Sähkömoottorit ovat sähkömekaaninen laite, joka muuntaa sähköenergian mekaaniseksi energiaksi. Syöttötyypin perusteella olemme luokitelleet ne yksivaiheisiin ja kolmivaiheisiin moottoreihin.
Yleisimmät kolmivaiheiset moottorit ovat synkronimoottorit ja induktiomoottorit. Kun kolmivaiheiset sähköjohtimet sijoitetaan tiettyihin geometrisiin asentoihin (eli tiettyyn kulmaan toisiinsa nähden) – syntyy sähkökenttä. Pyörivä magneettikenttä pyörii tietyllä nopeudella, jota kutsutaan synkroninopeudeksi.
Jos tässä pyörivässä magneettikentässä on sähkömagneetti, sähkömagneetti lukittuu magneettisesti tähän pyörivään magneettikenttään ja pyörii samalla nopeudella kuin pyörivä kenttä.
Tästä tulee termi synkronimoottori, koska moottorin roottorin nopeus on sama kuin pyörivän magneettikentän nopeus.
Se on kiinteänopeuksinen moottori, koska sillä on vain yksi nopeus, joka on synkroninopeus. Tämä nopeus on synkronoitu syöttötaajuuden kanssa. Synkroninopeus saadaan:
Jossa:
- N= Synkroninopeus (kierroksina minuutissa – ts. Kierroksia minuutissa)
- f = Syöttötaajuus (Hz:nä)
- p = Napojen lukumäärä
Synkronimoottorin rakenne
Synkronimoottorin rakenne on tavallisesti melkein samanlainen kuin kolmivaiheisen induktiomoottorin rakenne, lukuun ottamatta sitä tosiasiaa, että tässä syötetään tasavirtaa roottoriin, jonka syyn selitämme myöhemmin. Käydään nyt ensin läpi tämäntyyppisen moottorin perusrakenne. Edellä olevasta kuvasta käy selvästi ilmi, miten tämäntyyppinen kone suunnitellaan. Käytämme kolmivaiheista syöttöä staattoriin ja tasavirtasyöttöä roottoriin.
Synkronimoottoreiden pääominaisuudet
- Synkronimoottorit eivät luonnostaan käynnisty itsestään. Ne vaativat joitakin ulkoisia keinoja nopeuden saattamiseksi lähelle synkroninopeutta ennen kuin ne synkronoituvat.
- Moottoreiden käyntinopeus on synkronissa syöttötaajuuden kanssa, ja näin ollen vakiosyöttötaajuuden ollessa vakio, ne käyttäytyvät vakionopeuksisina moottoreina kuormitustilanteesta riippumatta.
- Moottorilla on ainutlaatuiset ominaisuudet, sillä se pystyy toimimaan millä tahansa sähkötehokertoimella. Tämän vuoksi sitä käytetään sähköisen tehokertoimen parantamiseen.
Toimintaperiaate Synkronimoottori
Synkronimoottorit ovat kaksoisherätyt koneet, eli niille annetaan kaksi sähköistä tuloa. Sen staattorikäämitys, joka koostuu Me antaa kolmivaiheista syöttöä kolmivaiheiselle staattorikäämitykselle ja tasavirtaa roottorikäämitykselle.
Kolmivaiheinen staattorikäämitys, joka kuljettaa kolmivaiheisia virtoja, tuottaa kolmivaiheisen pyörivän magneettivuon. Tasasähkösyöttöä kantava roottori tuottaa myös vakiovuon. Kun otetaan huomioon 50 Hz:n tehotaajuus, yllä olevasta suhteesta nähdään, että 3-vaiheinen pyörivä magneettivuo pyörii noin 3000 kierrosta minuutissa tai 50 kierrosta sekunnissa.
Jossain tietyssä hetkessä roottorin ja staattorin navat saattavat olla saman napaisuuden (N-N tai S-S) aiheuttaen roottoriin hylkivän voiman ja seuraavalla hetkellä N-S aiheuttaen vetovoiman. Roottorin hitausvoiman vuoksi se ei kuitenkaan pysty pyörimään mihinkään suuntaan vetovoiman tai hylkivän voiman vuoksi, ja roottori pysyy paikallaan. Synkronimoottori ei siis ole itsekäynnistyvä.
Tässä käytetään mekaanisia keinoja, jotka aluksi pyörittävät roottoria samaan suuntaan kuin magneettikenttää nopeuteen, joka on hyvin lähellä synkroninopeutta. Kun synkroninopeus saavutetaan, tapahtuu magneettinen lukkiutuminen, ja synkronimoottori jatkaa pyörimistä myös ulkoisen mekaanisen välineen poistamisen jälkeen.
Mutta roottorin inertian vuoksi se ei pysty pyörimään mihinkään suuntaan tuon vetovoiman tai hylkivän voiman vuoksi, ja roottori pysyy pysähtyneessä tilassa. Näin ollen synkronimoottori ei ole itsekäynnistyvä.
Tässä käytämme joitakin mekaanisia keinoja, jotka aluksi pyörittävät roottoria samaan suuntaan kuin magneettikenttä nopeuteen, joka on hyvin lähellä synkroninopeutta. Kun synkroninopeus saavutetaan, tapahtuu magneettinen lukkiutuminen, ja synkronimoottori jatkaa pyörimistä myös ulkoisen mekaanisen välineen poistamisen jälkeen.
Synkronimoottorin käynnistysmenetelmät
- Moottorin käynnistys ulkoisella primus motorilla: Synkronimoottorit kytketään mekaanisesti toiseen moottoriin. Se voi olla joko kolmivaiheinen induktiomoottori tai tasavirtainen oikosulkumoottori. Tässä ei aluksi käytetä tasavirtaherätystä. Moottori pyörii nopeudella, joka on hyvin lähellä sen synkroninopeutta, ja sitten annetaan tasavirtaheräte. Jonkin ajan kuluttua, kun magneettinen lukkiutuminen tapahtuu, ulkoisen moottorin syöttö katkaistaan.
- Vaimennuskäämitys Tässä tapauksessa synkronimoottori on navanapatyyppinen, ja ylimääräinen käämitys sijoitetaan roottorin napapoihin. Aluksi, kun roottori ei pyöri, vaimentimen käämityksen ja pyörivän ilmavälin vuon välinen suhteellinen nopeus on suuri ja siihen indusoituu emf, joka tuottaa tarvittavan käynnistysmomentin. Kun nopeus lähestyy synkroninopeutta, emf ja vääntömomentti pienenevät, ja lopulta, kun magneettinen lukkiutuminen tapahtuu, myös vääntömomentti pienenee nollaan. Tällöin synkronimoottori toimii ensin kolmivaiheisena induktiomoottorina käyttämällä lisäkäämitystä ja lopuksi se synkronoidaan taajuuden kanssa.
Synkronimoottoreiden käyttö
- Synkronimoottoria, jonka akseliin ei ole kytketty kuormaa, käytetään tehokertoimen parantamiseen. Koska synkronimoottori käyttäytyy millä tahansa sähköisellä tehokertoimella, sitä käytetään sähköjärjestelmässä tilanteissa, joissa staattiset kondensaattorit ovat kalliita.
- Synkronimoottoria käytetään silloin, kun käyntinopeus on pieni (noin 500 rpm) ja tarvitaan suurta tehoa. Kun tehontarve on 35 kW:sta 2500 KW:iin, vastaavan kolmivaiheisen induktiomoottorin koko, paino ja kustannukset ovat hyvin suuret. Siksi näitä moottoreita käytetään mieluiten. Esim. mäntämoottoripumppu, kompressori, valssaamot jne.
.