Sünkroonmootor

Sünkroonmootor on sünkroonmasin, mille rootor pöörleb sünkroonselt staatoril paikneva ankru pöördväljaga (pöörleva magnetväljaga). Rootori pöörlemissagedus on määratud ankru toitepinge sageduse ja pooluspaaride arvuga ning ei sõltu mootori koormusest.

Sünkroonmootori rootorit pöörav magnetväli moodustub staatori kolme faasimähise magnetväljavektori summast

Sünkroonmootori lihtsustatud vektordiagramm

Kahepooluseline sünkroonmootor

Ehitus ja talitlus

Sünkroonmootori staatorimähis tekitab pöörleva magnetvälja (samuti nagu asünkroonmootoris). Erinevalt asünkroonmootoritest tekitatakse aga sünkroonmootori rootoris elektromagnet- või püsimagnetergutusga veel teine magnetväli (ergutusvoog), mis magnetahela kaudu aheldub staatorimähise magnetvooga. 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).

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 väljepoolustega ja peitpoolustega 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. Väljepoolustega 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) muutumusel sõltuvalt rootori asendist.

Sünkroonmootor arendab pöördemomenti ainult sünkroontalituses. Sünkroonkiiruseni jõudmine mootori võrku lülitamisel toimub siiski asünkroonselt rootori poolustel paikneva käivitusmähise abil.

Käivitusmähise momenditunnusjoon

Sünkroonmootori pöörlemissagedust saab reguleerida ainult toitepinge sageduse muutmise teel:

$n_{0}={60f \over p}\;{\text{1/min}}\qquad \omega _{0}={2\pi f \over p}\;{\text{rad/s}}$

kus

$f$ on toitepinge sagedus, Hz

$n_{0}$ on pöörlemissagedus, pööret minutis

$\omega _{0}$ on pöörlemise nurkkiirus, radiaani sekundis

$p$ 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.

Püsimagnetitega sünkroonmootor

Püsimagnetitega sünkroonmootoritel ergutusmähis puudub ning ergutusvoog tekitatakse püsimagnetitega. Püsimagnetitega sünkroonmootori rootori ehitus on lihtne, mistõttu 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

Tänapäeval toodetakse ka väga suure, megavattideni ulatuva võimsusega püsimagnetergutusega mootoreid. Niisuguste masinate põhilised kasutusalad on võimsad kompressorid, laevade veo- ja tüürimisajamid, veskid, pumbad, paberimasinad jm.

Väiksevõimsuselised sünkroonmootorid

Mikrolaineahjus kasutatav sünkroonmootor

Väiksevõimsuselisi püsimagnetergutusega mootoreid kasutatakse tööpinkide ja robotite ajamites. Kuna tööpinkides täidavad 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

 Pikemalt artiklis 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 elektronkommutaatoriga, 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 kommuteerimishetke valikuga. Staatorimähise magnetvoog liitub püsimagnetite poolt 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.

Kokku 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 toimub magnetvoo otsese mõõtmise teel Halli anduritega, optiliste impulssanduritega või resolveritega. Kaudne ehk anduriteta mõõtmine põhineb staatori magnetvoo, mähise induktiivsuse ja voolu rootori asendist sõltuva kõrgsagedusliku pulseerimise mõõtmisel, indutseeritud elektromotoorjõu nullväärtuse tuvastamisel või mootori pinge kõrgsageduslike harmooniliste komponentide mõõtmisel.

Vaata ka

• sünkroonmasin
• sünkroonsus

Kirjandus

• Tõnu Lehtla. Elektriajamid. Tallinn, TTÜ kirjastus, 2007. Lk 80–87
• Ustus Agur, Juhan Laugis. Elektriajamid. Tallinn, Valgus, 1984. Lk 148–153
• Tõnu Lehtla. Sujuvkäivitid ja sagedusemuundurid. Tallinn, TTÜ kirjastus, 1999. Lk 17–19

Välislingid

• Sünkroonmasin