6 同步電動機

6.1 電動機運轉之基本原理 同步電動機就是將電功率轉換為機械功率的同步電機。 6.1 電動機運轉之基本原理 　　同步電動機就是將電功率轉換為機械功率的同步電機。 看圖 6-1，此圖中所示為雙極之同步電動機。電動機之磁場電流 IF 產生一穩定狀態磁場 BR。一組三相電壓供應至電機定部而在繞組中產生三相之電流。 　　同步電動機運轉的基本原理是轉部沿著圓圈“追趕”定部旋轉磁場，但卻永遠沒有辦法追上。

圖 6-1 　雙極同步電動機。

同步電動機之等效電路 　　除了功率的流向相反，同步電動機和同步發電機在各方面都是一樣的。除了 IA 的參考方向相反之外，同步電動機之等效電路實際上就是同步發電機之等效電路 。 　　等效電路的克希荷夫電壓定律方程式可寫為 （6-1） 或 （6-2）

圖 6-2 　(a) 三相同步電動機之完整等效電路。(b) 每相等效電路。

6.2 穩態同步電動機運轉 同步電動機轉矩-轉速特性曲線 6.2 穩態同步電動機運轉 同步電動機轉矩-轉速特性曲線 圖 6-5 所示為所得之轉矩――轉速特性曲線。電動機之穩態轉速自無載一直到電動機可供應之最大轉矩（稱為脫出轉矩）都為定值，其速度調整率為 0%。轉矩之方程式為 τind＝kBRBnet sinδ （4-61） 或 （5-22） 最大或脫出轉矩在 δ＝90° 時產生。

圖 6-5 　同步電動機之轉矩-轉速特性。因為電動機之轉速為定值，所以其轉速調整率為 0。

　　電動機之最大或脫出轉矩為 τmax＝kBRBnet （6-3） 或 （6-4） 這些方程式意指當磁場電流越大（即 EA 越大），電動機之最大轉矩也越大。

負載變化對同步電動機的影響 　　檢視同步電動機一開始以領先功率因數運轉的情形，如圖 6-6 所示。若電動機轉軸上之負載增加，轉部會開始慢下來。轉部慢下來，轉矩角 δ 就變大了，且感應轉矩也變大了。感應轉矩增加之後反而又使轉部加速，而電動機則再次以同步轉速運轉，只不過此時之轉矩角 δ 變大了。

圖 6-6 (a) 以領先功率因數運轉之電動機相量圖。(b) 負載上的增加對同步電動機之運轉所造成的影響。

磁場電流改變對同步電動機的影響 　　當同步電動機之磁場電流改變時會造成什麼影響？ 　　圖 6-8a 所示為一開始以落後功率因數運轉之同步電動機。現在，增加其磁場電流並且看看電動機會發生什麼事。注意到磁場電流的增加會使得 EA 的大小增加，但是卻不會影響電動機所供應之實功率。電動機所供應的功率只有在轉軸負載轉矩改變時才會變動。因為 IF 的改變並不會影響到轉軸轉速 nm，且連接至轉軸的負載並未改變，供應之實功率也不變。當然，VT 也是定值，因為供應電動機之功率源將其限制為定值。

圖 6-8 　(a) 以落後功率因數運轉的同步電動機。(b) 磁場電流的增加對發電機之運轉造成的影響。

　　圖 6-9 所示為同步電機之 IA 對 IF 圖。此種圖形稱為同步電動機 V 曲線。就每條曲線而言，電樞電流之最小值發生在單位功率因數時，此時只有實功率供應至電動機。藉由控制同步電動機之磁場電流，可控制電力系統所消耗或供應的虛功率。 　　相量 EA 在 V 上的投影（EA cosδ）比 V 本身短時，同步電動機有落後的電流並消耗 Q。因為在此情形下磁場電流較小，電動機稱為欠激磁（unexcited）。當相量 EA 在 V 上的投影比 V 本身長時，同步電動機有領先的電流並供應 Q 至電力系統。因為在此情形下磁場電流較大，電動機被稱為過激磁（overexcited）。

圖 6-9 　同步電動機 V 曲線。

圖 6-10 (a) 欠激磁同步電動機之相量圖。(b) 過激磁同步電動機之相量圖。

同步電動機及功率因數矯正 圖 6-13 　一個簡單的電力系統包括了一個無限匯流排經由輸電線供應一座工廠。

　　在系統中有一個或數個領先負載（過激磁之同步電動機）是有益的，其原因如下︰ 1. 領先的負載可以供應一些虛功率 Q 給鄰近的落後負載， 而不是來自發電機。因為虛功率不需要流過漫長且有相 當高電阻之輸電線，輸電線電流將會減少且電力系統之 損失也會少得多。（這可由前一個例題中看出。） 2. 因為輸電線傳送較少的電流，就給定之額定流通功率而 言，輸電線可以比較小些。較低的裝備電流額定可明顯 地減低電力系統之成本。

3. 此外，需要一部同步電動機以領先功率因數運轉就是指. 此電動機必須在過激磁下運轉。此種運轉模式可增加電 3. 此外，需要一部同步電動機以領先功率因數運轉就是指 此電動機必須在過激磁下運轉。此種運轉模式可增加電 動機之最大轉矩並減少突然超過了脫出轉矩的機會。 　　使用同步電動機或其他設備以增加電力系統整體的功率因數，稱為功率因數矯正（power-factor correction）。

同步電容器 　　有些同步電動機不是買來和負載一起運轉的，只是為了做功率因數矯正而已。 　　對電力系統而言一部無載且過激磁運轉之同步電動機看起來像是一個很大的電容器。 　　有些同步電容器特別被用來做功率因數矯正之用。這種特殊目的之同步電動機通常稱為同步電容器（synchro-nous condensers 或 synchronous capacitors，因為 condenser 是 capacitor 之舊稱）。

6.3 起動同步電動機 三個基本的做法可用來安全地起動同步電動機︰ 6.3 起動同步電動機 　　三個基本的做法可用來安全地起動同步電動機︰ 1. 降低定部磁場之轉速至足夠低的值以使轉部能在磁場旋 轉的半週期內加速並趕上定部磁場。這可以利用減低供 應電功率之頻率而達成。 2. 使用外部原動機將同步電動機加速至同步轉速，經由並 聯程序將電機以發電機的型態接至線上。然後，關掉或 撤掉原動機將可使其成為同步電動機。 3. 使用阻尼繞組（damper windings）或阻尼籠繞組 （amortisseur windings）。阻尼繞組的功能及其在起動 電動機時的用處將在以下說明。

降低電頻率以起動電動機 　　若同步電動機中之定部磁場以夠低的轉速旋轉，則轉部毫無疑問地可以加速並趕上鎖定住定部磁場。藉由逐漸地增加 fe 至正常之 50 或 60 赫茲，可以使定部磁場之轉速增加至運轉之轉速。 由外部原動機起動電動機 　　連接一部外部起動電動機且將同步電動機的轉速以外部原動機帶動至全速。 　　因為大部分大型同步電動機在其轉軸上都裝設有無電刷激磁系統，通常可以使用這些激磁機做為起動電動機。

由阻尼籠繞組起動電動機 　　到目前為止起動同步電動機的方法中最受歡迎的就是使用阻尼繞阻（amortisseur 或 damper windings）。阻尼繞組是一種置於同步電動機轉部表面所刻畫的凹槽中的特殊條棒並使用一個大的短路環（shorting ring）把尾端連接起來。圖 6-17 所示為有一組阻尼繞組之極面。

圖 6-17 同步電機之轉部磁極並可看出磁極表面之阻尼籠繞組。 圖 6-17 　同步電機之轉部磁極並可看出磁極表面之阻尼籠繞組。

圖 6-18 有阻尼籠繞組之突極式雙極電機之簡圖。 圖 6-18 　有阻尼籠繞組之突極式雙極電機之簡圖。

　　若電機具備阻尼籠繞組，它可依下列程序起動之︰ 1. 將磁場繞組自直流功率源撤離並使之短路。 2. 加入三相電壓至電動機定部，並使轉部加速至接近同步 轉速。電動機之轉軸上不應有負載，這樣它的轉速可以 盡可能地接近 nsync。 3. 將直流磁場電流連接至其功率源。在此之後，電動機將 會鎖定同步轉速，而負載此時將可以加至其轉矩。

圖 6-19 使用同步電動機阻尼籠繞組發展出單一方向之轉矩。 圖 6-19 　使用同步電動機阻尼籠繞組發展出單一方向之轉矩。

圖 6-19 (續)

阻尼籠繞組對電動機穩定度之影響 　　若在電機中加入阻尼籠繞組是為了起動，則我們免費地得到了額外的益處––增進電機之穩定度。若轉部以 nsync 運轉，則阻尼籠繞組上完全沒有感應電壓。若轉部轉速低於 nsync，則轉部和定部磁場之間會產生相對運動且在繞組中將感應出電壓。此電壓產生電流，而電流產生磁場。兩磁場間的交互作用產生一個轉矩試圖使電機再次加速。由阻尼籠繞組所產生之轉矩將可使慢電機加快而快電機減慢。

6.4 同步發電機和同步電動機 圖 6-20 所示為這些狀況之相量圖。 6.4 同步發電機和同步電動機 　　圖 6-20 所示為這些狀況之相量圖。 1. 同步發電機之 EA 在 V 前面（供應 P），這個特性不同 於電動機之 EA 在 V 的後面。 2. 供應虛功率 Q 之電機其特性為 EA cosδ> V ，不管電 機是以發電機或電動機的型態運轉。消耗虛功率 Q 之 電機則是 EA cosδ< V。

圖 6-20 　同步發電機及同步電動機產生或消耗實功率 P 及虛功率 Q 之相量圖。