1、第第 24 章章同步電動機同步電動機 學習重點學習重點1.了解同步電動機的構造。2.了解同步電動機的原理。3.了解同步電動機的電樞反應。4.能計算同步電動機的功率及轉矩。5.了解同步電動機的追逐現象。6.了解同步電動機的激磁特性。7.認識同步電動機的啟動方法。8.了解同步電動機的運用。同步電動機的構造 24-1同步電動機的原理同步電動機的電樞反應 24-2 24-3同步電動機的等效電路及相量圖 24-4同步電動機的特性同步電動機的啟動法 24-5 24-6同步電動機的運用本章彙總 24-7同步電動機的構造與同步發電機完全相同。多數同步電動機皆採用轉磁式轉磁式，即定子的電樞繞組與感應式電動機相同
2、，為一互隔 120 電機角的三相電樞繞組，而轉子的構造可分為凸極式凸極式及隱極式隱極式，除了特殊高速或兩極同步電動機採用隱極式轉子外，多為採用多磁極的凸極式轉子。轉子的構造中，除了有產生主磁通所需的磁場繞組磁場繞組外，另有引入直流激磁電流所需的滑環滑環，及置於轉子磁極表面槽溝內、與轉軸平行、且兩邊用端環短路的阻尼繞組阻尼繞組。節目次節目次1.構造構造2.原理原理當定子的電樞繞組加入三相電源，同時轉子的磁極繞組加入直流電源激磁時，轉子仍無法自行啟動，需靠外力或另設啟動裝置來輔助，當轉子速率與電樞旋轉磁場同速時，其速率將不受負載變動之影響，故該電動機稱為同步電動機同步電動機，即為一定速定速電動機。
3、凸極式轉子可產生旋轉動力的轉矩，分為電磁轉矩及磁阻轉矩，而隱極式轉子所產生的旋轉動力轉矩為電磁轉矩。3.說明說明阻尼繞組有如短路般的小型鼠籠式繞組，可幫助同步電動機啟動。同步電動機以同步速率運轉時，阻尼繞組無作用；而當同步電動機負載發生急劇變動時，將產生追逐現象，此時阻尼繞組可抑制其追逐現象追逐現象。節目次節目次1.定子的電樞繞組加入三相電樞電流後，在氣隙中產生旋轉磁場 s，待轉子以外力或另設啟動裝置幫助啟動後，當轉子轉速接近同步轉速時，將轉子磁場繞組加入直流激磁，使轉子形成一個固定極性的磁極，該磁極與定子旋轉磁場彼此相吸引且互鎖，而形成電磁轉矩，使該同步電動機在適當的負載範圍內，轉子追隨定子
4、的旋轉磁場以固定的同步轉速同向旋轉。2.同步電動機啟動時，因定子電樞繞組所產生的旋轉磁場相對於靜止中的轉子，速度過快，轉子形成嚴重脫步，故同步電動機無法自行啟動，須藉外力或其他啟動裝置（如阻尼繞組或變頻器）的幫助才可啟動。圖例圖例節目次節目次1.當同步電動機的電樞繞組流過電樞電流時，所產生的電樞磁場對轉子磁極的磁場造成扭曲或增減的作用，即為同步電動機的電樞反應電樞反應。2.電樞反應係與電樞電流的大小和相位有關。3.同步電動機電樞反應相量圖與同步發電機之相異處，在於相位取決於電樞電流以及與反電勢 Em 反向的外加電源相電壓間的相位差。節目次節目次(1)當電樞電流 Ia 與電樞繞組外加電源相電壓
5、VP 同相，即同步電動機的功率因數 cos1 時。(2)電樞電流 Ia 所產生的電樞磁通 a 與主磁通 m 正交，產生正交磁正交磁的電樞反應，為一橫軸效應，具有偏磁作用。1.同步電動機工作於純電阻性時同步電動機工作於純電阻性時2.同步電動機工作於純電感性時同步電動機工作於純電感性時(1)當電樞電流 Ia 較電樞繞組外加電源相電壓 VP 落後 90，即功率因數 cos0 且滯後時。(2)電樞電流 Ia 所產生的電樞磁通 a 與主磁通 m 同相，致使主磁極的磁場增強，產生加磁加磁的電樞反應，為一磁化效應。3.同步電動機工作於純電容性時同步電動機工作於純電容性時(1)當電樞電流 Ia 較電樞繞組外加
6、電源相電壓 VP 超前90，即功率因數 cos0 且越前時。(2)電樞電流 Ia 所產生的電樞磁通 a 與主磁通 m 反相，致使主磁極的磁場減弱，產生去磁去磁的電樞反應，為一直軸效應。4.同步電動機工作於電容性時同步電動機工作於電容性時(1)當電樞電流 Ia 較電樞繞組外加電源相電壓 VP 超前 090，即功率因數 0cos1 且越前時。(2)電樞電流 Ia 所產生的電樞磁通 a 可分解成兩部分，一為與主磁通 m 反向的去磁去磁效應部分 asin，和另一為與主磁通 m 正交的正交磁正交磁效應部分 acos。5.同步電動機工作於電感性時同步電動機工作於電感性時(1)當電樞電流 Ia 較電樞繞組外
7、加電源相電壓 VP 滯後 090，即功率因數 0cos1 且滯後時。(2)電樞電流 Ia 所產生的電樞磁通 a 可分解成兩部分，一為與主磁通 m 同向的加磁加磁效應部分 asin，一為與主磁通 m 正交的正交磁正交磁效應部分 acos。節目次節目次(1)同步電動機的電樞反應可視為一種電抗，即為電電樞反應電抗樞反應電抗 Xa。(2)電樞的漏磁亦可視為一種電抗，稱為電樞漏磁電電樞漏磁電抗抗 Xl。(3)兩者合稱同步電抗同步電抗 XS，即 XSXaXl。(4)同步電抗再加上電樞繞組的交流電阻Ra，就是同步電動機內部的同步阻抗同步阻抗 ZS，即 ZSRajXS。1.說明說明節目次節目次2.等效電路等效
8、電路同步電動機在旋轉時，定子的電樞繞組會切割轉子磁場 m 產生電樞反電勢 Em，故可得如圖所示的同步電動機每相等效電路。依據同步電動機的每相等效電路，可繪出同步電動機工作於滯後功率因數的相量圖，如圖所示（cos 滯後時）。1.說明說明2.公式公式cos 滯後時，cos0，sin0，EmVP。cos 越前時，cos0，sin0（取負值），EmVP。節目次節目次圓柱型同步電動機的同步電抗 XS 遠大於電樞繞組的交流電阻 Ra，故可忽略 Ra，即同步阻抗 ZS 近似等於 XS，而同步電動機的相電流 IP 等於電樞電流 Ia，且滯後電樞相電壓 VP 的角度為 ，其相量圖如圖所示。1.相量圖相量圖節目次
9、節目次2.公式公式因內生機械功率 Pm 等於輸出功率 Po 加旋轉機械損 PS，若忽略旋轉損 PS，且設電樞繞組採用 Y 形接線，則：3.推導推導若忽略同步電動機的旋轉損，則其輸出轉矩 To 與電磁轉矩 Tm 近似相等，即：由公式 24-4 可得知，同步電動機的輸出轉矩 To 正比於轉矩角（或負載角） 的正弦函數，當轉矩角 90 時，該同步電動機將產生最大的輸出轉矩 To(max)，若此最大輸出轉矩仍無法驅動該負載，則同步電動機會失速而燒毀，故 To(max) 稱為脫出轉矩或崩潰轉矩。即：1有一部 6 極、380 伏特、60 赫芝、Y 形接線的三相非凸極式同步電動機，若每相電樞電阻為 1 歐姆
10、，同步電抗為 10 歐姆，每相反電勢為 210 伏特，當轉矩角為 30 時，試求：(1)輸出功率 Po； (2)最大輸出功率 Po(max)； (3)最大輸出轉矩To(max)。 已知極數 P6極，額定線電壓 Vn380伏特，頻率 f60赫芝，電樞繞組 Y 形接線，相數 m3相，電樞電阻 Ra1歐姆，同步電抗 XS10歐姆，每相反電勢 Em210伏特，轉矩角 30 額定電源相電壓 VP220（伏特）80333nV (1)輸出功率 Po 6930（瓦特）3 2103220sinn3010simPSE VX (2)最大輸出功率 Po(max)13860（瓦特）3 210220103mPSE VX
11、(3)同步轉速 ns 1200（轉分）121200606fP 最大輸出轉矩 To(max)110.3（牛頓-公尺）()602o maxsPn60 13860212002有一部 12 極、400 伏特、60 赫芝、三相 Y 形接線的同步電動機，每相輸出功率 6 仟瓦，則該同步電動機的輸出轉矩 To 為若干？ 已知 P12極，額定電壓 Vn400伏特，頻率 f60赫芝，相數 m3相，Y 形接線，每相輸出功率 Po6仟瓦 輸出轉矩 To （牛頓-公尺）360 168 10900260200osPn 輸出功率 TomPo3 618（仟瓦） 同步轉速 ns 600（轉分）1201206012fP同步電動
12、機在可帶動的機械負載範圍內，當負載發生變動時，同步電動機為維持同步轉速運轉，其轉矩角 及電樞電流 Ia 將隨之成正比變化，功率因數角亦同時隨之變化。1.當同步電動機外加電源的電壓、頻率或負載等發生急劇變動時，負載角（轉矩角） 須自動調整到與新負載相對應的新角度，但由於轉子的慣性及磁場的制動作用，致使轉子在對應到新的轉矩角之前會前後擺動，使同步電動機的轉速產生忽快忽慢的振動現象，或同步電動機吸取的電樞電流產生劇烈變化，形成供電系統不穩的現象，稱為追逐現象追逐現象。2.為了抑制同步電動機的追逐現象，可在同步電動機轉子磁極的表面溝槽內裝置阻尼繞組阻尼繞組，或於輸出轉軸加裝飛輪飛輪，以增大其轉動慣性，
13、來防止追逐現象。同步電動機在電源端外加額定電壓 Vn 及負載不變的條件下，可藉由調整磁場電流 If 來控制電樞電流 Ia 的大小及相位，即改變同步電動機的功率因數 cos。故將激磁電流 If 由零值逐次調增，則相對應的電樞電流 Ia 的變化，會如同一個 V 字形曲線，如圖所示為同步電動機在不同負載狀態下的 V 形特性曲線，茲分析如下。1.正常激磁正常激磁(1)當同步電動機的功率因數 cos 調整到 1 時，所需的激磁電流 Ifc，稱為正常激磁正常激磁。(2)此時同步電動機向電源吸取最小的電樞電流，且與電源相電壓 VP 同相，而電樞反應為正交磁正交磁效應。(3)同步電動機工作於電阻性電阻性負載。
14、2.欠激磁欠激磁(1)當激磁電流 If 小於正常激磁電流 Ifc 時，稱為欠激欠激磁磁。(2)此時同步電動機向電源取用較電源相電壓 VP 落後且較大的電樞電流，會產生正交磁正交磁及加磁加磁的電樞反應。(3)同步電動機工作於電感性電感性負載。3.過激磁過激磁(1)當激磁電流 If 大於正常激磁電流 Ifc 時，稱為過激過激磁磁。(2)此時同步電動機向電源取用較電源相電壓 VP 越前且較大的電樞電流，會產生正交磁正交磁及去磁去磁的電樞反應。(3)同步電動機工作於電容性電容性負載。節目次節目次1.同步電動機啟動時，因為定子電樞繞組外加三相電源後，所產生的旋轉磁場轉速很快，導致靜止轉子加入直流電源後所
15、生成的磁場無法立即同步，故啟動時轉子的磁場繞組不可加直流激磁，以免定子的電樞繞組會隨轉子磁場轉速的上升，感應到由低增高的特殊頻率電壓，導致擾亂整個電力系統。另外，轉子的磁場繞組須串聯放電電阻，且將直流電源切離，並將直流電源兩端接線短路，方可避免轉子的磁場繞組因切割定子旋轉磁場而感應高壓，破壞磁場繞組的絕緣。2.當轉子利用外力或啟動裝置啟動後，待轉子轉速接近同步時，轉子的磁場繞組才可加入直流激磁，形成轉子磁極與定子旋轉磁場的磁極互鎖，產生轉矩，使轉子能維持同步運轉。節目次節目次用其他電動機與同步電動機轉軸耦合，驅動轉子旋轉，當轉子轉速接近同步轉速時，將同步電動機定子的電樞繞組加入三相電源，轉子磁
16、場繞組加入直流激磁產生轉矩，使轉子穩定的以同步轉速旋轉。有以下三種方式。1.他機帶動啟動法他機帶動啟動法(1)利用直流電動機與同步電動機的轉軸耦合來驅動。(2)利用同步電動機的激磁機當作直流電動機應用，待啟動完成後，再移去外加的直流電源，恢復直流激磁機運用。(3)利用小型感應電動機與同步電動機的轉軸耦合來驅動，為了能將同步電動機的轉速帶動至同步轉速以上，感應電動機的磁極數須較同步電動機少一對磁極以上。2.感應啟動法感應啟動法利用轉子磁極繞組表面的溝槽內，裝置如鼠籠式結構且經短路的阻尼繞組，當定子電樞繞組加上三相電源時，利用感應電動機原理，使阻尼繞組產生轉矩。此法僅適用在小容量的同步電動機，且於
17、無載或輕載的狀態下啟動。3.降低電源頻率啟動法降低電源頻率啟動法同步電動機無法自行啟動，其原因為轉子無法立即跟上旋轉磁場的轉速。故若啟動時利用變頻機將電源頻率由最低逐次調升，因低頻率電源所產生的定子旋轉磁場之轉速低，轉子磁極就能鎖住定子旋轉磁場的磁極，且隨電源頻率逐次提升到額定，則同步電動機可啟動並逐漸加速到同步轉速。4.超同步啟動法超同步啟動法應用此啟動法的同步電動機需具有兩個軸承，使定子與轉子皆可轉動，定子電樞繞組由滑環和電刷加入三相電源，且定子與轉子皆設有制動裝置。啟動時，先將轉子制動且轉子磁場繞組不加直流激磁，當定子加入三相電源時，轉子磁極表面的阻尼繞組會產生感應轉矩，因轉子被制動住，
18、故定子會朝轉子相反方向轉動；待定子轉速逐漸接近同步時，再將轉子磁場繞組加入直流激磁，且鬆開轉子的制動，改將定子逐漸制動，因定子與轉子間的相對運動速率（轉差）必須為同步速率，故定子會逐漸減速，而轉子會順其轉向逐漸加速，待定子制動停止後，轉子即以同步轉速運轉。雖然該啟動法的構造複雜，然可獲得較大啟動轉矩，故適合重載重載啟動。節目次節目次與感應電動機比較，同步電動機有如表所示之優缺點。說明說明優點優點1.當電源頻率固定時，其轉速不會隨負載大小改變，恆為同步速率。2.其功率因數可藉由激磁電流大小來調整。3.效率較同容量感應電動機高。缺點缺點1.無法自行啟動且啟動操作繁瑣。2.負載急劇變動時，易產生追逐
19、現象。3.轉子需另備直流激磁電源。4.構造複雜，價格較昂貴。節目次節目次如紙漿廠的打漿機、滾壓機，水泥廠的研磨機、粉碎機，以及船舶推進機、電動發電機、頻率變換器、空氣壓縮機、鼓風機等，其轉速不需隨負載變動，且具高效率運轉，故最適合使用同步電動機。1.驅動需固定轉速的負載驅動需固定轉速的負載2.改善線路功率因數改善線路功率因數(1)原理原理： 電力系統的負載以電感性居多，故整個電力系統的功率因數為滯後滯後（Lag）。若在其受電端裝置同步電動機，但不擔任機械負載，又給予過激磁，使同步電動機取用越前相位的電樞電流，因無機械負載，故其電樞電流多數為越前越前無效電流，其特性如同電容器，又可稱為同步電容器
20、同步電容器。 此外，因其可調高供電系統的功率因數，以減少線路的電流與損失，並提高輸電效率，故亦稱為同步調相機同步調相機。(2)說明說明： 設原電力系統的有效功率 P、無效功率 QL，原系統功率因數 cos1 滯後，改善到 cos2，則所需電容性虛功率 QC，其所負擔的有效功率 PC，同步調相機所需容量 SC，茲說明其相互關係如下。 設 P定值且不變，PC 0 時 設 P定值且不變，但 PC 0 時某工廠的平均耗電量為 300 仟瓦，負載功率因數為 0.6 滯後，若想將功率因數提高到 0.8 滯後，則應並聯多少容量的同步調相機？3 已知 P300仟瓦，cos10.6滯後cos20.8滯後，且 P
21、C0 SCQCP(tan1tan2) 175（仟乏爾）1212sinsin()coscosP0.80.6300 ()0.60.83.調整線路電壓調整線路電壓先前已說明同步調相機可以改善電力系統的功率因數，故以相同的原理，調整受電端同步調相機的激磁電流時，可使系統的無效電流改變，電力系統的受電端電壓穩定。當受電端電感性負載增加時，線路有效電流和滯後無效電流均增加，線路壓降增加，致使受電端電壓下降，若增加同步調相機的激磁電流，同步調相機可提供更多的超前無效電流，與電感性負載的滯後無效電流相抵消，使電壓不致下降；反之，當電感性負載減少時，若減少同步調相機的激磁電流，即可維持受電端電壓穩定。4.計時、
22、計數、電鐘、磁帶、唱盤計時、計數、電鐘、磁帶、唱盤的驅動器的驅動器其驅動器所用的電動機為使用單相電源、轉子不須激磁、具恆速的小功率電動機，有下列兩種形式：(1)磁阻電動機磁阻電動機： 定子構造與單相蔽極式電動機類似，轉子構造以感應電動機修改而成，為無繞組多槽孔的凸極鐵心。啟動時，有如感應電動機般會產生電磁轉矩，使轉子啟動、加速，待轉子轉速接近同步轉速時，轉子的凸極與定子移動磁場會互鎖，而產生磁阻轉矩，使轉子轉速達同步轉速。圖例圖例(2)磁滯電動機磁滯電動機： 定子構造與單相蔽極式電動機類似，轉子為平滑的硬鋼圓筒式圓盤所組成。啟動時，定子的激磁繞組加入單相交流電源時，定子上的蔽極線圈因分相作用產
23、生移動磁場，硬鋼圓筒轉子受此移動磁場的作用而感應電流，該感應電流與移動磁場作用產生電磁轉矩，致轉子如同感應電動機般啟動。待轉子轉速增加至與移動磁場間相對轉速較小時，轉子鐵心內因感應而產生的磁極分子因磁滯作用，會循移動磁場同方向的 N 極與 S 極磁化，致使與移動磁場互鎖而產生磁滯轉矩，驅使轉子轉速達到同步轉速。圖例圖例節目次節目次1.同步電動機與同步發電機的構造完全相同，即定子有互隔120 電機角的三相電樞繞組，而轉子有凸極型及隱極型兩種。2.轉磁式同步電動機定子的電樞繞組接三相交流電源，形成旋轉磁場，轉子利用外力或啟動裝置幫助啟動後，待轉子轉速接近同步速率時加入直流激磁，其產生的磁場與旋轉磁
24、場互鎖，使轉子以同步轉速且同旋轉磁場方向旋轉，其同步轉速為 ns 。120 fP節目次節目次3.同步電動機的電樞繞組加入電流所形成的磁場，稱為電樞磁場 a，對轉子主磁場 m 所造成的影響，稱為電樞反應，電樞電流的大小及相位會影響電樞反應的性質。當電樞電流為：(1)純電阻性純電阻性時：產生正交磁電樞反應。(2)純電感性純電感性時：產生加磁電樞反應。(3)純電容性純電容性時：產生去磁電樞反應。(4)電容性電容性時：產生去磁與正交磁電樞反應。(5)電感性電感性時：產生加磁與正交磁電樞反應。節目次節目次4.ZS（同步阻抗）Ra（電樞繞組的交流電阻）jXS（同步電抗）。XS（同步電抗）Xa（電樞反應電抗
25、）Xl（電樞漏磁電抗）。5.同步電動機的輸出功率 Po3VPIPcos同步電動機的最大輸出功率 Po (max )同步電動機的輸出轉矩 To (max ) 節目次節目次60 3sin2mPsSE VnX3sinmPSE VX3mPSE VX6.同步電動機在負載變動時，其轉速仍會維持同步轉速不變，但轉矩角（負載角） 及電樞電流 Ia 的大小會隨之成正比變化，功率因數角亦隨之改變。7.同步電動機的相位特性曲線，以激磁電流 If 為橫坐標，電樞電流 Ia 為縱坐標，又稱為 V 形曲線。(1)正常激磁正常激磁時：電樞電流最小，功率因數1。(2)欠激磁欠激磁時：電樞電流為滯後（電感性）。(3)過激磁過激
26、磁時：電樞電流為越前（電容性）。節目次節目次8.同步電動機當電源的電壓大小、頻率或負載急劇變動時，轉子會在新的對應轉矩角前後擺動，使同步電動機的轉速產生忽快忽慢的振動現象，稱為追逐現象，可利用阻尼繞組防止。9.同步電動機無法自行啟動，可用以下方法啟動：(1)以其他電動機帶動啟動。(2)降低電源頻率啟動。(3)利用感應機原理啟動。(4)超同步啟動法。節目次節目次10.同步電動機在電源端電壓 VP 及負載不變時，可藉由調整磁場電流 If 來控制電樞電流 Ia 的大小及相位。11.常用的單相同步電動機可分為磁滯電動機與磁阻電動機。12.同步電動機當激磁調至過激狀態，可作為同步調相機改善電力系統的功率
27、因數。(1)設 PC0 時：SCQCP(tan1tan2)(2)設 PC0 時：QCPtan1(PPC)tan2 SC22CCPQ節目次節目次回首頁回首頁BACKBACK補充一補充一線段 IaXScosVPsin IaXScossinPSVXab補充二補充二Y 接時，線間反電勢 EL Em，線間電源電壓 VL VP。33BACKBACKBACKBACK公式推導公式推導QLS1sin1 Ptan1QQLQCS2sin2 Ptan2QCQLQP(tan1tan2)SCQCS2BACKBACK11sincosP22sincosP22PQ公式推導公式推導QLS1sin1 Ptan1QQLQCS2sin2 (PPC)tan2QCQLQPtan1(PPC)tan2SCS2BACKBACK11sincosP22sincosCPP22CCPQ22()CPPQBACKBACKBACKBACK
