Transcript 第九章
9 直流電動機與發電機 1 9.1 直流電動機簡介 目前直流電動機依舊受歡迎有幾個原因。一是在汽車、 卡（貨）車和飛機上仍使用直流電。當交通工具（vehicle） 是使用直流電力時，很明顯地，會使用直流電動機。直流 電動機另一個應用為需要大範圍改變速度之場合。即使無 現 成 的 直 流 電 可 用 ， 固 態 整 流 器 （ rectifier ） 和 截 波 器 （chopper）電路可以產生所需的直流電，如此即可作直流 電動機之速度控制。 直流電動機速率調整率（SR）的定義為 SR ω nl ω f1 100% ω f1 （9-1） 2 (a) (b) 圖 9-1 早期直流電動機︰(a) 1886年由Elihu Thompson製造之很早期直流電動 機，額定大額是1/2馬力（HP）。（Courtesy of General電氣公司。）(b)本世 紀出現較大之四極直流電動機。注意移動電刷至中性面的處理。（Courtesy of General電氣公司。） 3 nnl nf1 SR 100% nf1 （9-2） 一般常用的直流電動機有五種主要的型式︰ 1. 2. 3. 4. 5. 外激式直流電動機。 分激式直流電動機。 永磁式直流電動機。 串激式直流電動機。 複激式直流電動機。 4 9.2 直流電動機的等效電路 直流電動機之等效電路如圖 9-2 所示。電樞電路以一 理想電壓源 EA 與一電阻 RA 來表示。此為整個轉子構造之 戴維寧等效電路，包含轉子線圈，中間極，與補償繞組， 電刷壓降由一小的電池 Vbrush 與電流反方向來表示。產生 磁通之場繞組由 LF 與 RF 表示。電阻 Radj 表一用來控制場 電流大小之外加可變電阻。 5 圖 9-2 (a) 直流電動機的等效電路。(b) 省略電刷壓降以及將 Radj 合併到場電阻 之簡化等效電路。 6 電動機內部產生的電壓可由（8-38）方程式決定 E A K ω （8-38） ind K I A （8-49） 它感應的轉矩為 7 9.3 直流機的磁化曲線 EA 直接和電機的場磁通以及轉速成正比。然而此電機 的內電勢和其場電流有什麼關係？ 電機中磁場電流所產生的磁動勢為 ℱ ＝NFIF。由於場 電流和磁動勢成正比，EA 和場磁通成正比，因此習慣上將 磁化曲線表示成在轉速 ω0 固定下 EA 和場電流的關係。 為了得到電機單位重量的最大功率輸出，大部分的發 電機和馬達都被設計在接近磁化曲線的飽和點工作（即是 在曲線的膝點處運轉）。 8 圖 9-3 鐵磁材料的磁化曲線（ 對 ℱ）。 9 圖 9-4 在固定轉速下表示為 EA 對 IF 的磁化曲線。 10 9.4 外激和分激式直流電動機 外激式直流電動機之等效電路如圖 9-5a 所示，圖 9-5b 為分激式直流電動機之等效電路，外激式直流電動機的場 電路是由外部定電壓電源所供應，而直流分激式電動機的 場電路是由電動機本身電樞端直接供給電源。 這些電動機的電樞電路克希荷夫電壓定律（KVL）方 程式為 VT E A I A RA （9-3） 11 分激式直流電動機之端點特性 一部電動機的端點特性為輸出轉矩對速度之關係圖。 直流分激電動機對負載的反應為何？假設分激式電動 機的軸上負載增加，則負載轉矩 τload 將超過電動機所感應 的轉矩 τind ，結果電動機速度將會減速。當電動機速度變 慢，它的內電勢會下降（EA ＝Kω↓)，則電動機的電樞電 流 IA＝(VT－EA↓)/RA 會增加。當電樞電流上昇，電動機感 應的轉矩會增加（τind＝K IA↑) ，而最後在一較低的機械 轉速 ω 下，感應的轉矩將會與負載轉距相等。 12 圖 9-5 (a) 外激式直流電動機之等效電路。 13 圖 9-5(續) (b) 分激式直流電動機之等效電路。 14 分激式電動機的 KVL 方程式為 VT＝EA＋IARA （9-3） VT＝Kω＋IARA （9-4） 感應電壓 EA＝Kω，則 因為 τind＝K IA，電流 IA 可表示為 τ ind IA K （9-5） 15 由式（9-4）和（9-5）可得 τ ind VT K ω + RA K （9-6） VT RA ω τ 2 ind K ( K ) （9-7） 可解得電動機速度為 為了使電動機速度對轉矩作線性變化，表示式內其他各項 當負載變化時必須保持固定。 16 圖 9-6 (a) 有補償繞組消除電樞反應之直流分激或外激式電動機之轉矩-速度特 性曲線。(b) 存在電樞反應之轉矩-速度特性曲線。 17 分激式直流電動機非線性分析 直流機之磁通 與內電勢 EA 為其磁動勢之非線性函 數。因此，任何磁勢之改變將會造成內電勢之非線性效應。 若電機有電樞反應，則它的磁通將隨著負載增加而減 少。分激式電動機之總磁動勢為場電路磁動勢扣除電樞反 應（AR）減少之磁動勢︰ ℱnet＝NF IF－ ℱAR （9-11） 18 因為磁化曲線是由 EA 對場電流所畫成，它習慣上定義一 當所有磁動勢組合所產生相同輸出電壓之等效場電流。 EA 可由此等效場電流位在磁化曲線所對的位置求得。分激電 動機之等效場電流為 I F* I F ℱAR （9-12） NF 磁化曲線是在某一特定轉速下所求得，通常為在額定轉速 下。若電動機運轉在非額定轉速時，其場電流效應應如何 求得？ 19 當一直流機之轉速以 rpm 表示時，其感應電勢方程式 為 EA＝K' n （8-41） 在一有效場電流下，電機內磁通是固定的，所以內電勢與 轉速關係為 EA n E A0 n0 （9-13） 其中 EA0 與 n0 分別為電壓與轉速之參考值。 20 分激直流電動機之轉速控制 分激式直流電動機之轉速如何控制呢？兩種常用的的 轉速控制方法是藉 1. 調整磁場電阻 RF（亦即調整場磁通）。 2. 調整電樞端點之電壓。 較不常用的控制方法是藉 3. 在電樞電路上串聯一電阻。 21 改變場電阻 下︰ 此種速度控制方法之因-果關係簡單整理如 1. RF 增加，使 IF（＝VT /RF ）減少。 2. IF 減少， 也跟著減少。 3. 減少，會造成 EA（＝K ω）變小。 4. EA 變小，使得 IA＝（VT －EA ）/ RA 增加。 5. IA 增加，使得 τind（＝ K IA ）增加（IA 的變化大 於磁通變化）。 22 6. τind 增加，使得 τind >τload，而造成轉速 ω 上升。 7. ω 增加，EA＝Kω 隨即增加。 8. EA 增加，IA 會減少。 9. IA 減少，τind 亦隨之減少，直到 τind ＝τload 在另一較 高轉速 ω。 23 有關於場電阻速度控制之警告 電動機轉速與磁通成反比， 而曲線的斜率與磁通平方成比例。因此，磁通的減少會使 轉矩-速度曲線之斜率更陡。 在很低轉速時，增加場電阻會降低電動機轉速。會發 生這種效應是因為在低轉速時，電樞電流之增加使得 EA 減少到不足以去補償感應轉矩中磁通之減少。又磁通之減 少實際上大於電樞電流之增加，所以感應轉矩減少，而且 轉速會變慢。 24 圖 9-12 場電阻轉速控制對於分激電動機之轉矩-速度特性效應︰(a) 電動機 正常操作範圍； 25 圖 9-12(續) (b) 從無載到失速之整個範圍。 26 改變電樞電壓 第二種轉速控制形式為改變加到電動機電樞 之電壓；但不改變加到磁場之電壓。 此種轉速控制方法之因-果關係，簡單整理如下︰ 1. VA 增加，使得 IA [＝(VA EA)/RA] 增加。 2. IA 增加，使得 τind（＝K IA）增加。 3. τind 增加，使得 τind >τload，而造成 ω 增加。 4. ω 增加，使得 EA＝（Kω）增加。 5. EA 增加，使得 IA＝(VA－EA)/RA 減少。 6. IA 減少，使得 τind 減少，直到 τind＝τload 在一較高 ω。 27 圖 9-13 分激（或外激）式直流電動機之電樞電壓控制。 28 外激式電動機增加 VA 在轉矩-速度特性上之效應，如 圖 9-14 所示。注意電動機的無載轉速可藉此控制方法來移 動，但曲線斜率仍舊保持固定。 圖 9-14 電樞電壓轉速控制法對 直流電動機轉矩-轉速特性之 效應。 29 電樞電路串聯電阻 內插電阻的速度控制方法是很不經濟 的，因為內插電阻的損失很大。此控速方法只有在電動機 幾乎運轉於滿速度或是在便宜而不需用更好方式之控制法 之應用場合。 場電阻控速法，只能控制電動機之轉速高於基速，而 無法作低於基速之控制。 在電樞電壓控速法中，加於外激式直流電動機之電樞 電壓愈低，電動機之轉速愈慢，而電樞電壓愈高，轉速愈 快。 30 圖 9-15 電樞電阻轉速控制法對於分激式電動機之轉矩-速度特性之效應。 31 電樞電壓控制法，只能作低於基速之控制，而無法作 高於基速之控制。 在電樞電壓控制法中，電動機之磁通是固定的，所以 最大轉矩為 τmax＝K IA, max （9-14） 此最大轉矩是固定的，不論電動機之轉速為何。因為電動 機之輸出功率 P＝τω，則在電樞電壓控制法之任意轉速下， 電動機之最大功率為 Pmax＝τmaxω （9-15） 32 利用電樞電壓控制法，電動機之最大輸出功率直接正比於 它的運轉速度。 利用場電阻控制法時，磁通是可變的。在此法中，電 動機磁通之減少，會造成轉速增加。為了不超過電樞電流 之限制，當速度增加時，感應轉矩之極限必須減少。因為 電動機輸出功率 P＝τω，當轉速增加時，轉矩之極限會減 少，則在場電流控制下，直流電動機之最大輸出功率是固 定的，但最大轉矩與轉速成反比變化。 33 圖 9-16 分激電動機於電樞電壓與場電阻控制下，將功率和轉矩極限表示成 轉速之函數。 34 場電路開路之效應 分激電動機當場電阻增加，轉速隨之增加。若場電阻 增加至很大，則將發生什麼影響？若電動機運轉時場電路 開路，又將發生什麼事？電動機磁通會急遽下降至res，且 EA（＝Kω）亦隨之下降。如此會造成電樞電流大量增加， 而使得感應轉矩遠大於負載轉矩。最後電動機轉速會一直 保持上升。 35 若直流電動機之電樞反應相當嚴重，當負載增加時， 將造成磁通嚴重減弱，而使電動機轉速上升。然而，大部 分負載所具有之轉矩-速度曲線之轉矩隨速度增加，故電動 機因轉速增加而增加負載，也因此增加了電樞反應，而使 磁通更減弱。此較弱的磁通造成轉速更上升，也使負載更 增加等等，一直到電動機超速。這就是所謂脫速 （runaway）。 36 9.6 直流串激電動機 串激式直流電動機為較少匝數之場繞組與電樞電路串 聯之直流電動機。直流串激電動機之等效電路如圖 9-20 所 示。 VT＝EA＋IA(RA＋RS) （9-18） 37 串激式直流電動機之感應轉矩 串激電動機之基本行為是由於磁通直接比例於電樞電 流之事實，此比例至少一直到飽和到達。 串激電動機之感應轉矩，可由方程式（8-49）表示 為︰ τind＝K IA （8-49） 磁通直接比例於它的電樞電流，磁通可表示成 = cIA （9-19） 38 圖 9-20 直流串激電動機之等效電路。 39 其中 c 是比例常數。則感應轉矩變為 τind＝K IA＝KcI2A （9-20） 換句話說，串激電動機之感應轉矩是比例於它的電樞電流 之平方。 直流串激電動機之端點特性 線性磁化曲線之假設，意味著此電動機之磁通可用 （9-19）式表示︰ = c IA （9-19） 40 串激電動機轉矩-速度特性之推導，由克希荷夫電壓定 律開始︰ VT＝EA＋IA(RA＋RS) （9-18） 由式（9-20），電樞電流可表示成 τ ind IA Kc 又 EA＝Kω。代入式（9-18）可得 τ ind VT K ω + ( R A RS ) Kc （9-21） 41 為了消去磁通，注意到 IA c 感應轉矩方程式可改寫成 K 2 τ ind c 因此，電動機之磁通可改寫成 c τ ind K （9-22） 42 式（9-22）代入式（9-21），並且化簡速度可得 VT K c τ ind τ indω ( R A RS ) K Kc Kc τ indω = VT ω = VT Kc τ ind R A RS Kc τ ind R A RS Kc 43 得到之轉矩-速度關係為 ω = VT 1 Kc τ ind R A RS Kc （9-23） 瞭解串激電動機之轉速與轉矩之平方根成倒數變化。 方程式中可看出串激電動機之一個缺點。當電動機之轉 矩變為零，它的轉速會變成無窮大。若無其他負載加於電動 機，它的轉速將快到足以將本身摧毀。所以串激電動機絕不 可無載運轉；而且不可用皮帶與其他負載連接。若是發生皮 帶斷裂則電動機將無載運轉，如此會造成嚴重後果。 44 圖 9-21 直流串激電動機之等效電路。 45 直流串激電動機之轉速控制 不像分激電動機，只有一個有效的方法來改變串激電 動機之轉速。此方法就是改變串激電動機之端點電壓。若 端點電壓增加，式（9-23）之第一項會增加，結果會得到 較高轉速，在所給的任何轉矩下。 46 9.7 複激式直流電動機 直流複激式電動機為具有分激與串激場之電動機。如 圖 9-24 所示。電流流入點代表正的磁動勢，電流流出點代 表負的磁動勢。在圖 9-24 中，圓的點表示積複激，方的點 代表差複激。 直流複激電動機之克希荷夫電壓定律方程式為 VT＝EA＋IA(RA＋RS) （9-24） 複激電動機之電流關係為 IA＝IL－IF （9-25） 47 圖 9-24 複激式直流電動機之等效電路︰(a) 長分激連接。(b) 短分激連接。 48 VT IF = RF （9-26） 淨磁動勢與有效分激場電流為 ℱnet＝ℱF ± ℱSE－ℱAR 和 NSE ℱAR I IF IA NF NF * F （9-27） （9-28） 49 圖 9-25 (a) 在小的滿載額定下，積複激直流電動機之轉矩-速度特性與串激和 分激電動機之比較。 50 圖 9-25 (續)(b) 於相同之無載轉速下，積複激電動機之轉矩-速度特性與分激 電動機之比較。 51 積複激直流電動機之轉矩-速度特性 在積複激直流電動機中，有一磁通分量是固定而另一 分量比例於它的電樞電流。因此，積複激電動機之起動轉 矩比分激電動機高（因分激式磁通固定），但比串激電動 機低（因串激式磁通完全比例於電樞電流）。 積複激直流電動機結合了分激與串激電動機之優點。 像串激電動機有大的起動轉矩；又擁有分激電動機無載時 不會超速之優點。 52 積複激直流電動機之速度控制 積複激直流電動機可用之轉速控制技術與分激電動機 相同︰ 1. 改變場電阻 RF。 2. 改變電樞電壓 VA。 3. 改變電樞電阻 RA。 53 9.8 直流電動機起動器 直流電動機起動問題 起動時，電動機不轉動，所以 EA ＝0 V。因為一般直 流電動機之內電阻與它的容量（中容量電動機之 3～6%） 相比是相當小，所以會有很大的電流流過電樞。 54 解決起動期間電流過大的問題，可在電樞串聯一起動 電阻去限制電流，直到 EA 建立起來為止。此電阻不可永 久留在電路上，因為它會造成很大的損失，而且會因負載 增加而使轉矩-速度特性嚴重下降。 目前的做法是將起動電阻做成一段段串接起來，在電 動機轉速成功建立之前逐段將電阻移去，但為了限制電動 機之電流在一安全範圍內，不可為了快速起動而將電阻減 少太多。 55 圖 9-28 起動電阻與電樞串聯之分激電動機。當接點 1A，2A，3A 閉合時， 起動電阻會被短路掉。 56 直流電動機起動電路 圖 9-30 (a) 保險絲。(b) 常開和常閉扭銨開關。(c) 繼電器線圈和接點。(d) 計 時繼電器和接點。(e) 過載和它的常閉接點。 57 圖 9-31 直流電動機之起動電路， 使用時間延遲繼電器去切離起動電 阻。 58 圖 9-32 (a) 直流電動機之起動電路，使 用電壓計數感測繼電器去切離起動電阻。 59 圖 9-32(續) (b) 起動期間之電樞電流。 60 9.9 華德-里翁納德系統和固態速度控制器 在固態電子元件問世以前，要產生一可變電壓是很困難 的。事實上，改變直流電動機最常用方法是由它自己的外激 直流發電機供應電壓。 如此的電樞電壓控制系統如圖 9-33 所示。圖中一交流電 動機用來當作直流發電機之原動機，此發電機用來供給直流 電動機一直流電壓。這樣的電機系統稱為華德-里翁納德系統， 它具有多種用途。 電動機的電樞電壓可改變發電機之場電流來控制此電樞 電壓。此電樞電壓允許電動機之轉速在基速與很小值之間作 平滑變化。藉著減少電動機之場電流，可調整轉速高於基速。 61 圖 9-33 (a) 直流電動機轉速控制之華德-里翁納德系統。 62 圖 9-33 (續) (b) 直流發電機和電動機產生場電流之電路。 63 若發電機的場電流反向，則發電機電樞電壓極性也反向， 這使得電動機之旋轉方向相反。利用華德-里翁納德直流電動 機控制系統去得到不同旋轉方向且速度改變範圍很大之控制 是有可能的。 華德-里翁納德系統另一個優點是它的 “再生”（regenerate），也就是可將能量送回電源。 華德-里翁納德系統的缺點是很明顯的。一是使用者被迫 購買三部額定相同之電機，且價格很昂貴。因為太昂貴且效 率低，華德-里翁納德系統已被 SCR 控制電路所取代。 64 圖 9-34 華德-里翁納德電動機控制系統之操作範圍。電動機可運轉於正 （象限 1）或反（象限 3）方向，且能再生在象限 2 和 4。 65 圖 9-35 為簡單直流電樞電壓控制器電路。此電路只能 供給單一極性之電樞電壓，電樞電流不可能由電動機正端 流出，因為電流無法流回 SCR。因此，電動機無法再生， 且任何供給電動機之能量無法還原。 圖 9-37 為一典型四象限分激直流電動機驅動電樞電壓 當作轉速控制系統。 66 圖 9-35 (a) 兩象限固態直流電動機控制器。因為電流無法由電樞正端流出， 此電動機無法變成發電機送功率回系統 。 67 圖 9-35 (續) (b) 此控制器可能操作的象限。 68 圖 9-36 (a) 四象限固態直流電動機控制器。 69 圖 9-36 (續) (b) 此電動機控制器可以操作的象限。 70 圖 9-37 (a) 典型固態直流分激電動機驅動器。(b)低電力電子電路板之近視， 展示了可調限制電流，加速率、減速率、最小轉速，和最大轉速。 71 圖 9-38 圖 9-37 中直流分激電動機固態驅動器之簡化方塊圖。 72 低功率電子電路部分 1. 速度調整電路。此電路利用轉速計量測電動機轉速，然 後與所要之轉速（一參考電壓準位）比較，增加或減少 電樞電壓以保持轉速固定於所希望的值。 73 圖 9-40 (a) 速度調整電路於所要轉速與真正轉速差之輸出電壓產生一比例。 此輸出電壓以這樣方式來供給點火電路︰當輸出電壓愈大，SCRs 愈早被觸發， 而平均端電壓變得愈大。 74 圖 9-40 (續) (b) 負載增加對一有速率調整器之直流分激電動機之影響。當負 載增加若無調整器後，它偵測到速度減少，而提升電樞電壓去補償。將整個 電動機之轉矩-速度特性曲線往上提，而運轉於點 2'。 75 9.11 直流發電機簡介 發電機和馬達除了功率流向不同外並沒有差別。根據 不同的場磁通建立方式，直流發電機可分為五種主要之型 式︰ 1. 他激式發電機。在他激式發電機中，場磁通由外界之 電源供給而不由發電機供給。 2. 分激式發電機。在分激式發電機中，直接將磁場電路 跨接在發電機的兩端。 3. 串激式發電機。在串激式發電機中，將磁場電路和發 電機的電樞串聯。 76 4. 積複激發電機。在積複激發電機中，同時有分激和串 激磁場，兩者具有相同的極性。 5. 差複激發電機。在差複激發電機中，同時有分激和串 激磁場，但是兩者的極性相反。 直流發電機之電壓調整率（voltage regulation，VR） 之定義如下︰ Vnl Vfl VR 100% （9-39） Vfl 其中 Vn1 是發電機之無載端電壓，Vf1 則是發電機之滿載端 電壓。 77 所有的發電機都是由機械功率所驅動，其通常稱為發 電機的原動機（prime mover）。直流發電機的原動機可能 是蒸氣渦輪，柴油引擎、甚至是電動馬達。 78 圖 9-42 直流發電機的等效電路。 79 圖 9-43 簡化後的等效電路，RF 和 Radj 已合併。 80 9.12 他激式發電機 VT 是由發電機兩端測到的電壓，IL 是由發電機端點流 出之線電流。EA 是發電機的內電勢，IA 是電樞電流。在他 激式發電機中︰ IA＝IL （9-40） 他激式直流發電機的電壓-電流特性（特性曲線） 他激式發電機的特性曲線即是在固定轉速 ω 下 VT 對 IL 的圖形。根據克希荷夫電壓定律，端電壓 VT＝EA－IARA （9-41） 81 圖 9-44 他激式發電機的等效電路。 82 端電壓的控制 欲控制他激式發電機的端電壓 VT 可藉由改變發電機 內電勢 EA 而達成。所以要控制發電機之電壓有兩種方 法︰ 1. 改變轉速。ω 增加，則 EA＝Kω 增加，VT＝EA IARA 也增加。 2. 改變場電流。若 RF 減少，則 IF＝VF/RF 增加，所以電機 中的場磁通 也增加。而 EA＝K ω 隨之增加。故 VT ＝EA IARA 增加。 在許多應用的場合，原動機的轉速無法做太大的變動， 所以通常藉由改變磁場電流來控制端電壓。 83 圖 9-45 他激式直流發電機的特性曲線︰(a) 有；(b) 沒有補償繞組。 84 圖 9-46 (a) 具電阻性負載的他激式發電機。(b) 減少磁場電阻對發電機輸出 電壓的影響。 85 9.13 分激式直流發電機 分激式發電機乃是將磁場電路直接跨接在發電機的兩 端，而自己供應自己磁場電流的直流發電機。其等效電路 如圖 9-49 所示。 IA＝IF＋IL （9-44） 而根據克希荷夫電壓定律 VT＝EA－IA RA （9-45） 86 圖 9-49 分激式直流發電機的等效電路。 87 分激式發電機中的電壓建立 發 電 機 電 壓 的 建 立 必 須 依 靠 磁 極 的 剩 磁 （ residual flux）。當發電機開始啟動時，所產生的內電勢為 EA＝Kresω 此內電勢呈現在發電端，雖然可能僅有一兩伏，但仍能使 電流流入磁場繞組（IF＝VT /RF），此電流在磁極中產生 磁動勢，進而增加場磁通，又造成 EA＝Kω增加，使端 電壓增加，而端電壓的增加又造成 IF 增加，再增加 ，使 端電壓再增加。圖 9-50 便是磁通建立的過程。 88 圖 9-50 分激式發電機的電壓建立。 89 分激式發電機在起動時基於某些因素，其電壓可能無 法建立，這些原因可能為︰ 1. 發電機中沒有剩磁， 2. 發電機旋轉方向相反或磁場反接， 3. 磁場電阻大於臨界電阻。 90 分激式直流發電機的輸出特性 當發電機負載增加時，IL 增加，而 IA＝IL + IF 也增加。 IA 的增加造成電樞電阻上之壓降 IARA 增加，因此 VT＝EA －IA RA 減少，此點和他激式發電機相同。但是當 VT 減 小時，分激式發電機的磁場電流也會隨著減少，造成場磁 通減少，使得 EA 下降，又造成 VT＝EA IARA 下降。其輸 出特性如圖 9-52 所示。和他激式發電機的 IARA 壓降比較 起來，其電壓降較多，換句話說，分激式發電機的電壓調 整率較差。 91 分激式直流發電機的電壓控制 和他激式發電機一樣，有兩種方法可以控制分激式發 電機的電壓︰ 1. 改變發電機轉速 ωm。 2. 改變磁場電阻，藉以改變磁場電流。 92 9.14 串激式直流發電機 串激式發電機的磁場電路和電樞電路串聯。由於電樞 電流比分激式的磁場電流大得多，因此串激電機的磁場繞 組通常僅有幾匝，而且繞組所用的導線也比分激電機粗大。 VT＝EA－IA(RA＋RS) （9-47） 93 串激式直流發電機的輸出特性 圖 9-57 是其輸出特性曲線，由圖可看出串激式發電機 是很差的定電壓源，其電壓調整率為一很大的負值。 串激式發電機僅供適合此種陡峭特性曲線的設備使用。 例如電焊機。 94 圖 9-56 串激發電機的等效電路圖。 95 圖 9-57 串激式發電機的輸出特性曲線。 96 9.15 積複激式直流發電機 積複激式直流發電機就是同時具有串激和分激磁場的 發電機，而這兩種磁場的磁動勢方向相同。圖 9-59 是積複 激發電機的等效電路，其為長並式（long-shunt）連接。因 此電機的總磁動勢為 ℱnet＝ℱF ± ℱSE－ℱAR （9-48） 其中 ℱF 為分激場磁動勢，ℱE 為串激場磁動勢，而 ℱAR 為 電樞反應磁動勢。電機的等效分激磁場電流可由下式得 出︰ 97 圖 9-59 長並式連接之積複激發電機的等效電路。 98 N F I F* N F I F NSE I A ℱAR NSE ℱAR I IF IA NF NF * F （9-49） 而電機中其他電壓、電流的關係為 IA＝IF＋IL （9-50） VT＝EA－IA（RA＋RS） （9-51） 99 VT IF RF （9-52） 積複激式發電機還有另一種 “短並式” 連接法，如 圖 9-60 所示，串激繞組在分激繞組之外，因此流過串激磁 場電路的電流是 IL 而不是 IA。 100 圖 9-60 短並式積複激發電機的等效電路。 101 積複激式直流發電機的輸出特性 電機中有兩種效應發生︰ 1. IA 增加時，IA（RA＋RS）壓降也增加。造成端電壓 VT＝ EA－IA（RA＋RS）下降。 2. IA增加，串激磁場的磁動勢 ℱSE＝NSEIA 也增加。因此總 磁動勢 ℱtot ＝NFIF ＋NSEIA的增加使得電機中磁通量 增加，造成 EA 上升，而此效應使得 VT＝EA－IA（RA ＋RS）增加。 102 兩效應的效果恰好相反，前者減少 VT ，而後者則使 VT 上升。要決定那一個效應較顯著，可根據串激場繞組的 匝數決定，分成以下三種情形來討論︰ 1. 串激場繞組的匝數很少時（NSE 很小），電阻壓降對 VT 影響較大，端電壓如同分激式發電機一般隨負載增加而 下降，但下降趨勢較為緩慢。此種情形電機之滿載端電 壓較無載端電壓低，稱為欠複激 (undercompounded)。 （參考圖 9-61） 103 2. 串激繞組匝數較多（NSE 較大），負載剛增加時，磁場 增強效應較佔優勢，端電壓隨負載增加而上升。但負載 增加至磁飽和附近時，電阻壓降效應較佔優勢，使端電 壓有先升後降的情形。而當串激繞組之匝數恰使發電機 的滿載端電壓等於無載端電壓時，稱為平複激（flatcompounded）。 3. 串激繞組匝數再增加（NSE 大），磁場增強效應持續更 久才被電阻壓降效應所主導，造成滿載端電壓高於無載 端電壓的情形，稱為過複激（overcompounded）。 可能如圖 9-61 所示。 104 圖 9-61 積複激直流發電機的輸出特性曲線。 105 積複激發電機的電壓控制 控制積複激發電機之電壓的方法和分激式發電機是一 樣的︰ 1. 改變轉速。ω 增加使 EA ＝Kω 上升，因此端電壓 VT＝EA－IA（RA＋RS）上升。 2. 改變磁場電流。令 RF 減小使 IF＝VT/RF 上升，因此 總磁動勢增加。ℱtot 的增加帶動 上升，EA＝K ω 也升高，因此 VT 上升。 106 9.16 差複激式直流發電機 差複激式直流發電機和積複激式發電機一樣，同時具 有分激和串激磁場，不同的是其兩磁場的磁動勢方向相反。 圖 9-65 是其等效電路圖，電機的淨磁動勢為 ℱnet＝ℱF ℱSE－ℱAR （9-55） ℱnet＝NF IF －N SE IA － FAR （9-56） 串激場與電樞反應造成的等效分激電流為 NSE ℱAR I eq IA NF NF （9-57） 107 圖 9-65 長並式差複激發電機的等效電路。 108 全部的等效分激電流為 I F* I F I eq 或 NSE ℱ AR I IF IA NF NF * F （9-58a） （9-58b） 109 差複激直流發電機的輸出特性 加上負載後差複激式發電機和積複激式發電機一樣會 有兩種效應發生，但此時兩效應之方向相同︰ 1. IA 增加，IA（RA＋RS ）壓降增加，因此 VT ＝EA －IA （RA＋ RS）下降。 2. IA 增加，串激場磁動勢 ℱSE＝NSEIA 增加，因此電機中 的淨磁動勢（ℱtot＝NF IF － NSE IA ）減少， 下降，造 成 EA 下降，VT 也隨之減少。 上述兩種效應都使 VT 下降，因此負載增加時端電壓 會急劇下降，造成如圖 9-66 的輸出特性曲線。 110 差複激發電機的電壓控制 雖然差複激發電機的輸出特性很差，但對固定負載仍 可控制其端電壓︰ 1. 改變轉速 ωm。 2. 改變磁場電流 IF。 111 圖 9-66 差複激發電機的輸出特性曲線。 112