同步發電機概述

註：本章節所討論為同步發電機，異步發電機將在其他章節討論。以下同步發電機簡稱發電機。

• 矽鋼片：依堆疊方式可分斜置及直列式，兩者相較斜置式其磁通緩增，諧波量較小。定子繞組上大致可分為主繞組、輔助繞組、諧波繞組三種。
• 主繞組：繞線方式可分集中及分佈繞線，集中繞線其節距為 1 無法抑制諧波。分佈繞組可為2/3、5/7、7/9……等節距。節距愈短消除諧波能力愈強。
• 輔助繞組：作為 AVR 勵磁電源使用，可避免 AVR 勵磁輸出時在主繞組上造成的諧波。輔助繞組與主繞組電壓成一固定比例，頻率同主繞組。
• 諧波繞組：其繞組端電壓與發電機負載電流成正比關係，頻率為主繞組的三倍頻，形式上它形同一個 C.T。此繞組常用來提供 AVR 勵磁電源，稱為全諧波勵磁發電機。在設計上經常搭配輔助繞組使用(因為空載時諧波繞組端電壓極低)。

圖1-1 定子繞組

圖1-2 諧波及輔助繞組
• 主繞組依發電機端電壓需求可為△或 Y 接法，△接線可能產生內部環流且中性線電抗不平衡，一般均採用 Y 接線。
• 發電機阻抗為發電機品質重要指標之一，發電機阻抗為繞組導線電阻+導線感抗，數值越低電壓變動率越低。當不同型號發電機並聯時因阻抗不同橫流會大一些。

• 阻尼繞組位於轉子極面上，一般為銅或鋁合金構成，前後有短路環將所有阻尼條短路(就像鼠籠式馬達轉子)，依結構可分全阻尼及半阻尼，其功能在限制定子繞組的突增電流及避免並聯電流追逐(在往後章節詳述)。
• 主勵磁繞組：勵磁繞組接受一直流電流在轉子極面上產生相鄰相異的磁極，磁極數可為 2、4、6、8……。

圖1-3 全阻尼繞組

圖1-4 半阻尼繞組

圖1-5 勵磁轉子及整流器

圖1-6 勵磁定子及永久磁鐵

圖1-7 PMG 永磁發電機

• 內部繞組短路引起(沒有原因)
  
  定子繞組故障包括同繞組的匝間短路、同相不同繞組的匝間短路、相間短路和繞組開路等。其極大的短路電流會產生破壞性強的電磁力，也可能產生過熱而燒毀繞組和鐵心。通常指定子繞組與鐵芯間的絕緣破壞。
  當發電機發生相間短路時，發電機可能出現 4～5 倍於額定電流的大電流，急劇增大的短路電流和產生的巨大的電磁力和電磁轉矩，對定子繞組、轉軸、機座都將產生極大的衝擊而損傷，巨大的衝擊力將直接損壞發電機定子端部線匝，使其嚴重變形、斷裂、造成絕緣損壞。
• 外部回路短路引起
  
  同步電機的突然短路是電力系統的最嚴重的故障。短路過程所經歷的時間極短（通常約為0.1～0.3 s），三相電流短路後，從暫態過度到穩態，從大規模的能量交換到小規模能量交換，突然短路時氣隙磁場變化不大，而定子電流卻增加很多，於是將產生巨大的電磁轉矩。強大電磁力的衝擊下，端部線匝很容易受損傷。在不對稱突然短路時，所產生的電磁轉矩更大，可達額定轉矩的 10 倍以上。
• 不對稱運行(移到轉子)
  
  當三相電流不對稱時，即在發電機中會有正序、負序、零序三組對稱分量電流產生，對發電機本身的影響會引起轉子過熱。不對稱運行時的負序電流所產生的負序磁場對轉子有兩倍同步速相對速度，將在轉子的勵磁繞組、阻尼繞組以及轉子表面感應電流，這些電流將在相應的部分引起損耗和發熱，引起附加交變力矩並產生振動。長時間的振動會造成發電機的材料出現疲勞損傷和機械損傷。

• 繞組匝間短路：由於繞組絕緣損壞造成轉子繞組匝間短路，同時會引起磁通的不對稱和轉子受力不平衡現象，而引起轉子振動；定子繞組每相並聯回路的環流；主軸、軸承座及端部磁化。同時較大的短路電流可能會導致轉子接地故障發生。
  
  故障原因：由於離心力的作用，在運轉中線匝絕緣的移動，繞組絕緣損壞造成轉子繞組匝間短路。
• 接地故障：發電機轉子繞組的接地故障包括一點接地和兩點接地。接地是指勵磁繞組絕緣損壞或擊穿而使勵磁繞組導體與轉子鐵芯相接觸。勵磁回路一點接地故障對發電機一般不會造成危害，因為發電機發生轉子繞組一點接地故障時，勵磁電源的洩露電阻（對地電阻）很大，限制了接地洩露電流的數值，但如果再有另外一個接地點，即發生兩點接地故障時會形成部分線匝短路，這是一種非常嚴重的短路事故。發電機勵磁繞組發生兩點接地之後，繞組部分被短接，使得繞組直流電阻變小，勵磁電流增大，由於繞組短接的磁極磁勢減小，而其它磁極的磁勢則未改變，轉子磁通的對稱性受到破壞，轉子上出現了徑向的電磁力，因此引起機組的振動。當轉子發生兩點接地之後，兩點之間構成回路，一部分勵磁繞組被短接，兩接地點之間將可能流過很大的短路電流，電流產生的電弧可能會燒壞勵磁線圈及轉子本體，甚至引發火災。