同步发电机各特性命名之异议

程小华

(华南理工大学电力学院，广东广州510640)

0 引言

《电机学》(参见文献［1 ～13］)是电工学科有名的难学课程。难点之一就是各种电机都有不少特性，而这些特性的含义很难记忆。譬如说，什么是同步发电机的空载特性?刚刚学过或者刚刚复习过的话，一般还能记住。但稍过一些时日，就又忘记了。又譬如，调整特性的定义，也是这样。我曾经多次问我的学生(本科生、研究生):空载特性是什么意思?能够回答正确者，寥寥无己。更有一次，我与一位同样是教《电机学》的同事争论:调整特性的纵坐标是励磁电流还是电枢电流?可见，老师有时都是不清楚的。总之，对于电机的特性，如果你想顾名思义，也就是借助于特性之名字来理解、记忆其意义，那几乎是不可能的。

何为其然也?其中的原因，主要就是当初对这些特性的命名，过于含混、笼统，或者说不够恰切、合理。有鉴于此，本文以同步发电机为例，谨对其各种特性之命名提出异议，亦即试图给出各特性之不同的命名，并论述新名字的优越性。其他类型电机，亦可照此办理。

1 一些概念和约定

为了论述方便，这里先建立一些概念和约定。

1.1 强电、弱电的概念

同步电机有两个电气回路:电枢回路和励磁回路。额定运行时，这两个回路的功率相差很大，电枢回路的功率比励磁回路的功率要大很多。为了区别，称电枢回路为强电回路;称励磁回路为弱电回路。

同样，直流电机也有强电回路、弱电回路之分。电枢回路为强电回路，励磁回路为弱电回路。异步电机也有强电回路、弱电回路之分。定子回路为强电回路，转子回路为弱电回路。

请注意，这里对异步机的讨论，不是基于其等值电路，而是就其真实电路而言的。在异步机等值电路上，机械功率被等值为一个电阻，而等值的转子回路，囊括了真实的转子回路和代表机械功率的等值电阻。变压器原、副两边功率相等。因此，无强电、弱电之分。

1.2 口的概念

所谓电机的口，就是当把电机看做一个系统时，该系统与环境的接口。

依其性质，口可以分为电口、机口。电口依其功率的相对大小可以分为弱电口、强电口。关于电机口的概念，详细可参见文献［14］。

《电机学》中所讨论的电机，依其口的数量可以分为三口电机和两口电机。同步电机和直流电机是三口电机;变压器是两口电机，笼式异步电机是两口电机;绕线式异步电机可以成为三口电机，也可以成为两口电机，取决于对转子回路的处理。

1.3 九个约定

同步发电机有两种运行情况:一是单机运行;一是并网运行。

同步发电机单机运行时有五个特性。它们分别是:空载特性、短路特性、零功率因数负载特性、外特性、调整特性。在叙述这些特性时，涉及5 个变量，分别是:强电口的电压、电流、功率因数;弱电口的电流;机口的转速。实际上，只有四个变量。因为，在这五个特性中，机口的转速都是保持额定值。转速形式上是个变量，实际上是个常量。

压约定:强电口的电压，就是电枢绕组的端电压。为了简便，我们约定以“压”字来表示它。

载约定:强电口的电流，就是电枢绕组的端电流，即电枢电流，亦即负载电流。在《电机学》中，常常用负载电流来代指发电机的负载。其原因是，一般情况下，电压不变或基本不变，因此，负载也就仅由电流决定。为了简便，我们约定以“载”字来表示负载电流。功因约定:强电口的功率因数，简称为“功因”。

磁约定:弱电口的电流，就是励磁电流。为了简便，我们约定以“磁”字来表示它。

速约定:机口的转速，就是电机的转速。为了简便，我们约定以“速”字来表示它。额定转速简称为“额速”。

同步发电机并网运行时有两个特性。它们分别是:功角特性、V 形曲线。在叙述这些特性时，涉及六个变量，分别是:强电口的励磁电势、端电压、负载电流、电磁功率、功率角;弱电口的励磁电流。

势约定:强电口的励磁电势，也叫空载电势，一般记为E0。为了简便，我们约定以“势”字来表示它。

功约定:强电口的电磁功率，一般记为Pe。为了简便，我们约定以“功”字来表示它。

角约定:强电口的功率角，一般记为δ。为了简便，我们约定以“角”字来表示它。

强电口的端电压、负载电流，弱电口的励磁电流，前面已有述及，不赘。

前、因、自约定:把特性定义中前提部分所涉及的变量简称为前提变量，前变量，前变，或前。类似地，把特性中的因变量简称为因变，或因;把特性中的自变量简称为自变，或自。

同步发电机的七个特性定义中，前提变量转速全部是额定值。认识到这一点，可以减轻一点记忆负担。

2 同步发电机七个特性的定义及重命名

同步发电机一共有七个特性，其中单机特性五个，并网特性两个。

2.1 同步发电机五个单机特性的定义及重命名

2.1.1 空载特性的定义及重命名-零载压磁特性

空载特性的定义为:电机转速额定、负载电流为零时，电枢端电压与励磁电流之间的关系。根据前面的约定，空载特性可改称为“零载压磁特性”。

空载特性这个名字，只能使人想起负载电流为零-空载就是零载。除此之外，什么也想不到。零载压磁特性这个名字，则基本上能够使人顾名思义、一目了然。

2.1.2 短路特性的定义及重命名-零压载磁线形特性

短路特性的定义为:电机转速额定、端电压为零时，负载电流与励磁电流之间的关系。根据前面的约定，再考虑到该特性的形状是一条过原点的直线，故短路特性可改称为“零压载磁线形特性”，并简称为零压载磁特性，或载磁线形特性。

短路特性这个名字，只能使人想起端电压为零-短路就是零压。除此之外，什么也想不到。零压载磁线形特性这个名字，则基本上能够使人顾名思义、一目了然。

2.1.3 零功因负载特性的定义及重命名-零功因恒载压磁特性

零功因负载特性的定义为:电机转速额定、功因恒为零、负载电流恒定时，端电压与励磁电流之间的关系。根据前面的约定，零功因负载特性可改称为“零功因恒载压磁特性”，简称为零功因压磁特性。

零功因负载特性这个名字，只能使人想起零功因、负载，不能使人想起端电压、励磁电流这两个关键变量(因变量、自变量)。而零功因压磁特性这个名字，则基本上能够使人顾名思义、一目了然。

2.1.4 外特性的定义及重命名-恒功因恒磁压载特性

外特性的定义为:电机转速额定、励磁电流恒定、功因恒定时，端电压与负载电流之间的关系。根据前面的约定，外特性可改称为“恒功因恒磁压载特性”，简称为压载特性。

外特性这个名字，只能使人想起“外”部的变量。然而，外部的变量有四个:端电压、负载电流、转速、输出转矩。究竟是哪两个，则不得而知。再有，即使知道了是端电压、负载电流这两个变量，还必须记住谁是因变量、谁是自变量。而压载特性这个名字，则基本上能够使人顾名思义、一目了然。

2.1.5 调整特性的定义及重命名-恒功因恒压磁载特性

调整特性的定义为:电机转速额定、端电压恒定、功因恒定时，励磁电流与负载电流之间的关系。根据前面的约定，调整特性可改称为“恒功因恒压磁载特性”，简称为磁载特性。

调整特性这个名字，什么变量也不能使人想起。而磁载特性这个名字，则基本上能够使人顾名思义、一目了然。

2.2 同步发电机两个并网特性定义及重命名

2.2.1 功角特性的定义及重命名-恒压恒势功角特性

功角特性的定义为:电机转速额定、励磁电势恒定、端电压恒定时，电磁功率与功率角之间的关系。根据前面的约定，功角特性可改称为“恒压恒势功角特性”，简称为功角特性。

功角特性这个名字，已经足够好，它可以使人想起电磁功率、功率角这两个关键变量(前者是因变量、后者是自变量)。而恒压恒势功角特性这个名字则更好，它还可以让人想起该特性的条件。毕竟名字变长为两倍。

2.2.2 V 形曲线的定义及重命名-恒压恒功载磁V 形特性

V 形曲线的定义为:电机转速额定、电磁功率恒定、端电压恒定时，负载电流与励磁电流之间的关系。根据前面的约定，V 形曲线可改称为“恒压恒功载磁V 形特性”，简称为载磁V 形曲线。

V 形曲线这个名字，什么变量也不能使人想起。而载磁V 形特性这个名字，则基本上能够使人顾名思义、一目了然。

3 同步发电机特性新旧名字对照表及重命名的好处

3.1 同步发电机特性新旧名字对照表

同步发电机特性新旧名字对照表，如表1 所示。

表1 同步发电机特性新旧名字对照表

3.2 同步发电机特性重命名的四个好处

3.2.1 好处1:新名字有助于名义相连、顾名思义

除功角特性外，同步发电机其他六个特性的旧名字中，都没有任何有助于联想的字眼。因此，只能死记。死记的东西总是不牢靠的，易忘，从而易错。

3.2.2 好处2:新名字有助于揭示特性间的五种关联性

关联性1 前因对换性记住零载压磁特性(即空载特性)、零压载磁特性(即短路特性)后，发现这两个特性自变量相同，都是励磁电流;前变量和因变量互相对换:一个是零载压磁;一个是零压载磁。

关联性2 一般特殊性 记住零功因压磁特性(即零功因负载特性)、零载压磁特性(即空载特性)后，发现这两个特性都是压磁特性。而且，后者是前者在负载电流等于零时的特例。

关联性3 波形同因性 记住压载特性(即外特性)、磁载特性(即调整特性)这两个名字后，发现这两个特性所涉及的变量种类是一样的，都是压、载、磁;自变量也是一样的，都是载，即负载电流;只不过，前者(外特性)是恒磁变压，后者(调整特性)是恒压变磁。这样一来，就可认识到这两个特性的形状具有相同的原因。譬如，在感性负载下，保持恒磁时，由于电枢反应有去磁作用，使得压载特性下降;此时，在同样的负载下，并保持恒压时，为了克服感性负载去磁性质的电枢反应，励磁电流必须增加，因而导致磁载特性形状上翘。可见，无论是压载特性的下降，还是磁载特性的上翘，原因都是电枢反应。这就是两种特性的波形同因性。这一点，从原来的旧名字(外特性、调整特性)是看不出来的。

关联性4 自因对换性 记住磁载特性(即调整特性)、载磁V 形特性(即V 形曲线)这两个名字后，发现这两个特性所涉及的两个关键变量(负载电流、励磁电流)是一样的，只不过，负载电流在调整特性上是自变量，而在V 形曲线上是因变量，励磁电流在调整特性上是因变量，而在V 形曲线上是自变量。两个特性之间这样的外在联系-自因对换性，从原来的旧名字(调整特性、V 形曲线)中也是看不出来的。

关联性5 自因一致性记住载磁线形特性(即短路特性)、载磁V 形特性(即V 形曲线)这两个名字后，发现这两个特性都是载磁特性;而且，这两个特性都有特殊的形状，一个是直线形，一个是V 形。虽然只是外在联系-碰巧自因变量相同，但从旧名字中也是看不出来的。

3.2.3 好处3:新名字有助于揭示多数特性间的共性-都是讨论压、载、磁三个变量之间的关系

具体来说就是，除功角特性外，其余六个特性所涉及的主要变量无外乎三个:端电压(压)、负载电流(载)、励磁电流(磁)。六个特性中有两个压磁特性，分别是零载压磁特性(即空载特性)、零功因压磁特性(即零功因负载特性);有两个载磁特性，分别是载磁线形特性(即短路特性)、载磁V 形特性(即V 形曲线);有两个以负载电流为自变量的特性，分别是压载特性(即外特性)、磁载特性(即调整特性)。

3.2.4 好处4:新名字有助于揭示同步发电机特性研究中的最重要变量-励磁电流

除功角特性外的同步发电机六个特性中，以励磁电流为自变量的特性共四个，其中压磁特性两个，载磁特性两个;以负载电流为自变量的特性两个，其中压载特性一个，磁载特性一个;以端电压为自变量的特性，零个。这种自变量个数的分布，也说明了同步发电机是一个以励磁口(表现为励磁电流)来实现端电压、负载电流控制的可控电机。另外，同步发电机这六个特性中，只有一个特性(即压载特性)，不含磁变量(即励磁电流)。就算是这一个特性，其前提变量中也涉及磁变量，即励磁电流。

可见，励磁电流在同步发电机特性研究中的地位，是多么重要!

4 结语

本文对以同步发电机为例，对电机特性的命名提出了异议。就同步发电机而言，特性一共有七个，其中单机特性五个，并网特性两个。对这七个特性，本文都提出了新名字，并与旧名字进行了比较。

新、旧名字的比较表明，新名字有四个好处:(1)有助于顾名思义;(2)有助于揭示不同特性之间的关联性，包括:前因对换性、一般特殊性、波形同因性、自因对换性、自因一致性;(3)有助于揭示同步发电机六个特性间的共性-都是讨论压、载、磁之间的关系;(4)有助于揭示同步发电机特性中励磁电流的重要性。

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