第 23 章 同步發電機的並聯運用 學習重點 1.認識同步發電機並聯運用的優點與條件。

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1 第 23 章 同步發電機的並聯運用 學習重點 1.認識同步發電機並聯運用的優點與條件。
第 23 章　同步發電機的並聯運用 學習重點 1.認識同步發電機並聯運用的優點與條件。 2.了解同步發電機並聯運用檢測的項目：相序、時相、大小及頻率。 3.認識同步發電機負載分配的原理。 4.了解同步發電機的追逐現象及防止方法。

2 23-1 同步發電機並聯運用的優點與條件 23-2 同步發電機並聯運用的方法 23-3 同步發電機的負載分配 23-4 同步發電機的追逐現象 本章彙總

3 23-1 同步發電機並聯運用的 優點與條件 23-1.1 同步發電機並聯運用的優點 1.運轉效率高 2.不受單機容量限制
當發電機運轉於滿載狀態時效率最高，故可視負載量增減發電機並聯的數量，使每一部發電機都運轉於滿載或接近滿載的狀態。 2.不受單機容量限制 系統若只採用單機運轉，容量必有一極限值，可能無法滿足需求，而並聯運用可使系統獲得更大的容量。 節目次

4 3.提高供電可靠度 若採用單機供電，遇發電機故障或進行維修時，系統必須停電。若採用多機並聯運用，則當某機發生故障或須進行維修時，可由其他機組繼續供電，無斷電之虞。 4.可減少備用容量 單機供電時，需考慮系統最高供電量，以備不時之需。但多機供電時，可視負載容量大小，適時啟動並聯其他機組供電即可。

5 23-1.2 同步發電機並聯運用的條件 1.發電機本身應具備的條件 (1)各發電機感應電勢的大小須相等：
①公式： 現以兩部同步發電機並聯運用為例來說明。若兩機感應電勢分別為 及 ，且 ＞ ，當兩者同相位時，兩發電機間會有循環電流 （Circula-ting current）流動，而 大小為： 圖例 【註】　：各發電機同步阻抗，且　　　　　 。 XS：各發電機同步電抗。

6 ②說明： 該循環電流 對 A 機而言，是較應電勢 滯後 90° 的遲相電流，對 A 機形成去磁效應的電樞反應，致使 降低；而 對 B 機而言，是較應電勢 越前 90° 的進相電流，對B機形成加磁效應的電樞反應，致使 增加；兩發電機應電勢因 造成彼此的消長，可使兩發電機的端電壓趨近相等。因循環電流 IC 與 A 機及 B 機的應電勢均相位差 90°，故亦稱為無效環流（Reactive cross current），該無效環流會造成發電機銅損增加，效率與功率因數均會降低。

7 (2)各發電機感應電勢的相位須相同： 圖例 ①公式： 現仍以兩部發電機並聯運用為例來說明。若兩機感應電勢的大小及頻率皆相同，但相位不同，則兩機間仍會產生循環電流 ，而該循環電流之計算與公式 23-1 相似，即：

8 ②說明： 該循環電流 IC 滯後 EA，但越前 EB，趨使 A 機增加供應有效功率 PS，而 B 機減少供應有效功率 PS，致增加供應有效功率的 A 機轉速減慢，減少供應有效功率的 B 機轉速加快，兩發電機的應電勢相位趨近相等，故該循環電流 IC 亦稱為整步電流（Synchronizing current），而移轉的有效功率 PS 亦稱為整步功率 PS，其值為： （∵EA＝EB＝EP）

9 (3)各發電機應電勢的頻率須相等： 圖例 現仍以兩部發電機並聯運用為例來說明。若兩機感應電勢的大小及相位皆相同，但頻率不同，當 fA＞fB 時，兩機的電樞繞組間會產生忽大忽小的無效環流，且當電樞繞組間的電壓差為兩應電勢之和時，將產生最大無效環流，足以燒毀整個電樞繞組。

10 (4)各發電機感應電勢的波形須相同： 現仍以兩部發電機並聯運用為例來說明。若兩機感應電勢的大小、頻率及相位皆相同，僅波形不同，則在任意時間的感應電勢大小皆不相等，故會有高次諧波的無效循環電流產生，將造成發電機銅損增加，嚴重的話，發電機將因過熱而破壞絕緣。

11 (5)若為三相發電機，相序要一致： 發電機欲併入電力系統，其先決條件是相序要一致，否則發電機間將發生極大的短路電流，使發電機燒毀。設 A 機相序為正相序 A1-B1-C1，而 B 機為負相序 A2-C2-B2，當 A1 和 A2 相電壓的時相一致時，則 B1 和 B2 以及 C1 和 C2 相電壓時相相差 120°，若 B1 並接 B2，C1 並接 C2 時，則兩機間將產生很大的短路電流；但 A1 並接 A2、B1 並接 C2、 C1 並接 B2，反而可以並聯運用。 故三相同步發電機並聯運用，相 序不一定要相同，只要一致即可 ，也就是時相須相同的相序才可 並接。

12 2.驅動發電機的原動機應具備的條件 (1)原動機須有固定的角速度： 原動機轉速原來應該為固定轉速，然受震動或其他原因影響，會使其角速度不均勻，致電樞應電勢的大小及相位瞬間變動，兩發電機的電樞繞組間有環流產生。

13 (2)原動機的速率-負載特性曲線須有相同的下垂斜率：
若並聯的兩發電機具有相同下垂斜率的速率-負載之特性曲線，當其中一部發電機的負載突然變動時，增加負載輸出的發電機其轉速下降，致其應電勢滯後，減少有效功率輸出；而減少負載輸出的發電機其轉速會上升，致其應電勢超前，而增加其功率輸出，如此可使兩部發電機的負載分配自動調整，不致發生變動。

14 　　　1 有兩部 Y 接的同步發電機並聯，設 A 機無載線電壓為 240 伏特，每相同步電抗為 3 歐姆，B 機無載線電壓為 220 伏特，每相同步電抗為 2 歐姆，若電樞電阻不計，則其內部無效環流為若干安培？ 　 ∵已知 EoA＝240伏特，EoB＝220伏特， SA＝j3歐姆， SB＝j2歐姆 　 ∴無效環流 IC＝ 　　　　　　　　　　　　　　　　　 ≒2.3（安培） 節目次

15 23-2 同步發電機並聯運用的方法 1.核對 G2 的應電勢電壓大小
一部同步發電機欲併入運轉中的電力系統時，須先調整其應電勢的大小，使相位、頻率及相序與原電力系統一致時，才可並聯運用。如圖所示，設原電力系統由 G1 發電機供電，而 G2 發電機欲併入原電力系統，則其並聯運用的操作步驟如下。 圖例 1.核對 G2 的應電勢電壓大小 利用交流電壓表 V 量度 G2 的端電壓，並調整 G2 場電阻 Rf2，以改變 G2 的磁場電流 If2，直到 G2 的端電壓（ V 所示電壓）等於電力系統的電壓（ SV 所示電壓）。 節目次

16 2.核對 G2 的頻率大小 (1)利用頻率表 F 量度 G2 的頻率，並調整 G2 的原動機 M2 的轉速，直到與原電力系統的頻率 f（ SF 所測頻率）相同。 (2) 用林肯同步儀 SY 量測，若併入發電機的頻率稍高於系統頻率，則同步指示儀的指針會順時針偏轉；若併入發電機的頻率稍低於原系統頻率，則同步指示儀的指針會逆時針偏轉；此時須調整 G2 原動機 M2 的調速器，待同步指示儀的指針偏轉漸緩，直到漸停於正中央位置。

17 3.核對 G2 的相序 使用相序計或小型感應電動機測試 G2 的相序，並藉由對調 G2 中任意二相輸電線，使併入的 G2 相序與原電力系統的相序相同。 相序檢測的電路有兩種，電容式相序檢測電路與電感式相序檢測電路。

18 (1)電容式檢測電路： 當正相序（A-B-C）時，則 B 相所接的燈泡 L1 較 C 相所接的燈泡 L2 亮；當逆相序（A-C-B）時，則 C 相所接的燈泡 L2 較 B 相所接的燈泡 L1 亮，即相序為由亮到暗的順序。

19 (2)電感式檢測電路： 當正相序（A-B-C）時，則 B 相所接的燈泡 L1 較 C 相所接燈泡 L2 暗；若為逆相序（A-C-B）時，則 C 相所接的燈泡 L2 較 B 相所接燈泡 L1 暗，即相序為由暗到亮的順序。

20 (3)二明一暗同步燈法： 如圖所示，三指示燈 L1、L2、L3 分別如下接線：L1 接於 A-C' 間、L2 接於 B-B' 間、 L3 接於 C-A' 間，藉由三指示燈的明、暗、滅的狀態來評估整步情形。

21 二明一暗法的同步狀況判別 狀況 電壓大小 相位 頻率 相序 三燈狀態 結論 1 相等 一致 相同 二明一滅（同步） 可並聯 2 稍異
二明一暗（整步） 3 不定 三燈輪流明滅 不可並聯 4 三燈輪流明暗 5 相反 三燈皆滅 6 三燈皆暗 節目次

22 23-3 同步發電機的負載分配 有效功率的分配 節目次 1.調整並聯運轉的同步發電機其中一部原動機轉速，則該發電機輸出的有效功率 Po 及系統頻率 f，會隨之成正比例變動。如圖所示，為並聯運轉的同步發電機速率-功率特性曲線，兩部同步發電機 GA 及 GB 分別供應有效功率 PA 及 PB，且設 PA＞PB。

23 2.若欲增加 GA 機供應的有效功率，則須增加 GA 的原動機動力，使 GA 轉速加快，如上頁圖中所示的 GA 機速率-功率特性曲線，由 ab 上移到 a'b'，致使 GA 機供應的有效功率由 PA 增至 PA'，但負載所需有效功率 PL 不變，故 B 機所供應的有效功率會由 PB 減到 PB'。

24 3.當 GA 機轉速加快時，將使得系統頻率由 f 增加為 f '。但若欲使系統頻率維持不變，則再增加 GA 機的原動機動力，並同時降低 GB 的原動機動力，如圖所示，此時 GB 機的速率-特性曲線會由 cd 下降到 c'd'，致系統頻率恢復原值 f，且使 GB 機供應的有效功率由 PB' 再降到 PB"，但負載所需有效功率 PL 不變。

25 4.當 GB 機減少供應有效功率時，GA 機所供應的有效功率會由 PA' 再增到 PA"，即：
負載電力包含有效 功率與無效功率兩 部分。

26 23-3.2 無效功率的分配 調整激磁電流並不會改變有效功率的分配，但會改變無效功率的分配。
若增加 GA 機的激磁電流，則其應電勢略增，電樞電流略增，且相位愈加滯後，致 GA 機供應的無效功率增加，但負載所需無效功率不變，故 GB 機所需無效功率會減少。而為使系統端電壓維持不變，在調整 GA 機的激磁電流時，須同時減少 GB 機的激磁電流，則 GB 機的應電勢會略減，致電樞電流略減，且相位愈加越前，使 GB 機所供應的無效功率減少。

27 　　　2 兩部相似的 300 仟伏安同步發電機，A 機的速率-負載特性曲線由無載到滿載 300 仟瓦，頻率由 60.5 赫芝均勻降到 59.5 赫芝。而同一情況，B 機的頻率由 60.5 赫芝均勻降到 59 赫芝，試求： 當共同負擔 450 仟瓦的負載時，A、B 兩機負擔功率 PA 及 PB 各為若干？ 系統頻率 fx 為若干？

28 　 已知 GA 機：無載頻率 foA＝60.5赫芝 　　　　　 滿載頻率 fFA＝59.5赫芝 　　　　　 額定負載 PnA＝300仟瓦
　 　　 GB 機：無載頻率 foB＝60.5赫芝 　　　　　 滿載頻率 fFB＝59赫芝 　　　　　 額定負載 PnB＝300仟瓦

29 (1) GA 機的頻率變化量fA＝foA－fFA ＝60.5－59.5＝1（赫芝）
　　 GB 機的頻率變化量fB＝foB－fFB 　　　　　　　　　 ＝60.5－59＝1.5（赫芝） 　　 設兩機負擔的負載容量分別為 PA 及 PB 　　 ∴PA＝270（仟瓦），PB＝180（仟瓦） 　 (2)設系統頻率為 fx，利用相似三角形原理 　　 ∴fx＝59.6（赫芝） 節目次

30 23-4 同步發電機的追逐現象 1.定義 當發電機的負載突然增加或減少時，原動機的驅動轉矩與負載所生的電磁反轉矩之平衡狀態瞬間被破壞，轉速即刻失去同步，故兩發電機間有整步電流流動，目的是要拉回同步；但由於轉子和原動機的慣性，發電機無法立即固定於與新負載相對應的負載角下運轉，故為了使兩者轉速一致，發電機轉速會有忽快忽慢的不穩定現象，稱為追逐現象（Hunting）。 節目次

31 2.產生追逐現象的原因 3.影響 4.防止追逐現象的方法 (1)負載急劇的增減。 (2)同步發電機本身轉矩有脈動時，以柴油發電機最明顯。
(1)輕微的追逐現象會隨時間而消逝。 (2)嚴重的追逐現象會造成發電機脫步而無法運轉。 4.防止追逐現象的方法 (1)在轉子激磁繞組的上層，裝置短路的阻尼繞組。 (2)於轉子裝置飛輪。 (3)在原動機的調速器上加裝緩衝筒。 節目次

32 本章彙總 1.同步發電機並聯時，要滿足的條件： (1)應電勢大小須相等。 (2)應電勢時相須相同。 (3)頻率須相同。
(4)應電勢的波形須相同。 (5)相序須一致。 2.同步發電機並聯時，其原動機應具備的條件： (1)固定的角速度。 (2)適當的下垂特性之速率-負載特性曲線。 節目次

33 本章彙總 3.同步發電機並聯時，設其應電勢大小不相等但同時相，則兩機間會產生無效環流
4.同步發電機並聯時，設其應電勢的相位不相等，則會產生整步電流 整步功率 節目次

34 本章彙總 5.林肯同步儀可測出新併發電機的電壓相位及頻率與原系統的關係： (1)相位及頻率均相同：指針指示正中央位置。
(2)兩者同頻率但不同相位：指針指示相位差值。 (3)頻率不同：頻率相差愈多，轉子轉速愈快，新併發電機頻率略高，轉子順時針旋轉；若新併發電機頻率略低，則轉子逆時針旋轉。 節目次

35 本章彙總 6.三相同步發電機的相序測量方法： (1)三相感應電動機。 (2)相序計：
①兩燈一電容器法：設電容器接於 A 相時，L1 接 B 相，L2 接 C 相。 A.正相序（A-B-C）：則 L1 較 L2 亮。 B.逆相序（A-C-B）：則 L2 較 L1 亮。 ②兩燈一電感器法：設電感器接於 A 相時，L1 接 B 相，L2 接 C 相。 A.正相序（A-B-C）：則 L2 較 L1 亮。 B.逆相序（A-C-B）：則 L1 較 L2 亮。 節目次

36 本章彙總 7.有效功率的調整分配，可調整原動機的轉速。無效功率的調整分配，可調整激磁電流的大小。
8.同步發電機的負載發生急劇變化時，轉子會產生不穩定的現象，稱為追逐現象。 9.追逐現象可加裝阻尼繞組防止。 節目次

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38 並聯同步發電機之間的 循環電流示意圖 BACK

39 並聯同步發電機之間的 整步電流示意圖 BACK

40 頻率不相等之合成波形 BACK

41 同步發電機並聯運用電路圖 BACK