1. Anpassungsbeziehung zwischen Betriebsgeschwindigkeit und Magnetfeld

• Synchronmotoren: Die Rotordrehzahl entspricht stets genau der Drehzahl des rotierenden Statormagnetfelds. Dies wird als „Synchronbetrieb“ bezeichnet. Rotoren verfügen entweder über eingebaute Permanentmagnete oder erzeugen ein festes Magnetfeld, indem Gleichstrom durch die Erregerwicklung geleitet wird. Sobald sich das rotierende Statormagnetfeld gebildet hat, zieht es den Rotor an und rotiert synchron, ohne dass es zu Drehzahlabweichungen kommt.
• Asynchronmotoren: Die Rotordrehzahl ist stets niedriger als die Drehzahl des rotierenden Statormagnetfelds, was zu einer „Drehzahldifferenz“ führt (daher der Name „Asynchronmotor“). Ihre Rotoren verfügen nicht über ein unabhängiges Magnetfeld. Stattdessen sind sie auf das Statormagnetfeld angewiesen, das die Rotorleiter durchtrennt und so einen induzierten Strom erzeugt, der wiederum ein Rotormagnetfeld bildet. Nur wenn die Rotordrehzahl langsamer ist als das Statormagnetfeld, kann das kontinuierliche Durchtrennen der Leiter durch das Magnetfeld gewährleistet werden, wodurch der induzierte Strom und die Rotordrehung aufrechterhalten werden. Daher ist die Drehzahldifferenz eine notwendige Voraussetzung für den Betrieb von Asynchronmotoren.

2. Startverhalten und Drehmomentverlauf

• Synchronmotoren: Sie weisen das Problem des „Schwierigstartens“ auf. Da das Rotormagnetfeld fest ist, ist die Geschwindigkeit des rotierenden Statormagnetfelds beim Starten extrem hoch, und der Rotor kann aufgrund seiner Trägheit nicht sofort mithalten, was leicht zu einem „Synchronisationsverlust“ führen kann (d. h., der Rotor kann nicht durch das Magnetfeld in Drehung versetzt werden). Daher können sie nicht durch direktes Einschalten gestartet werden. Normalerweise sind Zusatzgeräte (wie eine kleine asynchrone Anlaufwicklung) erforderlich, um den Rotor zunächst auf eine Geschwindigkeit nahe der Synchrondrehzahl zu bringen, und dann wird ein Erregerstrom angelegt, um die „Anzugssynchronisation“ abzuschließen. Darüber hinaus ist ihr Anlaufdrehmoment gering, was das Antreiben schwerer Lasten zum Starten erschwert.
• Asynchronmotoren: Sie sind leicht zu starten und haben ein flexibleres Drehmomentverhalten. Es sind keine Zusatzgeräte erforderlich; sie können durch direktes Einschalten gestartet werden. Während des Startvorgangs erhöht sich die Rotordrehzahl allmählich, und die Drehzahldifferenz verringert sich allmählich. Je nach Rotorstruktur können Asynchronmotoren in Käfigläufermotoren und Wicklungsläufermotoren unterteilt werden: Käfigläufermotoren haben ein moderates Anlaufdrehmoment und eignen sich für leichte Lasten (z. B. Lüfter). Wicklungsläufermotoren können das Anlaufdrehmoment durch Reihenschaltung von Widerständen im Rotorkreis erhöhen, wodurch die Anlaufanforderungen schwerer Lasten (z. B. Kräne) erfüllt werden.

3. Möglichkeit zur Anpassung von Effizienz und Leistungsfaktor

• Synchronmotoren: Sie haben einen höheren Wirkungsgrad und können den Leistungsfaktor anpassen. Da die Drehzahl stets synchron ist, entstehen keine durch Drehzahlunterschiede verursachten Schlupfverluste (einer der Hauptverluste von Asynchronmotoren). Im Langzeitbetrieb wird weniger Energie verschwendet, und der Effizienzvorteil ist bei Geräten mit hoher Kapazität (wie großen Generatoren und Industriekompressoren) deutlicher. Darüber hinaus lässt sich der Leistungsfaktor von Synchronmotoren durch Anpassung des Erregerstroms steuern. Bei ausreichendem Erregerstrom kann der Motor Blindleistung ins Stromnetz abgeben und so dessen Leistungsfaktor verbessern (Asynchronmotoren können dies nicht). Daher werden sie häufig als Synchronkondensatoren zur Stabilisierung der Netzspannung eingesetzt.
• Asynchronmotoren: Sie haben einen relativ niedrigen Wirkungsgrad und einen festen Leistungsfaktor. Aufgrund von Schlupfverlusten, insbesondere im Schwachlastbetrieb, sinkt der Wirkungsgrad deutlich (z. B. liegt der Wirkungsgrad im Leerlauf nahe Null). Gleichzeitig ist ihr Leistungsfaktor immer nacheilend (d. h. sie müssen Blindleistung aus dem Stromnetz aufnehmen, um ein Magnetfeld aufzubauen) und kann nicht aktiv angepasst werden. Ein großflächiger Einsatz kann zu einem Rückgang des Leistungsfaktors im Stromnetz und einem Anstieg der Netzverluste führen.

4. Unterschiede in den Anwendungsszenarien

• Synchronmotoren: Sie eignen sich besser für Szenarien mit hohen Anforderungen an Geschwindigkeitsgenauigkeit, Effizienz und Stromnetzstabilität:
  1. Bereich Stromerzeugung: Alle großen Generatoren (wie etwa Wärme- und Wasserkraftgeneratoren) sind Synchronmotoren, da sie eine stabile Drehzahl gewährleisten und elektrische Energie mit einer konstanten Frequenz ausgeben können (die Frequenz des chinesischen Stromnetzes ist auf 50 Hz festgelegt, was durch den Einsatz von Synchronmotoren erreicht werden muss).
  2. Industrielle Schwerlastgeräte: Große Industriekompressoren, Wasserpumpen, Kugelmühlen usw. nutzen ihre hohe Effizienz und stabile Drehzahl, um die Betriebskosten langfristig zu senken.
  3. Stromnetzregulierung: Wird als Synchronkondensator verwendet, um den Leistungsfaktor des Stromnetzes zu verbessern und das Problem unzureichender Blindleistung im Stromnetz zu lindern.
• Asynchronmotoren: Aufgrund ihrer einfachen Struktur, der geringen Kosten und der bequemen Wartung sind sie zur gängigen Wahl im zivilen und kleinen bis mittelgroßen Industrieszenario geworden:
  1. Zivile Geräte: Haushaltsgeräte (wie Klimaanlagen, Waschmaschinen, elektrische Ventilatoren) und kleine Wasserpumpen verwenden alle Käfigläufer-Asynchronmotoren, um den täglichen Bedarf an geringer Last zu decken.
  2. Kleine bis mittelgroße Industrieanlagen: Werkzeugmaschinenspindeln, Förderbänder, Gebläse usw. erfordern keine extrem hohe Genauigkeit und Effizienz, daher ist der Kostenvorteil von Asynchronmotoren deutlicher.
  3. Anlaufszenarien mit hoher Last: Asynchronmotoren mit gewickeltem Rotor werden in Geräten wie Kränen und Hebezeugen eingesetzt, bei denen das Anlaufdrehmoment durch Änderung des Rotorwiderstands angepasst wird.