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1、1,4.1同步發電機之結構,同步發電機的轉子磁場可藉由將轉子設計成永久磁鐵，或供應一直流電給轉子繞組形成一電磁鐵而得到。接著以原動機帶動發電機之轉部而在電機內部產生旋轉磁場。此旋轉磁場在發電機定部繞組中將感應產生一組三相電壓。一電機內通常會有場繞組(field winding)與電樞繞組(armature winding)，場繞組主要是用來產生主磁場，而電樞繞組是用來感應電壓。就同步機而言，場繞組位於轉子，所以轉子繞組(rotor winding)與場繞組是互用的，同理，定子繞組(stator winding)與電樞繞組也是互用的。,2,4.2同步發電機的轉速,同步發電機之所以稱為同步(syn
2、chronous)，其意義就是指其產生之電頻率鎖定於或同步於發電機的機械轉速。電機中磁場的旋轉速率和定部電頻率的關係如式(3-34),3,其中 fse 電頻率，Hz nsm磁場的機械轉速，r/min(同步電機的轉部轉速)P 極數既然轉部以同樣磁場的轉速在轉動，此等式也代表轉部轉速和其所產生之電頻率間的關係。,4.3同步發電機內部所產生的電壓,給定之定部相位中所感應之電壓的強度已知為,4,5,6,圖 4-7(a)同步發電機之磁場電流對磁通圖。(b)同步發電機之磁化曲線。,4.4同步發電機之等效電路,欲瞭解電樞反應，可參考圖 4-8。圖 4-8a 所示為在三相定部中旋轉之雙極轉部。定部未接負載。轉
3、部磁場 BR 產生內部電壓 EA，且其峯值和 BR 之方向一致。發電機無負載時，將無電樞電流流通，則 EA 和相電壓 V 會相等。現在假設發電機接至落後負載，因為負載是落後的，電流的峯值將在落後於電壓峯值的角度出現。圖 4-8b 中所示即為此效應。,7,8,9,4-8電樞反應之模型的成形(a)旋轉磁場產生內部生成電壓 EA。(b)當連接至落後負載時此電壓將產生落後的電流。(c)定部電流產生了自己的磁場 BS，而 BS 又在電機的定部繞組中產生了自己的電壓 Estat。(d)磁場 BS 加入 BR 並使其失真而成為Bnet。電壓 Estat 加入 EA 而產生了單相的輸出 V。,10,11,圖
4、4-9一個簡單的電路(見課文)。,除了電樞反應的作用之外，定部線圈本身也具有自感和電阻。若定部自感稱為 LA(則相對應之電抗為 XA)且定部電阻稱為 RA，則 EA 和 V 之間的總差值為,12,13,圖 4-10三相同步發電機的全部等效電路。,14,4.5同步發電機之相量圖,圖 4-13 所示即為連接單位功率因數負載(純電阻負載)之發電機相量圖。由式(4-11)可知，總電壓 EA 和端電壓 V 之差值是電阻性及電感性之電壓降。V可任意地定為角度 0 且所有的電壓和電流均以之為參考。,15,圖 4-13單位功率因數下同步發電機之相量圖。,16,圖 4-14 所示即為上述兩個相量圖。注意，若已知
5、相電壓及電樞電流，則落後負載下所需之內部生成電壓 EA 將比領先負載下所需之 EA 大。因此，欲在落後負載下得到同樣的端電壓，就必須有較大的磁場電流，這是因為而 必須是定值以保持固定頻率。,17,4.6同步發電機之功率及轉矩,同步發電機就是用來做發電機的同步電機。它將機械功率轉換為三相電功率。機械功率的來源，即原動機(prime mover)，可以是柴油機、汽渦輪機、水渦輪機或其他類似的裝置。不論功率源為何，都必須有一個最基本的特性不論要求的功率為何，其轉速必須幾乎為定值。若非如此，則所生成之電力系統的頻率將紊亂。圖 4-15 所示為同步發電機之功率流程圖。輸入之機械功率即發電機中之軸功率 P
6、inappm，而內部的機械功率轉換為電的形式則是,18,19,圖 4-15同步發電機之功率流程圖。,20,21,22,圖 4-16忽略電樞電阻之簡化相量圖。,23,24,4.7同步發電機模型之參數量測,同步發電機等效電路中有三個量必須要被決定，如此才能完整地描述真實同步發電機的行為 1.磁場電流和磁通間的關係(及由此可知的磁場電流和 EA 間的 關係)2.同步電抗 3.電樞電阻,25,26,我們可以由任何已知的磁場電流求得對應的內部生成電壓。圖 4-17a 所示為一典型的開路特性。注意到在高磁場電流而觀察到飽和情形之前，此曲線幾乎是完全線性的。未飽和時，同步電機之機架中的鐵材其磁阻是氣隙磁阻的
7、數千分之一，因此一開始的時候幾乎全部的磁動勢都跨在氣隙之上，而所造成的磁通增加也是線性的。最後當鐵材飽和了，鐵材之磁阻會戲劇性地增加，則磁動勢再增加時造成的磁通增加就會慢得多了。短路試驗(short-circuit test)將磁場電流調為零並由安培計將發電機之終端短路。圖 4-17b 中且稱之為短路特性(short-circuit characteristic,SCC)。,27,圖 4-17(a)同步發電機之開路特性(OCC)。(b)同步發電機之短路特性(SCC)。,28,29,30,圖 4-18(a)短路試驗時同步發電機之等效電路。(b)生成之相量圖。(c)短路試驗時的磁場。,31,32,
8、圖 4-19同步發電機之近似同步電抗作為電機中磁場電流之函數的簡圖。在低磁場電流時所得之常數電抗即為電機中之未飽和同步電抗。,4.8單獨運轉之同步發電機,忽略 RA 發電機之轉速將視為恆定，且所有的終端特性是在假設轉速恆定的情形下所得。發電機之轉部磁通亦將視為定值。,33,同步發電機獨自運轉時負載變化的效應在落後功因下工作的發電機。若在相同的功率因數下加入更多負載，則|IA|增加但和 V 所夾的角度 保持和以前一樣。因此，電樞反應電壓 jXSIA 將比以前大但保持同樣的角度。,34,jXSIA 必定是張於 0 的 V 和 EA 之間，但 EA 的大小卻限制在增加負載之前的值。若在相量圖上畫出這
9、些限制，則可找到唯一的一點使電樞反應電壓能平行於原始的方向而在大小上則有增加。所得之圖示於圖 4-22a。若此限制之現象存在，則可看出當負載增加時 V 迅速降低。現在假設發電機是連接到單位功率因數的負載，可看出這一次 V 的降低就慢多了(見圖 4-22b)。讓發電機連接到領先功率因數的負載。在相同的功率因數下加入新負載，電樞反應電壓將位在原先的外方，而 V 的確上升了(見圖 4-22c)。1.若發電機加入落後負載(Q 或電感性虛功率負載)，V 和端電壓 VT 明顯地降低。2.若發電機加入單位功率因數負載(無虛功率)，V 和端電壓 VT 有些微 的下降。3.若發電機加入領先負載(Q 或電容性虛功
10、率負載)，V 和端電壓 VT 將上升。,35,圖 4-22固定功率因數時增加發電機之負載對端電壓所產生的效應。(a)落後功率因數；(b)單位功率因數；(c)領先功率因數。,36,同步發電機若運轉於落後的功率因數下，將有相當大的正電壓調整率，運轉於單位功率因數之同步發電機則有小的正電壓調整率，而運轉於領先功率因數之同步發電機則有負的電壓調整率。一般來說，即使負載本身變動，我們仍希望保持供應至負載的電壓為定值。要如何去修正端電壓的變化？一個明顯的方法就是改變 EA 的大小來補償負載的改變。回憶 EA K。因為一般系統中頻率是不變的，EA 的控制必定是藉由改變電機中的磁通。1.降低發電機中的磁場電阻
11、以增加其磁場電流。2.磁場電流的增加使電機中之磁通增加。3.磁通的增加使內部生成電壓 EA K 增加。4.EA 的增加使 V 及發電機之端電壓增加。,37,例題 4-2 一部 480 V，60 Hz，連接之四極同步發電機之開路特性 OCC，如圖4-23a 所示。此發電機之同步電抗為 0.1，而電樞電阻為 0.015。滿載時，此電機供應 0.8 PF 落後之 1200 A 的電流。在滿載的情況下，摩擦和風阻損失為 40 kW，且鐵心損失為 30 kW。忽略任何磁場電路之損失。(a)此發電機之轉速為何？(b)在無載時欲使端電壓為 480 V，則必須供應多少的磁場電流至發電機？(c)若發電機現在連接
12、至負載且負載汲取 0.8 PF 落後之 1200 A 的電流，欲 保持端電壓為480 V 需要多大的磁場電流？(d)現在發電機供應多少功率？原電動機供應多少的功率至發電機？電機 之整體效率為何？(e)若發電機之負載突然脫離，其端電壓會有何種變化？(f)最後，假設連接至負載且供應 0.8 PF 領先之 1200 A 的電流。欲保持 VT 為 480 V，需要多大的磁場電流？,38,圖 4-23(a)例題 4-2 中發電機之開路特性。,39,40,41,42,43,例題 4-3 一部 480 V，50 Hz，Y 連接，六極之同步發電機，其每相同步電抗為 1.0。當其為 0.8 PF 落後時，滿載電
13、樞電流為 60 A。當 60 Hz且滿載時，此發電機之摩擦及風阻損失為 1.5 kW，而鐵心損失為 1.0 kW。因為電樞電阻被忽略，故假設 I2R 損失可忽略不計。無載時磁場電流已調整至使端電壓為 480 V。(a)此發電機之轉速為何？(b)在下列情況中發電機之端電壓分別為何？1.0.8 落後功率因數之額定電流負載。2.1.0 單位功率因數之額定電流負載。3.0.8 領先功率因數之額定電流負載。(c)當發電機運轉於 0.8 PF 落後之額定電流負載時，其效率為何(忽略未 知的電損失)？(d)滿載時原動機必須供應多少的轉軸轉矩？其感應之反轉矩有多少？(e)當發電機運轉於 0.8 PF 落後，試
14、求其電壓調整率？運轉於 1.0 單位功 率因數？運轉於 0.8 PF 領先？,44,45,46,47,48,圖 4-24例題 4-3 中之發電機相量圖。(a)落後功率因數；(b)單位功率因數；(c)領先功率因數。,49,50,4.9交流發電機之並聯運轉,發電機要並聯運轉的幾個優點1.數個發電機可比一個單獨的電機供應更大的負載。2.擁有許多部發電機可增加電力系統的可靠度，因為其中任一 部的故障不致造成負載的所有功率流失。3.擁有許多部發電機並聯運轉使得其中的一、兩部可以被移走，做停機或預防保養的動作。4.若只有一部發電機且並非運轉於滿載，則這是相當沒有效率 的。但是若數個小的電機則可以只運轉其中
15、的一部分。運轉 中的那些電機是以接近滿載運轉而會更有效率。,51,52,53,54,圖 4-27(b)檢驗相序之三燈泡法。,55,發電機並聯之一般程序假設發電機 G2 如圖 4-27 中所示連接至運轉中之系統。欲達成並聯運轉，必須採取下列步驟。首先，使用伏特計，即臨發電機之磁場電流必須被調至使其端電壓和運轉系統的線電壓相同。其次，即臨發電機之相序必須和運轉系統之相序做比較。再來，即臨發電機之頻率要調至比運轉系統的頻率稍微高一點。臨發電機要調至有稍微高一點的頻率。一旦頻率已經非常接近了，兩系統中的電壓對彼此的相位變化會非常慢。當觀察此相位變化，且相角是相等的時候，把連接兩個系統的開關關上。,56
16、,57,58,圖 4-29(a)典型原動機之轉速-對-實功率曲線。(b)所造成之發電機頻率-對-實功率曲線。,59,60,61,圖 4-33(a)同步發電機與無限匯流排並聯運轉。,62,圖 4-33(b)同步發電機與無限匯流排並聯運轉之頻率-對-實功率圖(或屋子圖)。,63,64,65,一旦發電機已經連接好了，提升控制器設定點會發生什麼事？其影響是使得發電機之無載頻率向上移動。因為系統的頻率是不變的(無限匯流排的頻率是不能改變的)，所以發電機供應之實功率會增加。此點可由圖 4-36a 之屋子圖中及圖 4-36b 的相量圖中看出。若發電機之輸出功率持續增加而超越了負載所消耗的功率時，會發生什麼事
17、？若發生這種情形，所產生之功率的多餘部分會回流至無限匯流排，所以多餘的功率被消耗掉了。,66,圖 4-36提升控制器設定點所造成的影響(a)屋子圖,67,圖 4-36提升控制器設定點所造成的影響(b)相量圖。,68,若當磁場電流改變時供應之功率為定值，則在相量圖中正比於功率的距離(IA cos 和 EA sin)不變。當磁場電流增加，磁通 增加，而且因此 EA(K)增加。若 EA 增加但 EA sin 保持定值，則相量 EA 將沿定值功率線滑動，正如圖 4-37 所示。因為 V 是定值，jXSIA 的角度如圖所示地改變，因此 IA 的角度及大小改變了。注意到結果正比於 Q 的距離(IA sin
18、)增加了。換句話說，當同步發電機與無限匯流排並聯運轉時，增加其磁場電流會使發電機之輸出虛功率增加。總而言之，當發電機與無限匯流排並聯運轉時1.同步發電機之頻率及端電壓是由其所連接之系統來決定的。2.發電機之控制器設定點控制了發電機供應至系統的實功率。3.發電機之場電流控制了發電機供應至系統的虛功率。,69,圖 4-37增加發電機之磁場電流對電機之相量圖所造成的影響。,70,71,在原本的頻率 f1 時，G1 和 G2 所供應之總實功率將會大於負載之需求，所以系統不能像過去一樣工作於以前的頻率。實際上，只有一個頻率能使得兩發電機之輸出實功率等於Pload。此頻率 f2 比原先系統之運轉頻率要高。
19、在此頻率下，G2 比以前供應更多的實功率，而 G1 則比以前供應較少的實功率。當兩發電機一起並聯運轉時，提升其中一部發電機之控制器設定點，使得1.系統之頻率增加。2.此發電機供應之實功率增加，而另一部發電機供應之實功率減少。當 G2 的磁場電流增加時會發生什麼事？其產生的行為類似於實功率的情形且示於圖 4-38d 中。當兩發電機一起並聯運轉時，增加 G2 之磁場電流，使得1.系統之端電壓增加。2.此發電機供應之虛功率增加，而另一部發電機供應之虛功率減少。,72,圖 4-38(a)發電機與另一部同樣大小之電機並聯連接。(b)當發電機 2 與系統並聯瞬間之屋子圖。,73,圖 4-38(c)提升發電
20、機 2 之控制器設定點對系統之運轉所造成的影響。,74,圖 4-38(d)增加發電機 2 之磁場電流對系統之運轉所造成的影響。,75,當兩部發電機一起運轉時1.此系統受限於兩部發電機供應之總功率必須等於負載消耗的量。fsys 和 VT 都不被限制為定值。2.欲調整兩發電機間之實功率分配而不改變 fsys，同時升高一部發電機 之控制器設定點，並降低另一部之控制器設定點。控制器設定點升高 之電機要承受更大之負載。3.欲調整 fsys 而不改變實功率的分配，同時增或減兩部發電機之控制器 設定點。4.欲調整兩發電機間之虛功率分配，而不改變 VT；同時增加一部發電機 的磁場電流，並減少另一部之磁場電流。
21、磁場電流增加之電機要承受 更大的虛功率負載。5.欲調整 VT 而不改變虛功率的分配，同時增或減兩部發電機之磁場電 流。,4.10同步發電機暫態,76,圖 4-40(a)改變功率分配但卻不影響系統頻率。,77,圖 4-40(b)改變系統頻率但卻不影響功率分配。,78,圖 4-40(c)改變虛功率分配但卻不影響端電壓。,79,圖 4-40(d)改變端電壓但卻不影響虛功率分配。,80,同步發電機之短路暫態圖 4-45 中所示為電流之交流對稱分量。大約可粗分為三段週期。在第一個週期中即當故障發生後，其交流電流很大並以很快的速度下降。這一段時間稱為次暫態週期(subtransient period)。在
22、此結束後，電流繼續以較緩慢的速度下降，直到達到最後的穩定狀態為止。這一段以較緩慢的速度下降的時間稱為暫態週期(transient period)，而在已經達到穩定狀態後的時間則稱為穩定狀態週期(steady-state period)。,81,圖 4-45故障電流之交流對稱成分。,4.11同步發電機額定,發電機上典型的額定有電壓、頻率、轉速、視功率(仟伏安)、功率因數、磁場電流和服務因數。,82,電壓、轉速與頻率額定頻率和轉速間的固定關係可由式(3-34)而得,83,84,85,86,圖 4-48同步發電機能力曲線之推導。(a)發電機之相量圖；,87,圖 4-48同步發電機能力曲線之推導。(b
23、)對應之功率單位。,88,4.12總結,同步發電機是一個在特定電壓及頻率下將原動機之機械功率轉換為電功率的設備。同步這個術語是指電機之電頻率鎖定於或同步於轉軸之機械旋轉速率。現今全球絕大部分之電力是使用同步發電機來產生。此種發電機之內部生成電壓是依據轉軸之旋轉速率及磁場磁通之大小而定。當發電機單獨運轉時，實功率和虛功率必須是由負載來決定供應的量，而控制器設定點和磁場電流則可控制頻率及端電壓。當發電機連接至無限匯流排時，其頻率和電壓為固定值，所以控制器設定點和磁場電流可分別控制由發電機輸出之實功率及虛功率。在實際系統中包含了大小相近的發電機，控制器設定點將影響頻率和輸出實功率，而磁場電流則將影響端電壓及輸出虛功率。,89,
