В отличие от асинхронного двигателя частота вращения синхронного двигателя постоянная при различных нагрузках. Синхронные двигатели находят применение для привода машин постоянной скорости (насосы, компресоры, вентиляторы).
В статоре синхронного электродвигателя размещается обмотка, подключаемая к сети трехфазного тока и образующая вращающееся магнитное поле. Ротор двигателя состоит из сердечника с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения через контактные кольца подключается к источнику постоянного тока. Ток обмотки возбуждения создает магнитное поле, намагничивающее ротор.
Роторы синхронных машин могут быть явнополюсными (с явновыраженными полюсами) и неявнополюсными (с неявновыраженными полюсами). На рисунке а) изображен сердечник 1 явнополюсного ротора с выступающими полюсами. На полюсах размещены катушки возбуждения 2.
На рисунке изображен неявнополюсной ротор, представляющий собой ферромагнитный цилиндр 1. На поверхности ротора в осевом направлении фрезеруют пазы, в которые укладывают обмотку возбуждения 2.
Рассмотрим принцип работы синхронного двигателя на модели. Вращающееся магнитное поле статора представим в виде магнита 1. Намагниченный ротор изобразим в виде магнита 2. Повернем магнит 1 на угол α. Северный магнитный полюс магнита 1 притянет южный полюс магнита 2, а южный полюс магнита 1 - северный полюс магнита 2. Магнит 2 повернется на такой же угол α. Будем вращать магнит 1. Магнит 2 будет вращаться вместе с магнитом 1, причем частоты вращения обоих магнитов будут одинаковыми, синхронными, n2 = n1.
У синхронных двигателей отсутствует пусковой момент. Это объясняется тем, что электромагнитный вращающий момент, воздействующий на неподвижный ротор, меняет свое направление два раза за период Т переменного тока. Из-за своей инерционности, ротор не успевает тронуться с места и развить необходимое число оборотов.
В настоящее время применяется асинхронный пуск синхронного двигателя. В пазах полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка.
Вращающее магнитное поле статора индуктирует в замкнутой на сопротивление пусковой обмотке вихревые токи. При взаимодействии этих токов с магнитным полем статора образуется асинхронный электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения статорного поля, двигатель втягивается в синхронизм и вращается с синхронной скоростью. Короткозамкнутая обмотка не перемещается относительно поля, вихревые токи в ней не индуктируются, асинхронный пусковой момент становится равным нулю.
Синхронный двигатель, на роторе которого отсутствует обмотка возбуждения, называется синхронным реактивным двигателем.
Если к вращающемуся ротору приложить тормозной момент, ось магнитного поля ротора повернется на угол θ относительно оси магнитного поля статора.
С увеличением нагрузки этот угол возрастает. Если нагрузка превысит некоторое допустимое значение, двигатель остановится, выпадет из синхронизма.
Зависимость тока в обмотке якоря от тока возбуждения I=f(Iв) при Uс=const и P2=Рэм=const может быть построена либо на основе векторной диаграммы, либо опытным путем.
Кривые для различных величин называют U-образными кривыми.
Для каждой мощности существует такое возбуждение, при котором ток в обмотке якоря будет минимальным и равным активной составляющей тока I= Iа, эти точки соответствует углу φ=0. Пунктирная линия φ=0 отклоняется вправо, так как при увеличении тока статора увеличиваются поток реакции на поток рассеяния. В ВТЕ-320/115 имеются программные и схемотехнические средства для поддержания постоянства угла φ при изменении нагрузки на валу путем измемения тока в обмотке возбуждения.
Синхронный компенсатор предназначен для улучшения коэффициента мощности системы и представляет собой синхронный двигатель, который не несет механической нагрузки, и поэтому имеет облегченную конструкцию. Так как наиболее распространенными потребителями энергии являются асинхронные двигатели, загружающие генераторы и линии передачи отстающим реактивным током, то синхронный компенсатор работает перевозбужденным и реактивный ток является опережающим, тем самым повышая cosφ сети.