同步發(fā)電機(jī)各特性命名之異議

程小華

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510640)

0 引言

《電機(jī)學(xué)》(參見文獻(xiàn)［1 ～13］)是電工學(xué)科有名的難學(xué)課程。難點(diǎn)之一就是各種電機(jī)都有不少特性，而這些特性的含義很難記憶。譬如說，什么是同步發(fā)電機(jī)的空載特性?剛剛學(xué)過或者剛剛復(fù)習(xí)過的話，一般還能記住。但稍過一些時(shí)日，就又忘記了。又譬如，調(diào)整特性的定義，也是這樣。我曾經(jīng)多次問我的學(xué)生(本科生、研究生):空載特性是什么意思?能夠回答正確者，寥寥無己。更有一次，我與一位同樣是教《電機(jī)學(xué)》的同事爭(zhēng)論:調(diào)整特性的縱坐標(biāo)是勵(lì)磁電流還是電樞電流?可見，老師有時(shí)都是不清楚的?？傊?，對(duì)于電機(jī)的特性，如果你想顧名思義，也就是借助于特性之名字來理解、記憶其意義，那幾乎是不可能的。

何為其然也?其中的原因，主要就是當(dāng)初對(duì)這些特性的命名，過于含混、籠統(tǒng)，或者說不夠恰切、合理。有鑒于此，本文以同步發(fā)電機(jī)為例，謹(jǐn)對(duì)其各種特性之命名提出異議，亦即試圖給出各特性之不同的命名，并論述新名字的優(yōu)越性。其他類型電機(jī)，亦可照此辦理。

1 一些概念和約定

為了論述方便，這里先建立一些概念和約定。

1.1 強(qiáng)電、弱電的概念

同步電機(jī)有兩個(gè)電氣回路:電樞回路和勵(lì)磁回路。額定運(yùn)行時(shí)，這兩個(gè)回路的功率相差很大，電樞回路的功率比勵(lì)磁回路的功率要大很多。為了區(qū)別，稱電樞回路為強(qiáng)電回路;稱勵(lì)磁回路為弱電回路。

同樣，直流電機(jī)也有強(qiáng)電回路、弱電回路之分。電樞回路為強(qiáng)電回路，勵(lì)磁回路為弱電回路。異步電機(jī)也有強(qiáng)電回路、弱電回路之分。定子回路為強(qiáng)電回路，轉(zhuǎn)子回路為弱電回路。

請(qǐng)注意，這里對(duì)異步機(jī)的討論，不是基于其等值電路，而是就其真實(shí)電路而言的。在異步機(jī)等值電路上，機(jī)械功率被等值為一個(gè)電阻，而等值的轉(zhuǎn)子回路，囊括了真實(shí)的轉(zhuǎn)子回路和代表機(jī)械功率的等值電阻。變壓器原、副兩邊功率相等。因此，無強(qiáng)電、弱電之分。

1.2 口的概念

所謂電機(jī)的口，就是當(dāng)把電機(jī)看做一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，該系統(tǒng)與環(huán)境的接口。

依其性質(zhì)，口可以分為電口、機(jī)口。電口依其功率的相對(duì)大小可以分為弱電口、強(qiáng)電口。關(guān)于電機(jī)口的概念，詳細(xì)可參見文獻(xiàn)［14］。

《電機(jī)學(xué)》中所討論的電機(jī)，依其口的數(shù)量可以分為三口電機(jī)和兩口電機(jī)。同步電機(jī)和直流電機(jī)是三口電機(jī);變壓器是兩口電機(jī)，籠式異步電機(jī)是兩口電機(jī);繞線式異步電機(jī)可以成為三口電機(jī)，也可以成為兩口電機(jī)，取決于對(duì)轉(zhuǎn)子回路的處理。

1.3 九個(gè)約定

同步發(fā)電機(jī)有兩種運(yùn)行情況:一是單機(jī)運(yùn)行;一是并網(wǎng)運(yùn)行。

同步發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)有五個(gè)特性。它們分別是:空載特性、短路特性、零功率因數(shù)負(fù)載特性、外特性、調(diào)整特性。在敘述這些特性時(shí)，涉及5 個(gè)變量，分別是:強(qiáng)電口的電壓、電流、功率因數(shù);弱電口的電流;機(jī)口的轉(zhuǎn)速。實(shí)際上，只有四個(gè)變量。因?yàn)?，在這五個(gè)特性中，機(jī)口的轉(zhuǎn)速都是保持額定值。轉(zhuǎn)速形式上是個(gè)變量，實(shí)際上是個(gè)常量。

壓約定:強(qiáng)電口的電壓，就是電樞繞組的端電壓。為了簡(jiǎn)便，我們約定以“壓”字來表示它。

載約定:強(qiáng)電口的電流，就是電樞繞組的端電流，即電樞電流，亦即負(fù)載電流。在《電機(jī)學(xué)》中，常常用負(fù)載電流來代指發(fā)電機(jī)的負(fù)載。其原因是，一般情況下，電壓不變或基本不變，因此，負(fù)載也就僅由電流決定。為了簡(jiǎn)便，我們約定以“載”字來表示負(fù)載電流。功因約定:強(qiáng)電口的功率因數(shù)，簡(jiǎn)稱為“功因”。

磁約定:弱電口的電流，就是勵(lì)磁電流。為了簡(jiǎn)便，我們約定以“磁”字來表示它。

速約定:機(jī)口的轉(zhuǎn)速，就是電機(jī)的轉(zhuǎn)速。為了簡(jiǎn)便，我們約定以“速”字來表示它。額定轉(zhuǎn)速簡(jiǎn)稱為“額速”。

同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)有兩個(gè)特性。它們分別是:功角特性、V 形曲線。在敘述這些特性時(shí)，涉及六個(gè)變量，分別是:強(qiáng)電口的勵(lì)磁電勢(shì)、端電壓、負(fù)載電流、電磁功率、功率角;弱電口的勵(lì)磁電流。

勢(shì)約定:強(qiáng)電口的勵(lì)磁電勢(shì)，也叫空載電勢(shì)，一般記為E0。為了簡(jiǎn)便，我們約定以“勢(shì)”字來表示它。

功約定:強(qiáng)電口的電磁功率，一般記為Pe。為了簡(jiǎn)便，我們約定以“功”字來表示它。

角約定:強(qiáng)電口的功率角，一般記為δ。為了簡(jiǎn)便，我們約定以“角”字來表示它。

強(qiáng)電口的端電壓、負(fù)載電流，弱電口的勵(lì)磁電流，前面已有述及，不贅。

前、因、自約定:把特性定義中前提部分所涉及的變量簡(jiǎn)稱為前提變量，前變量，前變，或前。類似地，把特性中的因變量簡(jiǎn)稱為因變，或因;把特性中的自變量簡(jiǎn)稱為自變，或自。

同步發(fā)電機(jī)的七個(gè)特性定義中，前提變量轉(zhuǎn)速全部是額定值。認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，可以減輕一點(diǎn)記憶負(fù)擔(dān)。

2 同步發(fā)電機(jī)七個(gè)特性的定義及重命名

同步發(fā)電機(jī)一共有七個(gè)特性，其中單機(jī)特性五個(gè)，并網(wǎng)特性兩個(gè)。

2.1 同步發(fā)電機(jī)五個(gè)單機(jī)特性的定義及重命名

2.1.1 空載特性的定義及重命名-零載壓磁特性

空載特性的定義為:電機(jī)轉(zhuǎn)速額定、負(fù)載電流為零時(shí)，電樞端電壓與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系。根據(jù)前面的約定，空載特性可改稱為“零載壓磁特性”。

空載特性這個(gè)名字，只能使人想起負(fù)載電流為零-空載就是零載。除此之外，什么也想不到。零載壓磁特性這個(gè)名字，則基本上能夠使人顧名思義、一目了然。

2.1.2 短路特性的定義及重命名-零壓載磁線形特性

短路特性的定義為:電機(jī)轉(zhuǎn)速額定、端電壓為零時(shí)，負(fù)載電流與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系。根據(jù)前面的約定，再考慮到該特性的形狀是一條過原點(diǎn)的直線，故短路特性可改稱為“零壓載磁線形特性”，并簡(jiǎn)稱為零壓載磁特性，或載磁線形特性。

短路特性這個(gè)名字，只能使人想起端電壓為零-短路就是零壓。除此之外，什么也想不到。零壓載磁線形特性這個(gè)名字，則基本上能夠使人顧名思義、一目了然。

2.1.3 零功因負(fù)載特性的定義及重命名-零功因恒載壓磁特性

零功因負(fù)載特性的定義為:電機(jī)轉(zhuǎn)速額定、功因恒為零、負(fù)載電流恒定時(shí)，端電壓與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系。根據(jù)前面的約定，零功因負(fù)載特性可改稱為“零功因恒載壓磁特性”，簡(jiǎn)稱為零功因壓磁特性。

零功因負(fù)載特性這個(gè)名字，只能使人想起零功因、負(fù)載，不能使人想起端電壓、勵(lì)磁電流這兩個(gè)關(guān)鍵變量(因變量、自變量)。而零功因壓磁特性這個(gè)名字，則基本上能夠使人顧名思義、一目了然。

2.1.4 外特性的定義及重命名-恒功因恒磁壓載特性

外特性的定義為:電機(jī)轉(zhuǎn)速額定、勵(lì)磁電流恒定、功因恒定時(shí)，端電壓與負(fù)載電流之間的關(guān)系。根據(jù)前面的約定，外特性可改稱為“恒功因恒磁壓載特性”，簡(jiǎn)稱為壓載特性。

外特性這個(gè)名字，只能使人想起“外”部的變量。然而，外部的變量有四個(gè):端電壓、負(fù)載電流、轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩。究竟是哪兩個(gè)，則不得而知。再有，即使知道了是端電壓、負(fù)載電流這兩個(gè)變量，還必須記住誰是因變量、誰是自變量。而壓載特性這個(gè)名字，則基本上能夠使人顧名思義、一目了然。

2.1.5 調(diào)整特性的定義及重命名-恒功因恒壓磁載特性

調(diào)整特性的定義為:電機(jī)轉(zhuǎn)速額定、端電壓恒定、功因恒定時(shí)，勵(lì)磁電流與負(fù)載電流之間的關(guān)系。根據(jù)前面的約定，調(diào)整特性可改稱為“恒功因恒壓磁載特性”，簡(jiǎn)稱為磁載特性。

調(diào)整特性這個(gè)名字，什么變量也不能使人想起。而磁載特性這個(gè)名字，則基本上能夠使人顧名思義、一目了然。

2.2 同步發(fā)電機(jī)兩個(gè)并網(wǎng)特性定義及重命名

2.2.1 功角特性的定義及重命名-恒壓恒勢(shì)功角特性

功角特性的定義為:電機(jī)轉(zhuǎn)速額定、勵(lì)磁電勢(shì)恒定、端電壓恒定時(shí)，電磁功率與功率角之間的關(guān)系。根據(jù)前面的約定，功角特性可改稱為“恒壓恒勢(shì)功角特性”，簡(jiǎn)稱為功角特性。

功角特性這個(gè)名字，已經(jīng)足夠好，它可以使人想起電磁功率、功率角這兩個(gè)關(guān)鍵變量(前者是因變量、后者是自變量)。而恒壓恒勢(shì)功角特性這個(gè)名字則更好，它還可以讓人想起該特性的條件。畢竟名字變長(zhǎng)為兩倍。

2.2.2 V 形曲線的定義及重命名-恒壓恒功載磁V 形特性

V 形曲線的定義為:電機(jī)轉(zhuǎn)速額定、電磁功率恒定、端電壓恒定時(shí)，負(fù)載電流與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系。根據(jù)前面的約定，V 形曲線可改稱為“恒壓恒功載磁V 形特性”，簡(jiǎn)稱為載磁V 形曲線。

V 形曲線這個(gè)名字，什么變量也不能使人想起。而載磁V 形特性這個(gè)名字，則基本上能夠使人顧名思義、一目了然。

3 同步發(fā)電機(jī)特性新舊名字對(duì)照表及重命名的好處

3.1 同步發(fā)電機(jī)特性新舊名字對(duì)照表

同步發(fā)電機(jī)特性新舊名字對(duì)照表，如表1 所示。

表1 同步發(fā)電機(jī)特性新舊名字對(duì)照表

3.2 同步發(fā)電機(jī)特性重命名的四個(gè)好處

3.2.1 好處1:新名字有助于名義相連、顧名思義

除功角特性外，同步發(fā)電機(jī)其他六個(gè)特性的舊名字中，都沒有任何有助于聯(lián)想的字眼。因此，只能死記。死記的東西總是不牢靠的，易忘，從而易錯(cuò)。

3.2.2 好處2:新名字有助于揭示特性間的五種關(guān)聯(lián)性

關(guān)聯(lián)性1 前因?qū)Q性記住零載壓磁特性(即空載特性)、零壓載磁特性(即短路特性)后，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)特性自變量相同，都是勵(lì)磁電流;前變量和因變量互相對(duì)換:一個(gè)是零載壓磁;一個(gè)是零壓載磁。

關(guān)聯(lián)性2 一般特殊性 記住零功因壓磁特性(即零功因負(fù)載特性)、零載壓磁特性(即空載特性)后，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)特性都是壓磁特性。而且，后者是前者在負(fù)載電流等于零時(shí)的特例。

關(guān)聯(lián)性3 波形同因性 記住壓載特性(即外特性)、磁載特性(即調(diào)整特性)這兩個(gè)名字后，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)特性所涉及的變量種類是一樣的，都是壓、載、磁;自變量也是一樣的，都是載，即負(fù)載電流;只不過，前者(外特性)是恒磁變壓，后者(調(diào)整特性)是恒壓變磁。這樣一來，就可認(rèn)識(shí)到這兩個(gè)特性的形狀具有相同的原因。譬如，在感性負(fù)載下，保持恒磁時(shí)，由于電樞反應(yīng)有去磁作用，使得壓載特性下降;此時(shí)，在同樣的負(fù)載下，并保持恒壓時(shí)，為了克服感性負(fù)載去磁性質(zhì)的電樞反應(yīng)，勵(lì)磁電流必須增加，因而導(dǎo)致磁載特性形狀上翹?？梢姡瑹o論是壓載特性的下降，還是磁載特性的上翹，原因都是電樞反應(yīng)。這就是兩種特性的波形同因性。這一點(diǎn)，從原來的舊名字(外特性、調(diào)整特性)是看不出來的。

關(guān)聯(lián)性4 自因?qū)Q性 記住磁載特性(即調(diào)整特性)、載磁V 形特性(即V 形曲線)這兩個(gè)名字后，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)特性所涉及的兩個(gè)關(guān)鍵變量(負(fù)載電流、勵(lì)磁電流)是一樣的，只不過，負(fù)載電流在調(diào)整特性上是自變量，而在V 形曲線上是因變量，勵(lì)磁電流在調(diào)整特性上是因變量，而在V 形曲線上是自變量。兩個(gè)特性之間這樣的外在聯(lián)系-自因?qū)Q性，從原來的舊名字(調(diào)整特性、V 形曲線)中也是看不出來的。

關(guān)聯(lián)性5 自因一致性記住載磁線形特性(即短路特性)、載磁V 形特性(即V 形曲線)這兩個(gè)名字后，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)特性都是載磁特性;而且，這兩個(gè)特性都有特殊的形狀，一個(gè)是直線形，一個(gè)是V 形。雖然只是外在聯(lián)系-碰巧自因變量相同，但從舊名字中也是看不出來的。

3.2.3 好處3:新名字有助于揭示多數(shù)特性間的共性-都是討論壓、載、磁三個(gè)變量之間的關(guān)系

具體來說就是，除功角特性外，其余六個(gè)特性所涉及的主要變量無外乎三個(gè):端電壓(壓)、負(fù)載電流(載)、勵(lì)磁電流(磁)。六個(gè)特性中有兩個(gè)壓磁特性，分別是零載壓磁特性(即空載特性)、零功因壓磁特性(即零功因負(fù)載特性);有兩個(gè)載磁特性，分別是載磁線形特性(即短路特性)、載磁V 形特性(即V 形曲線);有兩個(gè)以負(fù)載電流為自變量的特性，分別是壓載特性(即外特性)、磁載特性(即調(diào)整特性)。

3.2.4 好處4:新名字有助于揭示同步發(fā)電機(jī)特性研究中的最重要變量-勵(lì)磁電流

除功角特性外的同步發(fā)電機(jī)六個(gè)特性中，以勵(lì)磁電流為自變量的特性共四個(gè)，其中壓磁特性兩個(gè)，載磁特性兩個(gè);以負(fù)載電流為自變量的特性兩個(gè)，其中壓載特性一個(gè)，磁載特性一個(gè);以端電壓為自變量的特性，零個(gè)。這種自變量個(gè)數(shù)的分布，也說明了同步發(fā)電機(jī)是一個(gè)以勵(lì)磁口(表現(xiàn)為勵(lì)磁電流)來實(shí)現(xiàn)端電壓、負(fù)載電流控制的可控電機(jī)。另外，同步發(fā)電機(jī)這六個(gè)特性中，只有一個(gè)特性(即壓載特性)，不含磁變量(即勵(lì)磁電流)。就算是這一個(gè)特性，其前提變量中也涉及磁變量，即勵(lì)磁電流。

可見，勵(lì)磁電流在同步發(fā)電機(jī)特性研究中的地位，是多么重要!

4 結(jié)語

本文對(duì)以同步發(fā)電機(jī)為例，對(duì)電機(jī)特性的命名提出了異議。就同步發(fā)電機(jī)而言，特性一共有七個(gè)，其中單機(jī)特性五個(gè)，并網(wǎng)特性兩個(gè)。對(duì)這七個(gè)特性，本文都提出了新名字，并與舊名字進(jìn)行了比較。

新、舊名字的比較表明，新名字有四個(gè)好處:(1)有助于顧名思義;(2)有助于揭示不同特性之間的關(guān)聯(lián)性，包括:前因?qū)Q性、一般特殊性、波形同因性、自因?qū)Q性、自因一致性;(3)有助于揭示同步發(fā)電機(jī)六個(gè)特性間的共性-都是討論壓、載、磁之間的關(guān)系;(4)有助于揭示同步發(fā)電機(jī)特性中勵(lì)磁電流的重要性。

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