机电能量转换第一次作业
机电能量转换基础课件
电力电子技术是指利用电子器件进行电能转换和控制的技术。
电力电子器件
电力电子器件包括晶体管、可控硅整流器、可关断晶闸管等。
控制策略
电力电子技术的控制策略包括PWM控制、SVPWM控制等。
应用领域
电力电子技术广泛应用于电机驱动、可再生能源、智能电网等领域。
能量储存技术
能量储存技术概述
能量储存技术是指将能量转换为其他形式存 储起来，并在需要时释放的技术。
储能系统
储能系统包括电池储能系统、超级电容储能 系统、飞轮储能系统等。
储存方式
能量储存方式包括化学能储存、机械能储存 、电磁能储存等。
应用领域
能量储存技术广泛应用于可再生能源利用、 智能电网等领域。
PART 04
机电能量转换效率与优化
效率分析
转换效率定义
机电能量转换效率是指机械能转换为电能的效率，通常用百分比表 示。
结构设计
02
优化机械能与热能之间的转换结构，减少能量损失，提高转换
效率。
控制策略
03
采用先进的控制策略，如PID控制、模糊控制等，提高系电桩的机电能量转换效率分析，通过实验测量和理论计算，发现转换效率较低，主要原 因是散热不良和机械能损失较大。
案例二
某风力发电系统的机电能量转换效率优化，通过改进材料、结构和控制策略，提高了转换效率和稳定 性。
机电能量转换的发展趋势
高效率与紧凑化
提高能量转换效率和减小设备体积是未来发展的主要 方向。
多功能与智能化
结合多种能量转换方式，实现设备多功能化，并提高 智能化水平。
环境友好与可持续性
发展环保、可持续的机电能量转换技术，减少对环境 的负面影响。
机电能量转换原理
We eidt
-9-
将式（2-2）代入式（2-4），可知机械系统输入机械能的分布为
dx d x dx WM F dt M 2 D dt K x x0 dx Fedx dt dt dt
-3-
1 机电能量的转换装置
一般来说，电磁系统包括电气系统、机械系统和连接机电系 统的中间媒介，其作用是能量传递和转换。系统可以从机械系统 输入机械能，通过中间介质将机械能传递给电气系统，使之输出 电能；另一方面，也可以从电气系统输入电能，并由中间介质转 换为机械能，驱动机械系统运动。
Φm
R + u i _ K
a) 机电系统及联系 b) 理想的磁能储存系统
根据电磁系统机电装置的能量输入和输出的数量，可分为单 输入输出机电能量转换装置和多输入输出机电能量转换装置。
-5-
1.1 单输入输出机电能量转换装置 单输入和输出机电能量转换装置是一类简单的电磁系统，如 图2-3所示， 其具有单一的电气和机械装置通过耦合磁场进行机 电能量的转换，再由电气或机械装置输入或输出能量。这类电磁 系统具有广泛的工程应用，比如：电磁继电器和电磁铁等机电装 置。
质量储 能 摩擦 发热损耗 弹性 储能 输入耦合 磁场的机械能
2
2
Wm Fe dx
-10-
由此，机电系统耦合磁场输入的总能量应为电气系统与机械 系统输入能量之和，即为
Wf We Wm eidt Fe dx
（2-7）
电气系统
机械系统
-11-
1.2 多输入多输出机电能量转换装置 多输入和多输出机电能量转换装置是一类复杂的电磁系统， 如图2-4所示，其具有多路的电气和机械装置通过耦合磁场进行 机电能量的转换，再由电气或机械装置输入或输出能量。
《机电能量转换原理》课件
新能源驱动的机电能量转换系统
风能转换系统
利用风能发电，通过高效的风力发电机组将风能转换 为电能。
太阳能转换系统
利用太阳能光伏发电，通过光伏电池将太阳能转换为 电能。
海洋能转换系统
利用海洋能发电，如潮汐能、海浪能等，通过相应的 技术将海洋能转换为电能。
人工智能在机电能量转换中的应用
智能诊断与维护
利用人工智能技术对机电设备进 行故障诊断和预测，提高设备维 护效率和可靠性。
智能优化控制
通过人工智能算法对机电设备的 运行参数进行优化控制，提高设 备运行效率和能源利用率。
智能设计与仿真
利用人工智能技术进行机电设备 的设计和仿真，加速产品研发进 程并降低研发成本。
THANKS
感谢观看
自适应控制
根据能量转换过程的变化自动调整控制参数 ，以适应不同工况。
最优控制
通过数学模型和优化算法找到最优的控制策 略，以实现最高效率。
04
机电能量转换的优化方法
新型电机设计总ຫໍສະໝຸດ 词通过改进电机设计，提高能量转换效率。
详细描述
新型电机设计采用先进的设计理念和材料，优化电机的磁场分布、转子结构等， 从而提高电机的转换效率和功率密度。
《机电能量转换原理 》PPT课件
目 录
• 机电能量转换原理概述 • 机电能量转换的基本元件 • 机电能量转换过程 • 机电能量转换的优化方法 • 机电能量转换的未来展望
01
机电能量转换原理概述
定义与原理
定义
机电能量转换是将电能转换为机械能 或将机械能转换为电能的过程。
原理
基于法拉第电磁感应定律和安培力定 律，通过磁场和导体的相对运动实现 能量的转换。
机电能量转换的应用
机电能量转换原理课件
$number {01}
目
• 机电能量转换概述 • 机电能量转换的基本原理 • 机电能量转换的电路模型 • 机电能量转换的实例分析 • 机电能量转换的优化设计方法 • 机电能量转换的发展趋势与挑战
01
机电能量转换概述
机电能量转换的定义
01
机电能量转换是指将电能转换为 机械能或机械能转换为电能的过程。
VSBiblioteka 详细描述控制系统是机电能量转换的核心部分，它 可以实现对整个能量转换过程的精确控制。 优化控制系统设计，可以降低能量的浪费， 提高能量的利用效率。例如，可以通过调 整控制系统的参数，如PID控制器的比例、 积分和微分系数等，以优化控制系统的性 能。
06
机电能量转换的发展趋势与 挑战
新型材料在机电能量转换领域的应用
02
电动机是将电能转换为机械能的 典型装置，发电机则是将机械能 转换为电能的装置。
机电能量转换的类型
电动机按照电源类型、结构、工作原 理等不同可以分为多种类型，如直流 电动机、交流电动机、步进电动机等。
发电机同样也有多种类型，如直流发 电机、交流发电机、风力发电机、水 力发电机等。
机电能量转换的应用
变压器电路
变压器电路由初级线圈和次级线 圈组成，通过电磁感应实现电压
和电流的变换。
当交流电通过初级线圈时，会产 生交变磁场，这个磁场会感应次 级线圈，从而改变电压和电流。
变压器电路可以用来升高或降低 电压，以及改变电流的方向。
放大器电路
放大器电路是一种能够放大信号的电路，可以将微弱的信号放大成较强的信号。
要点一
总结词
要点二
详细描述
新型材料在机电能量转换领域的应用，有助于提高能量转 换效率和稳定性，促进机电能量转换技术的发展。
石大远程奥鹏-机械原理-第一次在线作业正确答案
错误
正确答案：正确
33.局部自由度是指有些机构中某些构件所产生的不影响其他构件的局部运动的自由度。
正确
错误
正确答案：正确
34.虚约束是指机构中某些运动副带入的对机构运动起重复约束作用的约束。虚约束虽对机构的运动并产生约束作用，但会导致机构自由度的计算结果与机构的实际自由度不相符。
正确
错误
正确答案：错误
A、无穷远
B、中心
C、法线
D、接触点
正确答案：D
25.三心定理是指三个彼此作平面运动的构件的（）个瞬心必位于同一直线上。
A、一
B、二
C、三
D、四
正确答案：C
26.机器都是由各种材料做成的制造单元零件经装配而成的各个运动单元零件的组合体；各个运动单元之间具有确定的相对运动。
正确
错误
正确答案：错误
27.构件和零件是两个不同的概念：构件是运动单元；零件是制造单元；机器中的构件可以是单一的零件，也可以是由几个零件装配成的刚性结构。
A、产生
B、不产生
C、主要
D、关键
正确答案：B
12.为了便于对含有高副的平面机构进行分析研究，可以将机构中的高副根据一定的条件虚拟的以低副加以代替，这种代替的方法就叫做（）。
A、低副高代
B、低副低代
C、高副高代
D、高副低代
正确答案：D
13.高副低代代替前后机构的（）完全相同。
A、低副数
B、高副数
C、构件数
D、自由度
正确答案：D
14.在平面机构中进行高副低代时，为了使得代替前后机构的自由度、瞬时速度和加速度都保持不变，只要用一个（）分别与两高副低代构件在过接触点的曲率中心处以转动副相联就行了。
第02章-机电能量转换原理
2.4.2 电磁转矩的一般表达式 同理，可推导具有旋转运动的电磁系统的电磁转矩计算公式。 对于旋转运动来说，如果由于电磁转矩Te的作用，产生了相应的 机械角位移d ，则表示其作了机械功dWm ，即
-2-
第2章 机电能量转换原理 2.1 机电能量的转换装置
一般来说，电磁系统包括电气系统、机械系统和连接机电系 统的中间媒介，其作用是能量传递和转换。系统可以从机械系统 输入机械能，通过中间介质将机械能传递给电气系统，使之输出 电能；另一方面，也可以从电气系统输入电能，并由中间介质转 换为机械能，驱动机械系统运动。
Wf WfL We Wm
（2-22）
耦合磁场 能量损耗
为简便起见，忽略磁场损耗，将耦合磁场被看作是一个理想 的无损耗的磁能储存系统，并且耦合磁场的能量全部储存在气隙 中。即有
Wf We Wm
（2-23）
-22-
第2章 机电能量转换原理
上式可用微分方程表示为
dWe dWf dWm
数Wfc（i , x ），便于用来计算电磁力或电磁转矩，因此是一个 研究机电能量转换的重要的变量。
-19-
第2章 机电能量转换原理 2.3 机电能量转换
根据前两节对电磁系统机电能量关系的分析，一般来说，电 磁系统的机电能量的相互关系可以用图2-6来表达。
电气系统 WeL WE + WeS We + Wf 耦合磁场 WfL + Wm WmS 机械系统 WmL + WM
第2章 机电能量转换原理
输入耦合磁场的总能量为
Wf Wej Wmk
j =1 k =1
Jj j j j =1 j =1
J
J
W
k =1
第1章机电能量转换的基本原理
交流电机统一理论第1章机电能量转换的基本原理第章机电能量转换的基本原理第1章1‐1 保守系统和磁场能量1‐2 磁场能量和磁场力1‐3 电场能量和电场力机电装置的定义机电装置：9机械能与电能转换的装置9大小不一、品种繁多、功能多样大小不一品种繁多功能多样机电装置的分类•（1）机电信号变换器—实现机电信号变换的装置—在功率较小的信号下工作的传感器，通常用于测量和控制装置中测量和控制装置中。
z如旋转变压器、扬声器等。
•（2）动铁换能器通电流激磁产生力使动铁有限位移的装置—通电流激磁产生力，使动铁有限位移的装置。
z如继电器、电磁铁等。
机电装置的分类机电装置的分类（3）机电能量持续转换装置—如电动机、发电机等。
机电装置6直流电动机机电能量转换形式•电致伸缩与压电效应—功率小，不可逆•磁致伸缩—功率小，不可逆•电场力（静电式机电装置）—功率小•磁场力—功率大，如电机7耦合场•机电装置中—耦合电场、磁场—频率低，两者可以分开，彼此独立z电磁式：磁场耦合z静电式：电场耦合8分析方法•归纳为具有若干个电端口和机械端口的装置—大多数旋转电机有两个电端口和一个机械端口的装置9保守系统的能量和力•状态变量xx &,•能量),;,,(,2121L &&L x xx x W W =•保守力),;,,(,2121L &&L x xx x f f =磁能和磁共能•磁能磁能和磁共能衔铁静止输入净电能全部转化为磁能衔铁静止，输入净电能全部转化为磁能•磁能表达式（x=x1）磁能表达式11φψ∫∫==φψFd id W m （1-8）磁能和磁共能•磁链与磁场储能不同气隙时电磁铁磁化曲线磁场储能磁共能分步积分法化简（1‐8）式11i ψ∫∫−==110m di i id W ψψψ（1-13）•磁共能1i ∫=0'mdi Wψ11'ψi WW mm =+磁共能磁能和磁共能图1-2磁场能量和磁场力12 磁场能量和磁场力单边激励的机电装置磁场中的力和转矩•电荷的洛伦兹电磁力–电场中的洛伦兹力–磁场中洛伦兹力•载流导体的电磁力•磁性材料中的电磁力电流在磁场中产生力铁磁材料在磁场中产生力洛伦兹电磁力定律•处于电磁场中电荷q所受到的电磁力F–电磁力F(N)) (BvEqF×+=力()–电荷q(库仑)–电场强度E(V/m)–磁通密度B(T)–电荷在电磁场中的运动速度v(m/s)电场和磁场中的洛伦兹电磁力•纯电场中–力的方向和电场强度的方向一致qEF =力方向场度方向致–与电荷的运动方向无关•纯磁场中)(B v q F ×=电磁力密度•3电荷密度ρ(C/m )：单位体积内的电荷•电磁力密度F V (N/m 3)：单位体积内产生的电磁力×=•电流密度)(B v E q F V +vJ ⋅=ρ•纯磁场中的电磁力密度BJ F V ×=磁性材料中的电磁力•磁性材料受力–详细计算十分复杂–需了解整体构件的磁场分布情况•简化成：只计算整体净力–多数机电能量转换装置采用刚性结构–很少要求详细计算内部应力分布•旋转电机中–电动机：磁场的旋转超前于转子磁场，定子牵引转子运动并做功–发电机：转子磁场超前于定子磁场，转子对定子做功发电机转子磁场超前于定子磁场转子对定子做功能量平衡•能量守恒：能量既不能产生也不能消亡，只能发生形式的转换•在将电能转换成机械能的系统中–电源输入=机械能输出+耦合场储能增量+转换为热能–在无损系统中heatf mec el dW dW dW dW ++=d •在将机械能转换成电能的系统中fmec el dW dW dt i e dW +=⋅⋅=–输入机械能=电能输出+耦合场储能增量+转换为热能heatf el mec dW dW dW dW ++=磁能产生电磁力•磁能产生力–Δt 时间内电源供给磁场的能量222ψt t ∫∫∫=−=−=Δ111)(2ψidt eidt dt R i ui W t t el磁能产生电磁力•输入电能磁能产生电磁力•A点磁能磁能产生电磁力•B点磁能•Δt时间内电磁力所做的机械功0磁能产生电磁力•情况2：–Δt时间内磁链为常量磁能产生电磁力输入电能•输入电能＝0–Δt 时间内磁链为常量，e=02t i )(12−=Δ∫t el dtR i ui W 2t 01=−=∫t eidt磁能产生电磁力•磁能增量磁能产生电磁力•一般情况。
第七章机电能量转换原理
在线性情况下
Wm'
1 2
L11
i12
L12
i1i2
1 2
L22
i22
所以
Te
p
1 2
i12
L11
i1i2
L12
1 2
i22
L22
是由定子、转子电流 和各自的自感随转角θ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。
为 dmech，则装置的微分总机械能
输出为：
dWmech Tedmech
从而磁能增量 dWm dWe dWmech id Tedmech
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Wm
则是一个状态函数，Wm的值由独立变量 和 （ 为电角度 ）的瞬时值
唯一地确定，而与路径无关；
定子磁链为0，转子角度为 0 时的磁
L21
i1
L22
i2
i2
d
dt
dt
dWm dWm' L11i1 L12i2 di1 L21i1 L22i2 di2
1 2
L11
i1
L12
i2
i1
d
dt
dt
1 2
L21
i1
L22
i2
i2
d
dt
dt
1
2
e1ti1
e2ti2
dt
1 2
e1
i1
e2
i2
dt
对于线性系统 1 L11 i1 L12 i2
I
2
L2
si
n2
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作业（一）
第一章变压器的工作原理
1–2一台单相双绕组变压器，额定容量S N = 250 kVA ，额定电压U1N / U2N = 10 / 0.4 kV，试求一次、二次侧的额定电流。
解：根据单相变压器额定容量和额定电压，额定电流之间的关系可得
S N=U1N*I1N=U2N*I2N
即U1N*I1N=S N I1N=S N
U1N =250
10
=25A
U2N*I2N=S N I2N=S N
U2N =250
0.4
=625A
1–3一台三相变压器，额定容量S N = 5000 kVA ，额定电压U1N/ U2N= 10 / 6.3kV，Y，d联结（即Y/Δ联结），试求：
（1）一次、二次侧的额定电流；
（2）一次、二次侧的额定相电压和相电流。
解：(1)根据三相变压器额定容量和额定电压，额定电流之间的关系可得
S N=√1N*I1N=√2N*I2N
即√3U1N*I1N=S N I1N=S N
1N
=≈288.68A
√3U2N*I2N=S N I2N=S N
√3U2N =
√3∗6.3
≈458.22A
(2)因为是Y连接，所以
U
1Nϕ=U1N=≈5.77KV U
2Nϕ
=U2N=6.3KV
I
1Nϕ
=I1N=288.68A
I
2Nϕ=I2N
√3
=
√3
≈264.55A
第二章变压器的运行分析
2–1 一台单相变压器在铁心叠装时，由于硅钢
片剪裁不当，叠装时接缝处留有较大的缝隙，那么此台变压器的空载电流将 2 。
( 选填: ①减少；②增加；③不变)
2–5 磁路线性的甲乙两台单相变压器，U1N／U2N = 220／110 V, 一次侧匝数相等（漏阻抗不计，且激磁阻抗角相等），当一次侧分别接在 220 V电源上，测得的空载电流甲台为0.4 A，乙台为0.1 A，则其空载激磁阻抗甲台为550Ω, 乙台为2200Ω。
今将两变压器原边顺极性串联后接在440 V的电源上, 二次侧空载, 这时甲台变压器的一次侧电压为88 V, 二次侧电压为352 V；乙台变压器一次侧电压为44 V,二次侧电压为176 V。
2–18 一台单相变压器，额定电压为U1N／U2N＝1100／229 V，略去励磁电阻r m, r1= 0.05 Ω，x1σ= 0.4Ω，r2 = 0.002Ω，x2σ = 0.016Ω，x m = 220Ω，当二次侧电压为额定值、电流I2= 100 A、cosφ2
= 0.6（滞后）时，求一次侧电流I1及一次侧电压U1。
解：I
1
≈24.223A
U
1
≈1115.95V
2–22 一台三相变压器，Y/Δ-11联接，S N = 9000 kVA ，U1N／U2N＝18 / 6 kV，空载
及短路试验数据如表2-3所示。
表2-3
试求超载25％且COSφ2 = 0.8（滞后）时电压变化率ΔU及效率η。
解：I1N=S N
3∗U1N =9000∗103
3∗18∗103
≈288.68A
短路试验z k=U1k
1k ==675
750
≈0.9Ω
r k=P1k
3∗(I1k)2=28000
3∗4332
=28000
562467
≈0.05Ω
χk=√z k2−r k2=√0.92−0.052=√=
√0.8075≈0.8986Ω
P kN=3*I
1Nϕ2*r
k
=3*288.682*0.05≈12500W
△u%=
β
*I1N(R s cosφ2+X S sinφ2)
U
1Nϕ
*100%=1.25*
288.68∗(0.05∗0.8+0.8986∗0.6)
3
√∗100%=1.25∗288.68∗0.58
10392.6
∗
100%=209.3
10392.6
∗100%≈2.01%
η=1-p0+β2
p kN
βS N∗cosφ2+p0+p kN
∗
100%=1-9000+1.252∗12500
1.25∗9000∗103∗0.8+9000+1.25∗12500*100%=1-28531.25
9024625
*1
00%=1-0.316%≈99.684%
第三章三相变压器
补充题1如下图所示，有Y,d 11 和Y, d 3 甲乙两台不同连接组别、相同变比的变压器，试将乙台正确接到电网上。
3-2对于三相变压器，允许通过三相平顶波形主磁通的磁路系统是②。
（选填：①三相心式变压器；②三相组式变压器）3-3消除三相心式变压器中的三次谐波磁通的主要方法是②③。
（选填：①采用Ｙ／Ｙ联接；②采用Ｙ／△联接；
③采用△／△联接）
注：作业编号为教材《电机学》书中的习题编号，该书中有参考答案。