1 Einleitung Asynchronmotoren sind typische konventionelle Wechselstrommotoren. Seit der Erfindung moderner Wechselstrom-Drehzahlregelungstechnik wurde die Antriebstechnik für Asynchronmotoren intensiv erforscht und weiterentwickelt. Diese Studien konzentrierten sich jedoch hauptsächlich auf die Forschung und Entwicklung von Umrichtertopologien und Regelalgorithmen, während sich die Konstruktion und Analyse von Asynchronmotoren nicht wesentlich verändert hat. Derzeit werden in China hauptsächlich Asynchronmotoren der Y-Serie eingesetzt, die Ende der 1970er Jahre entwickelt wurden und primär für Konstantfrequenz- und Konstantspannungsversorgung ausgelegt sind. Unter Umrichterversorgung sinken die stationären Eigenschaften dieser Motoren, wie Wirkungsgrad, Leistungsfaktor und Leistungsdichte, und die Motorisolation, das Geräuschverhalten und andere Fehlerzustände verschlechtern sich tendenziell. Daher ist es unerlässlich, die Konstruktion von Asynchronmotoren in Systemen mit variabler Drehzahlregelung zu überdenken. 2 Betriebsbedingungen von Motoren unter variabler Frequenzversorgung Unter Umrichterversorgung haben sich die Betriebsbedingungen von Asynchronmotoren deutlich verändert, und herkömmliche Konstruktions- und Analysemethoden für Asynchronmotoren sind nicht mehr geeignet. Die grundlegenden Konstruktionsmerkmale konventioneller Asynchronmotoren sind: (1) Erfüllung der erforderlichen Anlaufeigenschaften; (2) stabiler Betrieb; (3) einfache Fertigung. Um die Anlaufanforderungen zu erfüllen, werden die Rotornuten typischerweise als tiefe Nuten oder Doppel-Kurzschlussläufernuten ausgeführt. Dabei wird der Skin-Effekt genutzt, um den Rotorwiderstand beim Anlauf zu erhöhen und so das Anlaufdrehmoment zu verbessern. Dies verschlechtert jedoch die Eigenschaften des Motors im stabilen Normalbetrieb (z. B. reduzierter Wirkungsgrad und Leistungsfaktor) und erschwert die Fertigung. Bei Asynchronmotoren, die mit Frequenzumrichtern betrieben werden, lässt sich die mechanische Kennlinie durch die einfache Frequenz- und Spannungsanpassung gezielt verschieben. Bei sinkender Frequenz verschiebt sich die Kennlinie nach links, bei steigender Frequenz nach rechts. Dies führt zu neuen Veränderungen im Motorbetrieb, die sich hauptsächlich in folgenden Aspekten zeigen: 1) Mit sinkender Versorgungsfrequenz verschiebt sich die mechanische Kennlinie des Motors nach links. Dadurch kann das maximale Drehmoment durch Frequenzanpassung direkt als Anlaufdrehmoment genutzt werden, wodurch die Rotornutgestaltung optimiert und der stabile Betrieb verbessert wird. 2) Durch geeignete Frequenz- und Spannungsanpassungen mittels des Frequenzumrichters kann der Asynchronmotor auf den optimalen Betriebspunkt eingestellt werden, d. h. minimaler Schlupf, maximaler Wirkungsgrad und hoher Leistungsfaktor erreicht werden. So können bei konstanter Ausgangsleistung maximaler Wirkungsgrad und hoher Leistungsfaktor den Nennwirkungsgrad und den Nennleistungsfaktor ersetzen, wodurch Motorgröße, -gewicht und -kosten reduziert werden. 3) Durch die Anpassung von Frequenz und Spannung des Umrichters kann eine Vektorregelung des Asynchronmotors durchgeführt werden. Bei ausreichendem Luftspaltmagnetfeld kann der minimale Erregerstrom erreicht und gleichzeitig der Leistungsfaktor und der Wirkungsgrad des Motors verbessert werden. 3. Konstruktionsüberlegungen Um die variablen Frequenz- und Spannungsversorgungsbedingungen des Umrichters optimal zu nutzen, das Potenzial des Motors auszuschöpfen, seine Leistung zu verbessern und seine Herstellungs- und Betriebskosten zu senken, wurden seit den 1990er Jahren schrittweise Konstruktions- und Analysemethoden für umrichtergespeiste Asynchronmotoren entwickelt. Diese lassen sich in den folgenden fünf Punkten zusammenfassen: 1) Die Konstruktion sollte eine optimale Auslegung für einen Betriebsbereich sein und nicht eine herkömmliche Auslegung für den Nennbetriebspunkt. Herkömmliche Motoren sind auf den Nennbetriebspunkt ausgelegt, um die optimale Nennleistung zu erzielen. Bei drehzahlgeregelten Motoren mit variabler Frequenz arbeitet der Motor jedoch häufig in einem bestimmten Bereich. Daher reicht die optimale Nennleistung allein nicht aus; vielmehr ist ein gutes Betriebsverhalten innerhalb dieses Bereichs entscheidend. 2) Neben der angestrebten hohen Effizienz muss bei der Motorauslegung auch ein hoher Leistungsfaktor berücksichtigt werden. Herkömmliche Motoren konzentrieren sich primär auf hohe Effizienz und vernachlässigen dabei einen hohen Leistungsfaktor. Tatsächlich hat der Leistungsfaktor in drehzahlgeregelten Systemen mit variabler Frequenz einen signifikanten Einfluss auf das System, insbesondere auf den Betriebszustand des Frequenzumrichters. Ein niedriger Leistungsfaktor erfordert einen Frequenzumrichter mit höherer Kapazität, reduziert die Systemeffizienz und erhöht die Oberwellenanteile. 3) Die interne räumliche Magnetfeldverteilung des Motors sollte optimal an den Strom-Zeit-Verlauf angepasst sein, um Oberwellenanteile zu reduzieren. Es wird allgemein angenommen, dass der Einsatz von Frequenzumrichtern die elektromagnetischen Oberwellen im Motor erhöht, hauptsächlich aufgrund der Zunahme von Spannungs- und Strom-Zeit-Oberwellen durch die Schaltvorgänge des Frequenzumrichters. Tatsächlich können die durch die Anordnung der Stator- und Rotornuten im Motor erzeugten räumlichen Magnetfeld-Zahnharmonischen unter bestimmten Bedingungen die Strom-Zeit-Harmonischen kompensieren. Daher sollte die Auslegung von Anzahl, Nuttyp und Größe der Stator- und Rotornuten mit der Reduzierung der Magnetfeld-Harmonischenkomponenten kombiniert werden. 4) Optimierung der Stator- und Rotornuttypen von Motoren. Da drehzahlgeregelte Motoren die Anforderungen an das Anlaufverhalten durch variable Frequenz- und Spannungsregelung erfüllen können, werden die Auslegungsbeschränkungen für das Anlaufverhalten im traditionellen Motordesign gelockert. Im traditionellen Rotornutdesign wird zur Erfüllung der Anlaufanforderungen häufig der Rotoranlaufwiderstand durch Erhöhung des Rotorstrom-Quetscheffekts beim Anlauf erhöht, wodurch das Anlaufdrehmoment steigt. Daher verwenden traditionelle Motoren mit hohen Anforderungen an das Anlaufverhalten im Allgemeinen Doppelkäfigläufer oder Tiefnutrotoren. Diese Nutform erhöht die Streuinduktivität und den Rotorwiderstand und reduziert den Leistungsfaktor und den Wirkungsgrad im stabilen Betrieb. Im Gegensatz dazu wird bei der Auslegung von drehzahlgeregelten Motoren (FU) die Rotornutform primär so gewählt, dass Leistungsanforderungen wie Wirkungsgrad und Leistungsfaktor im stabilen Betrieb erfüllt werden. Daher sollten Rotorwiderstand und Streureaktanz so gering wie möglich ausgelegt werden. Die Rotornutform kann für optimale Leistung im stabilen Betrieb optimiert werden. 5) Richtig ausgelegte Frequenzumrichtermotoren erreichen hohe Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz. Bei Asynchronmotoren, die von einem Frequenzumrichter gespeist werden, kann das System nach dem Ausfall einer oder zweier Phasen durch entsprechende Regleranpassung und optimierte Motorauslegung den Normalbetrieb aufrechterhalten. Zwar führt der einphasige Betrieb nach einem Fehler zu einer Verringerung der Leistungskennzahlen, jedoch werden immer noch akzeptable Betriebsfähigkeiten erreicht. Insbesondere beim einphasigen Betrieb nach einem Fehler müssen neben der Stromanpassung mittels Regler auch die Motorauslegungsparameter berücksichtigt werden. Dank der genannten neuen Auslegungsstrategien erzielt die neue Asynchronmotorauslegung eine Volumenreduzierung von 25–30 % und eine Steigerung der Leistungsdichte um 25–30 % bei gleichbleibender Leistung. Darüber hinaus steigt der durchschnittliche Wirkungsgrad im Drehzahlbereich um 3 % und der durchschnittliche Leistungsfaktor um 4 %, wodurch sich das Anwendungsgebiet von Asynchronmotoren deutlich erweitert. Sie werden zunächst in wichtigen Anwendungen wie der Drehzahlregelung von Lüftern und Pumpen weit verbreitet sein. 4. Weiterentwicklung der drehzahlgeregelten Motorenkonstruktion mit variabler Frequenz: In den letzten zehn Jahren hat die Forschung zur Konstruktion von Asynchronmotoren mit Frequenzumrichtern stetig zugenommen. Diese Forschung umfasst: die Berücksichtigung der Motorkonstruktion unter leistungselektronischer Steuerung, die Erstellung von Hochfrequenzmodellen des Motors und des Systems sowie das Verständnis des komplementären Zusammenhangs zwischen elektromagnetischer Raumstruktur und Regelungszeit. 1991 organisierte das IEEE eine Sonderuntersuchung zur Entwicklung neuer Industriestandards für Wechselstrommotoren mit variabler Frequenz. Der Untersuchungsbericht wies darauf hin, dass bei Systemen mit variabler Frequenz aufgrund der nicht-sinusförmigen Stromversorgung die auf der Grundfrequenz basierenden Grundformeln für die Motorkonstruktion geändert werden müssen und die Auslegungsformeln für die Hauptabmessungen den Einfluss von Oberschwingungen berücksichtigen sollten. Bezüglich der Leistungsfähigkeit von Motoren mit variabler Drehzahlregelung kommt der Bericht zu dem Schluss: Unter der Stromversorgung durch Frequenzumrichter ist die elektromagnetische Lastverteilung von Asynchronmotoren tendenziell effizienter, die Verluste der Asynchronmotoren werden reduziert, und somit kann die Leistungsdichte der Asynchronmotoren erhöht werden. Im System mit variabler Drehzahlregelung kann der Motor bei konstantem Gewicht 30 % bis 40 % mehr Leistung abgeben. Referenz [4] schlägt darüber hinaus das Konzept eines integrierten Systems aus Leistungselektronik und Motor vor und argumentiert, dass die Auslegung und Analyse von Asynchronmotoren unter Frequenzumrichterversorgung ein Systemproblem darstellt, das sowohl den Motor als auch den Leistungselektronik-Frequenzumrichter und dessen Regelungsmethode berücksichtigen muss. Die wichtigsten Systemmerkmale lassen sich wie folgt zusammenfassen: Integration, d. h. Leistungselektronik, Motor und Regelungssystem sind hochgradig integriert, sodass die drei Komponenten von der Auslegung über die Fertigung bis zum Betrieb eng miteinander verbunden sind; Intelligenz, d. h. die großflächige Einführung und Anwendung adaptiver, Fuzzy-, neuronaler Netz- und verschiedener KI-basierter Regelungsverfahren auf Basis genetischer Algorithmen. Generalisierung bedeutet, dass dasselbe System verschiedene Steuerungsmethoden für unterschiedliche Motortypen und Betriebsarten implementieren kann; Informatisierung bedeutet, dass das Motorsystem nicht nur ein Gerät zur Energieumwandlung und -übertragung, sondern auch ein Kanal zum Informationsaustausch ist. Auf dieser Grundlage wurde ein umfassendes Softwarepaket zur computergestützten Konstruktion und Visualisierung von Asynchronmotoren unter Frequenzumrichterversorgung entwickelt. Dieses Softwarepaket wird bereits praktisch eingesetzt und bietet ein effektives Werkzeug für die Konstruktion und Analyse von frequenzumrichtergespeisten Asynchronmotoren.