Electric Motors and Drives This Page Intentionally Left Blank

V
V
V
E
a
E
b
E
c
I
a
I
b
I
c
I X
a s
I X
b s
I X
c s
f
c
f
a
f
= 0
Locus of current when
load torque is constant
Locus of E when load
torque is constant
(a)
(b)
(c)
d
a
d
b
d
c
I cos
f
Figure 10.4
Phasor diagrams for synchronous motor operating with constant load torque,
for three di
V
erent values of the rotor (excitation) current
348
Electric Motors and Drives

---

there is e
V
ectively some reactive power to spare and the leading power-
factor represents the export of lagging reactive power that could be
used to provide excitation for induction motors elsewhere on the same
system.
To conclude our look at the synchronous motor we can now quantify
the qualitative picture of torque production introduced in Section 10.2.1
by noting from the phasor diagrams that if the mechanical power (i.e.
load torque) is constant, the variation of the load-angle (
d
) with
E
is such
that
E
sin
d
remains constant. As the rotor excitation is reduced, and
E
becomes smaller, the load angle increases until it eventually reaches its
maximum of 90
8
, at which point the rotor will lose synchronism and stall.
This means that there will always be a lower limit to the excitation
required for the machine to be able to transmit the speci
W
ed torque.
This is just what our simple mental picture of torque being developed
between two magnetic
W
elds, one of which becomes very weak, would lead
us to expect.
Starting
It should be clear from the discussion of how torque is produced that
unless the rotor is running at the same speed as the rotating
W
eld, no
steady torque can be produced. If the rotor is running at a di
V
erent speed,
the two
W
elds will be sliding past each other, giving rise to a pulsating
torque with an average value of zero. Hence a basic synchronous machine
is not self-starting, and some alternative method of producing a run-up
torque is required.
Most synchronous motors are therefore equipped with some form of
rotor cage, similar to that of an induction motor, in addition to the main
W
eld winding. When the motor is switched onto the mains supply, it
operates as an induction motor during the run-up phase, until the speed
is just below synchronous. The excitation is then switched on so that the
rotor is able to make the
W
nal acceleration and ‘pull-in’ to synchronism
with the rotating
W
eld. Because the cage is only required during starting,
it can be short time rated, and therefore comparatively small. Once the
rotor is synchronised, and the load is steady, no currents are induced in
the cage, because the slip is zero. The cage does, however, come into play
when the load changes, when it provides an e
V
ective method for damp-
ing out the oscillations of the rotor as it settles at its new steady-state
load angle.
Large motors will tend to draw a very heavy current during run-up, so
some form of reduced voltage starter is often required (see Chapter 6).
Sometimes, a separate small induction motor is used simply to run-up
Synchronous, Brushless D.C. and Switched Reluctance Drives
349

---

the main motor before synchronisation, but this is only feasible where
the load is not applied until after the main motor has been synchronised.
No special starter is required for the wound-rotor induction motor of
course, which runs up in the usual way (see Chapter 6) before the d.c.
excitation is applied. Motors operated like this are sometimes known as
‘Inductosyns’.
Permanent magnet synchronous motors
Permanent magnets are used on the rotor instead of a wound
W
eld: typical
2-pole and 4-pole surface-mounted versions are shown in Figure 10.5, the
direction in which the magnets have been magnetised being represented
by the arrows. Motors of this sort have outputs ranging from about
100 W up to perhaps 100 kW.
For starting from a
W
xed-frequency supply a rotor cage is required,
as discussed above. The advantages of the permanent magnet type are
that no supply is needed for the rotor and the rotor construction can
be robust and reliable. The disadvantage is that the excitation is
W
xed, so the designer must either choose the shape and disposition of
the magnets to match the requirements of one speci
W
c load, or seek a
general-purpose compromise. Control of power-factor via excitation is
no longer possible.
Early permanent magnet motors su
V
ered from the tendency for the
magnets to be demagnetised by the high stator currents during starting,
and from a restricted maximum allowable temperature. Much improved
versions using high coercivity rare-earth magnets were developed during
the 1970s to overcome these problems. They are usually referred to as
‘Line-Start’ motors, to indicate that they are designed for direct-on-line
N
S
N
N
S
S