Устройство и принцип работы синхронного генератора Синхронными называются электрические машины, частота вращения которых связана постоянным соотношением с частотой сети переменного тока, в которую эта машина включена. Синхронные машины служат генераторами переменного тока на электрических станциях, а синхронные двигатели применяются в тех случаях, когда нужен двигатель, работающий с постоянной частотой вращения.
Синхронные машины обратимы, т.е., могут работать и как генераторы и как двигатели. Синхронная машина переходит от режима генератора к режиму двигателя в зависимости от того, действует на неё вращающая или тормозящая механическая сила. В первом случае она получает на валу механическую, а отдаёт в сеть электрическую энергию, а во втором случае она получает из сети электрическую, а отдаёт на валу механическую. Синхронная машина имеет две основных части: ротор и статор, причём статор не отличается от статора асинхронной машины.
Ротор синхронной машины представляет собой систему вращающихся электромагнитов, которые питаются постоянным током, поступающим в ротор через контактные кольца и щётки от внешнего источника.
В обмотках статора под действием вращающегося магнитного поля наводится ЭДС, которая подаётся на внешнюю цепь генератора. Основной магнитный поток синхронного генератора, создаваемый вращающимся ротором, возбуждается посторонним источником – возбудителем, которым обычно является генератор постоянного тока небольшой мощности, который установлен на общем валу с синхронным генератором.
Постоянный ток от возбудителя подаётся на ротор через щётки и контактные кольца, установленные на валу ротора. Число пар полюсов ротора обусловлено скоростью его вращения. У многополюсной синхронной машины ротор имеет p пар полюсов, а токи в обмотке статора образуют также p пар полюсов вращающегося магнитного поля (как у асинхронной машины). Ротор должен вращаться с частотой вращения поля, следовательно, его скорость равна:
n = 60f / p (9.1)
При f = 50Hz и p = 1 n = 3000 об/мин.
С такой частотой вращаются современные турбогенераторы, состоящие из паровой турбины и синхронного генератора большой мощности с ротором, который имеет одну пару полюсов.
У гидрогенераторов первичным двигателем служит гидравлическая турбина, скорость которой от 50 до 750 оборотов в минуту. В этом случае используются синхронные генераторы с явнополюсным ротором, имеющим от 4 до 60 пар полюсов.
Частота вращения дизельгенераторов, соединённых с первичным двигателем – дизелем, находится в пределах от 500 до 1500 об/мин.
В маломощных синхронных генераторах обычно используется самовозбуждение: обмотка возбуждения питается выпрямленным током того же генератора (рис.9.2). 
Рис.9.2.
Цепь возбуждения образуют трансформаторы тока ТТ, включённые в цепь нагрузки генератора, полупроводниковый выпрямитель, собранный по схеме трёхфазного моста, и обмотка возбуждения ОВ с регулировочным реостатом R.
Самовозбуждение генератора происходит следующим образом. В момент пуска генератора, благодаря остаточной индукции в магнитной системе, появляются слабые ЭДС и токи в рабочей обмотке генератора. Это приводит к появлению ЭДС во вторичных обмотках трансформаторов ТТ и небольшого тока в цепи возбуждения, усиливающего индукцию магнитного поля машины. ЭДС генератора возрастает до тех пор, пока магнитная система машины полностью не возбудится.
Среднее значение ЭДС, наводимое в каждой фазе обмотки статора:
Еср = c∙n∙Φ (9.2)
n – скорость вращения ротора;
Φ – максимальный магнитный поток, возбуждаемый в синхронной машине;
c – постоянный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности данной машины.
Напряжение на зажимах генератора:
U = E - I∙z, где
I – ток в обмотке статора (ток нагрузки);
Z – полное сопротивление обмотки (одной фазы).
Для точной подгонки амплитуды ЭДС величину магнитного потока регулируют путём изменения тока в обмотке возбуждения. Синусоидальность ЭДС обеспечивают приданием определённой формы полюсным наконечникам ротора в явнополюсных машинах. В неявнополюсных машинах нужного распределения магнитной индукции добиваются путём особого размещения обмоток возбуждения на поверхности ротора.
Внешняя характеристика
Внешняя характеристика синхронного генератора характеризует его электрические свойства и представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора (7 от его тока нагрузки I при постоянных значениях коэффициента мощности соs 
скорости вращения ротора п и тока возбуждения Iв (рис. 9.4). Чтобы экспериментально получить внешнюю характеристику, нужно сначала нагрузить генератор до номинального токи /„ при номинальном напряжении Uн на зажимах генератор", которое устанавливается путем регулировки тока возбуждения. Затем, поддерживая ток возбуждения и частоту вращения постоянными, постепенно уменьшают ток
нагрузки до нуля. Внешние характеристики могут иметь спад (кривая 2) или подъем (кривая 3) в зависимости от характера нагрузки и действия реакции якоря. Номинальный режим нагрузки выбирают таким, чтобы при сову = 0,8 изменения напряжения ли не превышали 35-45 % от номинального (кривая 1). 
Регулировочная характеристика синхронного генератора представляет собой зависимость тока возбуждения генератора Iв от тока нагрузки I при
U = 
=const, n=nН =const и cos 
и const
Эта характеристика показывает, как выбрать ток возбуждения, при котором напряжение на зажимах генератора оставалось бы постоянным при изменениях нагрузки.
Чтобы экспериментально получить регулировочную характеристику, нужно сначала включить генератор и сообщить его ротору номинальную скорость вращения Пц при холостом ходе, а потом путем изменения тока возбуждения добиться получения номинального напряжения и„.
Далее постепенно увеличивают ток нагрузки и снимают характеристику, добиваясь в каждой точке постоянства напряжения на зажимах машины (V = [7„ = сопз1) путем регулирования тока возбуждения.
На рис. 9.5 изображены регулировочные характеристики для различных значений. Мы видим, что при активно-индуктивной нагрузке, когда (р >. О (кривая 2), ток возбуждения необходимо увеличивать, а при активно-емкостной нагрузке, когда ^? < О (кривая 3) - уменьшать. Кривая 1 соответствует оптимальному режиму. Все эти явления обусловлены реакцией якоря.
Регулировочные характеристики имеют важное практическое значение, так как они определяют пределы изменения тока возбуждения для поддержания номинального напряжения при изменении нагрузки.