Основы теории
В двигательном режиме синхронная машина работает в сети бесконечно большой мощности (б. б. м.) параллельно со всеми другими синхронными машинами, включенными в сеть. Сравнительно редко синхронные двигатели работают автономно.
Рассмотрим наиболее характерный режим работы синхронных двигателей при их питании от сети б. б. м.
Принцип действия синхронного двигателя
Принцип действия основан на образовании синхронного момента за счет магнитного взаимодействия вращающегося магнитного поля якоря и поля индуктора при их взаимной неподвижности.
Электромагнитный момент, развиваемый СД с неявно полюсным ротором, равен
(11.3)
где m – число фаз обмотки якоря;
E0 – ЭДС обмотки якоря, наводимая магнитным потоком индуктора в режиме идеального холостого хода;
Uc– напряжение сети, приложенное к обмотке якоря;
Ωs– угловая синхронная частота вращения ротора;
Xс – полное синхронное индуктивное сопротивление обмотки якоря;
θ – угол между вектором напряжения (U = – U c) и вектором ЭДС E 0.
Максимальный момент синхронного двигателя
(11.1).
Электромагнитный момент развиваемый СД с явно полюсным ротором равен
(11.4)
где Xd, Xq– синхронные индуктивные сопротивления обмотки якоря по продольной и по поперечной осям машины.
В правой части уравнения (11.4) первое слагаемое соответствует синхронному моменту, а второе – синхронному реактивному моменту
(11.5)
Синхронный реактивный момент не зависит от возбуждения. Он обусловлен стремлением магнитного поля замыкаться по пути с минимальным магнитным сопротивлением, то есть вдоль продольной оси. В зависимости от обстоятельств момент M р может оказывать вредное влияние на работу машины или же может быть использован для получения полезного действия. Например, действие некоторых специальных типов машин полностью основано на действии реактивного момента, а именно: реактивный синхронный двигатель.
Принцип действия синхронного двигателя можно уяснить, рассматривая переход синхронной машины (СМ), после включения ее на параллельную работу с сетью б. б. м., из режима генератора в режим двигателя. На рис. 11.1, г приведена векторная диаграмма, соответствующая режиму х. х. генератора непосредственно после включения его в сеть б. б. м. В этом случае ЭДС E 0 и напряжение U генератора равны напряжению Uc сети, [ 
= 
]= – c. Знак “–” свидетельствует о том, что по контуру “сеть б. б. м.– обмотка якоря” напряжения находятся в противофазе.
Векторное уравнение явнополюсного СГ записывается в виде
(11.6)
или
(11.7)
где 
– продольная составляющая тока якоря 
, 
;
– поперечная составляющая тока якоря , = cos ψ;
ψ – угол между векторами E 0и I a.
Активное сопротивление обмотки якоря Raпринято равным нулю.
Так как в режиме холостого хода разность векторов – =0 (рис. 11.1,г), то ток в обмотке якоря также равен нулю, =0. При этом в СГ имеет место только поле возбуждения (см. пространственный вектор магнитного потока 
на рис. 11.1, в). На рис. 11.1, б и 11.1, е приведены векторные диаграммы, построенные согласно уравнению (11.6).
Если к валу ротора приложить внешний момент (момент приводного двигателя), то ротор, ускоряясь, смещается относительно результирующего магнитного поля на угол θпр (рис. 11.1, а и 11.1, в). Под действием возникающей при этом разности векторов – в цепи статора будет протекать ток , активная составляющая которого 
совпадает по фазе с вектором (рис. 11.1, б). Синхронная машина в этом случае работает в генераторном режиме, отдавая активную мощность в сеть.
Рис. 11.1. К анализу перехода СМ из режима генератора в режим двигателя:
а, б – режим генератора; в, г – холостой ход машины; д, е – режим двигателя.
Фв и Фр – пространственные векторы полей возбуждения и результирующего
Если к ротору приложить тормозной момент (момент рабочей машины), то ротор, замедляясь, отстанет в пространстве от результирующего магнитного поля на угол θпр (рис. 11.1, д и 11.1, в). При этом фаза тока изменяется так, что активная составляющая его Ia.а совпадает по фазе с вектором напряжения сети c(рис. 11.1, е). Это означает, что если в первом случае активная мощность выдавалась в сеть, то теперь она потребляется из сети и, следовательно, СМ перешла из генераторного в двигательный режим работы.
Векторная диаграмма, представленная на рис. 11.1, б, соответствует перевозбужденному синхронному генератору, а диаграмма рис. 11.1, е – перевозбужденному двигателю. В обоих случаях ток якоря İaопережает напряжение сети c, машина эквивалентна емкости, включенной в сеть, и реактивная мощность генерируется в сеть
Из рис. 11.1, б следует, что в генераторном режиме вектор опережает вектор на угол θвр и, следовательно, поле возбуждения опережает результирующее поле, то есть ведущим звеном является ротор (рис. 11.1, а).
В двигательном режиме вектор отстает от вектора на угол θвр (рис. 11.1, е) и, следовательно, результирующее поле опережает поле возбуждения и является ведущим (рис. 11.1, д).
Энергетическая диаграмма активной мощности синхронного двигателя
Преобразование активной мощности P 1, потребляемой двигателем из сети, в полезную механическую мощность P 2на валу, иллюстрирует диаграмма рис. 11.2. Имеется в виду синхронный двигатель нормальной конструкции с вращающимся индуктором и возбудителем на общем валу.
Рис. 11.2. Энергетическая диаграмма активной мощности синхронного двигателя
Приняты обозначения:
р эл – электрические потери в обмотке якоря;
р мг – основные магнитные потери;
р в – потери на возбуждение синхронной машины, включая потери в возбудителе,
р дб – добавочные потери от высших гармоник поля в стали статора и ротора;
р мх – механические потери.
Р 1– потребляемая двигателем из сети электрическая мощность;
Р 2– развиваемая на валу механическая мощность.
Электромагнитная мощность Р эм в режиме двигателя передается с помощью магнитного поля со статора на ротор. Добавочные потери покрываются за счет механической мощности на роторе. Механические потери возбудителя включаются в потери р мх.
Векторные диаграммы синхронных двигателей
Рабочие режимы синхронного двигателя могут быть исследованы так же, как и режимы синхронного генератора, при помощи векторных диаграмм и векторных уравнений. При переходе от генераторного к двигательному режиму изменяется направление активной мощности, а следовательно, меняется на 180° фаза активной составляющей тока статора по отношению к вектору напряжения машины (генератора). В векторной диаграмме двигателя обычно откладывают не вектор напряжения 
машины, а вектор напряжения сети c= – .
При этих условиях активная составляющая тока двигателя совпадает по фазе с напряжением cсети (рис. 11.1, е); активная составляющая тока генератора совпадает по фазе с напряжением генератора (рис. 11.1, б).
Для неявно полюсного синхронного двигателя справедливо следующее векторное уравнение
(11.8)
Аналогично получим для явно полюсного синхронного двигателя
(11.9)
Уравнениям (11.8) и (11.9) соответствуют векторные диаграммы на рис. 11.3 (принято, что Ra=0) синхронного двигателя в режиме пере возбуждения. При этом двигатель генерирует реактивную мощность в сеть.
Рис. 11.3. Векторная диаграмма напряжений синхронного двигателя:
а – явнополюсного, б – неявнополюсного; (двигатель перевозбужден)
Способы пуска синхронных двигателей
B подавляющем большинстве случаев применяется асинхронный пуск синхронных двигателей.
Различают также пуск при помощи специального разгонного двигателя с последующей синхронизацией и частотный пуск, при котором синхронный двигатель, питаемый от специального генератора, разгоняется одновременно с последним.
Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента, так как момент М эм двигателя за один период изменения напряжения дважды изменяет свое направление [меняется знак sin θ в формуле (11.3)]. Из-за инерции ротор СД не может за полпериода разогнаться до синхронной скорости и остается неподвижным. Поэтому процесс пуска СД разбивается на два этапа: сначала двигатель разгоняют до под синхронной скорости (примерно равной 0,95Ωном), реализуя асинхронный метод пуска, а затем в обмотку возбуждения подают ток, после чего двигатель входит в синхронизм.
Для осуществления асинхронного пуска синхронные двигатели имеют на роторе специально рассчитанные короткозамкнутые пусковые обмотки в виде беличьей клетки, размещенной в пазах полюсных наконечников. Клетки выполняются из латуни, алюминиевой бронзы или аналогичных сплавов с повышенным удельным сопротивлением. В некоторых случаях вместо клетки используются массивные полюсные наконечники, которые на торцах имеют электрические соединения между соседними полюсами при помощи специальных токопроводящих накладок. При этих условиях с двух торцов ротора образуются короткозамкнутые кольца. Быстроходные синхронные турбодвигатели имеют цилиндрический массивный не явнополюсный ротор, внешняя поверхность которого выполняет роль беличьей клетки.
При прямом пуске в ход обмотка статора подключается непосредственно к сети при полном номинальном напряжении. Только для мощных синхронных двигателей, номинальная мощность которых измеряется тысячами киловатт, в некоторых случаях применяют пуск в ход при пониженном напряжении, подведенном к обмотке статора, с изменением этого напряжения ступенями.
Процесс асинхронного пуска в ход синхронного двигателя можно разделить на два периода. Первый период пуска. В начале, после присоединения обмотки статора к сети, ротор двигателя ускоряется под действием асинхронного момента и достигает скорости вращения, при которой скольжение обычно не превосходит s ≈ 0,05. Обмотка возбуждения в течение всего процесса разбега двигателя должна быть замкнута на активное сопротивление Rп в 10…12 раз превышающее ее собственное сопротивление (рис. 11.4, а, контакты 1 разомкнуты, контакт 2 замкнут). Оставлять обмотку возбуждения разомкнутой не рекомендуется, так как вращающееся поле статора может навести в ней в начальный период пуска значительную ЭДС, способную повредить изоляцию обмотки и небезопасную для обслуживающего персонала. Замыкание накоротко обмотки возбуждения во многих случаях также нецелесообразно, так как при этом на роторе образуется дополнительный однофазный замкнутый контур относительно малого сопротивления, способный создать значительный тормозящий момент после перехода ротора через полусинхронную скорость.
Когда ротор в процессе разбега достигает скольжения S ≈0,05, наступает второй период пуска в ход, при котором обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока (рис. 11.4, а, контакт 2 разомкнут, контакты 1 замкнуты). После включения возбуждения на ротор, помимо асинхронного момента, пропорционального скольжению S = d θ/ dt, и момента, обусловленного силами инерции, пропорционального dS / dt, начинает действовать синхронный момент, зависящий от тока возбуждения Iв и угла θ.
Рис. 11.4. Схемы прямого асинхронного пуска синхронного двигателя:
а – обмотка возбуждения при разгоне замкнута на сопротивление Rп;
б – обмотка возбуждения замкнута на якорь возбудителя
Процесс вхождения двигателя в синхронизм протекает тем быстрее, чем больше синхронный и асинхронный вращающие моменты вблизи S =0. Синхронный вращающий момент может регулироваться током обмотки возбуждения. А синхронный момент зависит oт крутизны характеристики моментов вблизи синхронизма. Асинхронный момент М в при скольжении S =0,05 называют условно входным моментом. Поэтому чем выше входной вращающий момент двигателя, тем благоприятнее условия для вхождения его в синхронизм (рис. 11.5). Значения входного момента вращения синхронных двигателей обычно нормируются.
В дальнейшем синхронное вращение ротора поддерживается за счет само синхронизирующей способности машины.
Рис. 11.5. Иллюстрация к процессу асинхронного пуска синхронного двигателя
(в первом периоде пуска обмотка возбуждения замкнута на сопротивление Rп)
Для синхронных двигателей обычно применяют следующие варианты асинхронного пуска:
1) прямой пуск – обмотка статора включается на номинальное напряжение;
2) пуск с токоограничивающим реактором – реактор включается между сетью и обмоткой статора или реактор включается вблизи нейтральной точки последовательно с обмоткой статора;
3) пуск через понижающий автотрансформатор – к обмотке статора подводится пониженное напряжение по сравнению с номинальным напряжением.
Наибольшее распространение получил прямой асинхронный пуск синхронных двигателей (к обмотке статора подводится номинальное напряжение). На рис. 11.4 показаны две возможные схемы такого пуска. В случае а при разгоне двигателя его обмотка возбуждения ОВ замкнута на активное сопротивление Rп (контакты 1 разомкнуты, контакт 2замкнут); после достижения установившегося скольжения S=0,05 обмотка возбуждения ОВ присоединяется к источнику постоянного тока (то есть к якорю возбудителя ME; контакты 1 замкнуты), сопротивление Rп отключается (контакт 2 разомкнут) и двигатель автоматически входит в синхронизм. В случае б обмотка возбуждения ОВ синхронного двигателя с самого начала пуска присоединяется к якорю возбудителя ОВ, расположенного на одном валу с двигателем; в процессе разбега двигатель возбуждается и плавно втягивается в синхронизм без применения специальной пусковой автоматики.
Необходимо отметить, что при пуске с токоограничивающим реактором и при пуске через понижающий автотрансформатор одновременно с уменьшением пускового тока также уменьшается и начальный пусковой момент по сравнению с прямым пуском двигателя при том же напряжении сети U с.
При пуске в ход синхронных двигателей, так же как и при пуске асинхронных двигателей, приходится уделять особое внимание вопросам нагревания и охлаждения тех частей машины, в которых в процессе пуска возникают повышенные потери.
В современных установках электропривода пуск в ход синхронных двигателей обычно автоматизируется.