Synchrondrehzahl

Bei einem Asynchronmotor mit Wechselstrom ist die Synchrondrehzahl die Rotationsgeschwindigkeit, mit der sich das Magnetfeld des Stators in der Maschine dreht. Diese Geschwindigkeit wird ausschließlich durch die Netzfrequenz und die Anzahl der Magnetpole bestimmt, die in den Stator gewickelt sind. Bei einem Motor, der mit 60 Hz Einphasen- oder Drehstrom und zwei Polen läuft, beträgt die Synchrondrehzahl 3600 U/min; bei vier Polen sinkt sie auf 1800 U/min. Die Beziehung ist fest: Synchrondrehzahl in U/min entspricht 120 multipliziert mit der Frequenz in Hertz, dividiert durch die Anzahl der Polpaare.

Die Synchrondrehzahl ist deshalb wichtig, weil der Rotor eines Asynchronmotors nie mit dieser theoretischen Geschwindigkeit dreht. Der Rotor bleibt gegenüber dem rotierenden Magnetfeld um einen kleinen Betrag zurück, den man Schlupf nennt; dieser liegt typischerweise zwischen 3 und 5 Prozent bei Nennlast. Dieser Schlupf ermöglicht es dem Motor, Drehmoment zu entwickeln: Die Relativbewegung zwischen Feld und Rotor induziert einen Strom in den Rotorleiter und erzeugt die Kraft, die die Welle dreht. Ohne Schlupf entwickelt der Motor kein Drehmoment.

Der Begriff Synchron kommt von Synchronmotoren, die sich genau mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Magnetfeld drehen und spezielle Konstruktionen mit Dauermagneten oder einer Gleichstromwicklung benötigen, um den Rotor am Feld zu verriegeln. Asynchronmotoren dagegen sind asynchron: Sie laufen immer etwas langsamer als die Synchrondrehzahl. Trotzdem beziehen sich Ingenieure bei der Beschreibung des Betriebspunkts eines Asynchronmotors immer noch auf die Synchrondrehzahl, da sie die Grundlage für die Messung des Schlupfs bildet und den verfügbaren Drehzahlbereich des Motors bestimmt.

In der Industrie ist die Kenntnis der Synchrondrehzahl für die Motorauswahl und die Anpassung an die Last unverzichtbar. Ein 60-Hz-Vierpolmotor hat eine Synchrondrehzahl von 1800 U/min und eine Betriebsdrehzahl bei Nennlast um 1750 U/min. Eine zweipolige Version desselben Motors erreicht synchron 3600 U/min, bei Nennlast etwa 3500 U/min. Viele industrielle Prozesse erfordern spezifische Ausgangsgeschwindigkeiten; die Wahl der falschen Polzahl bedeutet entweder den Betrieb mit einem Getriebereduzierer oder das Akzeptieren einer nicht angepassten Drehzahl an der angetriebenen Last.

Frequenzumwandlung bringt eine zusätzliche Komplexität mit sich. In Regionen oder Anlagen mit 50-Hz-Stromversorgung beträgt die Synchrondrehzahl eines Vierpolmotors 1500 U/min, nicht 1800. Frequenzumrichter (FU) ändern sowohl die Frequenz als auch die Spannung, die zum Motor führt, und ermöglichen so, seine Synchrondrehzahl von nahe Null auf weit über die Nenngeschwindigkeit einzustellen. Die tatsächliche Drehzahl des Motors bleibt weiterhin um den Schlupf hinter der Synchrondrehzahl zurück, aber dieser Schlupf tritt nun bei der Frequenz auf, die der Umrichter ausgibt.