同步电动机转矩-转速特性曲线

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圖 5-6 (a) 以領先功率因數運轉之電動機相量圖。
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圖 5-6 (b) 負載上的增加對同步電動機之運轉所造成的影響。
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磁場電流改變對同步電動機的影響
圖 5-8a 所示為一開始以落後功率因數運轉之同步電動機。 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。 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。 在相量圖上正比於實功率的線段長度 (EA sin δ 和 IA cos θ ) 也因此必定是 定值。當磁場電流增加，EA 必須增加，但它只能夠沿著定功率線向外滑 出。 此效應如圖 5-8b 所示。
圖 5-4 (a) 同步電動機之相量圖。(b) 對應之磁場圖。
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同步電動機轉矩-轉速特性曲線
電動機的旋轉速度被鎖定在旋轉磁場的變化率，而所供給的機械場旋轉 速率被鎖定在供給的電頻率，因此不管負載為何，同步電動機的轉速是 固定的，其轉速可表示
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其中 nm 為機械速率，fse 為定子之電的頻率，P 為電動機的極數。
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圖 5-3a 中所示為發電機以大磁場電流運轉時之相量圖，圖 5-3b 所示則 為對應之磁場圖。
BR 對應於 (產生) EA，Bnet 對應於 (產生) Vϕ 而 BS 對應於 Estat (＝－jXSIA)。
圖 5-3 (a) 同步發電機於落後功率因數下運轉時之相量圖。(b) 對應之磁場圖。
所以 |EA| 在負載改變時必須維持定值。正比於實功率的線段距離會增加 (EA sin δ 和 IA cos θ )，但 EA 的大小必須維持定值。當負載增加，EA 如 圖 5-6b 中所示之方式擺動而下。當 EA 一直向下擺動，量 jXSIA 必須增 加以連接 EA 和 Vϕ 的頂端，因此電樞電流 IA 必須增加。
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圖 5-4a 所示則為對應於電動機運轉之相量圖。在發電機中量 jXSIA 是由 Vϕ 指向 EA 而在電動機中是由 EA 指向 Vϕ ，其原因是在電動機等效電路 中 IA 之參考方向是定義為反向於發電機。
在發電機中，EA 位於 Vϕ 之前，且 BR 位於 Bnet 之前。在電動機中，EA 位於 Vϕ 之後，且 BR 位於 Bnet 之後。
這些方程式意指當磁場電流愈大 (即 EA 愈大)，電動機之最大轉矩也愈 大。
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圖 5-5 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。
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負載變化對同步電動機的影響
同步電動機一開始以領先功率因數運轉的情形，如圖 5-6 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。
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圖 5-8 (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。
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圖 5-9 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 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。 當磁場電流比造成 IA 最小值時之磁場電流值還小，電樞電流是落後的， 消耗 Q。當磁場電流比造成 IA 最小值時之磁場電流值還大，電樞電流是 領先的，供應 Q 至電力系統就像一個電容器，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 (reactive power)。
► 因為定部磁場是旋轉的，轉部磁場 (和轉部本身) 將會持續地試 著要趕上定部磁場。兩磁場間所夾的角度愈大 (就某一特定之 最大值而言)，電機轉部之轉矩也愈大。
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圖 5-1 雙極同步電動機。
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同步電動機之等效電路
由於 IA 方向的改變，等效電路的克希荷夫電壓定律方程式也跟著改變了。 新的等效電路的克希荷夫電壓定律方程式可寫為
或
圖 5-2 (a) 三相同步電動機之完整等效電路。
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圖 5-2 (b) 每相等效電路。
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5.1 電動機之基本運轉原理
► 圖 5-1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。
► 電樞繞組中的一組三相電流產生均勻的旋轉磁場 BS，在電機中 出現兩個磁場，且轉部磁場會趨於和定部磁場排成一列。
圖 5-5 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 (pullout torque) ] 都為定值， 故其速度調整率為 0% [式 (3-68)]。轉矩之方程式為
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最大或脫出轉矩在 δ＝90°時產生。實際上，脫出轉矩之典型值可能是電 機之滿載轉矩的 3 倍大。 電動機之最大或脫出轉矩為