EM-P Asynchronmaschine.pdf - Elektrotechnik

Elektrische Maschinen und 

Leistungselektronik 

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Oberschelp 

„Elektrische Maschinen“ Fachbereich Elektrotechnik 

Gliederung 

1 Verwendung 

2 Aufbau 

Laborversuch EM4 

Drehstromasynchronmaschine 

3 Grundlagen und Wirkungsweise 

3.1 Erzeugung eines Drehfeldes 

3.2 Induktionswirkung im Läufer 

3.3 Ersatzschaltbild 

3.4 Leistungen und Drehmoment 

3.5 Stromortskurve 

4 Betriebsverhalten 

4.1 Betriebskennlinien 

4.2 Drehzahlverstellung 

4.3 Stromverdrängungsläufer 

4.4 Reversiervorgang 

4.5 Praktische Betriebsbedingungen 

5 Versuchsdurchführung 

5.1 Schaltbild und Stückliste 

5.2 Beschreibung des Versuchsaufbaus 

5.3 Aufgabenstellung 

6 Testfragen 

7 Literatur 

Versuch EM4/Vers. 02/05 Asynchronmaschine Seite: 1

Labor für elektrische Maschinen und Leistungselektronik Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Oberschelp 

1 Verwendung 

Zwei Drittel aller elektrischen Maschinen sind Asynchronmaschinen. Betrachtet man 

nur die Motoren, liegt der Anteil noch höher. Die große Verbreitung liegt darin begründet, 

dass der Asynchronmotor mit Käfigläufer die betriebssicherste und wartungsärmste 

elektrische Maschine bei gleichzeitig niedrigen Herstellkosten ist. Die 

Asynchronmaschine kann direkt am Wechsel- bzw. Drehstromnetz betrieben werden. 

Nachteilig ist bei den Asynchronmotoren, dass sie am 50Hz-Netz nur eine maximale 

Drehzahl von 3000 min -1 ermöglichen und eine freizügige Drehzahlverstellung 

nur mit aufwendigen Stellgliedern oder Verlustenergie verbunden ist. Die moderne 

Leistungselektronik erlaubt mit Frequenzumrichtern eine dynamische Drehzahlverstellung 

auch für einen hohen Drehzahlbereich bis ca. 30.000min -1 . 

Für Leistungen zwischen 0,1 W und 500W werden Asynchronmotoren mit einphasigem 

Ständerwicklungsanschluss für 230V gebaut. Darüber herrscht der Drehstromasynchronmotor 

mit Nennspannungen von 400V, 500V, 690V oder 6600V vor. 

Ab 400kW wird vielfach Hochspannung gewählt. Bei größten Leistungen bis etwa 

30MW wird der Asynchronmotor mit Schleifringläufer eingesetzt, z.B. bei Pumpen- 

und Lüfterantrieben sowie bei Netzkupplungsumformern der Bahn. Asynchronmotoren 

kleinerer und mittlerer Leistung werden wegen der großen Serien mit standardisierten 

Abmessungen hergestellt (Normmotor). Sie werden eingesetzt für alle Antriebe, 

die eine konstante Drehzahl erfordern, z.B. für Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren, 

Werkzeugmaschinen. Wickelt man den Asynchronmotor in eine Ebene ab, 

kommt man zum sog. Linearmotor, der seine Vorzüge beim geradlinigen Antriebsproblem 

aufweist. 

Im vorliegenden Versuch wird die Dreiphasen-Asynchronmaschine untersucht. Erst 

die Kenntnis dieser Maschine ermöglicht das Verständnis der hier nicht behandelten 

Einphasen-Asynchronmaschinen. 

2 Aufbau 

Im Bild 1 ist der Aufbau einer zweipoligen Drehstromasynchronmaschine dargestellt. 

Der Aufbau des Drehstromständers ist grundsätzlich derselbe wie bei einer Synchronmaschine. 

Das aktive Eisen des Ständers und des Läufers ist zur Reduzierung 

der Wirbelströme aus Blechen zusammengesetzt (Ständer- und Läuferblechpaket). 

Das Ständerblechpaket trägt in den Nuten eine symmetrische Drehstromwicklung, 

die das umlaufende Drehfeld erregt. Die drei Stränge der Drehstromwicklung können 

im Stern oder Dreieck geschaltet werden. 

Für den Läufer sind zwei Ausführungsformen möglich: 

(1) Der Schleifringläufer enthält eine ähnliche Drehstromwicklung wie der Ständer. 

Die drei Anschlüsse der in Stern geschalteten Wicklung werden zu Schleifringen 

auf der Welle geführt. Über drei Bürsten kann somit die rotierende Läuferwicklung 

z.B. mit ruhenden Widerständen verbunden werden. 

(2) Beim Käfig- oder Kurzschlußläufer ist die Läuferwicklung nicht mehr zugänglich. 

Die Nuten sind mit Profilstäben aus einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung ausgefüllt, 

welche an den Enden über zwei Kurzschlußringe miteinander verbunden 



sind. Bei kleinen Maschinen werden die Läuferkäfige im Spritzgussverfahren hergestellt. 

Bild 1 Grundaufbau einer 2-poligen Drehstromasynchronmaschine 

3 Grundlagen und Wirkungsweise 

Die Wirkung der Asynchronmaschine beruht darauf, dass ein von den Ständerströmen 

erregtes Drehfeld in der Läuferwicklung Spannungen induziert. Die daraufhin in 

der kurzgeschlossenen Läuferwicklung fließenden Ströme erzeugen zusammen mit 

dem Ständerdrehfeld das Drehmoment der Maschine. Wegen dieser Induktionswirkung 

heißt die Asynchronmaschine auch Induktionsmaschine. 

Eine Spannungsinduktion im Läufer und damit das Drehmoment kommen immer 

dann zustande, wenn zwischen dem durch die Netzfrequenz fest vorgegebenen 

Ständerdrehfeld und dem Läufer eine Relativdrehzahl vorhanden ist, wenn der Läufer 

asynchron zum Drehfeld umläuft (Asynchronmaschine!). 

Auf die vollständige Ableitung der Spannungsgleichungen für die Asynchronmaschine 

muss hier verzichtet werden. Da es sich um ähnliche Verhältnisse wie bei einem 

sekundär kurzgeschlossenen Transformator handelt, kann eine Reihe von Ergebnissen 

aus Versuch EM1 übernommen werden. Lediglich die Relativbewegung der 

Wicklungen zueinander ist zusätzlich zu berücksichtigen. Wegen der Symmetrieverhältnisse 

ist es hinreichend, für Ströme und Spannungen (Ersatzschaltbild und Stromortskurve) 

nur einen Strang zu betrachten. Bei der Ermittlung der Leistungen und 

des Drehmomentes sind jedoch alle drei Stränge der Maschine zu berücksichtigen. 

3.1 Erzeugung eines Drehfeldes 

Wesentlich für die Behandlung elektrischer Maschinen ist der Induktionsverlauf im 

Luftspalt. Rotiert ein geeignet geformter Permanentmagnet oder ein mit Gleichstrom 

erregter Elektromagnet in der Bohrung des Ständers, so entsteht im Luftspalt ein 

räumlich sinusförmig verteiltes Feld nach Bild 2. Die Drehzahl dieses Drehfeldes ist 

gleich der mechanischen Drehzahl des Läufers. Diese Drehfelderzeugung durch ein 

Polrad wird bei der Synchronmaschine verwendet. 



Bf( ) 

a) b) 

Bild 2 Drehfelderzeugung durch ein Polrad 

a) Schnitt durch die Maschine 

b) Feldverlauf im Luftspalt (Grundwelle) 

Bei der Asynchronmaschine wird das Drehfeld durch die im Ständer ruhende Wicklungsanordnung 

erregt. Das Prinzip besteht darin, dass in den drei räumlich um je 

120° versetzten Spulen drei zeitlich um je 120° phasenverschobene Ströme fließen. 

Zu jedem Zeitpunkt erzeugen die drei Ströme in den drei Spulen eine Durchflutungsverteilung 

nach Bild 3, die jeweils ein resultierendes Magnetfeld erregt. Dabei entsteht 

das gleiche umlaufende Magnetfeld (Drehfeld) wie es auch von einem rotierenden 

Polrad zeugt wird. Um im Luftspalt einen möglichst sinusförmigen Feldverlauf zu 

erhalten, muss jeder der drei Wicklungsstränge aus mehreren, jeweils räumlich gegeneinander 

versetzten Spulen bestehen. 

Aus der Darstellung in Bild 3 lässt sich erkennen, dass das Feld während der Dauer 

einer Periode des Netzstromes T=1/f1 eine volle Umdrehung macht. Die Frequenz 

dieses räumlichen Umlaufs, im folgenden Drehfelddrehzahl nd genannt, ist also 

gleich der elektrischen Frequenz f1. Wiederholt sich allerdings die zweipolige Grundanordnung 

nach Bild 1 und Bild 3b mehrfach am Umfang, so läuft das Drehfeld entsprechend 

der höheren Polpaarzahl p langsamer. 

n 

f 

p 

0 

Versuch EM4/Vers. 02/05 Asynchronmaschine Seite: 4 

2 

1 

d = . (1) 

3 

2 

2


Bild 3 Erzeugung eines Drehfeldes durch eine Drehstromwicklung 

a) Zeitlicher Verlauf der drei Strangströme 

b) Wicklungsstränge mit Zählpfeilfestlegung der drei Strangströme 

c) Sternschaltung der drei Wicklungsstränge 

d) Resultierende Durchflutungs- und Feldverteilung für drei Zeitaugenblicke 

3.2 Induktionswirkung im Läufer 

Das oben beschriebene Drehfeld wird durch Anschluss der Ständerwicklung an das 

Drehstromnetz erreicht. In diesem Drehfeld dreht sich der Läufer. Den relativen Unterschied 

zwischen der Drehfelddrehzahl nd und der Läuferdrehzahl n bezeichnet 

man als Schlupf 

s 

n − n 

n 

d = bzw. n (1 s) nd 

d 

= − ⋅ . (2) 



Da nd konstant ist, kann der Schlupf s als eine andere Darstellungsform der Drehzahl 

n angesehen werden. 

Bild 4 Spannungsinduktion im Läufer 

a) Schleifringläufer mit offener Läuferwicklung 

b) Läuferspannung und Läuferfrequenz bei verschiedenen Betriebsbereichen 

Um die Induktionswirkung zu erkennen, wird zunächst eine Schleifringläufermaschine 

mit offenen Schleifringen nach Bild 4 betrachtet, die extern mit der Drehzahl n angetrieben 

wird. Steht der Läufer still (s=1), läuft das Drehfeld mit der Drehfelddrehzahl 

nd über den Läufer hinweg. Es wird in der Läuferwicklung die so genannte Läuferstillstandsspannung 

U2St mit der Frequenz f2St=f1 induziert. Dreht der Läufer mit 

der Drehfelddrehzahl, steht er relativ zum Drehfeld still (Synchronlauf s=0). Es wird 

keine Spannung im Läufer induziert. Für alle anderen Drehzahlen kommt es auf die 

Relativdrehzahl zwischen Drehfeld und Läufer an. 

U2 = s ⋅ U2St 

und f2 = s ⋅ f2St 

. (3) 

Wird die Läuferwicklung kurzgeschlossenen, können dort Ströme fließen, die zusammen 

mit dem Drehfeld das Drehmoment der Maschine bilden. 

3.3 Ersatzschaltbild 

Die stillstehende, belastete Asynchronmaschine zeigt prinzipiell das gleiche Verhalten, 

wie ein Transformator im Kurzschluss (U´2=0). Um ihr Verhalten am Netz zu beschreiben, 

kann das Ersatzschaltbild vom Transformator übernommen werden. Dabei 

müssen die Läufergrößen auf die effektive Ständerwindungszahl umgerechnet 

sein. Beachtet man zusätzlich, dass bei laufender Maschine im Läuferkreis eine von 

der Ständerfrequenz abweichende Frequenz f2 = s ⋅ f1 

auftritt, so können die Spannungsgleichungen 

der Asynchronmaschine angegeben werden: 

U = R ⋅ I + jω ⋅L ⋅ I + jω ⋅L ⋅ (I + I ′ ) 

(4) 

1 1 1 1 1σ 1 1 1h 1 2 

(U ′ = ) 0 = R′ ⋅ I′ + jsω ⋅L′ ⋅ I′ + jsω ⋅L ⋅ (I + 

I ′ ) 

2 2 2 1 2σ 2 1 1h 1 2 



R1 und R2 sind die ohmschen Widerstände, L1σ und L2σ die Streuinduktivitäten der 

beiden Wicklungen. L1h ist die Hauptinduktivität. Nach Division durch den Schlupf s 

erhält man die Spannungsgleichungen in einer Form, die das Aufzeichnen der Ersatzschaltung 

nach Bild 5 ermöglichen. 

U = R ⋅ I + jX ⋅ I + jX ⋅ (I + I ′ ) 

(5) 

1 1 1 1σ 1 1h 1 2 

R′ 

s 

′ ′ ′ ′ 

2 0 = ⋅ I 2 + jX 2σ ⋅ I 2 + jX 1h ⋅ (I1 + I 2) 

Bild 5 Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine 

Der einzige Unterschied zur Transformator-Ersatzschaltung besteht darin, dass der 

Läuferwiderstand R´2 durch den von der Drehzahl abhängigen Schlupf s dividiert 

wird. Wie beim Transformator können die Eisenverluste in der Maschine durch einen 

ohmschen Widerstand RFe parallel zur Hauptreaktanz X1h berücksichtigt werden. 

3.4 Leistungen und Drehmoment 

Auf die Berechnung des Drehmoments durch Aufsummieren der auf die Läuferleiter 

ausgeübten Kräfte soll hier verzichtet werden. Es lässt sich auch über die Leistungsbilanz 

in der Maschine ermitteln. 

Die gesamte von den drei Ständersträngen aus dem Netz aufgenommene Wirkleistung 

beträgt: 

P1 = 3 ⋅U1 ⋅I1 ⋅cos ϕ. (6) 

Werden anstatt der Stranggrößen die Leitergrößen eingesetzt, so gilt sowohl für 

Dreieck- als auch für Sternschaltung: 

P1 = 3 ⋅U ⋅I ⋅cos ϕ . (7) 

Die Kupferverluste in der Ständerwicklung betragen: 

P = 3 ⋅R ⋅ I 

(8) 

Cu1 1 

2 

1 



Zieht man die Kupferverluste PCu1 und die Eisenverluste PFe von der aufgenommenen 

Wirkleistung ab, so erhält man die vom Ständer über den Luftspalt auf den Läufer 

übertragene Leistung, die Luftspaltleistung bzw. Drehfeldleistung: 

Ständer 

Luftspalt 

Läufer 

Pd = P1 − PCu1 − PFe 

(9) 

P1 

Pd 

Pmech 

Bild 6 Leistungsbilanz der Asynchronmaschine 

Diese Luftspaltleistung wird in dem Läuferwiderstand 2 R′ 

s 

2 2 

Pd 3 I 2 

Zieht man die Kupferverluste in der Läuferwicklung 

PCu2 


PR 

PFe 

umgesetzt: 

PCu1 

R′ 

= ⋅ ⋅ ′ . (10) 

s 

P = 3 ⋅R′ ⋅ I′ = s ⋅ P . (11) 

2 

Cu2 2 2 d 

ab und vernachlässigt man die Reibungsverluste PR, so erhält man für die abgegebene 

mechanische Leistung: 

Pmech = Pd − P Cu2 = (1− s) ⋅ Pd 

. (12) 

Mit Hilfe der mechanischen Leistungsgleichung 

Pmech = M⋅ Ω = M⋅ 2 ⋅ π ⋅ n . (13) 

lässt sich unter Verwendung von Gl. (2) und (12) eine Beziehung für das Drehmoment 

angeben: 

P mech (1− s) ⋅Pd 

Pd 

M = = = . (14) 

Ω (1− s) ⋅ Ω Ω 

d d


Da die Drehfeldwinkelgeschwindigkeit Ω d = 2 ⋅ π ⋅ nd 

festliegt, ist das an der Welle verfügbare 

Drehmoment in jedem Betriebszustand der Maschine immer der Luftspaltleistung 

Pd proportional. 

Zur Ermittlung der Drehzahl-Drehmoment-Abhängigkeit ist zunächst der in Gl. (10) 

vorhandene Strom I´2 aus dem Ersatzschaltbild nach Bild 5 zu berechnen. Ein prinzipiell 

richtiges Ergebnis erhält man, wenn zur Vereinfachung in der Ersatzschaltung 

der Ständerwiderstand R1 und der Magnetisierungsstrom Iµ nach Bild 7 vernachlässigt 

werden. 

U1 

Bild 7 Vereinfachte Ersatzschaltung 

I1 

R´2 

X1 X´2 s 

Für den Betrag des Stromes gilt mit Xσ = X1σ+X´2σ: 

I′ 

≈ 

2 

U 

1 

2 

⎛ R′ 

2 ⎞ 

+ 

⎜ 

s 

⎟ 

⎝ ⎠ 

Damit ergibt sich für die Luftspaltleistung nach Gl. (10) 

P 

d 

X 

2 

σ 

2 

3 ⋅U1 

1 

= ⋅ 

X R′ 

2 s ⋅ X 

σ + 

s ⋅ X R′ 

bzw. für das Drehmoment nach Gl. (14) 

2 

3 ⋅U1 

1 

M = ⋅ 

Ω R 

d ⋅ X ′ 2 s ⋅ X 

σ + 

s ⋅ X R′ 

σ 

σ 


I´2 

. (15) 

2 

σ 

2 

σ 

. (16) 

. (17) 

Wird diese Gleichung nach dem Schlupf s differenziert, so findet man das maximale 

Drehmoment (Kippmoment) 

M 

beim so genannten Kippschlupf 

k 

2 

3 ⋅U1 

= . (18) 

Ωd ⋅ 2 ⋅ Xσ


s 

R′ 

Xσ 2 

k = . (19) 

Mit diesen Bezugswerten lässt sich schließlich die Drehzahl- und Drehmomentabhängigkeit 

der Asynchronmaschine in der Kloss´schen Formel nach Bild 8 angeben. 

M 2 

= . (20) 

M s s 

k 

K + 

s s 

K 

Bild 8 Verlauf des Drehmoments nach der Kloss´schen Formel 

3.5 Stromortskurve (Kreisdiagramm) 

In der Ersatzschaltung nach Bild 5 ist der Ständerstrom I1 der Asynchronmaschine 

bei fester Klemmenspannung U1 und konstanten Widerständen und Reaktanzen nur 

eine Funktion des Schlupfes s. Mit Hilfe der Ortskurventheorie lässt sich zeigen, dass 

die Zeigerspitze I1 = f(s) einen Kreis in allgemeiner Lage nach Bild 9 beschreibt. Anhand 

dieser Stromortskurve lassen sich die Betriebsbereiche sowie die Leistungsaufteilung 

der Asynchronmaschine gut darstellen. 

Der Leerlaufstrom I10 bei s=0 besteht im Wesentlichen aus dem induktiven Magnetisierungsstrom 

Iµ. Die ohmsche Komponente deckt hauptsächlich die Eisenverluste 

PFe. Zur Abgabe eines Drehmomentes muss ein Läuferstrom I´2 fließen, der auf 

Grund des Durchflutungsgleichgewichtes jeweils einen entsprechenden Ständerstrom 

erzeugt. Da der Nennstrom einen möglichst geringen Blindanteil haben soll, 

liegt der Nennpunkt (s=sN) etwa dort, wo der Stromzeiger I1 die Ortskurve tangiert. Im 

Stillstand (s=1) fließt der relativ große, stark induktive Stillstands- oder Anlaufstrom 

I1A. 

Die abgegebene mechanische Leistung ist im Leerlauf und im Stillstand Null, dazwischen 

ist sie in guter Näherung der Strecke AB proportional. Da für den beliebigen 

Betriebspunkt A die Strecke AE die gesamte vom Netz aufgenommene Wirkleistung 



P1 darstellt, entspricht die Strecke BE den Verlusten in der Maschine. Sowohl im 

Leerlauf (I´2=0) als auch im Punkt 

2 R′ 

s = ∞ 

⎛ 

0 

⎞ 

⎜ = 

s ⎟ wird keine Drehfeldleistung auf 

⎝ ⎠ 

den Läufer übertragen. Dazwischen ist die Drehfeldleistung und mit ihr das Drehmoment 

der Strecke AC proportional. 

Bild 9 Kreisdiagramm der Asynchronmaschine 

Betriebsbereiche: 0


4 Betriebsverhalten 

Das Ersatzschaltbild, die Kloss´sche Formel und die Stromortskurve beschreiben das 

grundsätzliche Verhalten der Asynchronmaschine. Für den praktischen Betrieb sind 

jedoch weitere Zusammenhänge zu beachten. Dabei treten zum Teil stärkere Abweichungen 

gegenüber der grundlegenden Theorie auf. 

4.1 Betriebskennlinien 

Für den üblichen Motorbetrieb lassen sich die in Bild 10 dargestellten Kennlinien angeben. 

Mit zunehmender Maschinenleistung nimmt der Nennschlupf sN ab, er liegt 

bei Werten zwischen 1 und 6%. Der Kippschlupf sk hat etwa den 5-fachen Wert von 

sN. Die kurzzeitige Überlastbarkeit des Motors wird durch das Verhältnis Mk/MN angegeben 

und liegt zwischen 2 und 3. Insbesondere bei Asynchronmaschinen mit Käfigläufer 

weicht der Momentenverlauf jenseits des Kippschlupfes von der 

Kloss´schen Formel ab (Stromverdrängung, Eisenquerströme). Neben dem Anlaufmoment 

MA muss bei Lastanlauf noch das Sattelmoment MS beachtet werden. Der 

Leerlaufstrom I10 liegt etwa bei 30 bis 60% des Nennstromes. Er ist gegenüber dem 

Transformator deshalb so groß, weil bei der Asynchronmaschine zusätzlich der Luftspalt 

zu magnetisieren ist. Zum Stillstand hin steigt der Ständerstrom stark an. Als 

Anlaufstrom I1A tritt etwa der 4- bis 7-fache Nennstrom auf. 

Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie zeigt im Bereich zwischen Leerlauf und Nennlast 

ähnlich wie bei der Gleichstromnebenschlussmaschine einen flach abfallenden 

Verlauf (Nebenschlussverhalten). Während der Wirkungsgrad bei Teillast noch gut 

ist, sinkt der cosϕ rascher ab. 

Bild 10 Betriebskennlinien der Asynchronmaschine 

a) Verlauf von Drehmoment und Ständerstrom im Motorbetrieb 

b) Belastungskennlinien zwischen Leerlauf und Nennlast 



4.2 Drehzahlverstellung 

Zur Drehzahlverstellung gibt es eine Reihe von Möglichkeiten. Sie sind jedoch entweder 

stark verlustbehaftet oder mit erheblichem Aufwand verbunden. Eine Übersicht 

erhält man aus der Grundgleichung 

( ) 1 f 

n = 1− s . (20) 

p 

Eine stufige Drehzahlverstellung kann durch eine Umschaltung der Polpaarzahl p in 

der Ständerwicklung nach Bild 11a erzielt werden. 

Eine stetige Drehzahlverstellung kann durch kontinuierliche Veränderung der Ständerfrequenz 

f1 nach Bild 11b, über einen Frequenzumrichter erfolgen. Der Aufwand 

für den Umrichter ist allerdings beträchtlich. 

Wesentlich einfacher ist eine Verstellung der Ständerspannungsamplitude nach Bild 

11c zu erreichen. Da jedoch die Leerlaufdrehzahl unverändert bleibt und das Kippmoment 

mit der Spannung quadratisch zurückgeht, ist die Steuerung nur begrenzt 

einzusetzen. 

Steht eine Asynchronmaschine mit Schleifringläufer zur Verfügung, lassen sich die 

Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien durch Einschalten von Läufervorwiderständen R2V 

zusätzlich zum inneren Wicklungswiderstand R2 nach Bild 11d verschieben. Eine 

Berechnungsformel lässt sich leicht aus Gl. (17) ableiten: 

Dasselbe Drehmoment tritt ohne Vorwiderstand beim Schlupf s, mit Vorwiderstand 

dagegen beim Schlupf sV auf: 

R2 R2 + R2V 

= . (21) 

s s 

V 

Sowohl bei der Spannungssteuerung als auch bei der Vorwiderstandsteuerung handelt 

es sich nach Gl. (20) um eine Schlupfsteuerung. Mit zunehmendem Schlupf 

nehmen dabei die Verluste im Läuferkreis PCu2 stark zu, der Wirkungsgrad wird 

schlechter. Eine weitgehend verlustlose Schlupfsteuerung erhält man, wenn die im 

Rotorkreis anfallende elektrische Leistung nicht in Verlustwärme umgesetzt wird, 

sondern über einen Umrichter ins Netz zurückgespeist wird (Untersynchrone Stromrichterkaskade). 



Bild 11 Drehzahlverstellung 

a) Polumschaltung 

b) Einstellung der Ständerfrequenz über einen Frequenzumrichter 

c) Spannungssteuerung 

d) Steuerung durch Läufervorwiderstände 

4.3 Stromverdrängungsläufer 

Durch geeignete Form des Stabquerschnittes lassen sich bei der Asynchronmaschine 

mit Käfigläufer der Momentenverlauf und die Stromaufnahme beeinflussen. Im 

Gegensatz zum Rundstab werden beim Hochstab und Doppelstab die Stabströme 

zur Läuferoberfläche verdrängt, der effektive Läuferwiderstand wird vergrößert. Dieser 

Effekt nimmt mit zunehmender Läuferfrequenz f2 = s ⋅ f1, 

d.h. mit dem Schlupf s, 

stark zu. 



Bild 12 Drehmomentenkennlinien verschiedener Läufertypen 

R Schleifringläufer 

H Hochstabläufer 

D Doppelstabläufer 

T Tropfnutläufer 

Im Stillstand führt der relativ hohe Läuferwiderstand zu einer Steigerung des Anlaufmomentes 

MA nach Bild 12, bei gleichzeitiger Verringerung des Anlaufstromes I1A. 

Die Stromortskurve einer Asynchronmaschine mit Stromverdrängungsläufer weicht 

jenseits des Kippschlupfes sK beträchtlich von der Kreisform nach Bild13 ab. 

Bild 13 Kreisdiagramm der Asynchronmaschine mit Stromverdrängung 



4.4 Reversiervorgang 

Vertauscht man bei der leer laufenden Asynchronmaschine zwei Anschlüsse der 

Ständerwicklung, ändert das Drehfeld schlagartig seine Drehrichtung. Der Läufer behält 

wegen der Massenträgheit zunächst seine Drehzahl bei, er hat bezogen auf das 

neue Drehfeld den Schlupf s = 2. Die Maschine entwickelt zunächst negative Drehmomente, 

die sie bis zum Stillstand abbremsen. In umgekehrter Drehrichtung beschleunigt 

sie dann wieder motorisch bis zur Leerlaufdrehzahl. 

Bild 14 Reversiervorgang (Kennlinie eines Schleifringläufers) 

4.5 Praktische Betriebsbedingungen 

Im praktischen Betrieb kann die Asynchronmaschine die synchrone Drehzahl nd nicht 

annehmen, da Reibungsverluste in den Lagern (und im Lüfter bei eigenbelüfteten 

Maschinen) auftreten. Diese Verluste tragen neben den Stromwärme- und Eigenverlusten 

zur Verringerung des Wirkungsgrades bei. Die Wirkungsgrade ausgeführter 

Kurzschlussläufermotore (Normmotore) mit nd = 1500min -1 sind in Bild15 dargestellt. 

1,0 

0,8 

0,6 

0,4 

0,2 

nd =1500min -1 

0 

0,12 0,25 0,55 1,1 2,2 5,5 11 22 55 110 250 

Bild 15 Wirkungsgrade 4poliger Kurzschlussläufermotore 

PN /kW 



Da das von der Maschine entwickelte Moment quadratisch von der Klemmenspannung 

abhängt, dürfen im Betrieb keine großen Netzspannungsschwankungen auftreten. 

Zugelassen sind bei Nennlast +5% vom Spannungsnennwert. Wird die Spannung 

kleiner als 0,95 UN, muss die entnommene Leistung reduziert werden: 

P U 

= . (22) 

P U 

N N 

Sonst würde die Maschine wegen des mit der Spannungsverminderung verbundenen 

Stromanstieges thermisch gefährdet. 

Für einen einwandfreien Anlauf gegen ein Lastmoment MW0


5 Versuchsdurchführung 

5.1 Schaltbild und Stückliste 

Bild 16 Versuchsaufbau 



Stückliste 

1. Absicherung Einspeisung 3x63A 

2. AC-Hauptschalter 

3. Stelltransformator 0…400V/30A mit Ausgangsschütz, Strom- und Spannungsmesser 

4. Dreheiseninstrument 6A im Metallgehäuse 

5. Leistungsmesser Wattavi K, Fa. H&B 

6. Leistungsmesser Wattavi K, Fa. H&B 

7. Stromwandler 5…100A, Stw2, Fa. Gossen 



10. Dreheiseninstrument????? 

11. Drehstromasynchronmaschine mit Schleifringläufer 

12. Oszilloskope mit Strommesszange 

13. Drehstromanlasser 14kW, 211V, Fa. Fritzlen DLR 72 

14. Absicherung Einspeisung 2x63A 

15. DC-Hauptschalter 

16. Feldsteller 347Ω, 1A 

17. Strommesser Mavo eff3, Fa. Gossen 

18. Drehspulinstrument 60A im Metallgehäuse 

19. Lastwiderstand 2…60Ω, 220V, Fa. Platthaus 

20. Drehspulinstrument???? 

21. Induktive Drehzahlmessung 

22. Gleichstrompendelmaschine??? 

5.2 Beschreibung des Versuchsaufbaus 

Die zu untersuchende Maschine ist mit einer Pendelmaschine (ausgeführt als fremderregte 

Gleichstrommaschine) gekuppelt, die als Last dient. Zur Messung der Ströme 

und Spannungen werden Drehspul- und Dreheiseninstrumente benutzt. Die Drehstromleistung 

wird mit zwei Leistungsmessern in Aronschaltung gemessen. Der Motorstrom 

vom Prüfling wird mit Hilfe von Stromwandlern auf den Messbereich der 

Strom- und Leistungsmessgeräte abgestimmt. Über Leistungsschalter werden die 

Maschinen mit dem Netz verbunden. Die Einstellung des Erregerstromes für die Belastungsmaschine 

erfolgt aus dem festen DC-Netz über einen veränderlichen Vorwiderstand. 

Über einen Leistungswiderstand im Ankerkreis wird das Lastmoment verstellt. 

Die Drehzahl wird berührungslos mit einem induktiven Drehzahlmesser gemessen 

und digital angezeigt. Das an der Welle abgegebene Drehmoment wird über 

die Pendelmaschine (Messung der Reaktionskraft) bestimmt. 



5.3 Aufgabenstellung 

5.3.1 Isolationswiderstände 

Prüfen Sie den Isolationswiderstand zwischen den Strängen 1U, 1V, 1W und 2U, 2V, 

2W und zwischen den Wicklungen und Erdpotential. Die Messungen sind mit einem 

Kurbelinduktor (500V-) durchzuführen. Der bezogene Isolationswiderstand muss 

R´min=1000Ω/V betragen. 

5.3.2 Wicklungswiderstand 

Messen Sie den Wicklungswiderstand zwischen U1-U2, V1-V2, W1-W2 und mit 

Messspitzen direkt an den Schleifringen zwischen K, L und M. Berechnen Sie den 

ständerseitigen und läuferseitigen Wicklungswiderstand als Mittelwert aus den drei 

Phasen. Beachten Sie, dass der gemessene Wert dem Widerstandswert von zwei 

Strängen entspricht. 

5.3.3 Leerlaufversuch 

Der leerlaufende Prüfling wird über den Stelltransformator stufenweise an eine veränderbare 

Spannung gelegt. Die Kurve PFe+R=f(U1) wird bis U1=0 interpoliert, um die 

konstanten Reibungsverluste PR bei Stillstand graphisch zu bestimmen. 

Messen Sie für U1=U1N bis U1 ≈ 0,25 ⋅ U1N 

in Schritten von 40V: I10*, P10I*, P10III*, cP, üI 

Berechnen Sie: I10, P10, PCu10, PFe+R, cosϕ10 

Erstellen Sie folgende Diagramme: P10=f(U1), PFe+R, I10=f(U1) 

Bestimmen Sie graphisch: PR 

5.3.4 Kurzschlussversuch 

Der läuferseitig kurzgeschlossene Prüfling wird an reduzierter Klemmenspannung 

gelegt, um den Ständerstrom stufenweise von 0 bis Nennstrom zu erhöhen. Der Motor 

entwickelt nur ein kleines Drehmoment und soll per Hand langsam entgegen dem 

Drehfeld gedreht werden. Die gemessenen Ströme müssen linear und die Leistungen 

quadratisch mit der Spannung auf Nennspannung umgerechnet werden. 

Messen Sie für I1=0A bis I1= I1N in Schritten von 5A: U1K*, P1KI*, P1KIII*, cP, üI 

Berechnen Sie: P1K, I1K=f(U1) 

Erstellen Sie folgende Diagramme: P1K, I1K=f(U1) 

5.3.5 Belastungsversuch 

Der Prüfling arbeitet motorisch und ist an die generatorisch betriebene Belastungsmaschine 

gekuppelt. Mit einem Oszilloskope und einer Strommesszange kann der 

Strom und die Frequenz im Läufer leicht dargestellt werden. 



5.3.5.1 Läuferkurzschluss 

Messen Sie für I1= I10 bis I1 = 1,1⋅ I1N 

in Schritten von 5A: I1*, P1I*, P1III*, cP, üI, n, IL, IR 

Berechnen Sie: P1, I1, M, P2, cosϕ10, s, η 

Erstellen Sie folgende Diagramme: P1, I1, M, s, n, cosϕ10, η=f(P2) 

5.3.5.2 Widerstand im Läuferkreis 

Messen Sie für I1= I10 bis I1 = 1,1⋅ I1N 

in Schritten von 5A: I1*, P1I*, P1III*, cP, üI, n, IL, IR 

Berechnen Sie: P1, I1, M, P2, cosϕ10, s, η 

Erstellen Sie folgende Diagramme: P1, I1, M, s, n, cosϕ10, η=f(P2) 

6 Testfragen 

1. Welche Vor- und Nachteile hat die Asynchronmaschine gegenüber der Gleichstrommaschine? 

2. Erklären Sie die prinzipielle Wirkungsweise einer Asynchronmaschine. 

3. Wie kann ein Drehfeld erzeugt werden? 

4. Wie groß sind die Amplitude und die Frequenz der im Läufer induzierten Spannung? 

5. Geben Sie das Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine an. 

6. Welche Leistung wird im Widerstand 2 R′ 

s 

umgesetzt? 

7. Wie hängen Leerlaufdrehzahl und Kippmoment von der Spannung U1 ab? 

8. Warum ist die mechanische Leistung im Leerlauf und im Stillstand Null? 

9. Welche Form hat die Stromortskurve einer Asynchronmaschine mit Schleifringläufer 

und wo liegen die charakteristischen Punkte? 

10. Welche Größenordnung, bezogen auf die Nenngrößen, haben Leerlauf- und Anlaufstrom 

sowie Kipp- und Anlaufmoment? 

11. Warum geht der cosϕ bei Teillast zurück? 

12. Erläutern Sie die Möglichkeiten zur Drehzahlverstellung. 

13. Welchen Einfluss hat die Stromverdrängung auf die Drehzahl-Drehmoment- 

Kennlinien? 

14. Welchen Einfluss hat der Luftspalt auf den Magnetisierungsstrom? 



15. Welche Anforderungen sind an das Netz zustellen, um einen ungestörten Betrieb 

des Asynchronmotors sicherzustellen? 

16. Geben Sie Anlassverfahren für die Asynchronmaschine an. 

7 Literatur 

1. Fischer, Rolf: Elektrische Maschinen.10. Aufl., München, Wien, Carl 

Hanser Verlag, 1999 

2. Müller, Germar: Grundlagen elektrischer Maschinen., VCH, 1994 

3. Seinsch, Hans Otto: Grundlagen elektrischer Maschinen und Antriebe, 

B.G.Teubner-Verlag, 1993 

4. Taegen, Frank: Einführung in die Theorie der elektrischen Maschinen, Vieweg-Verlag, 

1970 

5. Bödefeld, Theodor u. Sequenz, Heinrich: Elektrische Maschinen. 7. Aufl., 

Wien, New York, Springer-Verlag, 1965 

6. Kremser, Andreas: Grundzüge elektrischer Maschinen und Antriebe.1. Aufl., 

Stuttgart, B.G. Teubner-Verlag, 1997

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