9. Синхронные машины

Синхронной называют двухобмоточную электрическую машину переменного тока, одна из обмоток которой подсоединяются к электрической сети, которая имеет частоту f, а вторая питается постоянным током.

Строение статора синхронной машины не отличается от строения статора машины асинхронной. Ротор двухполюсных машин изготовляют в виде массивного цилиндра. На двух третьих егоповерхности обвода расположены пазы для заключения обмотки возбуждение. Роторы машин с количеством пар полюсов р>1 имеют явно полюсную конструкцию. Количество полюсов ротора соответствует количеству полюсов фазы обмотки статора. На роторе размена обмотка возбуждения, которую питают постоянным током через два контактных кольца и щетки от источника постоянного напряжения. В полюсных наконечниках синхронных машин с выступающими полюсами размещают стержни пусковой (демпферной) обмотки, которые по торцам полюсов соединяют накоротко кольцами, подобно к коротко замкнутым роторам асинхронных двигателей.

На всех тепловых и гидроэлектростанциях электрическую энергию получают с помощью синхронных генераторов. При вращении ротора синхронного генератора постоянное магнитное поле, созданное током обмотки возбуждения, индуктирует в обмотке статора трехфазную симметричную систему ЭДС. При заданной частоте электроэнергетических сетей f = 50 Гц частота вращения ротора двухполюсного генератора должна равняться .

Обычно синхронный генератор подсоединяется к трехфазной сети переменного тока. В момент подсоединения к сети напряжения генератора и сети должны быть согласованы по амплитуде и по фазе. Кроме того, необходимо согласовать порядок чередования фаз генератора и сети. Если все эти условия выполнены, то после подключения генератора к сети ток в его статорной обмотке будет равняться нулю. При увеличении тока возбуждение ЭДС генератора становится больше напряжения сети и в статорной обмотке пойдет ток, который отстает от ЭДС генератора и опережает напряжение сети на 90˚, то есть генератор создает емкостную реактивную мощность, которую можно использовать для компенсации реактивной индуктивной мощности, создаваемую асинхронными двигателями.

Синхронные двигатели имеют не такое массовое распространение в промышленности, как асинхронные двигатели, поскольку их применение становится более выгодным, чем асинхронных, лишь при больших мощностях (100 кВт и больше). Синхронные микродвигатели используют в случаях, если необходимо получить стабильную частоту вращения вала в устройствах малой мощности.

Для синхронизации с сетью применяют асинхронный пуск синхронного двигателя с помощью пусковой обмотки. Перед пуском обмотку возбуждения двигателя замыкают на разрядное сопротивление, которое превышает сопротивление обмотки возбуждения приблизительно в десять раз, а потом обмотку статора двигателя подключают к трехфазной сети. Пусковая обмотка на роторе выполняет те самые функции, что и коротко замкнутая обмотка асинхронного двигателя. Происходит асинхронный пуск синхронного двигателя. В конце пуска скорость ротора ω становится близкой к синхронной угловой скорости ω₀. Тогда обмотку возбуждения отключают от разрядного реостата и подсоединяют к постоянному напряжению питания. Вследствие создания обмоткой возбуждения магнитного потока возникает синхронизирующий электромагнитный момент, который подхватывает ротор и двигатель начинает работать с синхронной скоростью ω₀.

Преимущества синхронных двигателей перед асинхронными состоят в том, что они могут работать с cosφ = 1 независимо от нагрузки; их максимальный момент при заданном значении тока возбуждения прямо пропорционален напряжению сети, в то время как у асинхронных двигателей он пропорциональный квадрату напряжения сети питания; синхронные двигатели обеспечивают стабильную частоту вращения вала. Но синхронные двигатели имеют более сложную, чем асинхронные, конструкцию, более сложный пуск и требуют отдельный источник постоянного напряжения для питания обмотки возбуждения.