Рассмотрим режим работы синхронного двигателя, когда тормозной момент на валу М2 постоянен, а ток возбуждения Iв на роторе меняется.
Для СД, у которого частота вращения const, постоянство тормозного момента М2 означает, что полезная мощность Р2 - постоянная, а, следовательно, потребляемая из сети мощность Р1 и электромагнитная мощность также постоянные.
На этом основании строятся U-образные характеристики - зависимость тока статора и коэффициента мощности (Ii н cosφ) от тока возбуждения Iв при М2 = constи Uсети = const.
На рисунке5 представлено семейство таких характеристик для разных значений моментов М2.
Рисунок 5
Величина и знак угла сдвига фаз φ между током н напряжением зависят от величины тока возбужденияIв. Изменяя ток возбуждения синхронного двигателя, можно установить такой режим работы, при котором ток, потребляемый двигателем, будет опережать напряжение.
При недовозбужденин, т. е. когда Iв<Iном СД ведет себя как индуктивная нагрузка для сети (потребляет из сети реактивную составляющую), а при перевозбуждении, т. е. когда Iв>Iном СД ведет себя как емкостная нагрузка для сети (отдает в сеть реактивную составляющую). За счет опережающего емкостного тока осуществляется компенсация коэффициента мощности сети.
Это свойство синхронных двигателей используется в СИНХРОННЫХ КОМПЕНСАТОРАХ.
4 СИНХРОННЫЙ КОМПЕНСАТОР - это синхронный двигатель облегченной конструкции, работающий в режиме холостого хода при значительном перевозбуждении.
Синхронный компенсатор является местным источником реактивной мощности для электроприемннков. Он освобождает линии передачи большой протяженности от передачи реактивной мощности; устанавливается на крупных подстанциях. Синхронный компенсатор также может стабилизировать напряжение сети: при повышении напряжения сети надо уменьшать ток возбуждения, при понижении напряжения сети -увеличивать ток возбуждения.
На рисунке 6 а, б показана линия передачи электроэнергии с применением синхронного компенсатора (а) и приведена векторная диаграмма, поясняющая его применение (б).
Рисунок 6
При подключении синхронного компенсатора в точке включения электроприемника АД (рисунок 6, а) ток в линии равен векторной сумме тока приемника и компенсатора Iл = Iпр + Iск. Как видно извекторной диаграммы (рисунок 6 б), ток в линии уменьшается (Iл<Iпр), угол сдвига фаз (φ1<φ)между током Iл и напряжением сети уменьшается, а коэффициент мощности увеличивается (cosφ1>cosφ).
Таким образом, синхронный компенсатор является местным источником реактивной мощности дляэлектроприемников, он освобождает линии передачи большой протяженности от передачи реактивной мощности и позволяет улучшить коэффициент мощности электрической системы. Синхронные компенсаторы устанавливают на крупных подстанциях.
РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Эти характеристики синхронного двигателя представляют собой зависимость частоты вращения ротора n2, потребляемой мощности P1, полезного момента M2, коэффициента мощности 
1 и тока в обмотке статора I1 от полезной мощности двигателя P2.
Частота вращения ротора всегда равна синхронной частоте n1 = f160/ p, поэтому график n2 = f (Р2) имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс.
Полезный момент на валу синхронного двигателя М2 = Р2 / ω1. Так как рабочие характеристики снимают при неизменной частоте вращения f1=const, то график M2 = f (Р2) имеет вид прямой, выходящей из начала координат.
Активная потребляемая мощность двигателя P1 = P2 + ∑P. С ростом нагрузки на валу двигателя увеличиваются потери ∑P, поэтому потребляемая мощность P1 растет быстрее полезной мощности P2 и график P1 = f (Р2) имеет несколько криволинейный вид.
Вид графика 1= ƒ(Р2) зависит от вида настройки тока возбуждения: если в режиме х.х. ток возбуждения установлен таким, что 1 = 1, то с ростом нагрузки коэффициент мощности снижается, если же установить 1 = 1 при номинальной нагрузке, то при недогрузке двигатель будет забирать из сети реактивный опережающий ток, а при перегрузке - отстающий. Обычно устанавливают ток возбуждения таким, чтобы 1 = 1 при средней нагрузке. В этом случае коэффициент мощности во всем диапазоне нагрузок остается достаточно высоким. Если же установить ток в обмотке возбуждения синхронного двигателя таким, чтобы 1 = 1 был при нагрузке несколько превышающей номинальную, то при номинальной нагрузке 1 ≈ 0,8 и двигатель будет потреблять из сети опережающий по отношению к напряжению сети ток, что приведет к повышению коэффициента мощности этой сети. В этом отношении синхронные двигатели выгодно отличаются от асинхронных, работающих с отстающим по фазе током (особенно при недогрузке двигателя) и снижающих энергетические показатели питающей сети.
Рисунок 7 - Рабочие характеристики
Преимущества синхронных двигателей по сравнению с асинхронными:
1. Синхронные двигатели могут работать с 1 =1, не создавая в питающей сети индуктивных токов, вызывающих дополнительные потери энергии. Более того, при работе с перевозбуждением синхронные двигатели создают в сети емкостный ток, чем способствуют повышению коэффициента мощности энергосистемы в целом.
2. Основная составляющая электромагнитного момента синхронного двигателя пропорциональна напряжению сети U1, а у асинхронного двигателя электромагнитный момент пропорционален U1 2. По этой причине при понижении напряжения в сети синхронные двигатели сохраняют большую перегрузочную способность, чем асинхронные. Кроме того, перегрузочная способность синхронного двигателя может быть автоматически увеличена за счет повышения тока возбуждения, например, при резком кратковременном повышении нагрузки на валу двигателя.
3. Скорость вращения синхронного двигателя остается неизменной при любой нагрузке на валу в пределах его перегрузочной способности
К недостаткам синхронных двигателей относятся их более сложная конструкция и повышенная стоимость по сравнению с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Кроме того, для работы синхронного двигателя требуется устройство для питания постоянным током обмотки возбуждения ( необходимость наличия источника постоянного тока ), сложность пуска
Поэтому СД целесообразно применять для установок большой мощности >>100 кВт, работающих в условиях редких пусков.