По своему устройству синхронный двигатель аналогичен синхронному генератору, но он имеет дополнительную пусковую обмотку. Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии полюсов вращающегося магнитного поля, созданного обмоткой статора, обтекаемой трехфазным током, с магнитными полюсами ротора, обмотки которого питаются постоянным током. Скорость вращения синхронного двигателя постоянна независимо от нагрузки и равна скорости вращения магнитного поля; по этой причине двигатель получил название синхронного; вращение ротора у него совпадает (синхронно) с вращением магнитного поля статора. Механическая характеристика двигателя, т. е. скорость его вращения, зависящая от нагрузки, является абсолютно жесткой, при которой число оборотов постоянно.
Пуск двигателя в ход производится после предварительного его разгона по скорости, равной не менее 0,95 номинального числа оборотов, что осуществляется наличием специальной пусковой обмотки типа беличьего колеса, как у асинхронного двигателя. Такой способ пуска называется асинхронным. После разгона двигателя включается постоянный ток в обмотку ротора, полюса которого входят в синхронизм с, полюсами вращающегося магнитного поля. Некоторые типы синхронных двигателей пускают в ход с помощью других двигателей.
При холостом ходе оси полюсов ротора и вращающего поля статора двигателя совпадают. При увеличении нагрузки двигателя происходит сдвиг оси полюсов ротора относительно полюсов поля статора на угол φ и при некоторой максимальной нагрузке двигатель выпадает из синхронизма и останавливается в результате слабого взаимодействия между полюсами ротора и статора, обусловленного значительным расстоянием между ними. Максимальный (опрокидывающий) момент синхронного двигателя в 2,5-3 раза превышает номинальный его момент при нормальном токе возбуждения. Изменение угла между осями полюсов ротора и статора приводит к изменению угла сдвига фаз между напряжением и электродвижущей силой синхронного двигателя.
Преимущество синхронных двигателей заключается в возможности работать с высоким коэффициентом мощности cos φ.
Регулирование cos φ синхронного двигателя достигается изменением величины постоянного тока возбуждения машины, при определенной величине которого можно получить значение коэффициента мощности, равное единице.
В отличие от двигателей постоянного тока, у которых при изменении тока возбуждения изменяется скорость вращения, у синхронных двигателей скорость остается постоянной, не зависящей от тока возбуждения. Однако при этом в больших пределах может изменяться ток статора синхронного двигателя при постоянной нагрузке на его валу и постоянной потребляемой мощности. При постоянной потребляемой мощности двигателя Р — ]/3/U cos φ и постоянной! приложенном напряжении U ток I будет зависеть от cos φ, т. е. при уменьшении cos φ ток будет увеличиваться. В то же время угол φ сдвига фаз между напряжением и током двигателя зависит от тока его возбуждения.
Рис. 7.17. U-образная кривая зависимости рабочего тока синхронного двигателя от тока возбуждения
Влияние величины тока возбуждения на угол сдвига фаз и на величину тока двигателя при постоянной нагрузке на графике имеет вид U-образной кривой (рис. 7.17). Из графика видно, что при уменьшении тока возбуждения ниже номинальной величины ток в цепи статора возрастает (левая часть кривой), но при этом угол сдвига фаз положителен φ > 0, т. е. ток отстает от напряжения. При увеличении тока возбуждения свыше номинальной величины (правая часть кривой) рабочий ток / двигателя также увеличивается, но при этом угол сдвига фаз будет отрицательный!: φ < 0, т. е. ток опережает напряжение.
Таким образом, перевозбужденный синхронный двигатель работает подобно емкости, включенной в цепь данной установки, что имеет большое практическое значение для улучшения коэффициента мощности (cos φ) установки.
По указанным причинам за последние годы расширяется применение синхронных двигателей в промышленности и на строительстве, где они применяются для привода компрессорных и насосных установок, а также для привода камнедробилок и экскаваторов.
