Синхронный двигатель — это двигатель, в котором ротор обычно вращается с той же скоростью, что и вращающееся поле в машине. Статор похож на статор индукционной машины, состоящий из цилиндрического железного каркаса с обмотками, обычно трехфазными, расположенными в пазах по внутренней периферии. Разница заключается в роторе, который обычно содержит изолированную обмотку, подключенную через контактные кольца или другие средства к источнику постоянного тока (см. рисунок).
Принцип работы синхронного двигателя можно понять, если рассмотреть обмотки статора, подключенные к трехфазному источнику переменного тока. Эффект тока статора заключается в создании магнитного поля, вращающегося со скоростью 120 f/p оборотов в минуту для частоты f герц и для p полюсов. Постоянный ток в обмотке возбуждения ротора с p полюсами также будет создавать магнитное поле, вращающееся со скоростью ротора. Если скорость вращения ротора равна скорости вращения поля статора и отсутствует вращающий момент нагрузки, эти два магнитных поля будут стремиться выровняться друг с другом. При приложении механической нагрузки ротор отклоняется на несколько градусов по отношению к вращающемуся полю статора, развивая крутящий момент и продолжая увлекаться этим вращающимся полем. Угол между полями увеличивается по мере увеличения крутящего момента нагрузки. Максимальный крутящий момент достигается, когда угол, на который поле ротора отстает от поля статора, составляет 90°. При приложении большего момента нагрузки двигатель заглохнет.
Одним из преимуществ синхронного двигателя является то, что магнитное поле машины может создаваться постоянным током в обмотке возбуждения, так что обмотки статора должны обеспечивать только силовую составляющую тока в фазе с приложенным напряжением статора — т.е. двигатель может работать при коэффициенте мощности, равном единице. Это условие минимизирует потери и нагрев в обмотках статора.
Коэффициент мощности электрического входа статора можно напрямую регулировать путем изменения тока возбуждения. Если ток возбуждения увеличивается сверх значения, необходимого для создания магнитного поля, ток статора изменяется и включает в себя компонент, компенсирующий это перемагничивание. В результате общий ток статора приводит к фазовому напряжению статора, обеспечивая таким образом реактивные вольт-амперы в энергосистеме, необходимые для намагничивания других устройств, подключенных к системе, таких как трансформаторы и асинхронные двигатели. Работа большого синхронного двигателя с таким ведущим коэффициентом мощности может быть эффективным способом улучшения общего коэффициента мощности электрических нагрузок на производственном предприятии, чтобы избежать дополнительных тарифов на электроснабжение, которые в противном случае могут взиматься за нагрузки с низким коэффициентом мощности.
Трехфазные синхронные двигатели находят свое основное применение в промышленности, где имеется большая, достаточно устойчивая механическая нагрузка, обычно более 300 киловатт, и где важна способность работать с ведущим коэффициентом мощности. Ниже этого уровня мощности синхронные машины обычно дороже асинхронных.
Ток возбуждения может подаваться от выпрямителя с внешним управлением через контактные кольца, или, в более крупных двигателях, он может подаваться от установленного на валу выпрямителя с вращающимся трансформатором или генератором.
Синхронный двигатель, имеющий только обмотку возбуждения с постоянным током, не будет самозапускаться. При любой скорости, отличной от синхронной, его ротор будет испытывать осциллирующий момент с нулевым средним значением, поскольку вращающееся магнитное поле неоднократно проходит мимо более медленного ротора. Обычно для обеспечения пускового момента на ротор добавляется короткозамкнутая обмотка, аналогичная обмотке асинхронной машины. Двигатель запускается при полном или пониженном напряжении статора и разгоняется примерно до 95% синхронной скорости, обычно с короткозамкнутой обмоткой возбуждения, чтобы защитить ее от чрезмерного индуцированного напряжения. Затем подается ток возбуждения, и ротор втягивается в синхронизм с вращающимся полем.
Эта дополнительная обмотка ротора обычно называется демпферной из-за ее дополнительного свойства гасить любые колебания, которые могут быть вызваны внезапными изменениями нагрузки на ротор при синхронизме. Приспособление к изменениям нагрузки включает в себя изменение угла, на который поле ротора отстает от поля статора, и, следовательно, кратковременные изменения мгновенной скорости. При этом в обмотках демпфера наводятся токи, создающие вращающий момент, который противодействует изменению скорости.
Защита синхронных двигателей аналогична той, что применяется для больших асинхронных двигателей. Температура может определяться как в обмотках статора, так и в обмотках возбуждения и использоваться для отключения электропитания. При запуске происходит значительный нагрев обмотки ротора-демпфера, поэтому часто устанавливается таймер для предотвращения повторных запусков в течение ограниченного интервала времени.
