Redigerer Elektrisk motor (avsnitt)

=== Synkronmotoren ===
[[Fil:Rotary field magnet and exciter armature for high-speed alternator (Rankin Kennedy, Electrical Installations, Vol II, 1909).jpg|thumb|Rotoren til en hurtiggående synkronmaskin. Bemerk rotoren til magnetiseringsmaskinen på enden av akslingen. Selve statoren til en synkronmaskin er i prinsippet meget lik den for asynkronmaskinen. (Illustrasjon fra Rankin Kennedy, Electrical Installations, Vol II, 1909)]]

Synkronmaskinen er så å si enerådende som generator i kraftverk, men nokså sjeldent brukt som motor. Der den brukes som motor er det ofte behov for konstant og gjerne også lavt turtall, samt store effekter. I slike tilfeller kan den tilby høy virkningsgrad.<ref>[[#REM|Svein Bua m.fl.: ''Roterende elektriske maskiner'' side 9.]]</ref><ref>[[#EMS|F. Moeller og P. Vaske : ''Elektriske maskiner og omformere'' side 219]]</ref>

Tradisjonelt har turbiner vært anvendt for motordrifter i industrisammenheng som krever svært høy effekt, men i de siste årene har synkronmotorer vunnet innpass også her, da som firepolte maskiner.<ref>{{Kilde www| forfatter=Johannes Ahlinder, Thomas L. Johansson | url= https://library.e.abb.com/public/52a31acd85411f82c1256f9d002a8adb/3BSM900961.pdf |tittel=Synchronous superlatives – Record-breaking electric motors give heavy industry more drive | besøksdato=28. november 2015 | verk= | utgiver=ABB | arkiv_url= | arkivdato= |sitat= }}</ref>

==== Oppbygging og virkemåte ====
For en synkronmaskin er det ingen prinsipielle konstruksjonsmessige forskjeller på motor- og generatorer. I for eksempel et [[pumpekraftverk]] er det gjerne den samme generatoren som drives av turbinen, som går over i motordrift og drar [[pumpe]]n når magasinet skal fylles.<ref name="EEM271">[[#EEM|Müller m.fl.: ''Elektroteknikk og elektriske maskiner'' side 271]]</ref>

Bare med svært få unntak er ankeret, altså viklingene som er tilkoblet det eksterne kraftnettet, i statoren. Feltviklingen er på rotoren og blir matet med likestrøm via sleperinger.<ref>[[#DNTO|A. E. Fitzgerald: ''Electric machinery'' side 150.]]</ref> Statoren og dens viklinger utformes i prinsippet helt likt med asynkronmaskinen, som ble forklart over. Når denne tilknyttes et trefaset kraftnett produseres et magnetisk dreiefelt som roterer med synkron hastighet, der hastigheten er bestemt av antallet poler og nettets frekvens.<ref>[[#DNTO|A. E. Fitzgerald: ''Electric machinery'' side 321-322.]]</ref> Ofte har rotoren ''utpregede poler'' med ''konsentrerte viklinger'', eller om hastigheten er stor kan ''sylindrisk rotor'' anvendes. Sylindrisk rotor er laget av massivt stål med utfresende spor for viklingene. Den har typisk liten diameter i forhold til lengden. Rotor med utpregede poler er sammensatt av flere deler, derfor er den mekanisk sett ikke så godt egnet for store hastigheter som den sylindriske.<ref>[[#DNTO|A. E. Fitzgerald: ''Electric machinery'' side 153.]]</ref>

Over til høyre er en tegning av en rotor med fire poler for stor hastighet. Denne er produsert i USA hvor 60&nbsp;Hz benyttes som nettfrekvens, det vil bety at rotasjonshastigheten er 1800 r/min.

<div style="float:right; padding:1em; margin:0 0 0 1em; width:300px; border:1px solid; background:ivory;">
{{Anchor|Ligninger for synkron- og asynkronmotoren}}
'''Ligninger for synkron- og asynkronmotoren'''

Rotasjonshastigheten ''n'' (r/min) til dreiefeltet er gitt av [[frekvens]]en ''f'' (Hz) i kraftsystemet og antallet poler ''P'' i [[stator]]en er gitt av:

<math>n = \frac{120 f}{P}</math>

[[Elektromagnetisk induksjon|Indusert]] [[elektromotorisk spenning]] i statoren (ankeret) er gitt av uttrykket:<ref>[[#DNTO|A. E. Fitzgerald: ''Electric machinery'' side 183.]]</ref>

<math>E = \sqrt{2} \pi f N \Phi</math>

der ''π'' er [[pi]] (3,14) og ''Φ'' er magnetisk luftgapsfluks per pol ([[Weber|Wb]]), de andre parametrene er de samme som definert over. ''E'' er forøvrig [[effektivverdi]]en (rms) av spenning i [[volt]]. Sammenhengen blir noe mer komplisert med såkalte distribuerte viklinger.<ref>[[#DNTO|A. E. Fitzgerald: ''Electric machinery'' side 184.]]</ref> Som formlene viser er både rotasjonshastighet og indusert spenning bestemt av frekvensen og antallet poler i statoren.

[[Elektrisk effekt]] avgitt på akslingen ''P'' kan en finne om en kjenner motorens tilknyttede [[Elektrisk spenning|spenning]] og [[Elektrisk strøm|strøm]]:

<math>P = \sqrt{3} \eta I U cos \varphi </math>

der ''η'' er [[virkningsgrad]]en, ''I'' er strømmen, ''U'' er spenningen, og cos ''φ'' er [[effektfaktor]]en. Dette gjelder for en trefasemotor, for en enfasemotor (som er mest aktuelt for en asynkronmotor, og ikke for synkronmotorer) blir uttrykket:

<math>P =  \eta I U cos \varphi </math>

Disse ligningene for effekt gjelder for øvrig generelt for alle type elektriske belastninger.
</div>

En kan si at en synkronmaskin med rotor med utpregede poler har omvendt utforming av en likestrømsmaskin; de utpregede polene er flyttet fra stator til rotor og sporene i rotoren er plassert langs statorperiferien. Rotoren har like mange poler som statoren, og dens hastighet er eksakt lik synkron hastighet, derav navnet.

Som nevnt tilføres rotoren likestrøm via sleperinger som er elektrisk tilknyttet viklingene der strømmen overføres via kullbørster. Dette er mye likt utformingen forklart for kommutatoren i en likestrømsmotor, forskjellen er at sleperingene, som navnet antyder, består av glatte ringer. Effekten som trengs for magnetisering av rotoren er bare én til noen få prosent av ytelsen til hele maskinen. Ofte blir denne likestrømmen produsert av en likestrømsgenerator som står på aksling til generatoren. Denne kalles for ''magnetiseringsmaskinen''. I mer moderne maskiner er det vanlig at denne magnetiseringsutrustningen består av likerettere i form av kraftelektronikk.<ref>[[#DNTO|A. E. Fitzgerald: ''Electric machinery'' side 217.]]</ref> Uansett utforming er det vanlig at utrustningen for magnetisering har en spenningsregulator. Denne skal sørge for at spenningen og reaktiv effektproduksjon holdes konstant ved varierende belastning av motoren. Regulatoren kan også i noen tilfeller mangle helt.<ref name="EEM271" />

Rotoren, eller ''polhjulet'' som det oftest kalles for synkronmaskiner, setter opp en roterende magnetisk fluks som virker til å indusere en elektromotorisk spenning i statorens ankerviklinger. For en generator vil denne spenningen være årsak til at det går strøm i statoren når den eksterne kretsen, altså kraftsystemet den er en del av, er tilknyttet. Statoren vil på sin side også sette opp en roterende magnetisk fluks når den fører strøm. Disse to dreiefeltene vil ha en sterk tendens til å innrette seg på linje i forhold til hverandre, noe som forårsaker et elektromagnetisk moment. I en generator virker dette momentet mot bevegelsen fra turbinen, mens i en motor vil momentet virke til å dreie en tilknytte arbeidsmaskin rundt. En kan si at det elektromekaniske momentet er selve mekanismen som forårsaker energikonvertering.<ref>[[#DNTO|A. E. Fitzgerald: ''Electric machinery'' side 152-156.]]</ref>

Ikke bare ved generatordrift induseres det elektromotorisk spenning i statorens ''ankerviklinger'', det samme skjer i motordrift. Forskjellen er at spenningen på maskinens terminaler, altså spenningen som det tilknyttede kraftsystemet gir, er større enn indre indusert elektromotorisk spenning. Ved generatordrift er forholdet motsatt mellom spenningen på terminalene og indre spenning.

[[Fil:Schleifring.jpg|thumb|Sleperinger til en synkronmaskin]]

Ved motordrift under stabile forhold vil det elektriske momentet være i eksakt balanse og i motsatt retning av arbeidsmaskinens moment. Den magnetiske fluksen fra strømmen i stator roterer litt foran fluksen fra polhjulet. Det motsatte er tilfelle i en generator. I både generator og motordrift produseres elektromekanisk moment, den eneste forskjellen er at ved motordrift er det fluksen fra statorstrømmen som ligger foran polhjulet.<ref>[[#DNTO|A. E. Fitzgerald: ''Electric machinery'' side 157-158.]]</ref> Tenker en seg den magnetiske fluksen fra statoren representert med en vektor, og fluksen fra rotoren som en annen vektor, vil disse to vektorene ha en vinkel mellom seg. Denne kalles for ''polhjulsvinkel'', og størrelsen av denne vinkelen er avhengig av hvor stort det elektromagnetiske momentet er. Om polhjulsvinkelen er positiv eller negativ avhenger av om synkronmaskinen går som motor eller generator.

Sleperinger og børster er gjenstand for slitasje og feil, derfor har det blitt stadig mer vanlig med såkalte ''børsteløse synkronmaskiner''. Dette går ut på at det istedenfor børster settes på en liten trefase generator på akslingen, denne er tilknyttet en diodelikeretterbro som tilfører rotoren likestrøm. Til denne ekstra generatoren kan statoren være tilknyttet likestrøm som forsynes utenfra, altså har den et stillestående anker. Energien til magnetisering av rotoren overføres dermed via magnetiske felter, helt uten mekanisk kontakt. Konseptet kalles derfor også ''roterende likeretter''. Andre utforminger enn den som er nevnt her finnes også.<ref>[[#REM|Svein Bua m.fl.: ''Roterende elektriske maskiner'' side 96-97.]]</ref>

Som nevnt har synkronmotoren synkront turtall bestemt av frekvensen i kraftnettet, dermed vil heller ikke endringer av belastningen, altså momentet fra arbeidsmaskinen, kunne påvirke turtallet. Om derimot motoren blir overbelastet kan den «slippe», eller «falle ut av synkronisme». Da reduseres det drivende momentet og motoren slutter å rotere.<ref>[[#EEM|Müller m.fl.: ''Elektroteknikk og elektriske maskiner'' side 273.]]</ref> Samtidig oppstår kraftige mekaniske vibrasjoner som kan være skadelige.

Om det er ønskelig med turtallsregulering kan synkronmotoren tilknyttes en kraftelektronisk frekvensomformer på omtrent samme måte som asynkronmotoren.<ref>{{Kilde www | forfatter= | url=http://what-when-how.com/motors-and-drives/controlled-speed-synchronous-motor-drives/ | tittel=CONTROLLED-SPEED SYNCHRONOUS MOTOR DRIVES | besøksdato=14. november 2015 | utgiver=what-when-how | arkivdato=2015-10-16 | arkiv-url=https://web.archive.org/web/20151016195721/http://what-when-how.com/motors-and-drives/controlled-speed-synchronous-motor-drives/ | url-status=yes }}</ref>

;Forskjellige komponenter i synkronmaskiner
<gallery>
Fil:Fotothek df n-19 0000042 Elektromaschinenbauer.jpg|Statoren til en stor motor før viklingene settes inn. Dresden, Øst-Tyskland, 1978.{{Byline|Eugen Nosko}}
Fil:Fotothek df n-19 0000051 Elektromaschinenbauer.jpg|Fagarbeidere setter inn statorviklingene. Disse kalles ''viklere'' som er et høyst spesialisert håndverk. Dresden, Øst-Tyskland, 1978.{{Byline|Eugen Nosko}}
Fil:Fotothek df n-19 0000087 Elektromaschinenbauer.jpg|Nesten ferdige statorviklinger. Dresden, Øst-Tyskland, 1978.{{Byline|Eugen Nosko}} 
Fil:Fotothek df n-19 0000068 Elektromaschinenbauer.jpg|Lodding av statorviklinger i en større synkronmaskin. Dresden, Øst-Tyskland, 1978.{{Byline|Eugen Nosko}}
Fil:Fotothek df n-19 0000074 Elektromaschinenbauer.jpg|Fagarbeider monterer delene til en større synkronmaskin. Legg merke til deler av lagret på gulvet. Dresden, Øst-Tyskland, 1978.{{Byline|Eugen Nosko}}
Fil:Umformer E1 KA Motor.jpg|Motor med ytelse 25 MW for roterende omformer for banestrømforsyning.{{Byline|M. Westenthanner}}
Fil:Amsteg-laeuferversorgung.jpg|Sleperinger og børster for en synkronmaskin
Fil:EASTSIDE PLANT- GENERAL VIEW OF GENERATOR AND EXCITER - American Falls Water, Power and Light Company, Island Power Plant, Snake River, below American Falls Dam, American Falls, HAER ID,39-AMFA,1-49.tif|Synkronmaskin med magnetiseringsmaskinen til høyre foran. 
</gallery>

==== Oppstart av synkronmotoren ====
Synkronmotoren er vanligvis ikke selvstartende, det vil si at selv om statoren tilknyttes kraftnettet og det oppstår et dreiefelt, vil rotoren som i utgangspunktet står stille, ikke greie å følge med.<ref>{{Kilde www| forfatter= |url=http://www.electrical4u.com/synchronous-motor-drives/ | tittel=Synchronous Motor Drives | besøksdato=14. november 2015 | utgiver=electrical4u | arkivdato= }}</ref>

Oppstart av synkronmotoren kan skje ved hjelp av de såkalte ''dempeviklingene''. Disse viklingene er staver som er lagt inn i rotorens poler i aksiell retning, i hver ende er de tilknyttet en kortslutningsring. Disse ligner med andre ord på asynkronmotorens burvikling. Hensikten med dempeviklingene er å dempe svingninger i rotoren som har sin årsak i forhold i kraftsystemer.<ref name="EEM271" /> Disse dempeviklingene gjør at synkronmotoren kan startes som en asynkronmotor. I magnetiseringsviklingene i rotoren vil det under oppstarten bli indusert en vekselspenning, denne avtar mot null når hastigheten nærmer seg synkront turtall. Når denne spenningen er nærmer null er det riktig tidspunkt for å koble inn magnetiseringsstrømmen. Dermed kan denne spenningen måles og brukes som indikasjon på at synkron hastighet er oppnådd ved automatisk oppstart. Først når magnetiseringen er innkoblet fortsetter maskinen å gå med synkron hastighet, også om belastningen øker.<ref>[[#EEM|Müller m.fl.: ''Elektroteknikk og elektriske maskiner'' side 272.]]</ref>

==== Fordeler og ulemper med synkronmotoren ====
Synkronmaskinen har som nevnt høy virkningsgrad og gir mulighet for regulering av reaktiv effektproduksjon. Dette kan i det lange løp gi økonomiske fordeler. Den egner seg best for motordrifter med lavt turtall.<ref>{{Kilde www | forfatter=Jim Parrish, Steve Moll, Richard C. Schaefer | url=https://www.site.uottawa.ca/~rhabash/project-synversusinduction.pdf | tittel=Synchronous Motor Drives | besøksdato=14. november 2015 | utgiver=IEEE INDUSTRY APPLICATIONS MAGAZIN | arkivdato=2016-10-20 | url-status=død | arkivurl=https://web.archive.org/web/20161020033049/http://www.site.uottawa.ca/~rhabash/project-synversusinduction.pdf }}</ref> Som beskrevet over har den visse utfordringer ved oppstart. Den er også mer kostbar enn asynkronmaskinen med sin svært enkle rotor.