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        同步發(fā)電機(jī)各特性命名之異議

        2015-03-04 05:28:06程小華
        防爆電機(jī) 2015年4期
        關(guān)鍵詞:發(fā)電機(jī)

        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)》的同事爭論:調(diào)整特性的縱坐標(biāo)是勵磁電流還是電樞電流?可見,老師有時都是不清楚的。總之,對于電機(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)有兩個電氣回路:電樞回路和勵磁回路。額定運(yùn)行時,這兩個回路的功率相差很大,電樞回路的功率比勵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。

        請注意,這里對異步機(jī)的討論,不是基于其等值電路,而是就其真實電路而言的。在異步機(jī)等值電路上,機(jī)械功率被等值為一個電阻,而等值的轉(zhuǎn)子回路,囊括了真實的轉(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)看做一個系統(tǒng)時,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),取決于對轉(zhuǎn)子回路的處理。

        1.3 九個約定

        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)行時有五個特性。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,涉及5 個變量,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。實際上,只有四個變量。因為,在這五個特性中,機(jī)口的轉(zhuǎn)速都是保持額定值。轉(zhuǎn)速形式上是個變量,實際上是個常量。

        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),簡稱為“功因”。

        磁約定:弱電口的電流,就是勵磁電流。為了簡便,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。為了簡便,我們約定以“速”字來表示它。額定轉(zhuǎn)速簡稱為“額速”。

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

        勢約定:強(qiáng)電口的勵磁電勢,也叫空載電勢,一般記為E0。為了簡便,我們約定以“勢”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稱為因變,或因;把特性中的自變量簡稱為自變,或自。

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

        2 同步發(fā)電機(jī)七個特性的定義及重命名

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

        2.1 同步發(fā)電機(jī)五個單機(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,電樞端電壓與勵磁電流之間的關(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,負(fù)載電流與勵磁電流之間的關(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”,并簡稱為零壓載磁特性,或載磁線形特性。

        短路特性這個名字,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,端電壓與勵磁電流之間的關(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”,簡稱為零功因壓磁特性。

        零功因負(fù)載特性這個名字,只能使人想起零功因、負(fù)載,不能使人想起端電壓、勵磁電流這兩個關(guān)鍵變量(因變量、自變量)。而零功因壓磁特性這個名字,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、勵磁電流恒定、功因恒定時,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”,簡稱為壓載特性。

        外特性這個名字,只能使人想起“外”部的變量。然而,外部的變量有四個:端電壓、負(fù)載電流、轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩。究竟是哪兩個,則不得而知。再有,即使知道了是端電壓、負(fù)載電流這兩個變量,還必須記住誰是因變量、誰是自變量。而壓載特性這個名字,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,勵磁電流與負(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”,簡稱為磁載特性。

        調(diào)整特性這個名字,什么變量也不能使人想起。而磁載特性這個名字,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-恒壓恒勢功角特性

        功角特性的定義為:電機(jī)轉(zhuǎn)速額定、勵磁電勢恒定、端電壓恒定時,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“恒壓恒勢功角特性”,簡稱為功角特性。

        功角特性這個名字,已經(jīng)足夠好,它可以使人想起電磁功率、功率角這兩個關(guān)鍵變量(前者是因變量、后者是自變量)。而恒壓恒勢功角特性這個名字則更好,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,負(fù)載電流與勵磁電流之間的關(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”,簡稱為載磁V 形曲線。

        V 形曲線這個名字,什么變量也不能使人想起。而載磁V 形特性這個名字,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)特性新舊名字對照表

        同步發(fā)電機(jī)特性新舊名字對照表,如表1 所示。

        表1 同步發(fā)電機(jī)特性新舊名字對照表

        3.2 同步發(fā)電機(jī)特性重命名的四個好處

        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。

        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)這兩個特性自變量相同,都是勵磁電流;前變量和因變量互相對換:一個是零載壓磁;一個是零壓載磁。

        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)這兩個名字后,發(fā)現(xiàn)這兩個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)識到這兩個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,由于電樞反應(yīng)有去磁作用,使得壓載特性下降;此時,在同樣的負(fù)載下,并保持恒壓時,為了克服感性負(fù)載去磁性質(zhì)的電樞反應(yīng),勵磁電流必須增加,因而導(dǎo)致磁載特性形狀上翹??梢?,無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)這兩個名字后,發(fā)現(xiàn)這兩個特性所涉及的兩個關(guān)鍵變量(負(fù)載電流、勵磁電流)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)這兩個名字后,發(fā)現(xiàn)這兩個特性都是載磁特性;而且,這兩個特性都有特殊的形狀,一個是直線形,一個是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、磁三個變量之間的關(guān)系

        具體來說就是,除功角特性外,其余六個特性所涉及的主要變量無外乎三個:端電壓(壓)、負(fù)載電流(載)、勵磁電流(磁)。六個特性中有兩個壓磁特性,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-勵磁電流

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

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

        4 結(jié)語

        本文對以同步發(fā)電機(jī)為例,對電機(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,其中單機(jī)特性五個,并網(wǎng)特性兩個。對這七個特性,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)特性中勵磁電流的重要性。

        [1] 吳大榕.電機(jī)學(xué)上冊[M].北京:電力工業(yè)出版社,1978.

        [2] 戴文進(jìn),徐龍權(quán).電機(jī)學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

        [3] 潘再平,章瑋,陳敏祥.電機(jī)學(xué)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2008.

        [4] 閻治安,崔新藝,蘇少平.電機(jī)學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2006.2.

        [5] 張廣溢,郭前崗.電機(jī)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2002.1.

        [6] 徐德淦.電機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

        [7] 周順榮.電機(jī)學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

        [8] 許實章.電機(jī)學(xué)下冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981.1.

        [9] 湯蘊(yùn)璆,史乃.電機(jī)學(xué)第2 版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

        [10] 陳世元.電機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

        [11] 王秀和.電機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

        [12] 辜承林,陳喬夫,熊永前.電機(jī)學(xué)第三版[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2010.

        [13] 李發(fā)海,朱東起.電機(jī)學(xué)第5 版[M].北京:科學(xué)出版社,2013.

        [14] 程小華.三個新的電機(jī)分類方法.防爆電機(jī),2014.1.

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