En synkronmotor är en motor där rotorn normalt roterar med samma hastighet som det roterande fältet i maskinen. Statorn liknar den för en induktionsmaskin och består av en cylindrisk järnram med lindningar, vanligen trefasiga, placerade i slitsar runt den inre periferin. Skillnaden ligger i rotorn, som normalt innehåller en isolerad lindning som via slipringar eller på annat sätt är ansluten till en likströmskälla (se figur).
Encyclopædia Britannica, Inc.
Drivprincipen för en synkronmotor kan förstås genom att betrakta statorlindningarna som anslutna till en trefasig växelströmsförsörjning. Effekten av statorströmmen är att skapa ett magnetfält som roterar med 120 f/p varv per minut för en frekvens på f hertz och för p poler. En likström i en p-polig fältlindning på rotorn skapar också ett magnetfält som roterar med rotorns hastighet. Om rotorns hastighet är lika stor som statorfältets och det inte finns något belastningsmoment, tenderar dessa två magnetfält att anpassa sig till varandra. När mekanisk belastning tillförs glider rotorn ett antal grader bakåt i förhållande till statorns roterande fält, utvecklar ett vridmoment och fortsätter att dras runt av detta roterande fält. Vinkeln mellan fälten ökar när belastningsmomentet ökar. Det maximala tillgängliga vridmomentet uppnås när vinkeln med vilken rotorfältet släpar efter statorfältet är 90°. Om mer lastmoment appliceras kommer motorn att stanna.
En fördel med synkronmotorn är att maskinens magnetfält kan produceras av likströmmen i fältlindningen, så att statorlindningarna endast behöver tillhandahålla en effektkomponent av ström i fas med den applicerade statorspänningen, dvs. att motorn kan fungera med enhetlig effektfaktor. Detta tillstånd minimerar förlusterna och uppvärmningen i statorlindningarna.
Effektfaktorn för statorns elektriska ingång kan styras direkt genom justering av fältströmmen. Om fältströmmen ökas utöver det värde som krävs för att tillhandahålla magnetfältet ändras statorströmmen för att inkludera en komponent för att kompensera för denna övermagnetisering. Resultatet blir en total statorström som leder statorspänningen i fas, vilket ger kraftsystemet de reaktiva voltampere som behövs för att magnetisera andra apparater som är anslutna till systemet, t.ex. transformatorer och induktionsmotorer. Drift av en stor synkronmotor med en sådan ledande effektfaktor kan vara ett effektivt sätt att förbättra den totala effektfaktorn hos de elektriska lasterna i en tillverkningsanläggning för att undvika ytterligare elförsörjningsavgifter som annars kan tas ut för laster med låg effektfaktor.
Trefas-synkronmotorer finner sin huvudsakliga tillämpning i industriella situationer där det finns en stor, rimligt stadig mekanisk belastning, vanligen över 300 kilowatt, och där förmågan att arbeta med ledande effektfaktor är av värde. Under denna effektnivå är synkronmaskiner i allmänhet dyrare än induktionsmaskiner.
Fältströmmen kan tillföras från en externt styrd likriktare genom slipringar eller, i större motorer, från en axelmonterad likriktare med en roterande transformator eller generator.
En synkronmotor med endast en fältlindning som bär en likström skulle inte vara självstartande. Vid varje annan hastighet än synkronhastighet skulle dess rotor uppleva ett oscillerande vridmoment med noll medelvärde när det roterande magnetfältet upprepade gånger passerar den långsammare rotor som rör sig långsammare. Normalt läggs en kortsluten lindning liknande den i en induktionsmaskin till rotorn för att ge ett startmoment. Motorn startas, antingen med full eller reducerad statorspänning, och förs upp till cirka 95 procent av synkronhastigheten, vanligen med fältlindningen kortsluten för att skydda den mot överdriven inducerad spänning. Fältströmmen tillförs sedan och rotorn dras in i synkronitet med det roterande fältet.
Denna extra rotorlindning brukar kallas en dämparlindning på grund av dess ytterligare egenskap att dämpa eventuella svängningar som kan orsakas av plötsliga förändringar i belastningen på rotorn när den är i synkronitet. Anpassning till förändringar i belastningen innebär förändringar i den vinkel med vilken rotorfältet släpar efter statorfältet och innebär således kortsiktiga förändringar i det momentana varvtalet. Dessa orsakar strömmar som induceras i dämparlindningarna och producerar ett vridmoment som verkar för att motverka hastighetsförändringen.
Skyddet för synkronmotorer liknar det som används för stora induktionsmotorer. Temperatur kan registreras i både stator- och fältlindningar och användas för att stänga av elförsörjningen. Betydande uppvärmning sker i rotordämparlindningen vid start, och en timer installeras ofta för att förhindra upprepade starter inom ett begränsat tidsintervall.