Синхронные машины

На современных электрических станциях механическая энергия превращается в электрическую почти исключительно синхронными генераторами.
В этих машинах статор устроен подобно статору асинхронной машины (рис.10-7, 10-29), а ротор, приводимый во вращение паровой или водяной турбиной, несет на себе обмотку возбуждения, обтекаемую постоянным током I_B как у машин постоянного тока. Создаваемый этим током магнитный поток возбуждения Ф_B вращается с неизменной частотой n и наводит в трехфазной обмотке статора э. д. с, величина которой определяется, как уже известно, формулой

Если зажимы обмотки статора замкнуть на сопротивление, то в фазах обмотки создаются три тока I_А, I_B, I_C, а м. д. с. этих токов F_А, F_B и F_C, суммируясь, как было выяснено ранее , образуют результирующую м. д. с.F. Эта м. д. с. создает поток статора или якоря Ф_Я, вращающийся с одной частотой с ротором. По этому признаку машина называется синхронной.
В синхронной машине жестко связаны частота вращения n, частота тока статора f и число пар полюсов pp

При f = 50 Гц и p = 1,2,3 частоты вращения ротора
n₁ = 3000, 1 500, 1 000 об/мин. Синхронные генераторы, приводимые во вращение паровыми турбинами при n = 3 000,1 500 об/мин, называются турбогенераторами.

Генераторы, которые вращаются гидравлическими турбинами, называются гидрогенераторами. При использовании равнинных рек и водохранилищ гидравлические турбины тихоходны и для получения тока промышленной частоты f = 50 Гц число пар полюсов большое. Так, гидрогенераторы Братской ГЭС по 225 ООО кВт, 15 750 В, cos φ = 0,85 построены на n = 125 об/мин при p = 24. Гидрогенераторы Красноярской ГЭС на 500 ООО кВт, имеют n = 93,8 об/мин и  p = 32.
На рис. 10-29 показаны статор и ротор явнополюсного генератора. В пазах статора 4 положена двухслойная обмотка, подобная рассмотренной выше (рис. 10-7). Четырехполюсный ротор с обмоткой возбуждения 1 приводится во вращение первичным двигателем (на схеме не показан). Ток возбуждения подводится к обмотке 1 при помощи контактных колец 3 через щетки 2 от специальной машины постоянного тока — возбудителя.
Внешний вид неявнополюсного ротора турбогенератора показан на рис. 10-30, а на рис. 10-31 поперечный разрез ротора без обмотки.
Характеристики: холостого хода генератора E₀ = f ( I_B )  при f = const, I = 0 и внешняя U = f ( I ) при I_B = const, cos φ = const подобны таким же характеристикам генератора постоянного тока независимого возбуждения . Однако процентное изменение напряжения

у синхронного генератора достигает величины (20—40) % U_H.
Дело в том, что поток реакции якоря Ф_Я показанный замыкающимся поперек полюса
(рис. 10-29), как в машине постоянного тока, у синхронной машины при отстающем токе, т. е. при cos φ < 1,  замыкается частично вдоль полюсов встречно потоку Ф_В. Поэтому происходит сильное уменьшение результирующего потока Ф = Ф_В — Ф_Я и уменьшение э. д. с. E₀, а значит и U.

Синхронная машина может работать и в режиме двигателя для привода механизмов, не создающих резких перегрузок, например, насосов и воздуходувок, с успехом заменяя асинхронные двигатели при мощностях в сотни и тысячи киловатт. При способности к перегрузке M_М/M_Н = 1,8 2,5 синхронный двигатель обладает ценным свойством работать при cos φ, равном единице. На рис. 10-32 показана схема пуска синхронного двигателя. Кроме обмотки возбуждения 1, в полюсных наконечниках ротора заложена короткозамкнутая обмотка 4, как у асинхронного двигателя. Перед пуском обмотка возбуждения 1 замыкается переключателем 2 на сопротивление 3. Статор 5 подключается рубильником 6 к питающей сети и вращающееся магнитное поле статора, наводя токи в короткозамкнутой обмотке ротора 4, разгоняет ротор, как у асинхронного двигателя до частоты вращения n₂ n₁. Для того чтобы ротор начал вращаться с частотой n₁, т. е. синхронно, нужно установить в обмотке 1 постоянный ток. С этой целью перекидывают ножи переключателя 2 вниз, на зажимы возбудителя 7 и ротор автоматически входит в синхронизм, после чего двигатель можно нагружать.
Диаграмма работы двигателя показана на рис. 10-33. Вращающийся поток ротора Ф_В наводит в обмотке статора противо-э. д. с. E₁. Если пренебречь активным сопротивлением обмотки, считая I₁ z₁ I₁ x₁ то напряжение сети (рис. 10-33, а).
При холостом ходе мощность очень мала и равна потерям холостого хода двигателя. Ток холостого хода I_1X активный и тоже мал, a cos φ при соответствующем возбуждении может быть равен единице. При росте нагрузки на валу ток увеличивается до значения I₁ оставаясь активным.
Если увеличивать ток возбуждения I_B (рис. 10-33, б), то поток Ф_В растет и э. д. с. увеличивается до значения E₁+ ΔE.
Тогда в обмотке статора появляется дополнительный ток

Этот ток целиком реактивный, так как сопротивление обмотки статора z₁ = r₁ + x₁ x₁.
Ток I_P отстает от ΔE на угол φ = 90° (рис. 10-33, б) и опережает напряжение U₁ на 90°, а суммарный ток двигателя I_1C опережает напряжение U₁ на угол φ₁.
Очень часто устанавливают режим синхронного компенсатора, когда двигатель работает без нагрузки на валу, но с опережающим током I_1CK (рис. 10-33, б). Если такая машина включена в сеть с индуктивной нагрузкой, то она, работая как конденсатор, создает в сети условия, близкие к тем, когда получается резонанс токов . Синхронный компенсатор имеет преимущество перед статическим конденсатором в том, что величину опережающего тока можно менять, изменяя ток возбуждения.
При малых мощностях, не превышающих нескольких сот ватт, синхронные двигатели конструируются без обмотки возбуждения, называются реактивными синхронными двигателями и применяются для привода механизмов, требующих постоянной частоты вращения (звуковое кино, телемеханика).