Основу современного автоматизированного электропривода наиболее ответственных технологических установок ТЭК [1–5] составляет синхронная электрическая машина [6–9]. Особенно актуально использование синхронных электроприводов в нефтегазовой области [10–14], причем не только в двигательных режимах, но и в генераторных [15–18]. При проектировании современных систем синхронного электропривода мощных технологических установок [19–22] необходимо учитывать особенности работы самой синхронной машины, системы возбуждения [23–26] и мониторинга функционирования [27–29].
Общее схематическое изображение синхронного двигателя (СД) приведено на рис. 1. Статор синхронного двигателя практически аналогичен статору любого двигателя переменного тока, включая асинхронный. На нем размещена трехфазная обмотка.
Разные виды СД (рис. 2) отличаются ротором. Синхронный двигатель с электромагнитным возбуждением, показанный схематично на рис. 1, имеет на роторе обмотку возбуждения. Эта обмотка создает электромагнитное поле СД. Ток возбуждения в установившихся режимах постоянный. Подвод тока к обмотке возбуждения в большинстве случаев осуществляется через кольца и щетки. Тихоходные СД с электромагнитным возбуждением явнополюсные, наконечники полюсов обычно шихтованные. В большинстве случаев имеется демпферная клетка, подобная клетке ротора АД. Быстроходные СД (3000 об./мин. и, чаще всего, также 1500 об./мин.) – неявнополюсные. Стальной ротор – массивный. Обмотка возбуждения размещена в пазах ротора. Магнитное поле СД с постоянными магнитами создается магнитами, размещенными на роторе. Этот вид СД используется в диапазоне номинального момента до 100 Н∙м.
Явнополюсный ротор реактивного СД (рис. 2г) не имеет обмотки. Принимаются специальные меры для того, чтобы магнитная проводимость по продольной оси d значительно превышала проводимость по поперечной оси q (рис. 1). Магнитное поле создается только токами статора.
Принцип действия упрощенно поясняется рис. 3. На проводники статора в магнитном поле действуют силы; направление сил соответствует правилу левой руки. Эти силы определяют вращающий момент, действующий на статор со стороны ротора. Равный по абсолютному значению, но противоположно направленный момент воздействует на ротор со стороны статора.