На всех электрических станциях во всех странах применяются исключительно синхронные генераторы, мощность которых составляет до миллиона кВт.
Принцип работы: на роторе располагается обмотка, питаемая через кольца и щетки (скользящий контакт) от источника постоянного тока (электромашинный генератор постоянного тока или выпрямительная кремниевая установка). Магнитное поле ротора, вращаясь вместе с ротором от турбины, наводит в трехфазной обмотке статора 3-фазную систему ЭДС.
В режиме х.х. (статорная обмотка отсоединена от сети), когда механический момент турбины близок к нулю, в неё почти не подается энергоноситель (подается минимум – на преодоление потерь х.х.) – ток в фазах равен нулю. Если же статорную обмотку подсоединить к электроэнергетической системе, а в турбину подать энергоноситель, то будет происходить преобразование механической энергии турбины в электрическую энергию.
Для работы генератора при заданной частоте 50 Гц должен соблюдаться баланс: энергия турбины равна энергии потребления. При нарушении баланса частота будет отклоняться от заданного значения.
Синхронный двигатель имеет значительное применение на промышленных предприятиях (в частности, для привода компрессоров мощностью до нескольких тыс. кВт). На Ново-Липецком Ново-металлургическом комбинате работают синхронные двигатели мощностью по 30 тыс. кВт – для привода воздуходувок, подающих воздух на домну.
Электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. они могут использоваться и как генераторы, и как двигатели. Пример – гидроаккумулирующие станции. В период максимума нагрузки в системе машины работают как генераторы, вода вращает турбины, перетекая из верхнего уровня в нижний. В период же, когда в системе имеет место излишек генерирующих мощностей, машины переводятся в режим двигателей и перекачивают воду из нижнего уровня на верхний, запасая энергию в виде напора воды.
Принцип работы синхронного двигателя. Если на 3-фазную обмотку статора подать питание от сети, а на обмотку ротора (обмотка возбуждения) подать постоянное напряжение и при этом на валу не будет механической нагрузки (тормозного момента), машина будет работать в режиме х.х., ротор будет вращаться со скоростью, соответствующей частоте питающей сети.
Если же к валу приложить тормозящий момент, то в обмотке статора возникнет ток и крутящий электромагнитный момент, равный тормозящему механическому моменту; скорость будет синхронной, т. е. соответствовать частоте питающей сети. Если недопустимо перегрузить машину, то синхронная работа ротора нарушается, наступит аварийный режим.
Как видим, в синхронном двигателе происходит преобразование электрической энергии, получаемой от сети, в механическую энергию на валу.