EEE229 Electrical Energy and Conversion

这是一篇关于EEE229 Electrical Energy and C的思维导图，主要内容包括：Synchronous machines 、电磁理论基础运动、DC电机、AC Asyn AC异步电动机、Synchronous machines & applications等。

EEE229 Electrical Energy and Conversion

• 磁路Magnetic circuits
  • • 左边为定义式，右边为实际计算式
  • • 与电路对比
  • • 磁阻，类似电路里面电阻R，l为磁通路长度，μr为相对permeability，μ0为空气的permeability，A为磁通路横截面积
    • 与电阻类似，可以进行串并联计算，最常见为铁芯与air gap的S串联
  • • 电感，前面为定义式，后面为具体计算式
  • B-H curve
    • 饱和以后，B不再随H增长而线性增长，而基本不增长
  • Hysteresis 磁滞
    • • The surface of the Hysteresis loop is equal to the hysteresis losses of the material per cycle
    • 降低磁滞损耗，要优选入左侧这样的材料
• 电磁理论基础运动
  • 圆周运动与直线运动对比
    • • n为每分钟转速rpm
  • 电生磁 Ampere's circuit law
    • 右手法则
  • 电磁力
    • 在磁场中通电导线会有感应电磁力
      • F=BIL
  • 法拉利定律：磁场中运动产生感应电动势
  • 应用举例：loud speaker
• DC电机
  • 分类
    • 永磁直流电机 permanent magnet
    • 电磁直流电机 Electromagnet
  • 结构
  • 直流电机的计算
    • • 理解并能运用上述公式非常重要
    • 永磁直流电机KT=KE，启动扭矩
      • 0扭矩时最大转速为
  • 有齿轮箱时候转动惯量的转换
    • 需要把load以及相连齿轮的转动惯量除以step down ratio G
  • 系统稳定性分析
  • 四种运动模式
    • 一三象限是电动机模式（正转/反转）、二四象限为发电机模式（正转/反转）
  • spparately excited DC machine启动存在的问题
    • 启动时没有感应电动势E，Ir太大可能造成电机损坏，方案
      • 启动时采用低电压Vr，逐步提高
      • Rr串联一个电阻，并随转速升高逐步减小该可调电阻
  • 如何调整separately excited DC motor角速度
    • 改变roter电阻，相同load下，Rr越大，转速越小
    • 改变Vr，Vr越高，转速越高
    • 改变励磁电流If，相同load，减小If（只能减小）会增大转速
  • 电机能量分析
    • 电机：输入为所有输入电工，输出为感应电动势的电功率P=EaIa
  • spearately Excited wound-field DC注意事项
    • 千万不可运行时切断励磁电源
  • series excited DC运行特征
    • 注意右上角上文字的两个特征
    • 千万不要没有负载的情况下启动,会导致转速非常高,可能导致电机损坏
  • shunt excited motor 运行特征
  • wound-field DC machine-direction
    • 把励磁电流改变方向,或者改变转子电流方向,会改变转动方向
    • 如果把励磁电流方向,以及转子电流方向都改变,转动方向不变
• AC Asyn AC异步电动机
  • AC电机整体
    • • 定子通三相交流电产生旋转磁场
      • 转子接负载，对外提供动力（扭矩）
  • AC 异步电机
    • 结构
      • stator
      • rotor
        • 鼠笼式
          • 通常用于电动机motor
        • 感应式，通常用于发电机
        • 实心式，通常用于高转速的电动机
    • 主要计算公式
      • • ns同步速率（旋转磁场速率），s滑差（转子相对于ns落后百分比），nr对外输出扭矩转速，fr转子内感应电动势频率
    • 运行模式
      • 运行过程中电流曲线
    • 运行能量分析
      • 每相等效电路
        • • 非常重要
        • 需要理解能量传递关系
      • 每相功率分析
        • • 理解并熟练使用这些公式很重要
      • 扭矩分析
        • 对于确定的某个电机，T仅仅是s的函数
        • 最大扭矩与R2'无关
        • 启动扭矩与R2’有关，故大型电机启动阶段加入大电阻
        • 不同R2'对运行曲线的影响
    • speed control
      • 与pole pair有关，但对同一个电机不可能去更改硬件构造更改pole pair
      • 线电压影响转速，电压越高，转速越高
      • 调制频率，通常是电压和频率一起调整
      • • 改变线电压式，降低线电压，通常同步降低频率，包括V/f为一个常数；但通常电压不能高于线电压
      • • 按照v/v=常数来调整v通常扭矩要稍微降低，为了输出相同扭矩，需要把电压进行微调（voltage boost)
    • 电机测量并得到相关参数
      • lock rotor测试，得到R2'和X1+X2'
      • open circuit测试得到xm和Rm
• Synchronous machines & applications
  • 主要构件
    • stator
    • rotor
      • cylindral-rotor
        • 主要用于大型蒸汽发电机
      • salient poles rotor
        • 短粗，主要用于水力发电机
  • 用途
    • motor
    • Generator
  • 原理
    • 电动机：定子通三相交流电，转子通直流电，两者保持磁场同步转速
    • 不能自启动
    • 解决方案是
      • Start with Variable-Frequency Supply 以低频率启动，逐步提高供电频率
      • start as an induction motor,转子上安装amper winding，启动阶段作为induction motor
    • 发电机：转子通直流电，定子输出三相交流电，两者保持磁场同步转速
  • 同步电动机
    • • 每相的phasor diagram
      • f是输出电压与输出电流之间夹角
      • d是EA与Vf的夹角
    • 功率计算
  • synchronous condenser 同步调相机 用于优化功率因数（power factor)
    • 原理解释：同步调相机（Synchronous Condenser）是一种特殊类型的同步电机，它在没有机械负载的情况下运行，用于改善电力系统的功率因数。其工作原理是利用电机的无功功率控制能力，通过调节电机的励磁电流来吸收或产生无功功率，从而稳定和加强电力系统。同步调相机在过励状态下运行时，会消耗容性无功功率，这有助于平衡系统中感性负载产生的滞后电流，从而改善功率因数。 在三相系统中，同步调相机可以在无负载的情况下运行，通过调整电流角度来改善整个系统的功率因数。当电力系统中由于无功负载而从电源中以落后角度 θL ​ 抽取电流 IL 时，同步调相机以领先角度 θM 从同一电源中抽取电流 IM ​。从电源中抽取的总电流是负载电流 IL 和电机电流 IM 的矢量和。结果电流 I 相对于电压的角度 θ 小于角度 θL 。因此，系统的功率因数 cosθ 现在大于连接同步调相机之前的功率因数 cosθL 。 同步调相机相比于静态电容器组提供了更平滑、连续的功率因数调整，而电容器组只能以阶梯方式调整功率因数，不允许进行精细调整。此外，同步调相机在高压系统中的性能优于电容器组，且寿命更长。
    • 详细解释见链接 ：https://www.elprocus.com/synchronous-condenser/
  • 其他同步电机类型（做基本了解即可）
    • permanent magnet S.M. 永磁同步电机
      • 永磁同步电机（PMSM）是一种采用永磁体作为转子磁场源的电动机，其工作原理是定子绕组通电后形成旋转磁场，转子上的永磁体受到该磁场的作用，以同步速度旋转。永磁同步电机具有高效率、高功率密度、高可靠性、低噪音、良好的调速性能等优点，但也存在成本较高、温度敏感性等缺点。
    • Synchronous Reluctance Motor同步磁阻电机
      • 同步磁阻电机（Synchronous Reluctance Motor，简称SynRM）是一种无永磁体的同步电机，其转子由铁磁性材料制成，通过转子和定子之间的磁阻差异产生转矩。这种电机的工作原理基于磁阻转矩，即电机转子的磁阻变化产生转矩。其主要优势包括： 1. 高效率：由于没有永磁体，减少了因永磁体退磁导致的能量损失，因此效率较高。 2. 低成本：不需要永磁体，这使得电机的成本更低。 3. 高功率密度：在相同的体积和重量下，可以输出更大的功率。 4. 良好的调速性能：通过改变电源频率，可以实现电机的无级调速。 5. 结构简单：转子结构简单，没有复杂的绕组，因此维护成本较低。 然而，同步磁阻电机也存在一些缺点： 1. 低功率因数：与永磁同步电机相比，其功率因数较低。 2. 转矩脉动：由于磁阻转矩的特性，可能会产生转矩脉动，影响电机的平稳运行。 3. 启动困难：在启动时可能需要额外的启动装置或方法。 4. 控制复杂：需要复杂的控制策略来优化其性能。
    • Switched Reluctance S.M. 切换磁阻电机
      • 切换磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）是一种无刷直流电机，其工作原理是基于磁阻转矩，即电机转子的磁阻变化产生转矩。SRM的转子由铁磁性材料制成，没有永磁体，而是由定子绕组产生的旋转磁场驱动。电机的转子不断尝试通过最低磁阻路径对齐，从而产生旋转。 优点： 1. 结构简单且坚固：转子上没有绕组，维护简单。 2. 高速运行：可以实现非常高的转速。 3. 良好的散热：大部分损耗发生在定子中，散热更容易。 4. 功率半导体开关电路设计简单。 5. 无永磁体：减少了因永磁体退磁导致的能量损失。 缺点： 1. 转矩脉动：可能导致中高速下的噪声污染。 2. 需要位置传感器：为了准确控制电流切换。 3. 需要能够承载磁化电流的定子相绕组。 4. 高扭矩波动和电磁噪声：由于固有的双凸极结构。 5. 需要高开关频率：这可能会增加控制的复杂性。 总的来说，SRM是一种具有成本效益、结构简单、维护容易的电机，适用于需要高可靠性和宽速度范围的应用。然而，它需要复杂的控制策略来优化其性能，并解决转矩脉动和噪声问题。
    • Axial Flux PM Motor轴向磁通永磁电机
      • 轴向磁通永磁电机（Axial Flux PM Motor，简称AFPM）是一种电机，其磁通沿电机轴向流动，具有独特的优势和一些挑战。AFPM电机因其高功率密度、高效率和有效的体积利用而成为电动推进应用的有力候选者。这种电机的磁通路径比径向磁通电机短得多，从而使相同功率下的电机体积更小，功率密度和效率更高 AFPM电机的高效率通常超过96%，这得益于较短的一维磁通路径，其效率可与市场上最好的二维径向磁通电机媲美，甚至更高。此外，由于其紧凑的设计，轴向磁通电机能够在较小的体积内提供较高的功率密度，非常适合空间受限的场合 然而，AFPM电机在设计和生产方面面临着一些严峻的挑战。尽管具有技术优势，但其成本却远远高于径向电机 一个主要挑战是，保持转子和定子之间气隙均匀，因磁力比径向电机大得多，保持均匀气息有一定难度 双转子轴向磁通电机还存在散热问题，因为绕组位于定子深处和两个转子盘之间，散热非常困难 AFPM电机的制造过程比传统电机复杂，成本较高，且散热难度较大，需要额外的散热设计 。尽管如此，AFPM电机因其高功率密度和效率，适合需要高扭矩密度和高效率的应用，如电动汽车、风力发电等。
• Other machines & actuators – Applications & Uses（重点掌握其特点和应用场景)
  • Voice-coil actuator
    • application
      • loadspeaker & microphone
      • aerospace
        • detection of material
        • surface scanning
        • thermal emission spectrometers
        • sentive sensors
      • medical devices
        • inhalation & exhalation valves
        • anesthesia mechine
        • medication/liquid provision
  • Limited angle rotary actuator
    • Hard Disk head actuator
    • CD drive actuator
    • Hydraulic & pneumatic valves & vanes
  • Reluctance actuators & solenoids (self-excited actuators)
    • door loock
    • washing machine walve
    • industrial machinery
    • electromagnet
    • relay
    • fuel injector
  • Stepper motor
    • application
    • 主要应用场景：scanners, printers, robotic joints, manufacturing equipments
    • • 需要注意应用该公式
• 三相交流电
  • 星型连接star （Y)
  • delta连接 D
  • 三相交流电的功率计算
    • • 需要注意单位以及计算公式