Sünkroonmootor

Allikas: Vikipeedia

Sünkroonmootor on vahelduvvoolumootor, mille pöörlemissagedus on sünkroonis voolu sagedusega.

Sünkroonmootor[muuda | redigeeri lähteteksti]

Joonis 1. Sünkroonmootori tööpõhimõte

Sünkroonmootor on sünkroonmasin, mida kasutatakse elektrilise võimsuse muundamiseks mehaaniliseks võimsuseks. Sünkroonmootor (samuti ka asünkroonmootor) staatorimähis tekitab pöörleva magnetvälja (joonis 1). Erinevalt asünkroonmootoritest tekitatakse aga sünkroonmootori rootoris elektromagnet- või püsimagnet ergutusga veel teine magnetvoog (ergutusvoog), mis magnetahela kaudu aheldub staatorimähise magnetvooga. Selle tulemusena haarab staatori pöörlev magnetväli rootori endaga kaasa (st. Staatorivälja N poolused tõmbuvad rootori S poolustega ja vastupidi) ning rootor hakkab pöörlema staatorivälja sünkroonkiirusel. Rootori ergutamiseks elektromagnetite abil tuleb ergutusvool juhtida pöörlevasse rootorisse läbi rootoril asuvate kontaktrõngaste. Püsimagnetite kasutamisel sellist vajadust pole.

Joonis 2. Kahepooluseline sünkroonmootor

Joonisel 2 on kahepooluseline sünkroonmootor. Mootori väljavool IF tekitab püsioleku magnetvälja BR. Masina staatorile on rakendatud kolmefaasiline pingetekomplekt, mis tekitab mähistes kolmefaasilise voolu. Kolmefaasiline voolude komplekt ankrumähises tekitab korrapärase pöörleva magnetvälja BS. Seega, masinas on kaks magnetvälja ning rootori väli püüab tõmbuda ühele joonele staatori väljaga, just nagu kaks magnetit püüavad tõmbuda ühele joonele, kui nad on üksteise lähedal. Kuna staatori magnetväli on pöörlev, siis rootori magnetväli (ja rootor ise) püüab liikuda pidevalt sellele järele. Mida suurem on nurk nende kahe magnetvälja vahel (teatud piirini), seda suurem moment mõjub masina rootorile. Sünkroonmootori töö põhiseisukoht on selles, et rootor "järgib" pöörlevat staatori magnetvälja, aga ei saa teda kunagi kätte.

Sõltuvalt sünkroonmootori rootori kujust ja pooluste asetusest eristatakse väljapoolustega ja peitepoolustega masinaid. Esimesel juhul on rootori poolused selgesti eristatavad ning õhupilu on minimaalne pooluse kohal. Teisel juhul on rootori pind sile ning õhupilu on ühtlane kogu ulatuses. Väljapoolustega mootor töötab ka ilma ergutusväljata, see tähendab ilma ergutuseks kasutatavate püsi- või elektromagnetiteta. Sel juhul on tegemist nn reaktiivse sünkroonmootoriga ehk reluktantsmootoriga, mille töö põhineb õhupilu magneetilise takistuse (ehk reluktantsi) muutumusel rootori asendist.

Sünkroonmootor arendab momenti ainult sünkroontalituses. Seepärast on omaette probleemiks sünkroonmootori käivitamine otsevõrgulülituse puhul, milleks kasutatakse asünkroonkäivitusmähist. Sünkroonmootori kiiruse reguleerimine toimub samuti nagu asünkroonmootori puhul toitepinge sageduse reguleerimine.

 n_0 = {60f_1\over p}\ p/min\qquad \omega_0 = {2\pi f_1\over p}\ s^-1
Joonis 3. Käivitusmähise momenditunnusjoon

Sünkroonmootori lihtsustatud vektordiagramm ja momendi-nurgatunnusjoon on näidatud joonisel 3. Vektordiagrammil näidatud staatorimähise elektromotoorjõu ja võrgupinge vektorite vaheline nurk on ühtlasi masina koormusnurk, millest sõltub masina poolt tekitatav moment. Koormusnurga suurenemisel üle π/2 hakkab moment vähenema. See nurk on mootori stabiilsuspiiriks. Suurel koormusel ei suuda mootor enam tasakaalustada koormusmomenti ning mootor langeb sünkronismist välja. Selleks et normaaltalituses oleks mootoril teatav momendivaru, valitakse tavaliselt sünkroonmootorite puhul nimitalitusele vastav koormusnurk suhteliselt väike (alla π/4).

Joonis 4. Sünkroonmootori lihtsustatud vektordiagramm

Sünkroonmootori mehaaniline tunnusjoon kujutab endast horisontaalset sirgjoont 1 (joonis 4). Sünkroonmootori käivitamisel sageduse sujuva suurenemisega tõuseb mehaaniline tunnusjoon koos sagedusega ülespoole ning koos sellega suureneb kiirus ja tõuseb mootori tööpunkt. Sageduse vähendamisel, aga langeb tunnusjoon allapoole. Sünkroonmootori otse võrku käivitamiseks on rootoril olemas asünkroonkäivitusmähis, mille poolt tekitatud momenti iseloomustab kõver 2. Kui käivitamisel kasvab kiirus sünkroonkiiruse lähedale, tõmbub mootor teatud kiiruse ja momendil sünkroontalitusse.

Ergutusmähisega sünkroonmootorit iseloomustavad nn U-kõverad ehk staatorivoolu sõltuvus ergutusvoolust. Kõveratel on olemas miinimum punkt, milles staatorivool on sama võimsuse juures kõige väiksem. Selles punktis tarbib masin aktiivvõimsust. Ergutusvoolu vähendamiseks ehk alaergutamisel tarbib sünkroonmootor võrgust pingest mahajäävat ehk induktiivse iseloomuga voolu, üleergutamisel aga pingest etteruttavat ehk mahtuvusliku iseloomuga voolu. Seega saab ergutusvoolu reguleerimisega muuta võrgust tarbitavat reaktiivenergiat.

Püsimagnetiga sünkroonmootor[muuda | redigeeri lähteteksti]

Püsimagnetiga sünkroonmootoritel ergutusmähis puudub ning ergutusvoog tekitatakse püsimagnetitega. Püsimagnetitega sünkroonmootori rootori ehitus on lihtne, mis tõttu niisugune mootor on eriti töökindel muutuva kiirusega ajamites.

Kui sünkroonmootori koormusnurk on π/2, siis staatori pikimoment võrdub nulliga, põikikomponent võrdub staatorivooluga ning mootor arendab maksimaalset momenti. Ühtlasi töötab mootor sel juhul stabiilsuspiiril, mis tavaliselt sünkroonmootorite puhul pole lubatav.

Suurevõimsuselised sünkroonmootorid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Toitemuundurist toitmisel saab nimikiirusest väiksematel kiirustel mootori koormuse suurenemisel automaatselt suurendada mootori pinget ning mootori töö koormuse muutmisel seda stabiliseerida. Tänapäeval toodetakse ka väga suure, megavattideni ulatuva võimsusega püsimagnetitega mootoreid. Sünkroonmasinate põhilised kasutusalad on võimsad kompressorid, laevaveo- ja tüürimisajamid, veskid, pumbad, paberimasinad jm.

Väiksevõimsuselised sünkroonmootorid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mikrolaineahjus kasutatav sünkroonmootor

Väiksevõimsuselisi püsimagnetergutusega ,masinaid kasutatakse tööpinkide ja robotite ajamites. Kuna tööpinkides täiendavad niisugused mootorid sageli abi- ehk teenindusfunktsiooni, siis on hakatud neid nimetama servomootoriteks ning vastavaid ajameid servoajamiteks. Oma olemuselt on niisugused mootorid samuti sünkroonmootorid, kuid neisse on sisse ehitatud asendiandur, mis võimaldab täpselt määrata rootori asendi staatori suhtes ning vastavalt asendisignaalile juhtida mootori toitepinget. Niisugune juhtimine on võrreldav alalisvoolumootori harikommutaatori talitusega, mis samuti lülitab ankru toitepinget sõltuvalt ankru asendist (pöördenurgast).

Harjadeta alalisvoolumootorid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Harjadeta alalisvoolumootorid, mis on ette nähtud talituseks koos pooljuhtkommutaatoriga, sarnanevad oma ehituselt püsimagnetitega sünkroonmootoritega. Neil mootoritel ergutusmähis puudub ning ergutusvoog tekitatakse samuti püsimagnetitega. Pöördmagnetväli tekitatakse staatorimähise ja poolkommutaatoriga, kusjuures kommutaatori lülitusprotsessi juhitakse sõltuvalt rootori pöördenurgast. Pöördenurga mõõtmiseks on masinasse integreeritud pöördenurga ehk asendiandurid (resolverid). Harjadeta alalisvoolumootori mehaaniline tunnusjoon erineb sünkroonmootori omast ning on võrreldav tavaliselt harikommutaatoriga varustatud mootori mehaanilise tunnusjoonega. Kui sünkroonmootori kiirus on koormusest sõltumatu (konstantne), siis harjadeta alalisvoolumootori kiirus hakkab koormuse suurenemisel vähenema. Tavaliste alalisvoolumootorite puhul kasutatakse kiiruse suurendamiseks üle nimikiiruse ergutusvoolu vähendamist, millega koos väheneb masina magnetvoog. Märkigem, et ankru pinget tasakaalustav elektromotoorjõud on võrdeline magnetvoo ja nurkkiiruse korrutisega. Järelikult peab magnetvoo vähendamisel sama elektromotoorjõu säilitamiseks suurenema mootori nurkkiirus. Harjadeta püsimagnetergutusega alalisvoolumootorit saab juhtida ainult staatorimähise kaudu ning ergutusvoogu eraldi juhtida ei saa. Mootori summaarset magnetvoogu saab aga kaudselt juhtida staatorimähise kommuteerimis hetke valikuga. Staatorimähise magnetvoog liitub püsimagnetite poolttekitatud ergutusvooga ning sõltuvalt mähise magneti suhtelisest asendist toimib staatorivool magnetvoogu suurendavalt (samasuunalised vood) või vähendavalt (vastassuunalised vood). Nähtus on võrreldav harikommutaatoriga mootori ankrureaktsiooniga. Kommutatsiooni juhtimisega saab muuta elektromotoorjõu E ja voolu I faasivektorite vahelist nurka gamma. Kui gamma on võrdeline nulliga, siis vool on magnetvooga risti ning mootori moment on maksimaalne. Kui gamma on väiksem nullist, siis voolu faasivektor ennetab elektromotoorjõu faasivektorit ning vooluvektori pikikomponendi magnetvoog on vastassuunaline mootori ergutusvooga. Sama nähtus esineb alalisvoolumootori harjade pööramisel neutraalteljelt kõrvale kas pöörlemissuunas (kiirendav kommutatsioon) või pöörlemisega vastassuunas (aeglustav kommutatsioon). Voolu ennetav kommuteerimine magneedib mootori lahti, nõrgendab mootori summaarset magnetvoogu ja suurendab masina magnetvoogu ja momenti ning vähendab masina pöörlemiskiirust.

Kokkuvõttes võib väita, et harjadeta alalisvoolumootori rootor pöörleb staatori poolt tekitatud magnetväljaga sünkroonselt nagu sünkroonmootori rootor, kuid antud juhul on staatori magnetvälja pöörlemiskiirus pooljuhtkommutaatoriga reguleeritav. Rootori võlli mehaanilise momendi suurenemisel hakkab rootor staatori väljast maha jääma, kuid tänu kommutatsiooni rootori asendist sõltuvale automaatsele juhtimisele aeglustub ka staatori välja pöörlemine ning rootor säilitab staatori väljas oma suhtelise asendi. Seega eristab sünkroonmootorit alalisvoolumootorist vaid pöördvälja tekitamise põhimõte. Sünkroonmootori pöördväli tekitatakse toitevõrgu või –muunduri konstantse sagedusega pingesüsteemiga. Harjadeta alalisvoolumootori pöördväli tekitatakse rootori asendianduri signaali abil juhitava pooljuhtmuunduriga.

Rootori asendi määramine otsese mõõtmisega toimub magnetvoo Halli anduritega, optiliste impulssanduritega või resolveritega. Kaudne ehk anduriteta mõõtmine põhineb staatori magnetvoo, mähise induktiivsuse ja voolu rootori asendist sõltuva kõrgsagedusliku pulseerimise mõõtmises, indutseeritud elektromotoorjõu nullväärtuse tuvastamises või mootori pinge kõrgsageduslike harmooniliste komponentide mõõtmises.

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Tõnu Lehtla. Elektriajamid. TTÜ kirjastus, Tallinn 2007. Lk 80 – 87
  2. U. Agur, J. Laugis. Elektriajamid. Lk 148 – 153
  3. Tõnu lehtla. Sujuvkäivitid ja sagedusemuundurid. TTÜ, Tallinn 1999. Lk 17 – 19
  4. http://193.40.254.185/public/e/elektrotehnika-aluste-elektrimasinate-instituut/Sunkroonmootorid.pdf
  5. http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/AC/AC_13.html#xtocid154012