Drehstrom-Synchronmotor – Aufbau und Funktion

Ein Synchronmotor ist eine Drehstrommaschine, deren Rotor sich exakt mit der Drehzahl des Ständer-Drehfelds dreht. Daher der Name: synchron, also gleichlaufend. Im Gegensatz zum Asynchronmotor gibt es keinen Schlupf – die Drehzahl steht starr fest, solange die Maschine nicht überlastet wird.

Damit das funktioniert, muss der Rotor selbst ein Magnetfeld erzeugen. Im einfachsten Fall ist er also ein Magnet, der vom umlaufenden Magnetfeld im Ständer „mitgezogen“ wird. Beim Asynchronmotor entsteht das Rotorfeld erst durch Induktion und braucht einen Drehzahl­unterschied (Schlupf), beim Synchronmotor ist es von vornherein da.

Die Folge ist eine sehr exakte Drehzahl, ein hoher Wirkungsgrad und – je nach Bauform – die Möglichkeit, Blindleistung gezielt zu steuern. Dafür ist die Maschine teurer, der Anlauf schwierig und sie reagiert empfindlich auf Überlast.

Der Ständer ist im Prinzip identisch mit dem eines Asynchronmotors: ein geblechtes Eisenpaket mit Nuten, in denen drei räumlich um 120° versetzte Wicklungsstränge liegen – die Stränge U, V und W. Werden sie an Drehstrom angeschlossen, entsteht im Inneren ein magnetisches Drehfeld.

Der Läufer trägt selbst ein Magnetfeld und heißt deshalb Polrad. Hier gibt es zwei klassische Bauformen:

Schenkelpolläufer: Die Pole stehen sichtbar als „Schenkel“ vom Rotorkörper ab, dazwischen sitzen die Erreger­wicklungen. Diese Bauform eignet sich für niedrigere Drehzahlen, weil die ausgeprägten Pole bei hohen Umfangs­geschwindigkeiten zu starken Fliehkräften führen würden. Typisch sind Industrie­motoren mit vielen Polpaaren und Wasserkraft­generatoren.

Vollpolläufer, oft auch Turboläufer genannt: Der Rotor ist ein massiver, glatter Stahlzylinder mit Nuten am Umfang. In diese Nuten ist die Erreger­wicklung eingelegt. Die Form ist mechanisch sehr robust und damit für hohe Drehzahlen geeignet – Standard­anwendung sind Turbo­generatoren in thermischen Kraftwerken mit 3000/min.

Das Magnetfeld im Polrad muss von irgendwo herkommen. Drei Wege sind üblich: starke Permanent­magnete (Permanentmagnet-Synchronmotor, eigener Beitrag), eine elektrisch gespeiste Erregung über Schleifringe, oder eine bürstenlose Erregung mit rotierender Erreger­maschine. Details zu den Erreger­varianten gibt es im eigenen Beitrag zur Erregung der Synchronmaschine.

Zusätzlich besitzt fast jedes Polrad eine Dämpferwicklung – ein Kurzschluss­käfig ähnlich dem eines Käfig­läufers, der zwei Aufgaben hat: er ermöglicht den asynchronen Anlauf und dämpft Pendel­schwingungen im Lauf.

Im Ständer entsteht durch die drei phasen­verschobenen Wechselströme ein rotierendes Magnetfeld – das Drehfeld. Es dreht sich mit einer Drehzahl, die nur von Netzfrequenz und Polpaarzahlabhängt. Wie das Drehfeld physikalisch zustande kommt, ist im eigenen Beitrag dazu erklärt.

Das Polrad ist selbst ein Magnet. Stellt man sich das Drehfeld vereinfacht als rotierenden Stab­magneten vor, dann zieht dieser den Polrad-Magneten mit. Ungleichnamige Pole ziehen sich an, gleichnamige stoßen sich ab – das Polrad versucht ständig, mit dem Drehfeld in einer fest definierten Lage zu bleiben.

Im stationären Betrieb dreht sich das Polrad daher exakt mit der Drehfeld­drehzahl. Das ist der Synchronlauf. Ändert sich die Last, verschiebt sich die relative Lage zwischen Drehfeld und Polrad geringfügig (dazu mehr in Kapitel 5), aber die Drehzahl bleibt gleich.

Eine wichtige Konsequenz: Die Drehzahl­konstanz hängt nicht am Motor selbst, sondern an der Netzfrequenz. Solange das österreichische Verbundnetz 50 Hz liefert, dreht ein zweipoliger Synchronmotor exakt 3000/min – mit Schwankungen im Bereich von Hundertstel­Prozenten, die für praktisch alle Anwendungen vernachlässigbar sind.

Hier sitzt der häufigste Rechenfehler überhaupt – die Verwechslung von Polzahl und Polpaarzahl. Beide Begriffe klingen ähnlich, in der Formel steht aber nur einer richtig.

Polzahl 2p: Anzahl aller magnetischen Pole am Polrad. Immer eine gerade Zahl, weil jedem Nordpol ein Südpol gegenüber­steht.

Polpaarzahl p: Anzahl der Polpaare, also Polzahl geteilt durch zwei. Ein Polrad mit 4 Polen hat also 2 Polpaare.

In der Formel für die Synchrondrehzahl steht immer die Polpaarzahl, nie die Polzahl:

Wer hier die Polzahl einsetzt, kommt auf die halbe Drehzahl. Das ist der klassische Fehler in Prüfungen.

Bei 50 Hz Netzfrequenz ergeben sich folgende Standard-Drehzahlen:

Diese Drehzahlen sind im Maschinenbau Standard – das Typenschild zeigt natürlich beim Asynchronmotor wegen des Schlupfs einen leicht kleineren Wert (z. B. 1450/min für p = 2), beim Synchronmotor steht exakt 1500/min drauf.

Im Leerlauf, wenn der Motor kein nennenswertes Drehmoment liefern muss, liegt das Polrad exakt in der gleichen Achse wie das Drehfeld – Nord zu Süd, Süd zu Nord. Der Polradwinkel θ ist null.

Sobald eine Last anhängt, „zieht“ das Drehfeld am Polrad. Das Polrad bleibt synchron, aber es eilt dem Drehfeld um einen kleinen Winkel hinterher – wie ein Hund, der an einer Leine hinter dem Herrchen herläuft. Dieser Winkel ist der Polradwinkel. Je größer die Last, desto größer θ.

Solange θ unter 90° elektrisch bleibt, kann der Motor die Last halten. Das maximal mögliche Drehmoment ist das Kippmoment, it wird theoretisch bei θ = 90° erreicht. Praktisch betreibt man Synchronmotoren mit deutlich kleineren Polradwinkeln, um Reserve zu haben.

Wichtig ist hier die Unterscheidung zwischen elektrischem und mechanischem Polradwinkel: Gemeint ist immer der elektrische Winkel. Der mechanische Winkel an der Welle ist um den Faktor der Polpaarzahl kleiner – es gilt θ_elektrisch = p · θ_mechanisch. Bei einer vierpoligen Maschine (p = 2) entsprechen 90° elektrisch nur 45° tatsächlicher Verdrehung des Polrads gegenüber dem Drehfeld an der Welle. Wer mit Messsystemen am realen Motor arbeitet, muss diesen Faktor mitdenken.

Wird die Last über das Kippmoment hinaus gesteigert oder die Erregung zu schwach, kann das Polrad dem Drehfeld nicht mehr folgen. Es fällt außer Tritt. Was dabei passiert, ist alles andere als harmlos:

• Das Polrad wird vom Drehfeld nicht mehr stetig mitgezogen, sondern abwechselnd angezogen und abgestoßen
• Die Stromaufnahme steigt schlagartig auf ein Vielfaches des Nennstroms an, ähnlich wie bei einem Kurzschluss
• An Welle, Kupplungen und Lagern entstehen heftige mechanische Lastwechsel
• Im speisenden Netz kann es zu Spannungseinbrüchen kommen

Deshalb ist eine Polradwinkel-Überwachung in der Industriepraxis Standard. Sie misst kontinuierlich, wie weit der Polradwinkel vom Sollwert abweicht, und löst bei Überschreiten einer kritischen Grenze die Schutzabschaltung aus. Ergänzend wirken klassischer Überstromschutz und Motorschutzrelais.

Ein Synchronmotor läuft aus dem Stillstand nicht von allein an. Der Grund ist anschaulich: Schaltet man den stillstehenden Motor direkt ans Drehstromnetz, ist das Drehfeld sofort mit voller Synchrondrehzahl unterwegs (zum Beispiel 3000/min). Das Polrad steht aber noch und kann diesem schnellen Feld mechanisch nicht folgen. Das Drehfeld zieht abwechselnd am Polrad – einmal in die eine, kurz darauf in die andere Richtung. Das Polrad zuckt, dreht sich aber nicht im Mittel.

Drei Anlaufverfahren sind gebräuchlich:

Asynchroner Anlauf über die Dämpferwicklung: Der Käfig am Polrad wirkt wie der Käfigläufer eines Asynchronmotors. Der Motor läuft asynchron hoch und nähert sich der Synchrondrehzahl mit kleinem Schlupf. Sobald er nahe genug am Synchronpunkt ist, wird die Erregung zugeschaltet – das Polrad „rastet“ in den Synchronlauf ein.

Anlauf mit Hilfsmotor: Eine kleinere Antriebsmaschine bringt das Polrad mechanisch auf Synchrondrehzahl. Anschließend wird der Synchronmotor ans Netz geschaltet. Dieses Verfahren ist klassisch bei großen Synchron­generatoren in Kraftwerken.

Anlauf mit Frequenzumrichter: Der Umrichter beginnt mit einer sehr niedrigen Frequenz und steigert sie kontinuierlich. Das Drehfeld dreht von Anfang an synchron mit dem Polrad – Anlauf­probleme verschwinden. Heute der Standardweg für moderne Industrie­antriebe. Details im eigenen Beitrag zum Frequenz­umrichter.

Beim Aufschalten auf ein bestehendes Netz – das gilt vor allem für Synchron­generatoren – müssen vor dem Schließen des Schalters mehrere Größen exakt übereinstimmen: Spannungs­höhe, Frequenz, Phasen­lage und Drehfeld­richtung. Dieser Vorgang heißt Synchronisierung und läuft heute meist automatisch über einen Synchronisier­automaten ab.

Der klassische, elektrisch erregte Drehstrom-Synchronmotor wird vor allem dort eingebaut, wo große Leistungen mit konstanter Drehzahl gefragt sind – grob ab einigen hundert Kilowatt aufwärts. Typische Anwendungen sind Industriekompressoren, Hauptantriebe in Walz- und Papierwerken oder Pumpen in Wasserwirtschaft und Energieversorgung. Ein interessanter Nebennutzen: Über die Erregung lässt sich gezielt Blindleistung ins Netz speisen oder aufnehmen. Damit kann der Motor zugleich als Phasenschieber wirken und den Leistungsfaktor der Anlage verbessern.

Die zweite große Familie sind die Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM). Ihr Polrad ist mit starken Dauermagneten bestückt, eine Erregerwicklung entfällt. Dadurch werden sie kompakter und effizienter. PMSM finden sich heute in fast jedem Servoantrieb der industriellen Automation und in den meisten Elektrofahrzeugen. Funktionsprinzip und Besonderheiten werden im eigenen Beitrag zum PMSM behandelt.

Eng verwandt ist der BLDC-Motor (brushless DC, elektronisch kommutiert). Auch er hat ein Permanentmagnet-Polrad, wird aber blockförmig statt sinusförmig bestromt. Details dazu im eigenen Beitrag.

Wichtig zum Verständnis: Ein Synchrongenerator ist konstruktiv dieselbe Maschine wie ein Synchronmotor, nur umgekehrt betrieben – das Polrad wird mechanisch angetrieben, im Ständer wird eine Spannung induziert. In jedem österreichischen Wasser-, Pumpspeicher- oder Wärme­kraftwerk arbeiten Synchrongeneratoren als Stromerzeuger. Wer also den Aufbau dieses Motors verstanden hat, hat zugleich die Grundlage für die Stromerzeugung im Verbundnetz mit verstanden.