Polumschaltbare ASM mit getrennten Wicklungen

Der Asynchronmotor läuft im Takt des Drehfelds — fast. Das Drehfeld dreht sich mit der Synchrondrehzahl, der Rotor bleibt durch den Schlupf etwas zurück. Die Synchrondrehzahl hängt von zwei Größen ab: der Netzfrequenz und der Polpaarzahl der Wicklung.

Die reale Drehzahl an der Welle liegt durch den Schlupf um wenige Prozent darunter:

Am festen 50-Hz-Netz steht die Frequenz fix. Wer die Drehzahl trotzdem ändern will, hat zwei Optionen: einen Frequenzumrichter — flexibel, aber teuer — oder eine Änderung der Polpaarzahl direkt im Motor. Eine veränderte Polpaarzahl liefert eine andere Synchrondrehzahl und damit eine andere Lastdrehzahl. Genau hier setzt die Polumschaltung an: Der Motor bekommt zwei verschiedene Polzahlen, die wahlweise eingeschaltet werden. Mit der Bauart „getrennte Wicklungen“ werden dafür zwei vollständig unabhängige Wicklungen im Stator untergebracht — jede mit einer eigenen Polpaarzahl.

Damit der Motor zwei verschiedene Polzahlen erzeugen kann, sitzen im Stator zwei vollständige Drehstromwicklungen. Beide liegen in denselben Nuten, sind aber elektrisch voneinander isoliert und magnetisch jeweils für ihre eigene Polzahl ausgelegt. Eine Wicklung erzeugt zum Beispiel ein vierpoliges Drehfeld, die andere ein achtpoliges — beide nutzen denselben Statorblock und denselben Rotor.

Der Rotor selbst ist ein gewöhnlicher Käfigläufer. Er passt sich automatisch an die jeweils erzeugte Polzahl an, weil der Kurzschlusskäfig kein eigenes festes Polmuster besitzt.

Diese Bauart erkauft sich Flexibilität mit Bauraum. Zwei vollwertige Wicklungen im selben Stator bedeuten mehr Kupfer, größere Nuten und damit insgesamt einen größeren Motor als ein normaler ASM mit nur einer Wicklung gleicher Leistung. Genau hier liegt der Unterschied zum Dahlandermotor: Beim Dahlander gibt es nur eine einzige Wicklung mit Anzapfungen, sodass die Polzahl durch Umschalten der Anschlüsse zwischen zwei festen Werten im Verhältnis 1:2 wechselt. Beim Motor mit getrennten Wicklungen sind die Polzahlen frei wählbar — zum Beispiel 4/6, 4/8 oder 6/8.

Wer einen polumschaltbaren Motor anschließt, sieht am Klemmenbrett sechs Klemmen in zwei Dreiergruppen. Jede Gruppe gehört zu einer Wicklung. Die Bezeichnungen folgen der internationalen Norm: Die Ziffer vor dem Buchstaben zeigt die Wicklung an, der Buchstabe die Phase.

Die interne Verschaltung jeder Wicklung — also ob die drei Stränge intern im Stern oder im Dreieck verschaltet sind — legt der Hersteller fest. Diese Information steht am Typenschild des Motors, üblicherweise als „Y/Y“ oder „Y/Δ“ je nach Wicklung. Anders als beim Standard-ASM, bei dem man am Klemmenbrett durch Umlegen von Brücken zwischen Stern und Dreieck wählen kann, ist die Schaltungsart hier fix vorgegeben. Die sechs herausgeführten Klemmen sind die direkten Anschlusspunkte der drei Stränge jeder Wicklung; der Sternpunkt (falls Stern) ist intern verbunden.

Für die Details zu Klemmenbrett-Bezeichnungen, Brücken und Standardanschlüssen — speziell beim einfachen Drehstrommotor — gibt es einen eigenen Beitrag zum Motoranschluss und Klemmenbrett. Hier reicht die Kernaussage: Bei getrennten Wicklungen findet keine Brückenwahl statt; das Klemmenbrett liefert sechs Anschlüsse, die direkt zu den Schützen führen.

Mit der Polpaarzahl jeder Wicklung lässt sich die jeweilige Synchrondrehzahl direkt berechnen. Bei einem 50-Hz-Netz ergeben sich die häufigsten Werte aus dieser Tabelle:

Daraus baut man die gewünschten Drehzahlpaare. Typische Kombinationen in der Praxis sind 2/4-polig (3000/1500), 4/6-polig (1500/1000), 4/8-polig (1500/750) und 6/8-polig (1000/750). Die untere Drehzahl der Tabelle ist immer die Synchrondrehzahl — die reale Lastdrehzahl liegt durch den Schlupf um wenige Prozent darunter.

Sowohl der Dahlandermotor als auch der polumschaltbare Motor mit getrennten Wicklungen erlauben zwei feste Drehzahlen ohne Frequenzumrichter. Trotzdem unterscheiden sie sich in mehreren Punkten erheblich:

Wer ein Drehzahlpaar im Verhältnis 1:2 braucht, fährt mit dem Dahlandermotor in der Regel günstiger und kompakter. Sobald andere Verhältnisse gefragt sind — etwa 1500/1000 1/min oder 1000/750 1/min — bleibt nur die Bauart mit getrennten Wicklungen.

Typische Anwendungen in der Praxis:

• Lüfter and Gebläse mit zwei festen Förderstufen
• Pumpen mit Tag- und Nachtbetrieb
• Förderbänder mit Eilgang und Schleichgang
• Aufzüge mit Eilgang und Schleichgang vor dem Stockwerk
• Werkzeugmaschinen-Spindeln mit zwei festen Drehzahlen
• Mischer und Rührwerke in der Lebensmittel- und Verfahrenstechnik

Zwei Wicklungen in einem Motorgehäuse erfordern ein paar Regeln, die in der täglichen Arbeit unbedingt sitzen müssen.

Nie beide Wicklungen gleichzeitig schalten. Das ist die wichtigste Regel. Liegen beide Wicklungen gleichzeitig am Netz, bauen sie konkurrierende Drehfelder unterschiedlicher Polzahl auf. Die Folgen sind hohe Querströme, massive Erwärmung und im schlimmsten Fall ein Wicklungsbrand innerhalb kurzer Zeit. In der Schützsteuerung ist deshalb eine elektrische und mechanische Verriegelung der beiden Schütze zwingend. Die konkrete Ausführung dieser Schaltung gehört in den eigenen Beitrag zur Schützschaltung polumschaltbarer Motoren mit getrennten Wicklungen.

Induzierte Spannung an der freien Wicklung. Solange eine Wicklung am Netz liegt, wirkt der Motor durch die magnetische Kopplung wie ein Transformator: In der nicht angeschlossenen, offenen Wicklung kann eine berührungsgefährliche Spannung induziert werden — je nach Bauart durchaus im Bereich der Netzspannung oder darüber. Wer am Motor arbeitet, muss daher beide Wicklungen sicher freischalten und nach den fünf Sicherheitsregeln vorgehen. Es reicht nicht, nur die gerade aktive Wicklung abzuschalten.

Drehrichtungsumkehr getrennt pro Wicklung. Will man die Drehrichtung wechseln, müssen pro Wicklung zwei Außenleiter getauscht werden. Eine korrekte Drehrichtung in einer Wicklung garantiert nicht automatisch die richtige Drehrichtung in der anderen — beim Einbau und der Inbetriebnahme beide Stufen separat prüfen.

Umschaltpause sinnvoll. Beim Wechsel zwischen den Wicklungen sollte der Rotor erst etwas auslaufen, bevor die andere Wicklung anzieht. Eine direkte Umschaltung unter voller Drehzahl erzeugt große Ausgleichsströme und mechanische Stöße. In Schützsteuerungen wird das meist durch ein Zeitrelais mit kurzer Pause realisiert.

Motorschutz für jede Wicklung getrennt. Die beiden Wicklungen nehmen unterschiedliche Ströme auf — die langsame Wicklung mit höherer Polzahl typischerweise einen anderen Nennstrom als die schnelle. Pro Wicklung wird daher ein eigener Motorschutzschalter oder ein eigenes Motorschutzrelais vorgesehen, jeweils auf den Nennstrom der zugehörigen Wicklung eingestellt.