Synchronmotor

Relevante Energieformen

Endenergieform	Nutzenergieform	Nebenenergieform(en)
Elektrische Energie	Mechanische Energie	Thermische Energie (Wärme)

Kurzbeschreibung

Der Synchronmotor erzeugt im Gegensatz zum Asynchronmotor eine Drehzahl die sich synchron zur Umrichterfrequenz dreht.

Die Drehzahl kann über n= f/p berechnet werden (f = Umrichterfrequenz, p = Polpaarzahl, n = Drehzahl).
Ein eingeprägter Drehstrom im Stator erzeugt ein rotierendes Magnetfeld.
Der Rotor, der je nach Ausführung mit Wicklungen oder Permanentmagneten im Rotorreferenzsystem ein gleichbleibendes magnetisches Feld erzeugt, erfährt ein Drehmoment aufgrund der Lorentzkraft.

Funktionsskizze

Funktionsweise Synchronmotor

Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte

Wirkungsgrad im Motorbetrieb:

$\eta = \dfrac{E_\mathrm{mech}}{E_\mathrm{el}}$

Wirkungsgrad im Generatorbetrieb:

$\eta = \dfrac{E_\mathrm{el}}{E_\mathrm{mech}}$

Der Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Quotienten der abgegebenen und zugeführten Leistung. Die Differenz ist die Verlustleitung. Die Verlustleistung ergibt sich zum größten Teil aus den Kupferverlusten des Stators für n Phasen mit dem Widerstand R und dem effektiven Phasenstrom I_eff:

$P_\mathrm{vs} = n\ R\ I_\mathrm{eff}^2$

Die Rotorverluste ergeben sich im equivalenten Ersatzschaltbild aus den quadrierten induzierten Strömen mal dem equivalenten Rotorwiderstand.

$P_\mathrm{vr} = R\ I_\mathrm{rotor, eff}^2$

Eisenverluste im Stator und Rotor können über die Steinmetzgleichung angenähert werden und sind sehr stark vom Herstellungsverfahren und der Geometrie abhängig.

$P_\mathrm{ve} = k\ B^\alpha\ f^\beta$

Wirkungsgrad bis zu 95–99 %

(Fischer 2006)

Betriebs-Charakteristika

Bauart	Fremderregt	Permanenterregt
Typisches Lastprofil Energieeingang (Endenergie)	dynamisch/stufenlos	dynamisch/stufenlos
Typisches Lastprofil Energieausgang (Nutzenergie)	dynamisch/stufenlos	dynamisch/stufenlos
Minimale Länge eines Betriebszyklus (Mindestlaufzeit, inverse Schalthäufigkeit)	Im Millisekundenbereich je nach Motor
Typische Anfahrzeiten	<1 sek	<1 sek
Regelbar?	Stufenlos	Stufenlos
Wandlungsrichtung umkehrbar?	ja	ja
Weitere Betriebscharakteristika	Im Feldschwächebereich gibt es deutlich mehr Verluste.

Energetische Kennwerte

Bauart	Fremderregt	Permanenterregt
Verfügbare Leistungsstufen/-klassen	stufenlos	stufenlos
Nennleistung oder vergleichbarer Wert	50 kW–1 GW	50 W–375 kW
Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Auslastung	ja	ja
Nutzbarer Anteil an Verlustleistung vorhanden?	ja	ja

Wirtschaftliche Kennwerte

Bauart	Fremderregt	Permanenterregt
Nutzenergiekosten/kWh	Stromkosten
Laufende Kosten p.a./kW	Kosten für Kohlebürsten	wartungsfrei
Investkosten/kW	Keine allgemeinen Angaben / Eigenschätzung (je nach Bauform/Stückzahl): 200–500
Platzbedarf/kW	Abhängig von Anzahl der Pole (Drehmoment, Drehzahl)
Typische Lebensdauer/h	Keine einheitlichen Werte. Richtwert: 20.000 h (Nolle 2007)

Technologische Kennwerte

Bauart	Fremderregt	Permanenterregt
Negative Aspekte der Ökobilanz (alle Lebensphasen)	zwei der oben genannten Aspekte	zwei der oben genannten Aspekte
Gefährdungspotential (niedrige Drücke und Temperaturen, keine giftigen oder explosiven Stoffe)	geringes Gefährdungspotential	geringes Gefährdungspotential
Systemkomplexität	robuste Bauweise	robuste Bauweise, einfach durch Laien zu bedienen

Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse

Technologieattratktivität	Industrielle Umsetzbarkeit	Umsetzbarkeit	Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein)
		Komplexität	Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich)
		Anwendbarkeit bei Industriepartnern	Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein)
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Energetischer Impact	Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger))
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Verbreitung in Deutschland	Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig)
	Umrüstaufwand und Integration	Technology Readiness Level	Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3)
		Grad der Prozessentkopplung	Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess)
		Möglichkeit des Energieträgerwechsels	Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein)
		Umrüstaufwand	Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch)
Ressourcenstärke	Übertragbarkeit	Übertragbarkeit	Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch)
	Wirtschaftlichkeit	Erschließungskosten der Maßnahme	Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden)
		Spezifische Wandlerkosten	Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch)
		Abrufkosten der Maßnahme	Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher)	sehr stark fallabhängig

Entwicklungstendenz

Es gibt zahlreiche Entwicklungen zum Thema Elektromotoren, um den ohnehin hohen Wirkungsgrad zu verbessern. Zudem gibt es Entwicklung mehr unweltfreundliche Materialien zu verwenden (bspw. Eisenmagnete statt seltene Erde Magnete oder zumindest kleinere).

Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile

Vorteile

hohe Dynamik (Voraussetzung für das Positionieren)
sehr hoher Wirkungsgrad gegenüber Asynchronmotoren

Nachteile

vergleichsweise teuer und nicht so robust wie Asynchronmotoren
Synchronmotoren brauchen immer einen Umrichter

Anwendungsbeispiele

Erzeugung von elektrischer Energie (z. B. Kraftwerke)
Traktion (z. B. E-Auto, Förderbänder, Bearbeitungszentren, Hebebühnen etc.)
Umwandlung der Energieform (Kompressor, Pumpen etc. )
Stellglieder (z. B. Weichen)

Literaturverzeichnis

Buchert, M., Manhart, A., Sutter, J. (2006): Untersuchung zu Seltenen Erden: Permanentmagnete im industriellen Einsatz in Baden-Württemberg. Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg
Fischer, R. (2006): Elektrische Maschinen. Hanser-Verlag
Noll, E. (2007): Elektrische Maschinen Vorlesungsskript
Weck, M.; Brecher, C. (2006): Werkzeugmaschinen 3: Mechatronische System, Vorschubantriebe, Prozessdiagnose. Springer-Verlag

Technologiematrix

Alphabetische Übersicht

Energetische Übersicht