Синхронні машини використовують в якості генераторів і двигунів. Синхронні генератори виробляють електричну енергію трифазного струму. Майже всі генератори змінного струму, що встановлюються на великих і малих електричних станціях, є синхронними. Синхронні двигуни використовують, головним чином, для потужних електричних приводів.
Синхронні генератори застосовують на тепловозах з електричною передачею змінно-постійного струму: напруга, отримане від синхронного генератора, випрямляється напівпровідниковими перетворювачами і подається на тягові двигуни постійного струму
Основними частинами синхронної машини є якір і індуктор (обмотка збудження). Як правило, якір розташовується на статорі, а на відокремленому від нього повітряним зазором роторі знаходиться індуктор - таким чином, за принципом дії синхронна машина являє собою як би «вивернула навиворіт» машину постійного струму, змінний струм для обмотки якоря якої виходить ніс допомогою колектора, а підводиться ззовні.
Якір являє собою одну або кілька обмоток змінного струму. У двигунах струми, що подаються в якір, створюють обертове магнітне поле, яке зчіплюється з полем індуктора, і таким чином відбувається перетворення енергії. Поле якоря впливає на поле індуктора і називається тому також полем реакції якоря. В генераторах поле реакції якоря створюється змінними струмами, індукованими в обмотці якоря від індуктора.
Індуктор складається з полюсів -електромагнітов постійного струму або постійних магнітів (в мікромашин). Індуктори синхронних машин мають дві різні конструкції: явнополюсную або неявнополюсного.
Явнополюсная машина відрізняється тим, що полюса яскраво виражені і мають конструкцію, схожу з полюсами машини постійного струму.
При неявнополюсного конструкції обмотка збудження укладається в пази сердечника індуктора, вельми схоже на обмотку роторів асинхронних машин з фазним ротором, з тією лише різницею, що між полюсами залишається місце, не заповнений провідниками (так званий великий зуб). Неявнополюсного конструкції застосовуються в швидкохідних машинах, щоб зменшити механічне навантаження на полюса.
Статор 1 синхронної машини (рис. 6.1, а) виконаний так само, як і асинхронної: на ньому розташована трифазна (в загальному випадку багатофазна) обмотка 3. Обмотку ротора 4. живиться від джерела постійного струму, називають обмоткою збудження, так як вона створює в машині магнітний потік збудження.
Мал. 6.1. Електромагнітна схема синхронної машини і схема її включення
Обертову обмотку ротора з'єднують із зовнішнім джерелом постійного струму за допомогою контактних кілець 5 і щіток 6 (рис. 6.1, б). При обертанні ротора 2 з певною частотою n2 потік збудження перетинає провідники обмотки статора і індукує в її фазах змінну ЕРС Е. змінюється з частотою
Якщо обмотку статора підключити до будь-якої навантаженні, то проходить по цій обмотці багатофазних ток Іа створює обертове магнітне поле, частота обертання якого
З (6.1) і (6.2) випливає, що n1 = n2. т. е. що ротор обертається з тією ж частотою, що і магнітне поле статора. Тому що розглядається машину називають синхронної. Результуючий магнітний потік Фрез синхронної машини створюється спільною дією МДС обмотки збудження і обмотки статора, і результуюче магнітне поле обертається в просторі з тією ж частотою, що і ротор.
У синхронної машині обмотку, в якій індукується ЕРС і проходить струм навантаження, називають обмоткою якоря. а частина машини, на якій розташована обмотка збудження, - індуктором. Отже, в наведеній машині (рис. 6.1) статор є якорем, а ротор - індуктором. Для принципу дії і теорії роботи машини не має значення - обертається якір або індуктор, тому в деяких випадках застосовують синхронні машини з зверненої конструктивною схемою: обмотку якоря, до якої підключають навантаження, мають у своєму розпорядженні на роторі, а обмотку збудження, що живиться постійним струмом, - на статорі. Таку машину називають зверненої. Звернені машини мають порівняно невелику потужність, тому що у них утруднений добір потужності від обмотки ротора.
Синхронна машина може працювати автономно в якості генератора, що живить підключену до неї навантаження, або паралельно з мережею, до якої приєднані інші генератори. При роботі паралельно з мережею вона може віддавати або споживати електричну енергію, т. Е. Працювати генератором або двигуном. При підключенні обмотки статора до мережі з напругою U і частотою f1 проходить по обмотці струм створює, так само як в асинхронної машині, що обертається магнітне поле, частота обертання якого визначається по (6.2). В результаті взаємодії цього поля зі струмом I в. які проходять по обмотці ротора, створюється електромагнітний момент М. який при роботі машини в руховому режимі є обертає, а при роботі в генераторному режимі - гальмівним. У розглянутій машині на відміну від асинхронної потік збудження (холостого ходу) створюється обмоткою постійного струму, розташованої зазвичай на роторі. У сталому режимі ротор нерухомий щодо магнітного поля і обертається з частотою обертання п1 = п2 незалежно від механічного навантаження на валу ротора або електричного навантаження.
Таким чином, для сталих режимів роботи синхронної машини характерні наступні особливості:
а) ротор машини, що працює як в руховому, так і в генераторному режимах, обертається з постійною частотою, рівній частоті магнітного поля, т. е. п2 = п1;
б) частота зміни ЕРС Е, індукований в обмотці якоря, пропорційна частоті обертання ротора;
в) в сталому режимі ЕРС в обмотці збудження не індуцируется; МДС цієї обмотки визначається тільки струмом збудження і не залежить від режиму роботи машини.
Як будь-яка електромашина, синхронна машина може працювати в режимах двигуна і генератора.
Зазвичай синхронні генератори виконують з якорем, розташованим на статорі, для зручності відведення електричної енергії. Оскільки потужність збудження невелика в порівнянні з потужністю, що знімається з якоря (0,3. 2%), підведення постійного струму до обмотки збудження за допомогою двох контактних кілець не викликає особливих труднощів.
Принцип дії синхронного генератора заснований на явищі електромагнітної індукції; при обертанні ротора магнітний потік, створюваний обмоткою збудження, зчіплюється черзі з кожною з фаз обмотки статора, індукуючи в них ЕРС. У найбільш поширеному випадку застосування трифазного розподіленої обмотки якоря в кожній з фаз, зміщених одна відносно одної на 120 °, індукується синусоїдальна ЕРС. Поєднуючи фази за стандартними схемами «трикутник» або «зірка», на виході генератора отримують трифазну напругу, що є загальноприйнятим стандартом для магістральних електромереж.
Частота индуцируемой ЕРС f [Гц] пов'язана з частотою обертання ротора n [об / хв] співвідношенням:
,
де - число пар полюсів ротора.
Часто синхронні генератори використовують замість колекторних машин для генерації постійного струму, підключаючи їх обмотки якоря до трифазних випрямлячів.
Принцип дії синхронного двигуна заснований на взаємодії магнітного поля якоря і магнітного поля полюсів індуктора. Зазвичай якір розташований на статорі, а індуктор - на роторі. У потужних двигунах в якості полюсів використовуються електромагніти (струм на ротор подається через ковзний контакт щітка-кільце), в малопотужних, наприклад, в двигунах жорстких дісков- постійні магніти. Існує звернена конструкція двигунів, в якій якір розташований на роторі, а індуктор - на статорі (в застарілих двигунах, а також в сучасних кріогенних синхронних машинах, в яких в обмотках збудження використовуються надпровідники.)
Для розгону зазвичай використовується асинхронний режим, при якому обмотки індуктора замикаються через реостат або накоротко, як в асинхронної машині, для такого режиму запуску в машинах на роторі робиться короткозамкнутая обмотка, яка також виконує роль заспокійливої обмотки, що усуває "розгойдування" ротора при синхронізації. Після виходу на швидкість, близьку до номінальної (> 95% - так звана підсинхронних швидкість), індуктор живиться постійним струмом.
У двигунах з постійними магнітами застосовується зовнішній розгінний двигун або частотно-регульований пуск, також частотне регулювання застосовують на всіх типах СД в робочому режимі - наприклад, на тягових двигунах швидкісного електропоїзда TGV. Двигуни старих електропрогравачів вимагали ручного пуску - прокрутки пластинки рукою, пізніше в програвачах стали застосовуватися асинхронні двигуни.
Іноді на валу великих машин ставлять невеликий генератор (постійного струму або змінного струму з випрямленням), т.зв. «Збудник», який живить електромагніти.
Частота обертання ротора n [об / хв] залишається незмінною, жорстко пов'язаної з частотою мережі f [Гц] співвідношенням:
де - число пар полюсів ротора, в залежності від навантаження машини змінюється лише кут навантаження (кут тета) -електрічеський кут відставання або випередження поля збудження по відношенню до поля якоря. При вугіллі навантаження більше 90 електричних градусів машина випадає із синхронізму - зупиняється, якщо вал перевантажений гальмівним моментом, або іде на підвищені оберти, якщо машина працює в режимі генератора і недовантажена електричної навантаженням.
Синхронні двигуни при зміні збудження змінюють косинус фі з ємнісного на індуктивний. Перезбуджені СД на холостому ходу застосовують в якості компенсаторів реактивної потужності. Синхронні двигуни в промисловості зазвичай застосовують при одиничних потужностях понад 300 кВт (повітродувки, водоперекачуючій і нафтоперекачечні насоси), наприклад, типу СТД, при менших потужностях зазвичай застосовується більш простий (і надійний) асинхронний двигун з короткозамкненим ротором.