Синхронная машина, как и все прочие, является обратимой, т. е. может работать в режимах генератора или двигателя, в зависимости от того, подводится к ней механическая или электрическая энергия. Соотношения, полученные для синхронных генераторов, работающих параллельно с сетью, сохраняются и для двигателей. При этом потребляемая из сети активная мощность определяется нагрузкой (моментом) на валу в соответствии с угловой характеристикой, а реактивная — в соответствии с U-образной характеристикой изменяется регулированием тока возбуждения. Принцип действия синхронного двигателя также основан на взаимодействии двух вращающихся с одинаковой скоростью магнитных полей (потоков). Для перевода машины из генераторного режима в двигательный необходимо разгрузить генератор до Рм = 0, 0 = 0, первичный двигатель можно отключить; при этом машина не выпадет из синхронизма, появится электромагнитное взаимодействие противоположного направления, угол 0 также станет меньше нуля. Далее можно увеличивать момент на валу, будут расти мощность и угол 0 в соответствии с угловой характеристикой. Теперь ведущим звеном стал поток статора, а ведомым — ротор.

Рабочие характеристики явнополюсного синхронного двигателя мощностью 560 кВт ; совф„ = 0,8: щ I, совф = /(Р2), при Uc = const, f = const, if = const в относительных единицах представлены на рис. 5.19. Частота вращения п = const. Момент Мг = Рг/ю линейно зависит от Рг. При Рг = 0 развиваемый момент равен моменту холостого хода Мо. Потери в двигателе те же самые, что и в генераторе, поэтому и зависимость ц(Рг) представляет общую для электрических машин зависимость. Коэффициент мощности cosф(Р2) зависит от установленного тока возбуждения. Можно установить такой if, чтобы cosф = 1 при определенной нагрузке Рг. Тогда при уменьшении нагрузки двигатель работает с опережающим cosф, а при увеличении — с отстающим. Если двигатель предназначен для работы с опережающим cos(^) = 0,8 при номинальной нагрузке, то при ее снижении cosф быстро уменьшается.

Ток обмотки статора с ростом cosф увеличивается, начиная от значения тока холостого хода, который, в свою очередь, зависит от тока возбуждения. Если cosф = 1, то ток холостого хода составляет 5 + 10%, а при cosф = 0,8 он может достигать 50 + 70% от номинального, являясь при этом практически реактивным (зависимости I, COSф(Р2)).

Исторически широкое использование синхронных двигателей в нерегулируемых электроприводах связывают с периодом войны 1914-1918 гг., когда на заводах резко увеличилось количество асинхронных двигателей, зачастую завышенной мощности, и при неполной их загрузке коэффициент мощности сетей резко упал. Такое положение заставило электростанции ввести двойной тариф на электроэнергию — на активную и реактивную мощности. Перед электромашиностроителями же встала задача усовершенствования пусковых характеристик синхронного двигателя в такой степени, чтобы это не служило препятствием к нормальной эксплуатации этих машин. Эта задача была быстро решена, и синхронный двигатель стал гораздо шире использоваться в промышленности. Решение же заключалось в усовершенствовании асинхронного пуска: в отличие от генераторов в полюсные наконечники роторов двигателей закладывается пусковая обмотка, по сути являющаяся короткозамкнутой обмоткой асинхронного двигателя. В зависимости от требуемых пусковых характеристик эта обмотка состоит из латунных или медных стержней, спаянных (сваренных) коротко-замыкающими сегментами. Отдельные сегменты полюсов могут соединяться в одну общую систему. Таким образом, пуск синхронного двигателя проходит так же, как и асинхронного короткозамкнутого, т. е. прямым включением в сеть при замкнутой на сопротивление обмотке возбуждения. По достижении частоты вращения, близкой к синхронной (~ 0,95по), включают ток возбуждения и двигатель «втягивается в синхронизм». Операции по пуску синхронных двигателей в промышленных приводах, как правило, автоматизированы.

В настоящее время синхронные двигатели выпускаются на мощности 40 г 50 000 кВт, частоте вращения 125 г 3000 об/мин. При этом, несмотря на большую стоимость по сравнению с асинхронными короткозамкнутыми двигателями (наличие возбудителя, скользящие контакты, сервисное обслуживание), синхронные двигатели экономически выгодны при мощностях Р2 > 200 кВт, и особенно при низких частотах вращения, из-за более высокого КПД по причине отсутствия потерь скольжения. Их преимущества очевидны: способность генерировать реактивную мощность, низкая чувствительность к колебаниям напряжения (момент пропорционален напряжению, а у асинхронного М = U2).

Конструктивно синхронные двигатели в большинстве своем выпускаются как явнополюсные машины. При частотах вращения п = 1500 + 3000 об/мин — полнополюсные, например, в качестве привода компрессоров газоперекачивающих станций (турбодвигатели).

Частотный преобразователь в управляемом синхронном двигателе. В системах регулируемого электропривода основное достоинство синхронных двигателей — постоянство частоты вращения — становится их недостатком. Регулирование частоты вращения синхронных двигателей возможно осуществить только изменением частоты питающего напряжения. В настоящее время в связи с производством широкого спектра полностью управляемых полупроводниковых вентилей (iGBT, MOSFET и др.), а также возбуждения от постоянных магнитов, синхронные двигатели все шире применяются в системах автоматизированного привода по схеме: источник + преобразователь частоты Веспер + двигатель. При этом, если частота переключения вентилей задается системой управления независимо от пространственного положения ротора, то такое управление называют частотным (аналогично регулированию асинхронных двигателей). Законы регулирования те же, например, при М = const U/ If = const. Если же порядок переключения вентилей определяется угловым положением ротора относительно фаз обмотки статора, управление называют позиционным. Информация о положении ротора снимается с соответствующего датчика (датчика положения ротора, ДПР) и поступает в систему формирования сигналов управления силовыми элементами, подключающими соответствующие фазы обмотки якоря к источнику. Такую машинно-вентильную систему называют «вентильным двигателем», он обладает характеристиками машины постоянного тока и получил наибольшее распространение. В такой системе преобразователь частоты выполняет функции, аналогичные механическому преобразователю частоты (коллектор-щетки) в двигателе постоянного тока. Вентильный двигатель остается синхронным, т. к. средняя угловая скорость поля якоря (статора) равна средней угловой скорости ротора, а частота ЭДС вращения совпадает с частотой выходного напряжения преобразователя.

Сферы применения вентильных двигателей весьма обширны, особенно двигателей с магнитоэлектрическим возбуждением: серводвигатели в системах автоматического управления; в автомобилестроении — стартер-генераторы, стеклоподъемники, вентиляторы и многое другое; специальные приводы мощностью от единиц до тысячи киловатт, в частности, гребные двигатели подводных лодок, ледоколов, других водных и наземных транспортных средств (мотор-колеса и т. д.).

Синхронный компенсатор — это работающая вхолостую синхронная машина, предназначенная для регулирования реактивной мощности в сети. Синхронные компенсаторы включаются в электрическую систему ближе к потребителям электроэнергии, поэтому генерируемую или потребляемую ими реактивную мощность не надо передавать на большие расстояния, следовательно, с ростом соsф растет пропускная способность линий по активной мощности, лучше используются электростанции и сети.

Поскольку синхронные компенсаторы не предназначены для выполнения механической работы, то они имеют облегченную конструкцию по сравнению с двигателем.