Машина называется синхронной, если частота вращения связана постоянным отношением с частотой f сети переменного тока, в которую эта машина включается. Такие машины применяют в качестве генераторов переменного тока промышленной частоты, синхронных двигателей, когда нужен двигатель, который работает при постоянной частоте вращения.
Синхронная машина состоит из статора и ротора, при этом статор похож на статор асинхронной машины. Сердечник статора собирается из листов электротехнической стали, которые изолированы друг от друга, и укрепляется внутри массивного корпуса. В пазах внутри статора размещается обмотка переменного тока, которая чаще всего является трехфазной.
Ротор синхронной машины является электромагнитом с неявно выраженными полюсами или с явно выраженными полюсами. На обмотку возбуждения ток поступает через контактные кольца и щетки от внешнего источника постоянного тока, который называют возбудителем.
Многополюсная синхронная машина содержит ротор с р парами полюсов. Токи в обмотке статора формирует р пар полюсов магнитного поля, совершающего вращения. Ротор вращается с частотой вращения магнитного поля, т. е. его скорость. Синхронные двигатели широко применяют для разных видов привода, которые работают с постоянной частотой вращения. Чаще всего данные двигатели являются явно полюсными мощностью от 40 до 7500 кВт, с частотами вращения от 125 до 1000 об/мин.
Двигатели и генераторы отличаются наличием на роторе дополнительной короткозамкнутой обмотки или подобного приспособления. Также различие выражается в меньшем воздушном зазоре между статором и ротором. Синхронные двигатели имеют КПД выше, чем асинхронный двигатель той же массы.
Для синхронных машин иногда используются те же названия, как и в машинах постоянного тока: якорем называют часть, в обмотке которой индуктируется э. д. с., т. е. в синхронных машинах статор является якорем. Индуктором, который возбуждает главный магнитный поток, в синхронной машине является ротор.
Важное отличие синхронной и асинхронной машин заключается в том, что главный магнитный поток в ней создает намагничивающая сила постоянного тока возбуждения, получаемого машиной от возбудителя. Поэтому синхронная машина при работе в режиме двигателя может не загружать сеть намагничивающим током. Чаще всего в качестве возбудителей применяются небольшие генераторы постоянного тока с самовозбуждением или генераторы с независимым возбуждением от подвозбудителя.
Синхронная машина является обратимой, т. е. может работать как двигатель и как генератор. Машина переходит из режима генератора к режиму двигателя в зависимости от действия на ее вал вращающей или тормозящей механической силы. Если действует вращающая сила, машина получает на валу механическую энергию, которую он перерабатывает в электрическую. Если действует тормозящая сила, машина потребляет из сети электрическую энергию перерабатывает ее в механическую.
Для синхронного генератора рабочий процесс определяется тем, связана ли его частота и э. д. с. с частотой тока в сети, которая питается другими синхронными генераторами, или он работает независимо и сам задает частоту тока в сети.
При независимой работе частота сети изменяет значение вместе с частотой вращения первичного двигателя, который вращает синхронный генератор. При этом э. д. с, которые индуктируются в обмотках статора, при подключении нагрузки создают токи в обмотках статора. Эти токи взаимодействуют с магнитным полем машины и создают тормозящую силу, преодолевающую первичный двигатель. При увеличении нагрузки генератора увеличивается и тормозящая сила, приводящая к преобразованию механической мощности первичного двигателя в электрическую мощность, которая отдается в сеть.
Когда синхронный генератор работает параллельно с сетью, которая питается другими генераторами, частота машины соответствует частоте сети. Однако для того чтобы частота машины была постоянной, необходимо постоянно синхронизировать часто- ту вращения ротора, чтобы индуктируемая им э. д. с. Совпадала с изменениями напряжения внешней сети.
Поле ротора, которое является главным магнитным полем, возбуждается постоянным током, но, кроме него, трехфазная система переменных токов статора образует свое магнитное поле. Генераторный режим машины характеризуется опережением ротором поля статора, при котором взаимодействие токов статора и поля машины создает механическую силу, которая тормозит вращение ротора; эту силу необходимо преодолевать первичному двигателю машины.
В случае параллельной работы синхронной машины с другими синхронными машинами, для того чтобы включить машины в общую сеть, нужна предварительная синхронизация. Она заключается в том, чтобы приравнять частоту вращения машины с частотой сети. При этом э. д. с. машины должна быть равна по величине и противоположна по фазе напряжению сети. В случае идеальной синхронизации машины и сети токи в обмотках статора после включения машины на параллельную работу станут равными в результате того, что поле ротора индуктирует в обмотках статора э. д. с., которые уравновешивают полностью напряжение сети. При этом синхронная машина не будет отдавать энергию в сеть и не будет потреблять ее. Таким образом, машина не является ни генератором, ни двигателем. Потери такой машины, механические и магнитные, при этих условиях покрывает первичный двигатель, т. е. чтобы синхронная машина, которая включена в сеть, работала как генератор, отдавая в эту сеть энергию, нужно увеличить механический момент, приложенный первичным двигателем к валу машины.