Synchronmotor vs. Asynchronmotor

Synchronmotor vs. Asynchronmotor

Der entscheidende Unterschied ist die Rotorgeschwindigkeit relativ zum rotierenden Magnetfeld des Stators: a Synchronmotor Der Rotor dreht sich mit genau der gleichen Geschwindigkeit wie dieses Feld, während sich der Rotor eines Asynchronmotors (Induktionsmotors) immer etwas langsamer dreht, ein Unterschied, der als Schlupf bezeichnet wird. Dieser Schlupf ist tatsächlich für den Betrieb eines Induktionsmotors notwendig, da die Relativbewegung zwischen Rotor und Drehfeld den Rotorstrom induziert, der überhaupt erst das Drehmoment erzeugt – ein Induktionsmotor ohne Schlupf würde überhaupt kein Drehmoment erzeugen.

Synchronmotoren vermeiden diese Abhängigkeit, da der Rotor sein eigenes Magnetfeld (von Permanentmagneten oder Feldwicklungen) trägt und nicht auf induzierten Strom angewiesen ist. Dadurch kann er sich an das Statorfeld ankoppeln und eine exakte Synchronisierung mit diesem aufrechterhalten, anstatt diesem ständig hinterherzuhinken.

Leitfaden zur Auswahl von Synchronmotoren

• Stellen Sie sicher, dass die Anwendung tatsächlich eine konstante, lastunabhängige Geschwindigkeit benötigt – Wenn die Geschwindigkeitspräzision nicht entscheidend ist, bietet ein Induktionsmotor möglicherweise eine einfachere und kostengünstigere Lösung
• Bewerten Sie die Startanforderungen — Die meisten Synchronmotoren (mit Ausnahme der selbststartenden PMSM-Typen) benötigen eine Startmethode oder eine VFD-Steuerung
• Effizienzvorteile gegen Vorlaufkosten abwägen, insbesondere für PMSM-Designs, bei denen das Magnetmaterial die Kosten erhöht, aber Effizienzsteigerungen mit sich bringt
• Stellen Sie sicher, dass die Drehmomentanforderungen innerhalb der Kippmomentgrenze des Motors liegen über den gesamten Betriebsbereich der Anwendung
• Berücksichtigen Sie den Korrekturwert des Leistungsfaktors wenn das umfassendere elektrische System der Anlage von der Blindleistungsversorgungsfähigkeit eines Synchronmotors profitieren würde

So wählen Sie einen Synchronmotor aus

Die Auswahl eines bestimmten Synchronmotors für eine Anwendung beginnt mit der Anpassung des erforderlichen Drehmoments, der Drehzahl und der Nennleistung an die Last, ähnlich wie bei jedem anderen Motorauswahlprozess, wobei jedoch zusätzlich auf den spezifischen Synchronmotortyp geachtet wird, der für die Anwendung am besten geeignet ist. PMSM-Designs eignen sich für die meisten modernen Anwendungen und legen Wert auf Effizienz und kompakte Größe , während Synchronmotoren mit gewickeltem Rotor weiterhin für sehr große Industrieanwendungen relevant sind, bei denen die zusätzliche Komplexität des Erregungssteuerungssystems durch die Größe der Installation und den Wert der einstellbaren Erregung für die Leistungsfaktorsteuerung gerechtfertigt ist.

Vergleich der Effizienz von Synchronmotoren

Synchronmotoren, insbesondere PMSM-Designs, übertreffen im Allgemeinen Induktionsmotoren in Bezug auf den Wirkungsgrad über den größten Teil ihres Betriebsbereichs, wobei der Unterschied normalerweise bei Teillast am deutlichsten ist – ein Zustand, in dem viele reale Anwendungen eine beträchtliche Betriebszeit verbringen, anstatt kontinuierlich mit voller Nennlast zu laufen. Dieser Effizienzvorteil ergibt sich aus der Eliminierung von Rotorschlupfverlusten , die Widerstandserwärmung, die im Rotor eines Induktionsmotors als direkte Folge des induzierten Stroms auftritt, der zur Erzeugung des Drehmoments erforderlich ist, ein Verlustmechanismus, der im unabhängig magnetisierten Rotor eines Synchronmotors einfach nicht existiert.

Drehmomenteigenschaften von Synchronmotoren

Das Drehmoment-Drehzahl-Verhältnis eines Synchronmotors unterscheidet sich grundlegend von dem eines Induktionsmotors – anstatt dass sich das Drehmoment kontinuierlich mit der Drehzahl ändert, wenn sich der Schlupf ändert, erzeugt ein Synchronmotor das Drehmoment, das zur Aufrechterhaltung der synchronen Drehzahl erforderlich ist, bis zu seiner maximalen (Kipp-)Drehmomentgrenze. Über dieser Grenze hinaus verlangsamt sich der Motor nicht allmählich, wie es bei einem Induktionsmotor der Fall wäre – Die Synchronisierung geht völlig verloren und kommt zum Stillstand. Das bedeutet, dass Synchronmotoranwendungen mit einem ausreichenden Drehmomentspielraum über dem maximal erwarteten Lastdrehmoment dimensioniert werden müssen, um diesen plötzlichen Ausfallmodus zu vermeiden.

Dieses Drehmomentverhalten bedeutet auch, dass Synchronmotoren im Allgemeinen nicht wie viele Induktionsmotoren gegen eine stationäre Last selbstanlaufen, da das Magnetfeld eines stationären Rotors gegenüber einem schnell rotierenden Statorfeld kein nennenswertes durchschnittliches Drehmoment entwickelt – die meisten Synchronmotoranwendungen erfordern entweder eine Startmethode, die den Rotor vor dem Einschalten des Felds in die Nähe der Synchrondrehzahl bringt, oder einen Antrieb mit variabler Frequenz, der die Versorgungsfrequenz schrittweise von Null an erhöht.

Synchronmotor-Geschwindigkeitsregelung

Da die Drehzahl des Synchronmotors direkt mit der Versorgungsfrequenz verknüpft ist, erfordert die Drehzahlregelung die Anpassung dieser Frequenz, was bei einem Frequenzumrichter (VFD) genau der Fall ist. VFD-gesteuerte Synchronmotoren bieten sowohl eine präzise Drehzahlregelung als auch die Effizienzvorteile des Synchronbetriebs , eine Kombination, die in modernen industriellen Antriebssystemen und Antriebssträngen von Elektrofahrzeugen immer häufiger vorkommt, wo sowohl eine präzise Drehzahl-/Drehmomentregelung als auch ein hoher Wirkungsgrad erforderlich sind.

Permanentmagnetmotor vs. Induktionsmotor

Dieser Vergleich deckt weitgehend das gleiche Gebiet ab wie der umfassendere Vergleich zwischen Synchronmotoren und Asynchronmotoren, da PMSM in den meisten aktuellen Diskussionen die vorherrschende moderne Synchronmotorkonstruktion ist, die mit Induktionsmotoren verglichen wird. Die Vorteile von PMSM liegen im Hinblick auf Effizienz, Leistungsdichte und präzise Steuerung , während Induktionsmotoren weiterhin bevorzugt werden, wenn niedrigere Vorlaufkosten, mechanische Einfachheit und Selbststartfähigkeit ohne zusätzliche Steuerelektronik die Effizienzgewinne, die ein PMSM für eine bestimmte Anwendung bieten würde, überwiegen.

Auswahl hocheffizienter Motoren

Bei der Auswahl eines hocheffizienten Motors geht es darum, über eine einzelne Effizienzprozentzahl hinaus zu schauen, wie sich dieser Wirkungsgrad über den tatsächlich erwarteten Betriebsbereich des Motors hält, da viele Anwendungen für erhebliche Teile ihres Arbeitszyklus deutlich unter der vollen Nennlast laufen. Überprüfung der Effizienz über den gesamten Lastbereich, nicht nur bei 100 % Last, vermittelt ein genaueres Bild des tatsächlichen Energieverbrauchs und des Kosteneinsparpotenzials, als wenn man sich allein auf eine einzelne Volllast-Effizienzbewertung verlässt.

Leistungsvergleich von Elektromotoren

Motorauswahl für Industrieanlagen

Die Auswahl von Motoren für Industrieanlagen beginnt im Allgemeinen mit der Definition des Drehmoment- und Drehzahlprofils der Last über ihren gesamten Betriebsbereich und der anschließenden Bewertung, welche Motortechnologie diese Anforderungen sowie Effizienz, Steuerungskomplexität und Budgetbeschränkungen am besten erfüllt. Anwendungen mit konstanten, vorhersehbaren Lasten und keine Notwendigkeit einer präzisen Geschwindigkeitsregelung kommen oft mit Standard-Induktionsmotoren gut zurecht, während Anwendungen, die eine präzise Drehzahlregelung, einen hohen Wirkungsgrad oder eine dynamische Drehmomentsteuerung erfordern, zunehmend Synchronkonstruktionen (insbesondere PMSM) in Kombination mit VFD-Steuerung bevorzugen.

Bei der Auswahl eines Elektromotors zu berücksichtigende Faktoren

• Erforderliches Drehmoment und Drehzahl über den gesamten Betriebsbereich, einschließlich Start- und Spitzenbedingungen
• Effizienzanforderungen, sowohl bei Volllast als auch bei typischen Teillast-Betriebsbedingungen
• Geschwindigkeitskontrollbedarf — feste Geschwindigkeit, variable Geschwindigkeit oder präzise Positions-/Bewegungssteuerung
• Startvoraussetzungen und verfügbare Steuerelektronik (Direkt online, VFD oder andere Startmethode)
• Gesamtbetriebskosten, Abwägen der anfänglichen Motor- und Steuerungskosten mit den erwarteten Energieeinsparungen und Wartungsanforderungen über die Lebensdauer der Ausrüstung