机电能量转换系统：车辆、航海、航空、航天运载工具电力系统

电机既可以运行在发电模式，也可以运行在电动模式。在电动模式下，可以利用电能驱动机械负载，而在发电模式下，则可以利用机械原动力产生电能。图3-1和图3-2是电机运行的典型图形表示。图3-1和图3-2描述的是三相电源，还有单相或直流供电的。在下一章节，我们将会考察这些电机的基本运行原理、特性和驱动方程。

图3-1 电动模式下典型电机示意图

图3-2 发电模式下的典型电机示意图

在机电系统中，我们感兴趣的基本参数是位置、速度、加速度、转动惯量、摩擦力和转矩。明晰这些参数之间的关系式是非常重要的。下式定义了这些参数之间的关系。

加速度：a=dω/dt

角速度：ω（t）=ω（0）＋∫a（τ）dτ

位置：θ（t）=θ（0）＋∫ω（τ）dτ

电功率：P_em=T_emω

负载功率：P_L=T_Lω

动能：K=Jω²/2

角速度会因为功率和转矩而发生变化。一般保持一个参数为常数，而通过改变另一个参数以改变速度，如功率可以定为常数，则速度随转矩线性变化，又或者转矩保持为常数，则速度随功率线性变化。转矩和速度之间的关系可以从下式得到：

式中 T、T_r、n、n_r和k——转矩、额定转矩、速度、额定速度和指数因数。不同的转矩-速度特性可能拥有不同的k值。系统瞬态机械方程如下：

(www.xing528.com)

式中 T_em、T_L、J和B——电磁功率、负载转矩、转动惯量和轴承摩擦因数。

在机械系统中，为了改变速度往往采用齿轮机构。下面的图示就是解释轴上的齿轮是如何改变速度的。

对于图3-3的齿轮系统，有如下公式：

式中 N₁、N₂——齿轮数；

图3-3 采用齿轮的典型机械连接

ω₁、ω₂——电机和负载的角速度；

B₁、B₂——电机和负载的轴承摩擦因数；

T₁、T_L——额定电磁和负载转矩。

电机系统应该对机械系统运行做出响应，因此需将机械系统侧参数折算到电机侧。

根据转矩方向或轴旋转方向，电机既可以工作在电动模式也可工作在发电模式，相应的机械系统既可以工作在负载也可以工作在原动机模式下。将它们综合，可以得到电机系统四象限状态图，如图3-4所示。

图3-4 四象限状态图