Синхронный двигатель.

Электрическая машина может преобразовывать механическую энергию в электрическую, то есть работать в качестве генератора, или наоборот может преобразовывать электрическую энергию в механическую, то есть работать в качестве двигателя. Это свойства машин называется обратимостью.

Принцип работы синхронного двигателя. Большинство синхронных двигателей изготавливают на скорости вращения 1500, 1000, 750, 600 и менее. У этих двигателей ротор выполняется с явновыраженными полюсами и обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоянного тока. Трёхфазная обмотка статора, как и у асинхронного двигателя, присоединяется у питающей сети переменного тока.

Вращающееся магнитное поле статора на модели представлено в виде полюсов и постоянного магнита, которые вращаются с синхронной скоростью . Ротор также изображён в виде постоянного магнита с полюсами и . Внешняя и внутренняя система разделены воздушным зазором и могут вращаться вокруг оси. Если обмотку возбуждения двигателя присоединить к источнику постоянного тока, а обмотку статора подключить к трёхфазной сети, то магнитное поле статора начнёт вращаться с синхронной скоростью вокруг неподвижного ротора, причём эта скорость устанавливается практически мгновенно. Допустим, если , то это значит, что в течении одной секунды мимо каждого полюса ротора будет проходить раз полюс и полюс вращающегося поля статора. Таким образом, на ротор будут действовать силы направленные то в одну, то в другую сторону. А среднее значение момента сил будет равно нулю. В результате ротор, который обладает определённым моментом инерции, не сдвинется с места. Если каким либо способом предварительно разогнать ротор до синхронной скорости, то силы взаимодействия полюсов ротора и с полюсами и вращающегося поля статора обеспечат вращение ротора с скоростью поля .

Когда момент сопротивления , то в режиме идеального холостого хода оси обеих магнитных систем совпадают.

На полюса ротора действуют радиальные силы и , которые не создают ни вращающего момента, ни момента сопротивления. Если к валу двигателя приложить механическую нагрузку, создающую момент сопротивления , то ось ротора сместиться назад относительно оси полюсов вращающегося поля на угол, который зависит от величины момента сопротивления .

На полюса ротора и теперь будут действовать силы притяжения и . Тангенциальные составляющие этих сил, то есть и , создают вращающий момент , который равен моменту сопротивления . Вращающий момент преодолевает вращающий момент механической нагрузки. Ось магнитного потока ротора отстаёт по фазе на угол относительно положения, которое она занимала при холостом ходе. Угол тем больше, чем значительней нагрузка на валу двигателя, поэтому угол называется углом нагрузки. Существует зависимость вращающего момента развиваемого двигателям от угла нагрузки . Эта зависимость при неизменном токе возбуждения, то есть при неизменной ЭДС, наводимой в обмотке якоря или статора, называется угловой характеристикой синхронного двигателя.

Устойчивая работа синхронного двигателя возможна, когда при увеличении момента сопротивления , и соответствующем возрастании угла . Электромагнитный вращающий момент также увеличивается, то есть когда . Таким образом, при изменении от до работа двигателя будет устойчивой.

Если угол больше или равен , то работа двигателя невозможна, так как при этом увеличение механической нагрузки на валу сопровождается уменьшением вращающегося момента. Угол обычно не превышает при работе двигателя с номинальной нагрузкой.