即为同步电动机的电枢反应课件

第24

章同步電動機

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。第24章同步電動機學習重點1.了解同步電動機的構造。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24-224-3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24-524-6同步電動機的運用本章彙總24-7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24-1

同步電動機的構造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，即定子的電樞繞組與感應式電動機相同，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及隱極式，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外，另有引入直流激磁電流所需的滑環，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。節目次1.構造24-1同步電動機的構造同步電動機的構造與同步發電機完全相2.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，即為一定速電動機。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。2.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3.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。節目次3.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24-2

同步電動機的原理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。圖例節目次24-2同步電動機的原理1.定子的電樞繞組加入三相電樞電流24-3

同步電動機的電樞反應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。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24-3.1

定義24-3同步電動機的電樞反應1.當同步電動機的電樞繞組流過24-3.2

電樞反應的分類(1)當電樞電流Ia

與電樞繞組外加電源相電壓VP

同相，即同步電動機的功率因數cos＝1

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24-3.2電樞反應的分類(1)當電樞電流Ia與電樞繞2.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cos＝0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，產生加磁的電樞反應，為一磁化效應。2.同步電動機工作於純電感性時(1)當電樞電流Ia較電樞3.同步電動機工作於純電容性時(1)當電樞電流Ia

較電樞繞組外加電源相電壓VP

超前90°，即功率因數cos＝0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，產生去磁的電樞反應，為一直軸效應。3.同步電動機工作於純電容性時(1)當電樞電流Ia較電樞4.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0°～90°，即功率因數0＜cos＜1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

反向的去磁效應部分asin，和另一為與主磁通m

正交的正交磁效應部分acos。4.同步電動機工作於電容性時(1)當電樞電流Ia較電樞繞5.同步電動機工作於電感性時(1)當電樞電流Ia

較電樞繞組外加電源相電壓VP

滯後0°～90°，即功率因數0＜cos＜1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

同向的加磁效應部分

asin，一為與主磁通m

正交的正交磁效應部分acos。節目次5.同步電動機工作於電感性時(1)當電樞電流Ia較電樞繞24-4

同步電動機的等效電路

及相量圖(1)同步電動機的電樞反應可視為一種電抗，即為電樞反應電抗

Xa。(2)電樞的漏磁亦可視為一種電抗，稱為電樞漏磁電抗

Xl。(3)兩者合稱同步電抗

XS，即XS＝Xa＋Xl。(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

ZS，即ZS＝Ra＋jXS。24-4.1

同步電動機每相等效電路1.說明節目次24-4同步電動機的等效電路

及相量圖(1)同步電動機的電2.等效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。2.等效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24-4.2

相量圖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24-4.2相量圖依據同步電動機的每相等效電路，可繪出同步2.公式cos

滯後時，cos＞0，sin＞0，Em＜VP。cos

越前時，cos＞0，sin＜0（取負值），

Em＞VP。節目次2.公式cos滯後時，cos＞0，sin＞0，Em＜24-5

同步電動機的特性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24-5.1

同步電動機的輸出功率及轉矩節目次24-5同步電動機的特性圓柱型同步電動機的同步電抗XS2.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：2.公式因內生機械功率Pm等於輸出功率Po加旋轉機械3.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：3.推導若忽略同步電動機的旋轉損，則其輸出轉矩To與電磁

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，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

P＝6極，額定線電壓Vn＝380伏特，頻率

f＝60赫芝，電樞繞組

Y形接線，相數

m＝3相，電樞電阻

Ra＝1歐姆，同步電抗

XS＝10歐姆，每相反電勢

Em＝210伏特，轉矩角

＝30°

額定電源相電壓VP＝≒220（伏特）1有一部6極、380伏特、60赫芝、Y形接線

(1)輸出功率

Po＝

＝6930（瓦特）

(2)最大輸出功率

Po(max)＝

＝13860（瓦特）

(3)同步轉速ns＝

＝1200（轉／分）最大輸出轉矩To(max)＝

＝

≒110.3（牛頓-公尺）(1)輸出功率Po＝(2)最大輸出功率Po(ma

2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P＝12極，額定電壓Vn＝400伏特，頻率f＝60赫芝，相數m＝3相，Y形接線，每相輸出功率Po＝6仟瓦

∴輸出轉矩

To＝（牛頓-公尺）

輸出功率To＝mPo＝3×6＝18（仟瓦）同步轉速ns＝

＝600（轉／分）2有一部12極、400伏特、60赫芝、三相Y24-5.2

同步電動機的負載特性同步電動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。24-5.2同步電動機的負載特性同步電動機在可帶動的機械負24-5.3

同步電動機的追逐現象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。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，或於輸出轉軸加裝飛輪，以增大其轉動慣性，來防止追逐現象。24-5.3同步電動機的追逐現象1.當同步電動機外加電源的24-5.4

同步電動機的激磁特性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。24-5.4同步電動機的激磁特性同步電動機在電源端外加額定1.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。(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效應。(3)同步電動機工作於電阻性負載。1.正常激磁(1)當同步電動機的功率因數cos調整到2.欠激磁(1)當激磁電流If

小於正常激磁電流Ifc

時，稱為欠激磁。(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，會產生正交磁及加磁的電樞反應。(3)同步電動機工作於電感性負載。2.欠激磁(1)當激磁電流If小於正常激磁電流Ifc3.過激磁(1)當激磁電流If

大於正常激磁電流Ifc

時，稱為過激磁。(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，會產生正交磁及去磁的電樞反應。(3)同步電動機工作於電容性負載。節目次3.過激磁(1)當激磁電流If大於正常激磁電流Ifc24-6

同步電動機的啟動法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。24-6.1

啟動步驟節目次24-6同步電動機的啟動法1.同步電動機啟動時，因為定子電24-6.2

啟動方法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(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。24-6.2啟動方法用其他電動機與同步電動機轉軸耦合，驅動2.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，且於無載或輕載的狀態下啟動。2.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3.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。3.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4.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，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，故適合重載啟動。節目次4.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24-7

同步電動機的運用與感應電動機比較，同步電動機有如表所示之優缺點。24-7.1

同步電動機與感應電動機的優缺點比較說明優點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24-7同步電動機的運用與感應電動機比較，同步電動機有如表24-7.2

主要用途如紙漿廠的打漿機、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24-7.2主要用途如紙漿廠的打漿機、滾壓機，水泥廠的研磨2.改善線路功率因數(1)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（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無效電流，其特性如同電容器，又可稱為同步電容器。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。2.改善線路功率因數(1)原理：(2)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。(2)說明：設原電力系統的有效功率P、無效功率QL，

①設P＝定值且不變，PC＝0時①設P＝定值且不變，PC＝0時

②設P＝定值且不變，但PC≠0時②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P＝300仟瓦，cos1＝0.6滯後

cos2＝0.8滯後，且PC＝0∴SC＝QC＝P(tan1－tan2)＝

＝＝175（仟乏爾）某工廠的平均耗電量為300仟瓦，負載功率因數為0.63.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。3.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4.計時、計數、電鐘、磁帶、唱盤…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：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4.計時、計數、電鐘、磁帶、唱盤…的驅動器其驅動器所用的電動(2)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。圖例節目次(2)磁滯電動機：定子構造與單相蔽極式電動機類似，轉子為本章彙總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＝。節目次本章彙總1.同步電動機與同步發電機的構造完全相同，即定子有互本章彙總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)純電阻性時：產生正交磁電樞反應。(2)純電感性時：產生加磁電樞反應。(3)純電容性時：產生去磁電樞反應。(4)電容性時：產生去磁與正交磁電樞反應。(5)電感性時：產生加磁與正交磁電樞反應。節目次本章彙總3.同步電動機的電樞繞組加入電流所形成的磁場，稱為電本章彙總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）＋Xl（電樞漏磁電抗）。5.同步電動機的輸出功率Po＝3VPIPcos＝

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)

＝節目次本章彙總4.ZS（同步阻抗）＝Ra（電樞繞組的交流電阻）＋j本章彙總6.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)正常激磁時：電樞電流最小，功率因數＝1。(2)欠激磁時：電樞電流為滯後（電感性）。(3)過激磁時：電樞電流為越前（電容性）。節目次本章彙總6.同步電動機在負載變動時，其轉速仍會維持同步轉速不本章彙總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。節目次本章彙總8.同步電動機當電源的電壓大小、頻率或負載急劇變動時本章彙總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因數。(1)設PC＝0時：SC＝QC＝P(tan1－tan2)(2)設PC≠0時：QC＝Ptan1－(P＋PC)tan2

SC＝節目次本章彙總10.同步電動機在電源端電壓VP及負載不變時，可回首頁回首頁同步電動機的旋轉原理BACK同步電動機的旋轉原理BACK補充一線段＝IaXScos＝VPsin

IaXScos＝補充二Y接時，線間反電勢EL＝Em，線間電源

電壓VL＝VP。BACKBACK補充一線段＝IaXScos＝VPsin補充二Y接時公式推導∵QL＝S1sin1＝＝Ptan1Q＝QL－QC＝S2sin2＝＝Ptan2∴QC＝QL－Q＝P(tan1－tan2)

SC＝QC

S2＝BACK公式推導∵QL＝S1sin1＝＝Ptan1B公式推導∵QL＝S1sin1＝＝Ptan1Q＝QL－QC＝S2sin2＝＝(P＋PC)tan2∴QC＝QL－Q＝Ptan1－(P＋PC)tan2

SC＝

S2＝BACK公式推導∵QL＝S1sin1＝＝Ptan1B磁阻電動機BACK磁阻電動機BACK磁滯電動機BACK磁滯電動機BACK第24

章同步電動機

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。第24章同步電動機學習重點1.了解同步電動機的構造。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24-224-3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24-524-6同步電動機的運用本章彙總24-7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24-1

同步電動機的構造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，即定子的電樞繞組與感應式電動機相同，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及隱極式，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外，另有引入直流激磁電流所需的滑環，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。節目次1.構造24-1同步電動機的構造同步電動機的構造與同步發電機完全相2.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，即為一定速電動機。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。2.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3.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。節目次3.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24-2

同步電動機的原理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。圖例節目次24-2同步電動機的原理1.定子的電樞繞組加入三相電樞電流24-3

同步電動機的電樞反應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。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24-3.1

定義24-3同步電動機的電樞反應1.當同步電動機的電樞繞組流過24-3.2

電樞反應的分類(1)當電樞電流Ia

與電樞繞組外加電源相電壓VP

同相，即同步電動機的功率因數cos＝1

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24-3.2電樞反應的分類(1)當電樞電流Ia與電樞繞2.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cos＝0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，產生加磁的電樞反應，為一磁化效應。2.同步電動機工作於純電感性時(1)當電樞電流Ia較電樞3.同步電動機工作於純電容性時(1)當電樞電流Ia

較電樞繞組外加電源相電壓VP

超前90°，即功率因數cos＝0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，產生去磁的電樞反應，為一直軸效應。3.同步電動機工作於純電容性時(1)當電樞電流Ia較電樞4.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0°～90°，即功率因數0＜cos＜1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

反向的去磁效應部分asin，和另一為與主磁通m

正交的正交磁效應部分acos。4.同步電動機工作於電容性時(1)當電樞電流Ia較電樞繞5.同步電動機工作於電感性時(1)當電樞電流Ia

較電樞繞組外加電源相電壓VP

滯後0°～90°，即功率因數0＜cos＜1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

同向的加磁效應部分

asin，一為與主磁通m

正交的正交磁效應部分acos。節目次5.同步電動機工作於電感性時(1)當電樞電流Ia較電樞繞24-4

同步電動機的等效電路

及相量圖(1)同步電動機的電樞反應可視為一種電抗，即為電樞反應電抗

Xa。(2)電樞的漏磁亦可視為一種電抗，稱為電樞漏磁電抗

Xl。(3)兩者合稱同步電抗

XS，即XS＝Xa＋Xl。(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

ZS，即ZS＝Ra＋jXS。24-4.1

同步電動機每相等效電路1.說明節目次24-4同步電動機的等效電路

及相量圖(1)同步電動機的電2.等效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。2.等效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24-4.2

相量圖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24-4.2相量圖依據同步電動機的每相等效電路，可繪出同步2.公式cos

滯後時，cos＞0，sin＞0，Em＜VP。cos

越前時，cos＞0，sin＜0（取負值），

Em＞VP。節目次2.公式cos滯後時，cos＞0，sin＞0，Em＜24-5

同步電動機的特性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24-5.1

同步電動機的輸出功率及轉矩節目次24-5同步電動機的特性圓柱型同步電動機的同步電抗XS2.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：2.公式因內生機械功率Pm等於輸出功率Po加旋轉機械3.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：3.推導若忽略同步電動機的旋轉損，則其輸出轉矩To與電磁

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，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

P＝6極，額定線電壓Vn＝380伏特，頻率

f＝60赫芝，電樞繞組

Y形接線，相數

m＝3相，電樞電阻

Ra＝1歐姆，同步電抗

XS＝10歐姆，每相反電勢

Em＝210伏特，轉矩角

＝30°

額定電源相電壓VP＝≒220（伏特）1有一部6極、380伏特、60赫芝、Y形接線

(1)輸出功率

Po＝

＝6930（瓦特）

(2)最大輸出功率

Po(max)＝

＝13860（瓦特）

(3)同步轉速ns＝

＝1200（轉／分）最大輸出轉矩To(max)＝

＝

≒110.3（牛頓-公尺）(1)輸出功率Po＝(2)最大輸出功率Po(ma

2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P＝12極，額定電壓Vn＝400伏特，頻率f＝60赫芝，相數m＝3相，Y形接線，每相輸出功率Po＝6仟瓦

∴輸出轉矩

To＝（牛頓-公尺）

輸出功率To＝mPo＝3×6＝18（仟瓦）同步轉速ns＝

＝600（轉／分）2有一部12極、400伏特、60赫芝、三相Y24-5.2

同步電動機的負載特性同步電動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。24-5.2同步電動機的負載特性同步電動機在可帶動的機械負24-5.3

同步電動機的追逐現象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。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，或於輸出轉軸加裝飛輪，以增大其轉動慣性，來防止追逐現象。24-5.3同步電動機的追逐現象1.當同步電動機外加電源的24-5.4

同步電動機的激磁特性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。24-5.4同步電動機的激磁特性同步電動機在電源端外加額定1.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。(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效應。(3)同步電動機工作於電阻性負載。1.正常激磁(1)當同步電動機的功率因數cos調整到2.欠激磁(1)當激磁電流If

小於正常激磁電流Ifc

時，稱為欠激磁。(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，會產生正交磁及加磁的電樞反應。(3)同步電動機工作於電感性負載。2.欠激磁(1)當激磁電流If小於正常激磁電流Ifc3.過激磁(1)當激磁電流If

大於正常激磁電流Ifc

時，稱為過激磁。(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，會產生正交磁及去磁的電樞反應。(3)同步電動機工作於電容性負載。節目次3.過激磁(1)當激磁電流If大於正常激磁電流Ifc24-6

同步電動機的啟動法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。24-6.1

啟動步驟節目次24-6同步電動機的啟動法1.同步電動機啟動時，因為定子電24-6.2

啟動方法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(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。24-6.2啟動方法用其他電動機與同步電動機轉軸耦合，驅動2.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，且於無載或輕載的狀態下啟動。2.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3.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。3.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4.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，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，故適合重載啟動。節目次4.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24-7

同步電動機的運用與感應電動機比較，同步電動機有如表所示之優缺點。24-7.1

同步電動機與感應電動機的優缺點比較說明優點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24-7同步電動機的運用與感應電動機比較，同步電動機有如表24-7.2

主要用途如紙漿廠的打漿機、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24-7.2主要用途如紙漿廠的打漿機、滾壓機，水泥廠的研磨2.改善線路功率因數(1)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（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無效電流，其特性如同電容器，又可稱為同步電容器。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。2.改善線路功率因數(1)原理：(2)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。(2)說明：設原電力系統的有效功率P、無效功率QL，

①設P＝定值且不變，PC＝0時①設P＝定值且不變，PC＝0時

②設P＝定值且不變，但PC≠0時②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P＝300仟瓦，cos1＝0.6滯後

cos2＝0.8滯後，且PC＝0∴SC＝QC＝P(tan1－tan2)＝

＝＝175（仟乏爾）某工廠的平均耗電量為300仟瓦，負載功率因數為0.63.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。3.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4.計時、計數、電鐘、磁帶、唱盤…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：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4.計時、計數、電鐘、磁帶、唱盤…的驅動器其驅動器所用的電動(2)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生移動磁場，硬鋼圓筒轉子受此