Welche Dynamiken haben Drehstrom- und Synchronmotoren?

Dynamische Eigenschaften von Asynchron- und Synchronmotoren

Asynchronmotoren (Induction Motor) und Synchronmotoren (Synchronous Motor) sind zwei häufige Arten von Wechselstrommotoren. Sie unterscheiden sich erheblich in Struktur, Arbeitsprinzipien und dynamischen Eigenschaften. Im Folgenden wird eine Analyse der dynamischen Eigenschaften dieser beiden Motorentypen vorgenommen:

1. Starteigenschaften

Asynchronmotor:

Asynchronmotoren haben in der Regel einen hohen Startstrom, oft 5 bis 7 Mal den Nennstrom. Dies liegt daran, dass beim Start der Rotor stillsteht und die Schlupfzahl s=1 beträgt, was zu einem großen induzierten Strom in den Rotorwicklungen führt.

Der Startdrehmoment ist relativ gering, insbesondere unter Volllast, und beträgt möglicherweise nur 1,5 bis 2 Mal das Nenndrehmoment. Um die Startleistung zu verbessern, können weiche Starter oder Stern-Dreieck-Starter verwendet werden, um den Startstrom zu reduzieren und das Startdrehmoment zu erhöhen.

Der Startvorgang eines Asynchronmotors erfolgt asynchron; der Motor beschleunigt sich allmählich vom Stillstand bis nahe an die Synchrongeschwindigkeit, erreicht jedoch nie exakt die Synchrongeschwindigkeit.

Synchronmotor:

Die Starteigenschaften von Synchronmotoren hängen von ihrer Art ab. Für selbststartende Synchronmotoren (wie Permanentmagnetsynchronmotoren oder Synchronmotoren mit Startwicklungen) können sie wie Asynchronmotoren asynchron starten, werden aber durch das Erregersystem in Synchronismus gezogen, wenn sie sich der Synchrongeschwindigkeit nähern.

Für nicht-selbststartende Synchronmotoren sind in der Regel externe Geräte (wie Frequenzumrichter oder Hilfsmotoren) erforderlich, um den Motor zu starten, bis er die Synchrongeschwindigkeit erreicht, danach kann er in den synchronen Betrieb eintreten.

Synchronmotoren bieten im Allgemeinen ein höheres Startdrehmoment, insbesondere jene mit Erregersystemen, die während des Starts signifikantes Drehmoment liefern können.

2. Stationäre Betriebscharakteristiken

Asynchronmotor:

Die Geschwindigkeit eines Asynchronmotors ist proportional zur Netzfrequenz, liegt jedoch immer leicht unter der Synchrongeschwindigkeit. Die Schlupfzahl s repräsentiert die Differenz zwischen der tatsächlichen Geschwindigkeit und der Synchrongeschwindigkeit und beträgt in der Regel 0,01 bis 0,05 (d.h. 1% bis 5%). Ein kleinerer Schlupf führt zu einer höheren Effizienz, aber dementsprechend sinkt auch das Drehmoment.

Die Drehmoment-Geschwindigkeitscharakteristik eines Asynchronmotors ist parabolisch, mit dem maximalen Drehmoment bei einem bestimmten Schlupfwert (in der Regel dem kritischen Schlupf). Wenn die Last zunimmt, nimmt die Geschwindigkeit leicht ab, der Motor bleibt jedoch stabil im Betrieb.

Der Leistungsfaktor eines Asynchronmotors ist in der Regel gering, insbesondere bei leichten oder keiner Belastung, möglicherweise so niedrig wie 0,7. Mit zunehmender Last verbessert sich der Leistungsfaktor.

Synchronmotor:

Die Geschwindigkeit eines Synchronmotors ist streng proportional zur Netzfrequenz und bleibt unabhängig von Laständerungen konstant bei der Synchrongeschwindigkeit. Dies gewährleistet eine sehr stabile Geschwindigkeit, wodurch Synchronmotoren für Anwendungen geeignet sind, die eine präzise Geschwindigkeitssteuerung erfordern.

Die Drehmoment-Geschwindigkeitscharakteristik eines Synchronmotors ist eine vertikale Linie, was bedeutet, dass es bei Synchrongeschwindigkeit ein konstantes Drehmoment ohne Geschwindigkeitsänderung liefern kann. Wenn die Last das maximale Drehmoment des Motors übersteigt, verliert der Motor den Synchronismus und stoppt.

Synchronmotoren können den Leistungsfaktor durch Anpassung des Erregerstroms steuern, wodurch sie in kapazitiver oder induktiver Mode betrieben werden können. Diese Eigenschaft macht Synchronmotoren nützlich, um den Leistungsfaktor des Stromnetzes zu verbessern.

3. Dynamische Reaktionseigenschaften

Asynchronmotor:

Die dynamische Reaktion eines Asynchronmotors ist relativ langsam, insbesondere wenn die Last plötzlich ändert. Aufgrund der Trägheit des Rotors und der elektromagnetischen Trägheit gibt es eine Verzögerungszeit, bis der Motor sich an neue Lastbedingungen anpasst. Diese Verzögerung kann Geschwindigkeitsfluktuationen verursachen, insbesondere in schwer belasteten oder häufig start-stopenden Anwendungen.

Der Geschwindigkeitssteuerbereich eines Asynchronmotors ist begrenzt, in der Regel durch Variation der Netzfrequenz (z.B. mit einem Frequenzumrichter) erreicht. Dies kann jedoch zu einer Reduktion des Drehmoments, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten, führen.

Synchronmotor:

Die dynamische Reaktion eines Synchronmotors ist schneller, insbesondere wenn die Last ändert. Da die Motorgeschwindigkeit immer mit der Netzfrequenz synchronisiert ist, kann sie auch unter Laständerungen eine stabile Geschwindigkeit aufrechterhalten. Darüber hinaus ist die Drehmomentreaktion eines Synchronmotors schnell und liefert das notwendige Drehmoment innerhalb kurzer Zeit.

Synchronmotoren können Drehmoment und Leistungsfaktor durch Änderung des Erregerstroms anpassen, was eine flexiblere Steuerung ermöglicht. Fortgeschrittene Steuermethoden wie Vektorsteuerung oder direkte Drehmomentsteuerung (DTC) können auch verwendet werden, um eine präzise Geschwindigkeits- und Drehmomentsteuerung zu erreichen.

4. Überlastfähigkeit und Schutz

Asynchronmotor:

Asynchronmotoren haben eine bestimmte Überlastfähigkeit und können kurzzeitig 1,5 bis 2 Mal die Nennlast überstehen. Jedoch kann eine dauerhafte Überlast zu Überhitzung und Beschädigung des Isoliermaterials führen. Daher sind Asynchronmotoren in der Regel mit Überlastschutzvorrichtungen wie thermischen Relais oder Temperatursensoren ausgestattet, um Überhitzung zu verhindern.

Die Überlastfähigkeit von Asynchronmotoren hängt von ihrem Design ab. Zum Beispiel haben Wickelrotor-Asynchronmotoren im Allgemeinen bessere Überlastleistungen als Käfigrotormotoren, da der Rotorstrom mit externen Widerständen reguliert werden kann.

Synchronmotor:

Synchronmotoren haben eine starke Überlastfähigkeit, insbesondere jene mit Erregersystemen, die kurzzeitig 2 bis 3 Mal die Nennlast überstehen können. Jedoch kann auch hier eine dauerhafte Überlast zu Überhitzung führen.

Synchronmotoren werden durch verschiedene Mittel geschützt, einschließlich Überstromschutz, Verlust des Schrittschutzes und Erregerfehlerschutz. Der Schrittschutz verhindert, dass der Motor bei übermäßiger Last den Synchronismus verliert, während der Erregerfehlerschutz die korrekte Funktion des Erregersystems sicherstellt.

5. Anwendungsszenarien

Asynchronmotor:

Asynchronmotoren werden in Industrie, Landwirtschaft und Haushaltsgeräten weit verbreitet eingesetzt, insbesondere in Anwendungen, bei denen keine hohe Präzision der Geschwindigkeitssteuerung erforderlich ist. Beispiele sind Ventilatoren, Pumpen und Kompressoren.

Aufgrund ihrer einfachen Struktur, geringen Kosten und einfachen Wartung sind Asynchronmotoren oft die bevorzugte Wahl für viele Anwendungen.

Synchronmotor:

Synchronmotoren eignen sich für Anwendungen, die eine hohe Präzision der Geschwindigkeitssteuerung erfordern, wie Präzisionswerkzeugmaschinen, Generatoren und große Kompressoren. Ihre Fähigkeit, eine konstante Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten und einen hohen Leistungsfaktor zu bieten, macht sie wertvoll in Stromsystemen zur Verbesserung der Netzeffizienz.

Synchronmotoren werden auch in Anwendungen, die eine präzise Geschwindigkeitssteuerung und schnelle dynamische Reaktion erfordern, wie Servosystemen und Robotik, weit verbreitet eingesetzt.

Zusammenfassung

• Asynchronmotor: Hoher Startstrom, geringeres Startdrehmoment, Geschwindigkeit leicht unter der Synchrongeschwindigkeit, langsamere dynamische Reaktion, geeignet für allgemeine industrielle und häusliche Anwendungen.

• Synchronmotor: Starteigenschaften hängen von der Art ab, strenge Synchrongeschwindigkeit, schnelle dynamische Reaktion, geeignet für Anwendungen, die eine hohe Präzision der Geschwindigkeitssteuerung und Verbesserung des Leistungsfaktors erfordern.