|
'''Sünkroonmootor''' on [[sünkroonmasin]], mille [[rootor (elektrotehnika) |rootor]] pöörleb [[sünkroonsus |sünkroonselt]] [[staator]]il paikneva [[Ankur (elektrotehnika) |ankru]] pöördväljaga (pöörleva [[magnetväli|magnetväljaga]]). Rootori pöörlemissagedus on määratud ankru [[pinge (elekter)|toitepinge]] [[sagedus]]e ja pooluspaaride arvuga ning ei sõltu mootori koormusest.
{{vikinda}}
'''Sünkroonmootor''' on [[vahelduvvoolumootor]], mille [[pöörlemissagedus]] on sünkroonis [[elektrivool|voolu]] [[sagedus]]ega.
[[Pilt:3phase-rmf-320x240-180fc.gif|pisi|Sünkroonmootori rootorit pöörav magnetväli moodustub staatori kolme faasimähise magnetväljavektori summast]]
==Sünkroonmootor==
[[Pilt:Synkroonmootori toopohimote.png|pisi|Joonis 1.350px| 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.
== Ehitus ja talitlus ==
[[Pilt:Kahepooluseline synkroonmootor.png|pisi|Joonis 2. Kahepooluseline sünkroonmootor]]
Sünkroonmootori staatorimähis tekitab pöörleva magnetvälja (samuti nagu asünkroonmootor]]is). Erinevalt asünkroonmootoritest tekitatakse aga sünkroonmootori rootoris [[elektromagnet]]- või [[püsimagnet]]ergutusga veel teine magnetväli (ergutusvoog), mis magnetahela kaudu aheldub staatorimähise [[magnetvoog]]a. Selle tulemusena haarab staatori pöörlev magnetväli rootori endaga kaasa: staatorivälja N-poolused tõmbuvad rootori S-poolustega (ja vastupidi) ning rootor hakkab pöörlema staatoriväljaga samal kiirusel. Rootor pöörleb küll staatoriväljaga kaasa, kuid jääb sellest alati teatud faasinurga võrra maha. Mida suurem on nurk – koormusnurk – nende kahe magnetvälja vahel, seda suurem pöördemoment mõjub masina rootorile. Koormusnurga suurenemisel üle π/2 (90°) hakkab moment vähenema. See nurk on mootori stabiilsuspiiriks. Suuremal koormusel ei suuda mootor enam tasakaalustada koormusmomenti ning mootor langeb sünkronismist välja. Selleks et normaaltalituses oleks mootoril teatav momendivaru, valitakse nimitalitlusele vastav koormusnurk suhteliselt väike (tavaliselt alla π/4).
''Joonisel 2'' on kahepooluseline sünkroonmootor. Mootori väljavool ''I<sub>F</sub>'' tekitab püsioleku magnetvälja ''B<sub>R</sub>''. Masina staatorile on rakendatud kolmefaasiline pingetekomplekt, mis tekitab mähistes kolmefaasilise voolu. Kolmefaasiline voolude komplekt ankrumähises tekitab korrapärase pöörleva magnetvälja ''B<sub>S</sub>''. 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.
Ergutusvälja tekitamiseks elektromagnetite abil tuleb ergutusvool juhtida pöörlevasse rootorisse läbi rootoril asuvate kontaktrõngaste ja neil libisevate grafiitharjade. Püsimagnetite kasutamisel sellist vajadust pole.
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 magnetilise takistuse (ehk reluktantsi) muutumusel rootori asendist. ▼
▲Sõltuvalt sünkroonmootori rootori kujust ja pooluste asetusest eristatakse väljapoolustegaväljepoolustega ja peitepoolustegapeitpoolustega 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. VäljapoolustegaVäljepoolustega 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 reluktantsi (magnetilise takistuse (ehk reluktantsi) muutumusel sõltuvalt 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.
::: <math> n_0 = {60f_1\over p}\ p/min\qquad \omega_0 = {2\pi f_1\over p}\ s^-1 </math> ▼
Sünkroonmootor arendab [[pöördemoment]]i ainult sünkroontalituses. Sünkroonkiiruseni jõudmine mootori võrku lülitamisel toimub siiski asünkroonselt rootori poolustel paikneva käivitusmähise abil.
[[Pilt:Kaivitusmahise momenditunnusjoon.png|pisi|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).
▲[[Pilt:Kaivitusmahise momenditunnusjoon.png|pisi| Joonis 3.300px| Käivitusmähise momenditunnusjoon]]
[[Pilt:Synkroonmootori lihtsustatud vektordiagramm.png|pisi|Joonis 4. Sünkroonmootori lihtsustatud vektordiagramm]]
Sünkroonmootori pöörlemissagedust saab reguleerida ainult toitepinge sageduse muutmise teel:
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.
▲: :: <math> n_0 = { 60f_160f \over p} \ ; p\text{1/min }\qquad \omega_0 = {2\pi f_1f \over p} \ ; \text{rad/s ^-1} </math>
kus
:<math> f </math> on toitepinge sagedus, Hz
:<math> n_0 </math> on pöörlemissagedus, pööret minutis
:<math> \omega_0 </math> on pöörlemise nurkkiirus, [[radiaan]]i sekundis
:<math> p </math> on pooluspaaride (N–S) arv
Sünkroonmootori mehaaniline tunnusjoon kujutab endast rõhtjoont 1. Käivitusmähise tekitatud momenti mootori asünkroonkäitamisel iseloomustab kõver 2. Kui käivitamisel kasvab kiirus sünkroonkiiruse lähedale, tõmbub mootor sünkroontalitlusse.
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.
==PüsimagnetigaPüsimagnetitega sünkroonmootor==
PüsimagnetigaPüsimagnetitega sünkroonmootoritel ergutusmähis puudub ning ergutusvoog tekitatakse püsimagnetitega. Püsimagnetitega sünkroonmootori rootori ehitus on lihtne, mis tõttumistõttu 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.
Toitemuundurist toitmise korral saab mootori koormuse suurenemisel automaatselt suurendada mootori toitepinget ning niiviisi mootori tööd koormuse muutmisel stabiliseerida.
==Suurevõimsuselised sünkroonmootorid==
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 püsimagnetitegapüsimagnetergutusega mootoreid. SünkroonmasinateNiisuguste masinate põhilised kasutusalad on võimsad kompressorid, laevaveolaevade veo- ja tüürimisajamid, veskid, pumbad, paberimasinad jm.
==Väiksevõimsuselised sünkroonmootorid==
[[File:Synchronmot.jpg|thumb|Mikrolaineahjus kasutatav sünkroonmootor]]
Väiksevõimsuselisi püsimagnetergutusega ,masinaidmootoreid kasutatakse tööpinkide[[tööpink]]ide ja robotite[[robot]]ite ajamites. Kuna tööpinkides täiendavadtäidavad niisugused mootorid sageli abi- ehk teenindusfunktsiooni, siis on hakatud neid nimetama [[servomootoriteks ning vastavaid ajameid servoajamiteks[[servoajam]]iteks. Oma olemuselt on niisugused mootorid samuti sünkroonmootoridsünkroonmootor]]id, 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). ▼{{commonscat|Synchronous machines}} ▼▲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==
{{vaata|Harjavaba alalisvoolumootor}}
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 poolkommutaatorigaelektronkommutaatoriga, 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 hetkekommuteerimishetke valikuga. Staatorimähise magnetvoog liitub püsimagnetite poolttekitatudpoolt tekitatud 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.
KokkuvõttesKokku võttes 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 otsese mõõtmise teel Halli anduritega, optiliste impulssanduritega või resolveritega[[resolver]]itega. Kaudne ehk anduriteta mõõtmine põhineb staatori magnetvoo, mähise induktiivsuse ja voolu rootori asendist sõltuva kõrgsagedusliku pulseerimise mõõtmisesmõõtmisel, indutseeritud elektromotoorjõu nullväärtuse tuvastamisestuvastamisel või mootori pinge kõrgsageduslike harmooniliste komponentide mõõtmisesmõõtmisel.
==ViitedKirjandus==
#*Tõnu Lehtla. Elektriajamid. Tallinn, TTÜ kirjastus, Tallinn 2007. Lk 80 – 8780–87
#U.*Ustus Agur, J.Juhan Laugis. Elektriajamid. LkTallinn, 148Valgus, –1984. Lk 153148–153
#*Tõnu lehtlaLehtla. Sujuvkäivitid ja sagedusemuundurid. TTÜTallinn, TallinnTTÜ kirjastus, 1999. Lk 17 – 1917–19
#http://193.40.254.185/public/e/elektrotehnika-aluste-elektrimasinate-instituut/Sunkroonmootorid.pdf
== Välislingid ==
#http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/AC/AC_13.html#xtocid154012
*[http://www.ene.ttu.ee/elektriajamid/oppeinfo/materjal/SKK0070/032Elektromehaaniline_energiamuundus.pdf Sünkroonmasin]
[[Kategooria:Elektrimootorid]]
▲{{commonscat|Synchronous machines}}
{{Elektrimootor}}
| 