第七章 机电能量转换原理优秀课件.ppt
《第七章 机电能量转换原理优秀课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第七章 机电能量转换原理优秀课件.ppt(53页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第七章第七章 机电能量转换原理机电能量转换原理第1页,本讲稿共53页第一节第一节 机电能量转换过程中的能量关系机电能量转换过程中的能量关系能量守恒原理能量守恒原理:在质量守恒的物理系统中,能量既不能产生、也不:在质量守恒的物理系统中,能量既不能产生、也不 能消灭,而仅能改变其存在的形态。能消灭,而仅能改变其存在的形态。一、机电能量转换过程中的能量关系一、机电能量转换过程中的能量关系对于由电系统、机械系统和联系两者的耦合磁场组成的机电装对于由电系统、机械系统和联系两者的耦合磁场组成的机电装置,根据能量守恒原理(电动机惯例)有:置,根据能量守恒原理(电动机惯例)有:电动机中,电能和机械能为正值;电
2、动机中,电能和机械能为正值;发电机中,电能和机械能为负值。发电机中,电能和机械能为负值。能量损耗分分为三类:能量损耗分分为三类:1、电系统(绕组)内部的电阻损耗;、电系统(绕组)内部的电阻损耗;2、是机械部分的摩擦损耗、通风损耗,统称机械损耗;、是机械部分的摩擦损耗、通风损耗,统称机械损耗;3、类是耦合电磁场在介质内产生的损耗,包括磁滞和涡流损耗等。、类是耦合电磁场在介质内产生的损耗,包括磁滞和涡流损耗等。第2页,本讲稿共53页 把电机作为一个具有电端口和机械喘口的两端口装置,把电阻损耗和机把电机作为一个具有电端口和机械喘口的两端口装置,把电阻损耗和机械损耗移出,则装置的中心部分将成为一个由动
3、态耦合线圈所组成的械损耗移出,则装置的中心部分将成为一个由动态耦合线圈所组成的“无损无损耗磁储能系统耗磁储能系统”无损耗的无损耗的磁储能系统磁储能系统电阻损耗电阻损耗机械损耗机械损耗电端口电端口机械端口机械端口图图7-1 把损耗抽出使系统成为把损耗抽出使系统成为“无损耗磁储能系统无损耗磁储能系统”第3页,本讲稿共53页无损耗磁储能系统,在时间无损耗磁储能系统,在时间 内,其能量关系为:内,其能量关系为:系统的微分电能输入;:为微分储能增量,:系统的微分机械能输出。把损耗移出,整个系统成为把损耗移出,整个系统成为“无损耗系统无损耗系统”,便于导出磁场储能和相应,便于导出磁场储能和相应的机电耦合项
4、的机电耦合项电磁转矩,又使过程成为电磁转矩,又使过程成为单值、可逆单值、可逆,给整个分析带来,给整个分析带来很大方便。很大方便。无损耗的无损耗的磁储能系统磁储能系统电阻损耗电阻损耗机械损耗机械损耗电端口电端口机械端口机械端口第4页,本讲稿共53页二、磁场储能二、磁场储能 设电源电压为设电源电压为 ,线圈中的电流为,线圈中的电流为 ,电阻为,电阻为R;则在时间;则在时间 内,由电源输内,由电源输入装置的总电能应为入装置的总电能应为 ,消耗在电阻,消耗在电阻R上的电能为上的电能为 。于是在时间。于是在时间 内,内,输入装置的净电能输入装置的净电能 为:为:设线圈的磁链为设线圈的磁链为 ,根据法拉第
5、电磁感应定律,根据法拉第电磁感应定律线圈内感应电动势:线圈内感应电动势:线圈的电压方程为:线圈的电压方程为:输入装置的净电能为:输入装置的净电能为:单边激励的机电装置单边激励的机电装置图7-2 单边激励的机电装置第5页,本讲稿共53页 设作用在转子上的电磁转矩为设作用在转子上的电磁转矩为 ,在,在 内转子转过的角度为内转子转过的角度为 ,则装置的微分总机械能输出为:则装置的微分总机械能输出为:从而磁能增量从而磁能增量 装置的磁储能系统是无损耗系统,是一个保守系统,磁场储能装置的磁储能系统是无损耗系统,是一个保守系统,磁场储能 则是一个状态函数,则是一个状态函数,的值由独立变量的值由独立变量 和
6、和 (为电角度为电角度)的瞬时值)的瞬时值唯一地确定,而与路径无关;唯一地确定,而与路径无关;第6页,本讲稿共53页在图在图7-3所示的路径所示的路径 2上积分:上积分:在路径在路径 2a上,由于上,由于 ,所以,所以 ,由于,由于 ,故故 。在路径。在路径 2b上,由于上,由于 ,所以,所以 ,于是于是:单边激励机电装置的单边激励机电装置的磁场能量公式磁场能量公式,对线性或非线性系统均适用。,对线性或非线性系统均适用。图7.3 确定 的不同路径定子磁链为 ,转子角度为 时的磁场储能,通过积分来求得。第7页,本讲稿共53页磁场能量的图解表示:图中磁场能量的图解表示:图中 曲线是曲线是 时磁路的
7、磁化时磁路的磁化曲线,面积曲线,面积oabo则代表系统的磁场能量。则代表系统的磁场能量。若以电流若以电流 为自变量,对磁链为自变量,对磁链 进行积分,可得进行积分,可得 称为称为磁共能磁共能。在图在图 7-4中,用面积中,用面积 0ac0来代表来代表时的曲线图7.4 磁能和磁共能第8页,本讲稿共53页 磁能与磁共能之和可用矩形面积磁能与磁共能之和可用矩形面积obac来代表,在一般情况下磁能和磁共来代表,在一般情况下磁能和磁共能互不相等。能互不相等。磁能密度:磁能密度:线性磁性介质,线性磁性介质,为常值,则为常值,则 上式表明,在一定的磁通密度下,介质的磁导率越大,磁场的储能密度上式表明,在一定
8、的磁通密度下,介质的磁导率越大,磁场的储能密度就越小。所以对于通常的机电装置,当磁通量从就越小。所以对于通常的机电装置,当磁通量从0开始上升时,大部分磁场开始上升时,大部分磁场能量将储存在磁路气隙中;当磁通减少时,大部分磁能将从气隙通过电路能量将储存在磁路气隙中;当磁通减少时,大部分磁能将从气隙通过电路释放出来。铁心中的磁能很少,常可忽略不计。释放出来。铁心中的磁能很少,常可忽略不计。时的曲线图7.4 磁能和磁共能 若磁路为线性,曲线是一条直线,若磁路为线性,曲线是一条直线,磁能和磁共能相等。磁能和磁共能相等。为线圈的自感,为线圈的自感,第9页,本讲稿共53页双边激励的机电装置双边激励的机电装
9、置 旋转电机定、转子绕组都接到电源,就成为定、转子旋转电机定、转子绕组都接到电源,就成为定、转子双边激励的双边激励的机电装置机电装置。双边激励的机电装置有双边激励的机电装置有两个电端两个电端口口和和一个机械端口一个机械端口,系统可由三个独,系统可由三个独立变量来描述。立变量来描述。图7-5 双边激励的机电装置 取定子和转子磁链取定子和转子磁链1、2和转子转和转子转角角为自变量,则装置的磁场储能:为自变量,则装置的磁场储能:第10页,本讲稿共53页图7-5 双边激励的机电装置 定子和转子绕组分别接到电压为定子和转子绕组分别接到电压为u1和和u2的电源,绕组内的电流为的电源,绕组内的电流为il和和
10、i2。则感应电动势为:。则感应电动势为:在时间在时间 内,由定、转子绕组输入内,由定、转子绕组输入装置的净电能:装置的净电能:磁能的值仅仅取决于磁链和转角的终值,而与达到终值的路径无关。磁能的值仅仅取决于磁链和转角的终值,而与达到终值的路径无关。磁能的微分增量为:磁能的微分增量为:第11页,本讲稿共53页在图在图7-6中,选取路径中,选取路径1作为积分路径。作为积分路径。在在 la段上,段上,于是,于是 ,积分为,积分为0。在在 lb段上,段上,于是于是在在 lc段上,段上,于是于是结果:结果:通过积分来求磁场储能第12页,本讲稿共53页采用电流作为自变量,根据磁共能的定义采用电流作为自变量,
11、根据磁共能的定义微分磁共能微分磁共能:类似地:类似地:第13页,本讲稿共53页 以上研究的是两绕组系统的情况。对于具有以上研究的是两绕组系统的情况。对于具有n个绕组的系统,可以个绕组的系统,可以 采用采用类似的方法来分析,并得到相应的表达式类似的方法来分析,并得到相应的表达式对于对于线性系统线性系统,定、转子绕组的磁链可分别表示为,定、转子绕组的磁链可分别表示为分别代入磁能和磁共能的积分式,得到分别代入磁能和磁共能的积分式,得到相应地相应地第14页,本讲稿共53页第二节第二节 双边激励机电装置中的机电能量转换双边激励机电装置中的机电能量转换一、感应电动势和电能输入一、感应电动势和电能输入感应电
12、动势感应电动势设定、转子的电源电压分别为 和 ,电流为 和 ,磁链为 和 ,电阻为 和 。定、转子绕组内产生感应电动势:而:第15页,本讲稿共53页所以所以由电流的变化所引起,称为变压器电动势由转子的旋转运动所引起,称为运动电动势运动电动势是一项机电耦合项,是否存在运动电动势,是静止电路与动运动电动势是一项机电耦合项,是否存在运动电动势,是静止电路与动态电路的主要差别之一。态电路的主要差别之一。第16页,本讲稿共53页对于对于线性系统线性系统所以所以在时间在时间 内,输入系统的微分净电能内,输入系统的微分净电能 上式说明,上式说明,电能的输入是通过线圈内的磁链发生变化,使线圈产生电能的输入是通
13、过线圈内的磁链发生变化,使线圈产生感应电动势而实现感应电动势而实现;换言之,;换言之,产生感应电动势是耦合场从电源输入电能的必产生感应电动势是耦合场从电源输入电能的必要条件要条件。第17页,本讲稿共53页二、磁场储能的变化二、磁场储能的变化对两绕组系统,磁能对两绕组系统,磁能:在时间在时间 内,若磁链和转角都发生变化,则磁能的变化(全微分)内,若磁链和转角都发生变化,则磁能的变化(全微分)应为应为:而而:所以:所以:从而:从而:是由转子的角位移所引起是由转子的角位移所引起的磁能的变化,它是的磁能的变化,它是“动动态电路态电路”所特有的项目。所特有的项目。第18页,本讲稿共53页相应地,由电流和
14、转角的变化所引起的磁共能的变化为:相应地,由电流和转角的变化所引起的磁共能的变化为:而而所以所以从而:从而:第19页,本讲稿共53页对于线性系统对于线性系统第20页,本讲稿共53页 上式表明,上式表明,磁能的变化是由两个绕组中的变压器电动势从电源所吸收的磁能的变化是由两个绕组中的变压器电动势从电源所吸收的电能与运动电动势从电源所吸收的电能的电能与运动电动势从电源所吸收的电能的1/2所提供所提供。对于对于线性系统线性系统第21页,本讲稿共53页三、电磁转矩和机械功三、电磁转矩和机械功 电磁转矩是另一个机电耦合项,电磁转矩是另一个机电耦合项,产生运动电动势和电磁转矩是实现机产生运动电动势和电磁转矩
15、是实现机电能量转换的关键电能量转换的关键。设在时间设在时间 内转子转过内转子转过 ,由于转子将受到电磁转矩的作用,由于转子将受到电磁转矩的作用,电磁转矩所作的机械功应为:电磁转矩所作的机械功应为:第22页,本讲稿共53页于是电磁转矩于是电磁转矩Te为为 以磁链 和转角 作为自变量时,两绕组系统电磁转矩公式。上式说明,当转子的微小角位移引起系统的磁场能量变化时,当转子的微小角位移引起系统的磁场能量变化时,转子上将受到电磁转矩的作用;电磁转矩的大小等于单位微小角位转子上将受到电磁转矩的作用;电磁转矩的大小等于单位微小角位移时磁能的变化率移时磁能的变化率 ,电磁转矩的方向为在恒磁链下使,电磁转矩的方
16、向为在恒磁链下使磁能减小的方向磁能减小的方向。第23页,本讲稿共53页若以电流若以电流 和转角和转角 作为自变量,则电磁转矩可从磁共能简单的导出作为自变量,则电磁转矩可从磁共能简单的导出 公式表明,公式表明,当转子的微小角位移引起系统的磁共能发生变化时,就会产生电当转子的微小角位移引起系统的磁共能发生变化时,就会产生电磁转矩;电磁转矩的大小等于单位微小角位移时磁共能的变化率(电流约束为常磁转矩;电磁转矩的大小等于单位微小角位移时磁共能的变化率(电流约束为常值),方向为在恒电流下起使磁共能增加的方向值),方向为在恒电流下起使磁共能增加的方向。两电磁转矩公式对线性和非线性情况均适用。两电磁转矩公式
17、对线性和非线性情况均适用。第24页,本讲稿共53页在线性情况下在线性情况下所以所以 是由定子、转子电流和各自的自感随转角的变化所引起的转矩,称为磁阻转矩;是由定、转子电流和互感随转角的变化所引起,称为主电磁转矩。对于具有对于具有n个绕组的情况个绕组的情况第25页,本讲稿共53页例例 7-2 有一台单相磁阻电动机,其定子上装有一个线圈,转子为凸极,转子上没有线圈(图有一台单相磁阻电动机,其定子上装有一个线圈,转子为凸极,转子上没有线圈(图7-8)。已知磁路为线性,定子自感随转子转角的变化规律为)。已知磁路为线性,定子自感随转子转角的变化规律为 ,试求定,试求定子线圈通有正弦电流子线圈通有正弦电流
18、 时,电磁转矩的瞬时值和平均值。时,电磁转矩的瞬时值和平均值。解:对线性系统,电机的磁共能P=1时电磁转矩设转子的机械角速度为 ,时转子的初相角为 ,则 ,于是电磁转矩为第26页,本讲稿共53页若 ,转矩为脉振,一个周期内的平均电磁转矩Te=0;若 ,则平均电磁转矩为 磁阻电动机是一种同步电动机,它仅在同步转速、且 时才有平均电磁转矩;这种由 、也就是由直轴磁阻和交轴磁阻不同所引起的转矩,称为磁阻转矩;可以看出,磁阻转矩与 成正比。第27页,本讲稿共53页四、机电能量转换过程四、机电能量转换过程能量转换过程中时间能量转换过程中时间dt内的微分能量关系:内的微分能量关系:输入电能输入电能输出机械
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第七章 机电能量转换原理优秀课件 第七 机电 能量 转换 原理 优秀 课件
限制150内