1、. 實習項目 : 交流同步電動機特性實驗. 實習目的 :( 一 ) 學習同步電動機之起動法 .( 二 ) 了解同步電動機之相位特性 (V 型曲線 ).( 三 ) 了解同步電動機負載變化時之輸入、輸出、功因及轉矩之變化特性( 一) 同步電動機之起動同步電動機 ,在靜止時 , 於定部繞阻加上一交流電源 , 則電樞線圈邊 A 及 B 之瞬 時電流方向如圖一 (a) 所示, 根據夫來明右手定則將產生一電磁轉矩 , 使導體向 右移, 但導體固定而使磁場向左移動 . 在另一半周時 , 線圈內電流之方向改變了 如圖一 (b) 所示, 由於轉子之大轉動慣量 , 轉子來不及加速而使磁極之轉矩方向 亦隨之改變 ,

2、 故在一秒鐘內正反轉矩各變動 60 次合成轉矩零 圖一若以某些方法 , 使轉部向順時鐘方向轉動 , 且其轉速接近同步轉速時 , 二所示 電流方向改變了，而轉部磁極原來在 A導體的亦向前移至C導體而產生同一方向 之轉矩 .圖二起動同步電動機之步驟為1. 藉外力或別的做用先將同步電動機轉子轉到同步轉速附近 .2. 加直流激磁使轉部達到同步轉速 . 使同步電動機起動 , 使轉速接近同步轉速之方法有感應起動法及輔助起動法兩種 .(1) 感應起動法 - 利用同步電動機轉部極面槽內之鼠籠式結構的阻尼繞阻 , 藉感 應電動機之原理 , 使轉部轉動 , 然後再藉轉部直流激磁所發生之同步化轉矩 引入同步 .(2

3、) 輔助起動法 , 此法又可分為下列數種 :(1) 在同部電動機軸上耦合一直流電動機 : 一般同步電動機是做為 驅動直流 發電機 , 但為了達到同步 , 可以先將直流發電機做為電動機以起動同步電 動機 , 一但接近同步速率時 , 將激磁電流送入同步電動機 , 而使電動機得 以整步 .(2) 把場激磁發電機當做直流電動機 : 此法與 (1) 最大不同是激磁機 (直流分 機發電機 ) 系作為電動機使用 , 和同步電動機及交流電源同步 .(3) 以裝於同一軸上之感應電動機起動 : 此種感應電動機必須比起動電動機 有較少極數 ( 最好少兩極 ), 因而有較高之同步速率 , 先將同步電動機升高 至同步速

4、率以上 . 將交流電流及直流電流同時加入電樞及磁場繞阻中藉 以引入轉距 , 使同步電動機轉子達到同步速率 .(二) 變化激磁電流時，電樞電流I a及功因(COS如)均隨之改變其原理如下:1. 當直流激磁電流增加至某值時，使電樞電流 山與外施電壓VP同相,功因為1 此法稱為正激 , 如圖三 (a) 所示.(3) 若增加同步電動機之激磁電流 , 因其速率恒等於同步速率 , 故其感應之反電 勢Egp 一定升高,大於外施電壓Vp,此種激磁法稱為過激.如圖三(b)所示,因V 一定,Egp增加,而Er為Egp與VP之相量和,故E向反時針方向移動.而電流la 與Er間之角度87度是一常數，故電流la亦反時針

5、方向移動，使得電樞電流la 較外施電壓越前。角度，故改變激磁電流可改變功因角。(4) 若降低同步電動機之激磁電流 , 因其速率恒等於同步速率 , 故其感應之電勢Egp一定降低而低於外施電壓 VP,此種激磁方法稱為欠激。如圖三 （c）所示,而 Er為Egp與VP之和,Vp 一定,故E向順時針方向移動,使電樞電流Ia與E-間之 角一定為87度故亦向反時針方向移動，使電樞電流la較外施電壓Vp滯後一 角度 。圖三 由上可知在一定之外施電壓及負載之下 , 若改變其激磁電流 , 則可改善同 步電動機之電樞電流及相位。在負載一定時，電樞電流la與激磁電流I f之關 系曲線，略成V曲線。圖四中，曲線1、2、

6、3各表示無載、半載及滿時之 V 曲線（l-l f）。在極低激磁時，電樞電流大而相位滯後激磁電流漸增 ，則電樞電 流小 , 直至最低值時 , 若激磁電流繼續增 , 則電樞電流又開始增大 , 并且相位 越前。換言之 , 即電流 l f 由低值變成高值 , 電動機由欠激變成過激當電樞 電流I a最小時之激磁稱為正激，cos 9 =1,若激磁大於此值（過激），此時電樞 電流越前。反之滯後。圖四之 1'、 2'、 3'為表示各對 1、 2、 3 之功因變 化曲線稱為倒V曲線。點線為各負載下之 V曲線之最小電樞電流值之軌跡， 在此點線上 ,cos 9 =1。圖四V曲線及倒V曲線（

7、三） 同步電動機之負載特性同步電動機之轉速乃由頻率及極數決定 , 故轉部只能以同步轉速、轉動。當負載變 動時 , 其輸入、輸出、效率、功因及轉矩等均發生變化。圖五 （a） 、 （b） 、 （c） 分別 表示於正激、欠激及過激情況下 , 負載變化之影響。圖五由圖五可知曉 （a） 當負載增加時 , 不論欠激、正激或過激電樞電流增加 , 功率輸入增 加。 （b） 當電動機過激或欠激情況下 , 由於負載之增加 , 其功率因數趨向於 1 且功因 之改變大於電樞電流之改變 。 （c） 馬達於正激情況下 , 由於負載之增加而使電樞電流 增加大於功率因數之增加 , 且趨向於愈滯後。三. 使用儀器及設備：（一）

8、交流同步電動機一直流動力計組r=一臺（ 二 ） 交流儀表裝置組1. 單相瓦特表 4000W2. 電流表020A3. 伏特表0400V4. 讀表選擇開關三段式（ 三 ） 直流儀表裝置組1. 單相瓦特表 4000W2. 電流表020A3. 伏特表0400V4. 讀表選擇開關三段式（ 四 ） 三相交流電源220V一臺（ 五） 直流電源0到 110V 4A（ 六 ） 轉速計一臺（ 七） 電子磅秤1只（ 八 ） 雙極雙投開關1只五. 電路圖：圖六六. 實驗步驟：（一）同步電動機起動1. 如圖六之接線。ON,調整IVR,使其輸出為同步電動機之額定電壓值。向上接通（場繞組短路）此時Ri置於最大值,關閉（cl

9、osed）S 1,無載起動同步電動機，約至額定轉速附近時 S2向下接通，接入電源加激磁 電流,使達到同步轉速（起初當作感應電動機起動，起動前所有儀表之 電流線圈均要短接）（二） 相位特性實驗（負載不變，激磁電流改變）1. 如圖六之接線2. 如圖上述 “起動法 “起動同步電動機，維持外加電壓不變3. 逐步增加同步電動機之激磁電流If，一直至額定值的倍分10段記錄Iaf及cos如（若激磁電流額定不知，則以電動機電樞電流為倍額定時之激磁電流為最大值）4. 接通S4,調整R2,使M之讀數為直流發電機之額定電壓，關閉（closed）S 3,調節同步電動機之電樞電流為最小且其值為 50癥定值。即調整發電機

10、之負載L, 使發電機之負載約為電動機額定輸出之半值 求此時直流發電機之輸出，維 持癹電機輸出一定不變；改變If,自額定激磁電流之30%逐步增加到額定 電流之150%為止，分段記錄If . I a . cos ip5. 如4.之方法，加負載之額定值，求其相位特性。（三）無載試驗無載起動同步電動機維持外加電壓不變.變化激磁電流If由最大值幵始至最小值，逐次記錄各儀表之指示，求出電動機之無載旋轉損失.（四）負載特性試驗（激磁電流不變，負載改變）1. 如圖六之接線.2. 無載起動同步電動機，接通S4調Vg為直流發電機之額定值，接通9 ,加負載於同步電動機，此時隨著輸出的增加，電樞電流增加，維持額定電壓

11、不變， 一面加負載，一面調節電動機之可變電阻，使電樞電流為最小值（即100%功因 時之電樞電流），且此最小值為電動機之額定值，記錄此時之If ,此為正常激磁3. 維持此If值及外加電壓不變，加負載使電動機之輸出由零增至倍額定值，（利用動力計之外加電壓改變之）逐次記錄各儀表值.4. 調整激磁電流為步驟 2.之If之倍，重復步驟3.5. 調整激磁電流為步驟 2.之If之一半，重復步驟3.七. 實習結果：1.相位特性n二rpm次數項目無載P = W+W=瓦IfI aWWPQCose半載P = W+W=瓦IfI awWPQCose滿載P = W+W=瓦IfI aWWPQCose以I f為橫軸，Cos

12、e為縱軸 繪出倒V特性曲線、項目 次數V(V)11(A)I 3(A)I = I 1+I 3/2(A)輸入功率P1=W+W (W)I f(A)旋轉損失P1-3I(W)WWP11234567(1)以If為橫軸,I a為縱軸繪出V型特性曲線(二)無載特性以I f為橫軸,P r為縱軸繪出I f與Pr之特性曲線(三) 負載特性n=rpm項目次數12345678910WW(Kg)I a =I 1+1 3/211I 3I a算 值P=w+匪T(NT-m)PoCos 0nW(Kg)I a =I 1 + 1 3/2I 1I 3I a計 算 值P=W+W2T(kgm)PoCos 0nWW(Kg)I a =I 1

13、+ 1 3/2I 1I 3I a計 算 值P=W+W2T(kgm)PoCos 0n欠激磁I f= A過激磁I f= A正 常激磁If= A1）正常激磁過激 磁 欠激 磁 以上 是以p為 橫 軸COS。為縱軸分 別繪出 於正 激、過 激、欠激 情況下 之特性 曲線 八.注 意事項：1.轉 子 開 始 轉 動 直 到 接 近 同 步 轉速時，很明顯地在磁場繞阻上將感應一高壓，此高壓很可能破壞轉子之絕緣，故須在同步電動機轉子接近同步轉速後，才使 轉子繞阻通入直流電2.在無載或輕載情況下，接近同步轉速時，加入直流電源，轉速并未改變，此乃 轉子本身已進入同步，其同步轉矩來自轉矩.另有一種現象即當接近同步

14、轉速 之際，將磁場之激磁電流加入時，會產生一聲音，此乃因磁極之極性瞬間與定 子旋轉磁場相同，因而引起氣隙磁通突然下降而降低應電勢，降低轉矩，樞流, 然後才同步 , 線電流恢復正常 ., 是因此時以組尼繞組啟動 , 具感應機特性 , 而感 , 故為正常現象 .增加 . 於是轉子退後一個磁極3. 未加直流激磁前的電樞電流太高 應機透過氣隙所需激磁電流甚大 九 . 問題研討 :( 一 ) 、選擇題1.( ) 無載運轉之同步電動機加入負載時 (A) 繼續以同步轉速運轉 (B) 瞬時速率下降 , 再 保持某一負載角 , 再以同步轉速繼續運轉 (C) 低於同步轉速運轉 (D) 旋轉速率遽降 終至停止2.

15、( ) 同步電動機在啟動時 , 磁場線圈中 (A) 不可加激磁電流 (B) 可加激磁電流 (C) 可加激磁電流 , 但電壓要低 (D) 加與不加激磁電流無關3. ( ) 設電流原為滯後之同步電動機 , 若漸增其磁場線圈中之電流 , 則其功率因數將 (A) 漸大 (B) 漸小 (C) 先增大後減小 (D) 先減小後增大4. ( ) 同步電動機之直流激磁增減主要目的為 (A) 速率調整 (B) 功率調整 (C) 起動轉矩調 整 (D) 頻率調整 (E) 功因調整5. ( ) 同步電動機增加激磁電流時 , 其速率 (A) 升高 (B) 降低 (C) 不變 (D) 不一定6. () 同步電動機之 V型

16、曲線為(A) V - I a (B) V -If (C) I a - I f (D) P - I a關系 曲線7. ()同步電動機欲當電容器使用時，應(A)增加負載(B)并聯電容器(C)增加激磁(D) 減少激磁 (E) 減少負載8. ( ) 在同步電動機中 , 電樞電流最小時之功因為 (A) 100% (B) 50% (C) 0(D) %9. ( ) 供電系統頻率為 50赫之12極同步電動機 , 其轉速為 (A)1800rpm (B)1200rpm(C) 500rpm (D)375rpm (E)1500rpm10. ( ) 同步電動機當負載減少時 (A) 轉速減小轉矩角減小 (B) 轉速不變轉

17、矩角減小(C) 轉速不變轉矩增加 (D) 轉速增加轉矩角增加 (E) 轉速、轉矩角均不變11. ( ) 設同步電動機之負載角為 e , 則其輸與 (A) sin e (B) cos e(C) cot e (D) tan e(E) sec e 成正比12. ( ) 同步機之電樞反應將產生下 列何者結果 ? (A) 電壓領前電流 90°使主磁極產生減磁作用 (B) 電壓滯後電流 90 °使主磁極產生減磁作用 (C) 電壓與電流相同使主 磁極產生滅磁 (D) 電壓滯後電流 90 °使主磁極產生交磁 (E) 以上皆非13. ( ) 同步電動機之 淚磁電流若 自最小漸增 ,

18、 則功率因數之變化為 (A) 漸增大(B) 漸減小(C)先減小而後增大(D)先增大而後再漸減小(E)不變14. ( ) 需要有雙層軸承的電動機是 (A) 三相感應電動機 (B) 交流串激電動機 (C) 推斥式電動機 (D) 超同步電動機 (E) 感應同步電動機15. ( ) 同步電動機又稱為 (A) 回轉機械 (B) 回轉整流器 (C) 回轉電容器 (D) 回轉電阻器(E) 回轉電感器 因為控制激磁電流可做無效功率的調節16. ( ) 同步電動機不可用於 (A) 改善功率因數 (B) 調整速率 (C) 調整線路電壓 (D) 計時(E) 擔任機械負載17. ()三相1200kW功因為之電力系統為改善功率因數為，則應裝同步調相機(A) 1019kVA (B) 897kVA (C) (D) 8475kVA (E)1200kVA18. ( )50 赫芝 , 12 極 , 100Hp 同步電動機之滿載轉矩為 (A)1188 (B)1425 (C)1543(D) 1648 (E) 1816牛頓 - 米19. ( ) 當同步電機的磁場激磁較正常激磁為大 ,正在增加時,我們稱為過激 , 此時其將(A) 吸取滯後電流 , 電樞反應為去磁效應 (B) 吸取滯後電流 , 電樞反應為加磁效應(C) 吸取越前電流 , 電樞反應為去磁效應 (D) 吸取越前電流 , 電樞反應為加磁