Synkronmotor

Från Rilpedia

Texten från svenska Wikipedia

En synkronmotor är en motor för växelspänning. Den har fått sitt namn för att den snurrar synkront med magnetfältet. Jämför asynkronmotor. Varvtalet (n) bestäms av nätfrekvensen (f) och poltalet (p) enligt följande: n=2*f*60/p [rpm]. Poltalet är alltid jämnt delbart med två, vilket innebär att det högsta förekommande varvtalet (med 50 Hz nätspänning) är 3000 rpm. Synkronmotorn ger fullt vridmoment vid det synkrona varvtalet vilket ger motorn den karaktäristiska egenskapen att varvtalet ej sjunker när den belastas (upp till maxmomentet).

Användningsområden

Det finns tre olika saker man kan använda en synkronmaskin till

• Generator
• Motor
• Synkronkompensator.

Det huvudsakliga användningsområdet är som generator i kraftstationer. Bland annat i vattenkraftverk som drivs av Francis- eller Kaplanturbiner. I Harsprånget finns en sådan generator med effekten 500 MVA vid 107.1 rpm. Det finns en annan variant som kallas turbogenerator. Dessa drivs ofta av ånga via en ångturbin, vars egenskaper gör att man får ett högt varvtal. De så kallade turbogeneratorerna är oftast tvåpoliga och roterar med 3000 rpm vid 50 Hz. I Sveriges kärnkraftverk finns generatoreffekter i intervallet 600-1200 MVA.

Det är ovanligt med synkronmaskiner i motordrift. I de fall de förekommer handlar det oftast om mycket stora effekter, flera MW. Asynkronmaskinen har en enklare design och är därför mer robust och billig i inköp. Anledningen till att man ändå väljer en synkronmaskin som motor kan vara att man vill ha ett konstant varvtal. Mycket stora synkronmaskiner kan dessutom ha en något bättre verkningsgrad än asynkronmaskinen.

Synkronkompensatorer används för att styra den reaktiva effekten (och därmed även spänningen) på elnäten. Det är en synkronmaskin som är inkopplad på elnätet och går i tomgång. Den reaktiva effekten som tillverkas eller förbrukas av maskinen styrs genom att ändra magnetiseringsströmmen.

Uppbyggnad

Statorn

Statorn är den fasta komponenten i maskinen. Förenklat kan man säga att det är en spole där magnetisk spänning ska induceras. Statorn är uppbyggd av ett antal plåtpaket (laminering) och sammanhållen av en stålkonstruktion. Lindningen för en fas upptar en tredjedel av antalet spår i statorn, dvs en trefas fyller ut samtliga spår.

Rotor

För att få en induktans i motorn behöver man något som kan inducera spänning. Man väljer att sätta magneter (vanligtvis elektromagneter) på en rotor som ska rotera inne i statorn. Cylindrisk rotor används i snabbroterande turbogeneratorer. En fördel hos dessa är att de har relativt liten diameter i förhållande till sin längd. Rotorn är gjord i ett massivt stycke med spår upptagna för lindningarna.

Poler

För att få ner varvtalet hos en rotor kan man montera fler poler. Om man istället för en tvåpolig rotor använder en fyrpolig kan man därmed halvera rotationshastigheten hos rotorn. Det finns olika modeller på poler man kan välja till rotorn. Väljer man en med avrundade kanter förbättrar man den sinusformade flödesfördelningen längs polplattan.

Härvor

Varje lindningsfas består av härvgrupper som är seriekopplade till varandra. Varje härvgrupp består av ett antal seriekopplade härvor och varje härva har ett visst antal lindningsvarv, Trefaslindningen kan utföras på två olika sätt, planlindning eller övergångslindning beroende på hur härvorna utförs och förläggs vid konstruerandet av härvgrupper.

Magnetisering

För att en synkronmotor skall snurra eller en synkrongenerator ge spänning (och sedan även effekt) måste den magnetiseras. Det finns lite olika tillvägagångssätt för detta nämligen:

• Magnetisering med likströmsgenerator
• Magnetisering med likriktare
• Magnetisering med roterande likriktare.

Den klassiska, och vanligast förekommande sättet är med en kommutator och borstar dvs. en släpring där borstarna överför strömmen till rotorn.

Vill man ha en underhållsfri magnetiseringsprocedur kan man använda sig av en roterande likriktare. En sådan anläggning består av två maskiner, en huvudmaskin (innerpolmaskin) och en matare (ytterpolgenerator) ihopbyggda med en gemensam axel och i samma kapsling. Dessa är elektriskt förbundna till varandra via en roterande likriktare.

Magnetiseringsströmmen är det enda verktyget man har för att styra synkrongeneratorns reaktiva effekt och därmed även spänningen. Magnetiseringsutrustningen är därför en mycket viktig del av en synkronmaskin.

Infasning

Varvtalet på synkronmaskinen, till skillnad från asynkronmaskinen som går med en viss eftersläpning, bestäms exakt av nätfrekvensen. Vid inkoppling av en frilöpande synkronmaskin till ett spänningssatt trefasnät måste därför följande villkor vara uppfyllda:

• Samma frekvens
• Samma spänning
• Samma fasföljd
• Faslikhet i samtliga faser.

Med andra ord, polspänningnen på generatorn ska vara så lik nätspänningen som möjligt.

Att åstadkomma detta kallas för infasning. Man inväntar stunden då alla dessa överensstämmer och man kan då kan koppla in maskinen. Om varvtalet inte stämmer exakt kommer det gå stora strömmar i generatorn och den kommer att utsättas för en kraftig momentstöt. Så länge varvtalsskillnaden inte är för stor kommer generatorn troligtvis inte att ta någon större skada. Däremot kommer reläskydden för generatorn och/eller elnätet med stor sannolikhet att lösa ut.

Infasning sker nuförtiden automatiskt med ett så kallat fasningsdon. Förr i tiden gjordes infasningen manuellt, exempelvis med hjälp av tre lampor. Dessa tre lampor är kopplade mellan generator och nätspänning på följande sätt: L1-L2, L2-L1, L3-L3. Det innebär att när generatorn har samma spänning, frekvens och fasföljd som elnätet kommer två lampor ha huvudspänning över sig och lysa konstant. Den tredje lampan, som är kopplad L3-L3, kommer inte ha någon spänning över sig och är alltså släckt.

Eftersom livslängden på en kraftstation ofta är lång finns det många anläggningar kvar med manuell infasning.

Övrigt

En stor effektförlust uppkommer i gapet mellan stator och rotor. En del försök har gjorts på att använda sig av supraledande generatorer. En sådan utveckling kan leda till väsentligt ökade strömtätheter.

Denna artikel om teknik behöver bilder. Har du en passande fri illustration får du gärna ladda upp den.