同步發(fā)電機與無限匯流排并聯(lián)運轉(zhuǎn)之頻率

14.1同步發(fā)電機之結(jié)構(gòu)同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子磁場可藉由將轉(zhuǎn)子設(shè)計成永久磁鐵，或供應(yīng)一直流電給轉(zhuǎn)子繞組形成一電磁鐵而得到。接著以原動機帶動發(fā)電機之轉(zhuǎn)部而在電機內(nèi)部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。此旋轉(zhuǎn)磁場在發(fā)電機定部繞組中將感應(yīng)產(chǎn)生一組三相電壓。一電機內(nèi)通常會有場繞組

(fieldwinding)與電樞繞組

(armaturewinding)，場繞組主要是用來產(chǎn)生主磁場，而電樞繞組是用來感應(yīng)電壓。就同步機而言，場繞組位於轉(zhuǎn)子，所以轉(zhuǎn)子繞組

(rotorwinding)與場繞組是互用的，同理，定子繞組

(statorwinding)與電樞繞組也是互用的。24.2同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速同步發(fā)電機之所以稱為同步

(synchronous)，其意義就是指其產(chǎn)生之電頻率鎖定於或同步於發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)速。電機中磁場的旋轉(zhuǎn)速率和定部電頻率的關(guān)係如式(3-34)︰3其中fse

＝電頻率，Hz

nsm＝磁場的機械轉(zhuǎn)速，r/min(＝同步電機的轉(zhuǎn)部轉(zhuǎn)速)

P

＝極數(shù)既然轉(zhuǎn)部以同樣磁場的轉(zhuǎn)速在轉(zhuǎn)動，此等式也代表轉(zhuǎn)部轉(zhuǎn)速和其所產(chǎn)生之電頻率間的關(guān)係。4.3同步發(fā)電機內(nèi)部所產(chǎn)生的電壓給定之定部相位中所感應(yīng)之電壓的強度已知為4此電壓根據(jù)電機中的磁通?、電頻率、轉(zhuǎn)速與電機之構(gòu)造而定此等式常被重寫為一個強調(diào)電機運轉(zhuǎn)時的可變量的較簡單之形式。此簡單的形式為其中

K是代表電機結(jié)構(gòu)的常數(shù)。若ω

以每秒電弳來表示，則5若ω

是以每秒機械弳來表示，則內(nèi)部產(chǎn)生之電壓EA

直接與磁通和轉(zhuǎn)速成正比，在磁通本身依流於轉(zhuǎn)部磁場電路中之電流而定。磁場電流IF

和磁通?

的關(guān)係將以圖4-7a的形態(tài)出現(xiàn)。既然EA

和磁通直接成正比，則內(nèi)部產(chǎn)生之電壓EA

和磁場電流的關(guān)係將如圖4-7b所示。此種圖形被稱為電機之磁化曲線(magnetizationcurve)或開路特性(open-circuitcharacteristic)。6圖4-7

(a)同步發(fā)電機之磁場電流對磁通圖。(b)同步發(fā)電機之磁化曲線。4.4同步發(fā)電機之等效電路欲瞭解電樞反應(yīng)，可參考圖4-8。圖4-8a所示為在三相定部中旋轉(zhuǎn)之雙極轉(zhuǎn)部。定部未接負(fù)載。轉(zhuǎn)部磁場BR

產(chǎn)生內(nèi)部電壓EA，且其峯值和BR

之方向一致。發(fā)電機無負(fù)載時，將無電樞電流流通，則EA

和相電壓V?

會相等。現(xiàn)在假設(shè)發(fā)電機接至落後負(fù)載，因為負(fù)載是落後的，電流的峯值將在落後於電壓峯值的角度出現(xiàn)。圖4-8b中所示即為此效應(yīng)。78在定部繞組中流通之電流自己會產(chǎn)生磁場。此定部磁場稱為BS，而如圖4-8c中所示其方向是由右手定則所決定。此定部磁場BS自己在定部產(chǎn)生了一個電壓，且在圖中此電壓稱為Estat。定部繞組中出現(xiàn)了兩種電壓，則單相中的總電壓即為內(nèi)部生成電壓EA

和電樞反應(yīng)電壓Estat

的和︰淨(jìng)磁場Bnet

恰為轉(zhuǎn)部及定部磁場的和︰既然EA

和BR

的角度是相同的，且Estat

和BS

的角度是相同的，則所產(chǎn)生的淨(jìng)磁場Bnet

也會和V?

的方向一致。圖4-8d所示為其所產(chǎn)生的電壓及電流。94-8電樞反應(yīng)之模型的成形︰(a)旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生內(nèi)部生成電壓EA。(b)當(dāng)連接至落後負(fù)載時此電壓將產(chǎn)生落後的電流。(c)定部電流產(chǎn)生了自己的磁場BS，而BS

又在電機的定部繞組中產(chǎn)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(chǎn)生了單相的輸出V?。10BR

與Bnet

之間的角度稱為同步發(fā)電機的內(nèi)角(internalangle)或轉(zhuǎn)矩角(torqueangle)δ，此角度和發(fā)電機的輸出功率成正比電樞反應(yīng)電壓可被表示為於是單相上之電壓為觀察圖4-9所示之電路。此電路之克希荷夫電壓定律之方程式為電樞反應(yīng)電壓可模型化為一個串聯(lián)於內(nèi)部生成電壓的電感。11圖4-9一個簡單的電路(見課文)。除了電樞反應(yīng)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(yīng)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電樞反應(yīng)之效應(yīng)及電機中之自感都是以電抗來表示的，且常被合併為一個單一的電抗，稱為電機的同步電抗(synchronousreactance)︰描述V?

的最終方程式為圖4-10所示為此發(fā)電機全部的等效電路。此圖顯示出以直流電源供應(yīng)至轉(zhuǎn)部磁場電路，而此電路是被模型化為串聯(lián)的線圈電感及電阻。和RF

串聯(lián)的是一個用以控制磁場電流的可變電阻Radj。13圖4-10三相同步發(fā)電機的全部等效電路。14圖4-12所示即為此電機之每相等效電路。在使用每相等效電路時有一項重要的事實我們必須牢記在心︰只有當(dāng)與三相連接之負(fù)載為平衡時，此三相才會具有相同的電壓及相同的電流。圖4-12同步發(fā)電機之每相等效電路，內(nèi)部磁場電路電阻和外部可變電阻已合併為一個電阻RF。4.5同步發(fā)電機之相量圖圖4-13所示即為連接單位功率因數(shù)負(fù)載(純電阻負(fù)載)之發(fā)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(shù)下同步發(fā)電機之相量圖。16圖4-14所示即為上述兩個相量圖。注意，若已知相電壓及電樞電流，則落後負(fù)載下所需之內(nèi)部生成電壓EA

將比領(lǐng)先負(fù)載下所需之EA

大。因此，欲在落後負(fù)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ω必須是定值以保持固定頻率。17圖4-14同步發(fā)電機之相量圖︰(a)落後功因；(b)領(lǐng)先功因。4.6同步發(fā)電機之功率及轉(zhuǎn)矩同步發(fā)電機就是用來做發(fā)電機的同步電機。它將機械功率轉(zhuǎn)換為三相電功率。機械功率的來源，即原動機

(primemover)，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(zhuǎn)速必須幾乎為定值。若非如此，則所生成之電力系統(tǒng)的頻率將紊亂。圖4-15所示為同步發(fā)電機之功率流程圖。輸入之機械功率即發(fā)電機中之軸功率Pin＝τappωm，而內(nèi)部的機械功率轉(zhuǎn)換為電的形式則是1819圖4-15同步發(fā)電機之功率流程圖。20其中γ

是EA

和IA

所夾的角度。輸入發(fā)電機之功率和在發(fā)電機中轉(zhuǎn)換的功率之差值代表電機的機械損、鐵心損失與雜散損失就線的量而言，同步發(fā)電機的輸出電功率可被表示為而就相而言，就線路而言，其輸出虛功率為而就相而言，21圖4-16顯示出當(dāng)定部電阻被忽略時發(fā)電機的簡化相量圖。注意垂直線段bc

可被表示為EAsinδ

或XS

IAcosθ。所以，代入式(4-17)式(4-20)顯示出同步發(fā)電機之功率是根據(jù)V?

和EA

之間的角度δ

而定。角

δ被稱為電機之內(nèi)角(internalangle)或轉(zhuǎn)矩角(torqueangle)。也注意到當(dāng)δ＝90°時產(chǎn)生最大功率。當(dāng)δ＝90°，sinδ＝1，且22圖4-16忽略電樞電阻之簡化相量圖。23此式所示的最大功率被稱為發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定限度(staticstabilitylimit)，就真實電機而言，典型的滿載轉(zhuǎn)矩角為20°至30°。若V?

設(shè)為常數(shù)，則實功率的輸出是直接和IAcosθ

及EAsinδ

的量成正比的。且虛功率的輸出是直接和IAsinθ

成正比。發(fā)電機中之感應(yīng)轉(zhuǎn)矩可表示為其中δ

是轉(zhuǎn)部磁場和淨(jìng)磁場之夾角，即所謂的轉(zhuǎn)矩角

(torqueangle)。24由式(4-20)可導(dǎo)出另一種同步發(fā)電機的感應(yīng)轉(zhuǎn)矩表示式。因為Pconv＝τind

ωm，故感應(yīng)轉(zhuǎn)矩可表示為此式使用電的度量來表示感應(yīng)轉(zhuǎn)矩，而式(3-60)則使用磁的度量來表示相同的訊息。4.7同步發(fā)電機模型之參數(shù)量測同步發(fā)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(fā)電機的行為︰

1.磁場電流和磁通間的關(guān)係(及由此可知的磁場電流和EA

間的

關(guān)係)

2.同步電抗

3.

電樞電阻2526我們可以由任何已知的磁場電流求得對應(yīng)的內(nèi)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數(shù)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(dāng)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-circuittest)將磁場電流調(diào)為零並由安培計將發(fā)電機之終端短路。圖4-17b中且稱之為短路特性(short-circuitcharacteristic,SCC)。27圖4-17

(a)同步發(fā)電機之開路特性(OCC)。(b)同步發(fā)電機之短路特性(SCC)。28檢視圖4-12中的等效電路並將電機之終端短路。圖4-18a所示即為此圖。注意到當(dāng)終端短路時，電樞電流IA

為而其大小為圖4-18b所示為其相量圖，而圖4-18c所示則是相關(guān)之磁場。因為在電機中的淨(jìng)磁場如此地小，此電機不會飽和且短路特性(SCC)是線性的。當(dāng)V?＝0時，電機之內(nèi)部阻抗29因為XS

>>

RA，此式可化簡為若在某狀況下EA

和IA

已知，則同步電抗XS

可依式(4-26)求得。在給定磁場電流時決定同步電抗之近似方法

1.就給定之磁場電流由開路特性(OCC)中求得內(nèi)部生成電壓EA

2.就給定之磁場電流由短路特性(SCC)中求得短路電流IA,SC

3.利用式(4-26)求XS30圖4-18

(a)短路試驗時同步發(fā)電機之等效電路。(b)生成之相量圖。(c)短路試驗時的磁場。31圖4-19所示為將近似同步電抗視為磁場電流之函數(shù)的圖形。在電機靜止時加直流電壓至繞組並測其流過之電流而得到電阻之近似值。使用直流電壓代表在測量過程中繞組之電抗為零。這種技巧並不是完全精確的，因為交流電阻會比直流電阻高一點(由於高頻時的集膚效應(yīng))短路比發(fā)電機之短路比(short-circuitratio)定義為開路時額定電壓所需之磁場電流和短路時額定電流所需之磁場電流的比值。可以看出此值即為用式(4-26)所算出之近似飽和同步電抗pu值的倒數(shù)。32圖4-19同步發(fā)電機之近似同步電抗作為電機中磁場電流之函數(shù)的簡圖。在低磁場電流時所得之常數(shù)電抗即為電機中之未飽和同步電抗。4.8單獨運轉(zhuǎn)之同步發(fā)電機忽略RA發(fā)電機之轉(zhuǎn)速將視為恆定，且所有的終端特性是在假設(shè)轉(zhuǎn)速恆定的情形下所得。發(fā)電機之轉(zhuǎn)部磁通亦將視為定值。33同步發(fā)電機獨自運轉(zhuǎn)時負(fù)載變化的效應(yīng)在落後功因下工作的發(fā)電機。若在相同的功率因數(shù)下加入更多負(fù)載，則|IA|增加但和V?

所夾的角度θ

保持和以前一樣。因此，電樞反應(yīng)電壓jXSIA

將比以前大但保持同樣的角度。34jXSIA

必定是張於0°的V?

和EA

之間，但EA的大小卻限制在增加負(fù)載之前的值。若在相量圖上畫出這些限制，則可找到唯一的一點使電樞反應(yīng)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(xiàn)象存在，則可看出當(dāng)負(fù)載增加時V?

迅速降低。現(xiàn)在假設(shè)發(fā)電機是連接到單位功率因數(shù)的負(fù)載，可看出這一次V?

的降低就慢多了(見圖4-22b)。讓發(fā)電機連接到領(lǐng)先功率因數(shù)的負(fù)載。在相同的功率因數(shù)下加入新負(fù)載，電樞反應(yīng)電壓將位在原先的外方，而V?

的確上升了(見圖4-22c)。1.若發(fā)電機加入落後負(fù)載(＋Q

或電感性虛功率負(fù)載)，V?

和端電壓VT

明顯地降低。

2.若發(fā)電機加入單位功率因數(shù)負(fù)載(無虛功率)，V?

和端電壓VT

有些微

的下降。

3.若發(fā)電機加入領(lǐng)先負(fù)載(－Q

或電容性虛功率負(fù)載)，V?

和端電壓VT

將上升。35圖4-22固定功率因數(shù)時增加發(fā)電機之負(fù)載對端電壓所產(chǎn)生的效應(yīng)。(a)落後功率因數(shù)；(b)單位功率因數(shù)；(c)領(lǐng)先功率因數(shù)。36同步發(fā)電機若運轉(zhuǎn)於落後的功率因數(shù)下，將有相當(dāng)大的正電壓調(diào)整率，運轉(zhuǎn)於單位功率因數(shù)之同步發(fā)電機則有小的正電壓調(diào)整率，而運轉(zhuǎn)於領(lǐng)先功率因數(shù)之同步發(fā)電機則有負(fù)的電壓調(diào)整率。一般來說，即使負(fù)載本身變動，我們?nèi)韵Ｍ３止?yīng)至負(fù)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(fù)載的改變?；貞汦A

＝K?

ω。因為一般系統(tǒng)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(fā)電機中的磁場電阻以增加其磁場電流。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(nèi)部生成電壓EA＝K?

ω

增加。4.EA

的增加使V?

及發(fā)電機之端電壓增加。37例題4-2一部480V，60Hz，Δ連接之四極同步發(fā)電機之開路特性O(shè)CC，如圖4-23a所示。此發(fā)電機之同步電抗為0.1Ω，而電樞電阻為0.015Ω。滿載時，此電機供應(yīng)0.8PF落後之1200A的電流。在滿載的情況下，摩擦和風(fēng)阻損失為40kW，且鐵心損失為30kW。忽略任何磁場電路之損失。(a)此發(fā)電機之轉(zhuǎn)速為何？

(b)在無載時欲使端電壓為480V，則必須供應(yīng)多少的磁場電流至發(fā)電機？(c)若發(fā)電機現(xiàn)在連接至負(fù)載且負(fù)載汲取0.8PF落後之1200A的電流，欲

保持端電壓為480V需要多大的磁場電流？

(d)現(xiàn)在發(fā)電機供應(yīng)多少功率？原電動機供應(yīng)多少的功率至發(fā)電機？電機

之整體效率為何？

(e)若發(fā)電機之負(fù)載突然脫離，其端電壓會有何種變化？

(f)最後，假設(shè)連接至負(fù)載且供應(yīng)0.8PF領(lǐng)先之1200A的電流。欲保持

VT

為480V，需要多大的磁場電流？38圖4-23

(a)例題4-2中發(fā)電機之開路特性。39圖4-23

(b)例題4-2中發(fā)電機之相量圖。解︰

此發(fā)電機為Δ連接，所以其相電壓和線電壓是相等的V?＝VT，而其相電流與線電流之關(guān)係則為(a)同步發(fā)電機所產(chǎn)生的電頻率和轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的機械速率間的關(guān)係如式(3-34)

所示為︰(3-34)40(b)在此電機中，VT＝V?。因為此電機未連接負(fù)載，IA＝0且EA＝V?

。

因此，VT＝V?＝EA＝480V，且根據(jù)開路特性，IF

＝4.5A。(c)若發(fā)電機正供應(yīng)1200A的電流，則電機中之電樞電流為因此，因圖4-23b所示為此發(fā)電機之相量圖。若端電壓被定為480V，內(nèi)部生成電壓EA

的大小則為41欲使端電壓保持在480V，EA

必須調(diào)至532V。由圖4-23可得所需之

磁場電流為5.7A。(d)可由式(4-16)算出發(fā)電機所供應(yīng)的功率︰欲決定輸入發(fā)電機的功率，使用功率流程圖(圖4-15)。根據(jù)功率流程

圖，輸入機械功率為雜散損在此無特別指定，故將其忽略。在此發(fā)電機中，電損失為鐵心損失為30kW，且摩擦及風(fēng)阻損失為40kW，所以發(fā)電機之總輸入功率為42(e)若發(fā)電機之負(fù)載突然脫離，電流IA

會降至零，使得EA

＝V?。既然磁

場電流沒有改變，|EA|也不會變，而V?

和VT

將會上升至與EA

同值。

因此，若負(fù)載突然脫離，發(fā)電機之端電壓將會升至532V。(f)若發(fā)電機之端電壓為480V且負(fù)載汲取0.8PF領(lǐng)先之1200A的電流，

則內(nèi)部生成電壓為因此，此電機之整體效率為因此，若VT

要維持480V則內(nèi)部生成電壓EA

必須調(diào)至451V。使用開路特性，磁場電流會被調(diào)至4.1A。43例題4-3一部480V，50Hz，Y連接，六極之同步發(fā)電機，其每相同步電抗為1.0Ω。當(dāng)其為0.8PF落後時，滿載電樞電流為60A。當(dāng)60Hz且滿載時，此發(fā)電機之摩擦及風(fēng)阻損失為1.5kW，而鐵心損失為1.0kW。因為電樞電阻被忽略，故假設(shè)I2R

損失可忽略不計。無載時磁場電流已調(diào)整至使端電壓為480V。(a)此發(fā)電機之轉(zhuǎn)速為何？(b)在下列情況中發(fā)電機之端電壓分別為何？

1.0.8落後功率因數(shù)之額定電流負(fù)載。

2.1.0單位功率因數(shù)之額定電流負(fù)載。

3.0.8領(lǐng)先功率因數(shù)之額定電流負(fù)載。(c)當(dāng)發(fā)電機運轉(zhuǎn)於0.8PF落後之額定電流負(fù)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(yīng)多少的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩？其感應(yīng)之反轉(zhuǎn)矩有多少？(e)當(dāng)發(fā)電機運轉(zhuǎn)於0.8PF落後，試求其電壓調(diào)整率？運轉(zhuǎn)於1.0單位功

率因數(shù)？運轉(zhuǎn)於0.8PF領(lǐng)先？44解︰

此發(fā)電機為Y連接，所以其相電壓為

。亦即當(dāng)VT

調(diào)整至480V時，V?＝277V。磁場電流已被調(diào)至使VT,nl

＝480V，所以V?＝277V。無載時，電樞電流為零，所以電樞反應(yīng)電壓及IARA

電壓降為零。因為IA

＝0，內(nèi)部生成電壓EA

＝V?＝277V，內(nèi)部生成電壓EA(＝K?ω)只有在磁場電流改變時才會改變。因為本題中磁場電流一開始調(diào)好之後就不予以更動，內(nèi)部生成電壓之大小為EA＝277V且在本題中將不會變動。(a)同步發(fā)電機之轉(zhuǎn)速以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)可以式(3-34)表示為︰所以45另外，轉(zhuǎn)速若以每秒弳度來表示(b)1.

若發(fā)電機連接至0.8PF落後之額定電流負(fù)載，則其相量圖將會如圖

4-24a所示。在此相量圖中，我們已知V?

的角度為0°，EA

的大小

為277V，且jXSIA

的量為在此相量圖中有兩個量是未知的，即V?

的大小及EA的角度δ。要找出這些值最簡單的方法即在相量圖上建構(gòu)一個直角三角形，如圖所示。由圖4-24a，此直角三角形告訴我們46因此，0.8PF落後之額定負(fù)載時的相電壓為2.若發(fā)電機連接至單位功率因數(shù)之額定負(fù)載，則相量圖將會如圖4-24b

所示。此處利用直角三角形的特性求V?

為473.當(dāng)發(fā)電機連接至0.8PF領(lǐng)先之額定負(fù)載，則相量圖將會如圖4-24c

所示。在此情形下欲求V?，我們在圖中建構(gòu)如OAB

所示之三角形。

所得之方程式為因此，0.8PF領(lǐng)先之額定負(fù)載下的相電壓為48圖4-24例題4-3中之發(fā)電機相量圖。(a)落後功率因數(shù)；(b)單位功率因數(shù)；(c)領(lǐng)先功率因數(shù)。49(c)當(dāng)發(fā)電機供應(yīng)0.8PF落後之60A電流時，其輸出功率為其輸入機械功率為此發(fā)電機之效率為(d)發(fā)電機之輸入轉(zhuǎn)矩可由下式而得所以50(e)發(fā)電機之電壓調(diào)整率定義為感應(yīng)反轉(zhuǎn)矩為所以根據(jù)此定義，電壓調(diào)整率在落後、單位、領(lǐng)先功率因數(shù)時分別為4.9交流發(fā)電機之並聯(lián)運轉(zhuǎn)發(fā)電機要並聯(lián)運轉(zhuǎn)的幾個優(yōu)點︰

1.

數(shù)個發(fā)電機可比一個單獨的電機供應(yīng)更大的負(fù)載。

2.

擁有許多部發(fā)電機可增加電力系統(tǒng)的可靠度，因為其中任一

部的故障不致造成負(fù)載的所有功率流失。

3.

擁有許多部發(fā)電機並聯(lián)運轉(zhuǎn)使得其中的一、兩部可以被移走

，做停機或預(yù)防保養(yǎng)的動作。

4.若只有一部發(fā)電機且並非運轉(zhuǎn)於滿載，則這是相當(dāng)沒有效率

的。但是若數(shù)個小的電機則可以只運轉(zhuǎn)其中的一部分。運轉(zhuǎn)

中的那些電機是以接近滿載運轉(zhuǎn)而會更有效率。5152並聯(lián)運轉(zhuǎn)所需的條件1.兩發(fā)電機線電壓(linevoltage)之根均方值必須相等。2.兩發(fā)電機必須有相同的相序(phasesequence)。3.兩者的a

相之相角必須相等。4.新發(fā)電機稱為即臨發(fā)電機(oncominggenerator)，其頻率必須比正在運

轉(zhuǎn)之系統(tǒng)的頻率要高一點。圖4-26發(fā)電機並聯(lián)於正在運轉(zhuǎn)中之電力系統(tǒng)。53若相序不同(如圖4-27a中所示)，則即使有一對電壓同相(a

相)，其他兩對電壓也會有120°的異相。若發(fā)電機是如此連接的，則在a

相上不會有問題，但在b

相及

c相中會有很大的電流流過，將兩個電機損毀。欲改正相序的問題，只要在其中的一部電機上簡單地把三相中的兩相對調(diào)連接即可。圖4-27

(a)三相系統(tǒng)兩種可能出現(xiàn)的相序。54圖4-27

(b)檢驗相序之三燈泡法。55發(fā)電機並聯(lián)之一般程序假設(shè)發(fā)電機G2

如圖4-27中所示連接至運轉(zhuǎn)中之系統(tǒng)。欲達(dá)成並聯(lián)運轉(zhuǎn)，必須採取下列步驟。首先，使用伏特計，即臨發(fā)電機之磁場電流必須被調(diào)至使其端電壓和運轉(zhuǎn)系統(tǒng)的線電壓相同。其次，即臨發(fā)電機之相序必須和運轉(zhuǎn)系統(tǒng)之相序做比較。再來，即臨發(fā)電機之頻率要調(diào)至比運轉(zhuǎn)系統(tǒng)的頻率稍微高一點。臨發(fā)電機要調(diào)至有稍微高一點的頻率。一旦頻率已經(jīng)非常接近了，兩系統(tǒng)中的電壓對彼此的相位變化會非常慢。當(dāng)觀察此相位變化，且相角是相等的時候，把連接兩個系統(tǒng)的開關(guān)關(guān)上。56同步發(fā)電機之頻率-實功率特性及電壓-虛功率特性所有的原動機都趨向於類似的行為模式——當(dāng)從其所汲取的功率增加時，其轉(zhuǎn)速會下降。通常其轉(zhuǎn)速之下降是非線性的，但常在系統(tǒng)中加入某種形式的控制機構(gòu)，以使其在需求功率上升時轉(zhuǎn)速能線性地下降。無論在原動機上使用何種控制機構(gòu)，通常都被調(diào)整至在負(fù)載增加時可提供輕微下降的特性。原動機之轉(zhuǎn)速降(speeddroop,SD)可由下式定義其中nnl是無載時之原動機轉(zhuǎn)速，而nfl

是滿載時之原動機轉(zhuǎn)速。大多數(shù)的發(fā)電機的原動機有2%到4%的轉(zhuǎn)速降，典型的轉(zhuǎn)速-對-實功率圖如圖4-29所示。57由於轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與所造成之電頻率間的關(guān)係如式(3-34)所示：一個頻率對實功率之例圖如圖4-29b所示。頻率和實功率間的關(guān)係可由下式定量地描述58圖4-29

(a)典型原動機之轉(zhuǎn)速-對-實功率曲線。(b)所造成之發(fā)電機頻率-對-實功率曲線。59可以繪出端電壓對虛功率的圖，而這樣的圖像圖4-30中一樣有著遞減的特性。此特性並不一定要是線性，但許多發(fā)電機之電壓調(diào)整器中都包括了可使其為線性的特性。當(dāng)單一發(fā)電機獨自運轉(zhuǎn)時，發(fā)電機所供應(yīng)的實功率P

和虛功率Q

是由連接至發(fā)電機的負(fù)載來決定其量──供應(yīng)的P

和Q

並不能由發(fā)電機之控制器來控制。因此，就給定之實功率而言，使用控制器以定點的方法來控制發(fā)電機之運轉(zhuǎn)頻率fe，而就給定之虛功率而言，利用磁場電流來控制發(fā)電機之端電壓VT。圖4-30同步發(fā)電機之端電壓(VT)-對-虛功率(Q)曲線。60發(fā)電機與大型電力系統(tǒng)之並聯(lián)運轉(zhuǎn)無限匯流排(infinitebus)是一個很大的電力系統(tǒng)且無論多少的實功率及虛功率輸入或輸出，其頻率及電壓都維持不變。圖4-32a所示為此種系統(tǒng)之實功率-頻率特性，而圖4-32b所示為其虛功率-電壓特性。圖4-32無限匯流排的曲線：(a)頻率-對-實功率；(b)端電壓-對-虛功率。61圖4-33

(a)同步發(fā)電機與無限匯流排並聯(lián)運轉(zhuǎn)。62圖4-33

(b)同步發(fā)電機與無限匯流排並聯(lián)運轉(zhuǎn)之頻率-對-實功率圖(或屋子圖)。63假設(shè)發(fā)電機根據(jù)前述的程序才剛剛和無限匯流排並聯(lián)。則本質(zhì)上發(fā)電機是浮動於線上，供應(yīng)少量的實功率，且供應(yīng)少量的、甚至完全不供應(yīng)虛功率。這種情形如圖4-34所示。圖4-34完成並聯(lián)後的瞬間之頻率-對-實功率圖。64假設(shè)發(fā)電機已並聯(lián)至線上，但是頻率並非比運轉(zhuǎn)系統(tǒng)稍微高些，反而比較低。在這種情形下，當(dāng)完成並聯(lián)後，其結(jié)果如圖4-35所示。發(fā)電機供應(yīng)的功率實際上是負(fù)的。換句話說，當(dāng)發(fā)電機之無載頻率低於系統(tǒng)之運轉(zhuǎn)頻率時，發(fā)電機實際上是在消耗電功率，且是以電動機的型態(tài)在運轉(zhuǎn)。圖4-35若在並聯(lián)前發(fā)電機之無載頻率比運轉(zhuǎn)系統(tǒng)之頻率略低時，其頻率-對-實功率圖。65一旦發(fā)電機已經(jīng)連接好了，提升控制器設(shè)定點會發(fā)生什麼事？其影響是使得發(fā)電機之無載頻率向上移動。因為系統(tǒng)的頻率是不變的(無限匯流排的頻率是不能改變的)，所以發(fā)電機供應(yīng)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(fā)電機之輸出功率持續(xù)增加而超越了負(fù)載所消耗的功率時，會發(fā)生什麼事？若發(fā)生這種情形，所產(chǎn)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(shè)定點所造成的影響︰(a)屋子圖67圖4-36提升控制器設(shè)定點所造成的影響︰(b)相量圖。68若當(dāng)磁場電流改變時供應(yīng)之功率為定值，則在相量圖中正比於功率的距離(IAcosθ

和EAsinδ)不變。當(dāng)磁場電流增加，磁通?

增加，而且因此EA(＝K?↑ω)增加。若EA增加但EAsinδ

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(jié)果正比於Q的距離(IAsinθ)增加了。換句話說，當(dāng)同步發(fā)電機與無限匯流排並聯(lián)運轉(zhuǎn)時，增加其磁場電流會使發(fā)電機之輸出虛功率增加。總而言之，當(dāng)發(fā)電機與無限匯流排並聯(lián)運轉(zhuǎn)時︰1.同步發(fā)電機之頻率及端電壓是由其所連接之系統(tǒng)來決定的。2.發(fā)電機之控制器設(shè)定點控制了發(fā)電機供應(yīng)至系統(tǒng)的實功率。3.發(fā)電機之場電流控制了發(fā)電機供應(yīng)至系統(tǒng)的虛功率。69圖4-37增加發(fā)電機之磁場電流對電機之相量圖所造成的影響。70發(fā)電機與相同大小之其他發(fā)電機並聯(lián)運轉(zhuǎn)同步發(fā)電機不接至無限匯流排而接至另一個相同大小的發(fā)電機一起並聯(lián)運轉(zhuǎn)，會發(fā)生什麼事呢？改變控制器設(shè)定點及磁場電流會產(chǎn)生什麼影響？若發(fā)電機和另一個同樣大小的發(fā)電機一起並聯(lián)運轉(zhuǎn)，所形成之系統(tǒng)如圖4-38a所示。在此系統(tǒng)中最基本的限制就是，兩發(fā)電機所供應(yīng)的實功率及虛功率之總和必須等於負(fù)載所需求的P

和

Q。圖4-38b所示為當(dāng)G2

剛剛加入線上一起並聯(lián)運轉(zhuǎn)時，此系統(tǒng)之實功率-頻率圖。在此處，總實功率Ptot(相等於Pload)可表為而總虛功率可表為當(dāng)G2

的控制器設(shè)定點上升時會發(fā)生什麼事？當(dāng)G2

的控制器設(shè)定點上升，G2

的實功率-頻率曲線上升，如圖4-38c所示。不要忘了，供應(yīng)至負(fù)載的總實功率是不變的。71在原本的頻率f1

時，G1

和G2

所供應(yīng)之總實功率將會大於負(fù)載之需求，所以系統(tǒng)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(fā)電機之輸出實功率等於Pload。此頻率f2

比原先系統(tǒng)之運轉(zhuǎn)頻率要高。在此頻率下，G2比以前供應(yīng)更多的實功率，而G1

則比以前供應(yīng)較少的實功率。當(dāng)兩發(fā)電機一起並聯(lián)運轉(zhuǎn)時，提升其中一部發(fā)電機之控制器設(shè)定點，使得

1.系統(tǒng)之頻率增加。

2.此發(fā)電機供應(yīng)之實功率增加，而另一部發(fā)電機供應(yīng)之實功率減少。當(dāng)G2

的磁場電流增加時會發(fā)生什麼事？其產(chǎn)生的行為類似於實功率的情形且示於圖4-38d中。當(dāng)兩發(fā)電機一起並聯(lián)運轉(zhuǎn)時，增加G2

之磁場電流，使得

1.系統(tǒng)之端電壓增加。

2.此發(fā)電機供應(yīng)之虛功率增加，而另一部發(fā)電機供應(yīng)之虛功率減少。72圖4-38

(a)發(fā)電機與另一部同樣大小之電機並聯(lián)連接。(b)當(dāng)發(fā)電機2與系統(tǒng)並聯(lián)瞬間之屋子圖。73圖4-38

(c)提升發(fā)電機2之控制器設(shè)定點對系統(tǒng)之運轉(zhuǎn)所造成的影響。74圖4-38

(d)增加發(fā)電機2之磁場電流對系統(tǒng)之運轉(zhuǎn)所造成的影響。75當(dāng)兩部發(fā)電機一起運轉(zhuǎn)時︰1.此系統(tǒng)受限於兩部發(fā)電機供應(yīng)之總功率必須等於負(fù)載消耗的量。fsys

和VT

都不被限制為定值。2.欲調(diào)整兩發(fā)電機間之實功率分配而不改變fsys，同時升高一部發(fā)電機

之控制器設(shè)定點，並降低另一部之控制器設(shè)定點?？刂破髟O(shè)定點升高

之電機要承受更大之負(fù)載。3.欲調(diào)整fsys

而不改變實功率的分配，同時增或減兩部發(fā)電機之控制器

設(shè)定點。4.欲調(diào)整兩發(fā)電機間之虛功率分配，而不改變VT；同時增加一部發(fā)電機

的磁場電流，並減少另一部之磁場電流。磁場電流增加之電機要承受

更大的虛功率負(fù)載。5.欲調(diào)整VT

而不改變虛功率的分配，同時增或減兩部發(fā)電機之磁場電

流。4.10同步發(fā)電機暫態(tài)76圖4-40

(a)改