrale Idee ist also: Was beim Käfigläufer fest verlötet und unzugänglich ist, lässt sich beim Schleifringläufer von außen bewusst gestalten.

Der Stator ist baugleich zum Käfigläufer: Blechpaket mit Nuten, in denen eine dreisträngige Wicklung liegt, ausgeführt nach U1/V1/W1 und U2/V2/W2 am Klemmenbrett. Daran wird das Drehstromnetz angeschlossen.

Der Rotor trägt im Blechpaket ebenfalls eine dreisträngige Wicklung, üblicherweise in Sternschaltung im Inneren verbunden. Die drei freien Wicklungsenden werden auf drei elektrisch isolierte Schleifringe geführt, die auf der Welle sitzen. Die Schleifringe bestehen meist aus Bronze oder Stahl.

Auf den Schleifringen schleifen Bürsten aus Kohle oder Graphit, gehalten von federbelasteten Bürstenhaltern. Über die Bürsten ist die Rotorwicklung von außen zugänglich. Am Klemmenkasten erscheinen die Rotoranschlüsse mit den Bezeichnungen K, L, M — entsprechend den drei Strängen.

Bei größeren Maschinen gibt es eine Bürstenabhebevorrichtung: Sobald der Motor hochgelaufen ist und die Schleifringe innen kurzgeschlossen sind, werden die Bürsten mechanisch abgehoben. Damit entfallen Reibverluste und Bürstenverschleiß im Dauerbetrieb.

Genau dieser mechanische Kontakt ist auch der größte Wartungspunkt der Bauart. Kohlebürsten nutzen sich ab und müssen regelmäßig kontrolliert und ausgetauscht werden. Die Schleifringe werden mit der Zeit eingeschliffen, ein dünner Patinabelag ist normal, starker Abrieb oder eingebrannte Spuren dagegen ein Warnzeichen. Bei ungleichmäßigem Auflagedruck, verschmutzten Ringen oder zu kurzen Bürsten kommt es zum Bürstenfeuer — sichtbares Funken zwischen Bürste und Ring. Bürstenfeuer ist sowohl Verschleißbeschleuniger als auch Hinweis darauf, dass etwas im Kontaktsystem nicht stimmt.

Funktional ist der Schleifringläufer ein Drehstrom-Asynchronmotor. Das Drehfeld im Stator induziert in der Rotorwicklung eine Spannung, der induzierte Strom liefert in Verbindung mit dem Drehfeld das Drehmoment. Anschaulich ist der Schlupf das Nachhinken des Rotors gegenüber dem unsichtbaren Drehfeld — würden beide gleich schnell laufen, gäbe es keine Induktion und damit kein Drehmoment. Synchrondrehzahl und Schlupf gelten genau wie beim Käfigläufer (eigenes Thema in der Reihe):

Die Besonderheit zeigt sich im Stillstand: Solange der Rotor steht, schneidet das Statordrehfeld die Rotorwicklung mit voller Netzfrequenz. Der Schleifringläufer verhält sich dann wie ein Drehstromtransformator — der Stator ist die Primärseite, der Rotor die Sekundärseite. Lässt man die Schleifringe offen, lässt sich an den Rotorklemmen K, L, M eine Spannung messen: die Läuferstillstandsspannung U_20. Sie steht auf dem Typenschild des Motors und ist eine wichtige Auslegungsgröße für den Anlasswiderstand.

Sind die Schleifringe dagegen geschlossen — egal ob direkt kurzgeschlossen oder über einen Widerstand — fließt im Rotorkreis ein Strom, das Drehmoment builds sich auf und der Motor läuft an. Mit zunehmender Drehzahl sinkt die Relativgeschwindigkeit zwischen Drehfeld und Rotor, die induzierte Spannung im Rotor wird kleiner, und der Rotorstrom geht zurück. Im normalen Betriebspunkt ist der Schlupf klein (wenige Prozent), die Läuferspannung entsprechend gering.

Aus dieser Trafo-Analogie folgt: Die in den Rotor induzierte Spannung ist im Anlauf am größten. Genau deshalb ist der Anlaufstrom ohne Maßnahmen so hoch — und genau deshalb wirkt ein Vorwiderstand im Rotorkreis am stärksten beim Anfahren.

Ohne Maßnahmen hat ein direkt geschalteter Schleifringläufer mit kurzgeschlossenen Schleifringen dieselben Probleme wie ein Käfigläufer: hoher Anlaufstrom, vergleichsweise mäßiges Anlaufmoment. Genau hier spielt die Bauart ihre Stärke aus. Über die Schleifringe wird ein Anlasswiderstand in den Rotorkreis gelegt — meist als dreisträngiger Vorwiderstand, in Sternschaltung ausgeführt.

Die Wirkung ist doppelt:

• Der Rotorstrom wird begrenzt. Das senkt auch den Statorstrom und damit den Anlaufstrom aus dem Netz spürbar ab.
• Das maximale Drehmoment (Kippmoment) verschiebt sich zu höheren Schlupfwerten. Bei richtig dimensioniertem Vorwiderstand liegt der Kipppunkt direkt bei Stillstand — der Motor läuft mit maximalem Moment an.

Damit der Motor nicht in einem schlechten Arbeitspunkt mit großem Vorwiderstand stehen bleibt, ist der Stufenanlasser Standard. Er besteht aus mehreren Widerstandsstufen, die während des Hochlaufs nacheinander von Schützen kurzgeschlossen werden. Mit jeder Stufe wandert der Arbeitspunkt eine Kennlinie weiter und der Motor läuft stoßfrei in die Nähe der Synchrondrehzahl. In der letzten Stufe sind die Schleifringe direkt kurzgeschlossen — der Schleifringläufer läuft jetzt wie ein Käfigläufer im Nennpunkt.

Bei sehr großen Maschinen kommt statt eines Stufenanlassers ein Flüssigkeitsanlasser zum Einsatz. Hier tauchen Elektroden in einen Elektrolyten ein, der Widerstand wird durch Verschieben der Elektroden stufenlos verändert. Das ergibt einen besonders weichen Hochlauf.

Sicherheitstechnisch entscheidend: Der Hauptschütz darf den Motor nur einschalten, wenn der Anlasser tatsächlich auf der Anfangsstufe — also bei vollem Vorwiderstand — steht. Wird der Motor versehentlich mit kurzgeschlossenen Schleifringen oder auf einer zu niedrigen Stufe direkt eingeschaltet, fällt die Anlaufstrombegrenzung weg, der Strom steigt sprunghaft und das Motorschutzrelais löst aus. Deshalb arbeitet die Steuerung mit einer Verriegelung: Eine Rückmeldung des Anlassers (Endschalter in der Nullstellung) ist Freigabebedingung für den Hauptschütz. Erst während des Hochlaufs schalten die Stufenschütze über Zeitrelais oder über strom- bzw. drehzahlabhängige Logik weiter.

Die Form der M-n-Kennlinie eines Asynchronmotors ist durch die Wicklungsdaten festgelegt. Eine zentrale Aussage gilt für jeden Schleifringläufer: Das Kippmoment M_k — also das maximale Drehmoment — bleibt unabhängig vom eingebauten Rotorwiderstand gleich. Was sich verändert, ist die Lage des Kipppunkts.

Der Kippschlupf s_k verschiebt sich proportional zum gesamten wirksamen Widerstand im Rotorkreis. Verdoppelt man den Widerstand, verdoppelt sich auch der Kippschlupf. Der Zusammenhang lässt sich als einfaches Verhältnis schreiben:

Anschaulich entsteht damit eine Kennlinienschar: Jeder Vorwiderstand erzeugt eine eigene M-n-Kurve, alle mit derselben Spitzenhöhe, aber zu unterschiedlichen Drehzahlen verschoben. Beim Anfahren wandert der Arbeitspunkt mit jeder überbrückten Anlasserstufe auf eine flachere Kurve weiter Richtung Synchrondrehzahl.

Wichtig ist die Konsequenz für die Auslegung: Wer den Anlasser so dimensioniert, dass der Kippschlupf genau bei s = 1 liegt (also bei n = 0), fährt mit dem maximal möglichen Anlaufmoment los. Das ist die Grundeinstellung für Schweranläufe mit großer Schwungmasse oder hohem Lastmoment.

Der Rotorvorwiderstand wirkt nicht nur beim Anfahren. Lässt man eine Widerstandsstufe dauerhaft im Rotorkreis, verschiebt sich der Arbeitspunkt der Last auf eine flachere Kennlinie — bei gleicher Last steigt der Schlupf, die Drehzahl sinkt. Damit lässt sich ein Schleifringläufer prinzipiell drehzahlstellen, ganz ohne Frequenzumrichter.

Das klingt zunächst attraktiv, hat aber einen großen Haken: Die Schlupfleistung wird im Vorwiderstand in Wärme umgesetzt. Bei 30 % Schlupf gehen 30 % der Luftspaltleistung im Widerstand verloren — die mechanische Wellenleistung ist nur noch 70 % der Luftspaltleistung. Das ist energetisch ungünstig und für Dauerteillast nicht zu rechtfertigen. Die Verlustaufteilung folgt direkt aus der Energiebilanz des Asynchronmotors:

Die Verluste verteilen sich auf den eigenen Rotorwiderstand und den eingeschalteten Vorwiderstand im Verhältnis ihrer Ohmwerte. Bei groß dimensioniertem Vorwiderstand entsteht der Großteil der Wärme außerhalb der Maschine — das schützt zwar den Rotor, ist energetisch aber kein Gewinn.

Klassisch eingesetzt wurde der Schleifringläufer überall dort, wo direkt am Netz hohe Lastmomente bei begrenztem Anlaufstrom anzufahren waren: Krananlagen, Personen- und Lastenaufzüge, Rohrmühlen und Kugelmühlen in der Zement- und Bergbauindustrie, große Bandförderer und Walzwerksantriebe. Auch in älteren Pumpwerken und Lüftungsanlagen mit großer Schwungmasse war die Bauart Standard.

Ihre Stärken sind nüchtern aufzählbar: hohes Anlaufmoment bei begrenztem Netzstrom, robuste Bauweise, gutmütiges Verhalten bei Überlast. Die Schwachstellen sind ebenso nüchtern: höhere Investitionskosten als ein Käfigläufer gleicher Leistung, regelmäßige Wartung an Bürsten und Schleifringen, hohe Verluste bei jeder dauerhaften Drehzahlstellung über Vorwiderstand.

Heutige Antriebsauslegung sieht meistens anders aus. In Neuanlagen wird die Aufgabe — Schweranlauf, Drehzahlstellung, sanfter Hochlauf — vom Käfigläufer am Frequenzumrichter übernommen. Der FU regelt Drehzahl und Drehmoment elektronisch, ohne Bürsten und ohne Verlustwiderstände, und ist heute selbst für mittelgroße Antriebe wirtschaftlich.

Trotzdem ist der Schleifringläufer nicht verschwunden. Drei Anwendungsbereiche tragen ihn weiter:

• Sehr große Antriebe im Megawatt-Bereich, in denen Frequenzumrichter teurer und aufwendiger sind als der mechanische Vorwiderstandsanlauf.
• Bestandsanlagen, in denen ein Tausch der gesamten Antriebskette wirtschaftlich nicht darstellbar ist und der Schleifringläufer einfach weiterläuft.
• Die doppeltgespeiste Asynchronmaschine in der Windkrafttechnik. Hier ist der Rotor über einen kleinen Umrichter mit dem Netz verbunden, die Schlupfleistung wird nicht verheizt, sondern aktiv zurückgespeist. Die Bauart ist konstruktiv ein Schleifringläufer — aus genau dem Grund, dass die Rotorwicklung zugänglich sein muss.