Лекция №11. Синхронные машины
Цель: ознакомиться с устройством, принципом действия, характеристиками, классификацией и применением синхронных машин
Устройство и принцип действия синхронных машин
Синхронные машины относятся к классу машин трехфазного переменного тока. Частота вращения ротора синхронной машины равна частоте вращающегося магнитного поля, т. е. 
, S = 0.
Синхронные машины широко применяются как электрические генераторы и двигатели преимущественно большой мощности. Практически все генераторы электрической энергии на электростанциях являются синхронными. Мощность современных крупных генераторов составляет десятки и сотни тысяч киловольт-ампер.
Устройство статора синхронной машины принципиально не отличается от устройства статора асинхронной машины. В пазы статора укладывают трехфазную обмотку, концы которой выводят на клеммовую панель. Ротор представляет собой электромагнит (иногда и постоянный магнит), обмотка которого питается постоянным током через два изолированных контактных кольца, укрепленных на валу машины и вращающихся вместе с ротором. Постоянный ток подводится к ротору извне через неподвижные щетки, скользящие по контактным кольцам. Существуют две различные конструкции ротора синхронной машины – явнополюсная и неявнополюсная.
На рисунке схематично изображен внешний вид явнополюсного ротора. Явпополюсный ротор, имеющий выступающие полюсы, применяется для тихоходных машин со скоростями вращения до 1000–1500 об/мин. Для быстроходных мощных машин со скоростями 1500–3000 об/мин явнополюсный ротор конструктивно невыполним из-за сложности надежного крепления полюсов при больших центробежных силах.
Поэтому для быстроходных машин применяется неявнополюсный ротор, имеющий вид цилиндра без выступающих полюсов. На рисунке схематично дано сечение неявнополюсного ротора; при указанных направлениях токов в обмотке ротора в нем создается магнитное поле с двумя полюсами, показанными на рисунке.
Синхронные машины, применяемые в качестве генераторов, обычно соединяются с первичными двигателями непосредственно, без промежуточных редукторов. Первичными двигателями для мощных синхронных генераторов служат гидротурбины, паровые и газовые турбины и относительно редко – двигатели внутреннего сгорания. Гидротурбины обычно имеют малую скорость вращения (примерно десятки оборотов в минуту), а паровые турбины – большую скорость (обычно 1500–3000 об/мин). Генераторы, соединяемые с гидротурбинами, т. е. гидрогенераторы, имеют малую скорость вращения, поэтому их роторы выполняются явнополюсными. Турбогенераторы, соединяемые с паровыми турбинами, являются быстроходными машинами, и их роторы выполняются неявнополюсными.
На рисунке выше был показан явнополюсный ротор с четырьмя полюсами. У тихоходных машин для получения нужной частоты переменного тока явнополюсный ротор выполняется с десятками полюсов. Неявнополюсные роторы изготовляются обычно двухполюсными или четырехполюсными.
Постоянный ток для питания обмотки возбуждения может подводиться от небольшого генератора постоянного тока – возбудителя (вращающегося вместе с ротором или приводимого отдельным двигателем) или от выпрямительной установки.
Обмотка статора и ротор имеют одинаковое число полюсов. В ранних конструкциях синхронных машин полюсы, возбуждаемые постоянным током, размещались на неподвижном корпусе, а обмотка переменного тока – на вращающемся роторе. В настоящее время такое конструктивное исполнение применяется редко – только для маломощных низковольтных машин.
Как и всякая электромашина, синхронная машина может работать в режимах генератора и двигателя.