background image

Materiały do wykładu z “Elektromechanicznych Przemian Energii” 

Opracował: Tadeusz Sobczyk 

 

 
 

ENERGIA JAKO WIELKOŚĆ BAZOWA DO OPISU  

ELEKTROMECHANICZNEGO PRZETWARZANIA ENERGII  

 

 
 

Zjawiska elektryczne i mechaniczne mają zupełnie inną naturę fizyczną i aby je 
rozpatrywać  łącznie  wykorzystuje  się  energię,  która  jest  wielkością  fizyczną 
wspólną dla tych zjawisk. 

 
 

Układ elektromechaniczny - zbiór elementów elektrycznych i mechanicznych

 

 

Elementy elektryczne: cewka, kondensator, rezystor oraz źródło napięcia.  

 

Elementy mechaniczne:  
- dla ruchu liniowego: masa, sprężyna, element tłumiący oraz źródło siły,  
- dla ruchu obrotowego: masa wirująca, sprężysty element obrotowy oraz źródło   
  momentu obrotowego.  

 

W  układ elektromechanicznym  może dochodzić do  zmiany charakteru energii  – 
energia  elektryczna  może  zostać  zamieniona  (przetworzona)  na  energię 
mechaniczną  lub  odwrotnie.  Proces  taki  nazywamy  elektromechaniczną 
przemianą energii.  

 
 

Do  opisu  elektromechanicznych  przemian  energii  wykorzystuje  się  ujednolicony 
opis  elementów  układu  elektromechanicznego  –  zarówno  mechanicznych  jak  i 
elektrycznych  –  polegający  na  przyporządkowaniu  jednakowych  formuł 
matematycznych typom elementów układu elektromechanicznego, niezależnie od 
ich fizycznej natury.   

 
 
 

Proces przetwarzania energii  zachodzi dzięki  tzw. elementom  konserwatywnym, 
które, w wyidealizowanej postaci, mają zdolność gromadzenia energii i zwracania 
jej do układu bez start. Wyróżnia się dwa typy takich elementów:  
-  elementy  typu  kinetycznego,  które  mają  zdolność  magazynowania  energii 
kinetycznej, w jej mechanicznej postaci, 
-  elementy  typu  potencjalnego,  które  mogą  magazynować  energię  potencjalną  w 
rozumieniu mechaniki.  
 

 
 
 

background image

Materiały do wykładu z “Elektromechanicznych Przemian Energii” 

Opracował: Tadeusz Sobczyk 

 

 
 

OPIS ELEMENÓW TYPU KINETYCZNEGO 

 

- cewka (element ‘L’)   

 

 

t

i

u

d

d

L

 

- masa skupiona (element ‘M’) 

 

t

v

f

d

d

M

 

- masa wirująca (element ‘J’)  

 

t

m

d

d

J

 

 
gdzie: 

m

f

u

,

,

  

napięcie, siła oraz moment skrętny,  

,

,v

i

  

prąd, prędkość liniowa oraz prędkość kątowa.  

J

M,

L,

  

parametry  charakteryzujące  element,  które  określają  ważne 
wielkości fizyczne   
-  strumień skojarzony cewki  

 

i

 

L

  

-  pęd w ruchu liniowym  

 

 

v

p

 

M

 

-  kręt w ruchu obrotowym    

 

 

J

k

 

 
 

 
Elementy  spełniające  takie  związki  nazywamy  liniowymi,  gdyż  strumień 
skojarzony,  pęd  czy  kręt  zależą  liniowo  od  –  odpowiednio  –  prądu,  prędkości 
liniowej  czy  prędkości  obrotowej.  W  ogólniejszym  przypadku  obowiązują 
związki 
 

t

u

d

d

 

 

t

p

f

d

d

 

 

t

k

m

d

d

 

 
 
Muszą  być  one  uzupełnione  zależnościami 

)

(i

)

(v

p

p

  oraz 

)

(

k

k

które  są  one  nazywane  charakterystykami  elementów,  a  elementy  nazywane  są 
nieliniowymi.  
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Materiały do wykładu z “Elektromechanicznych Przemian Energii” 

Opracował: Tadeusz Sobczyk 

 

 

 

OPIS ENERGETYCZNY ELEMENTÓW TYPU KINETYCZNEGO 

(na przykładzie cewki, czyli elementu L) 

 
Chwilową wartość mocy cewki L określa elementarny związek  

 

i

u

P

 

 

 
Energia zgromadzona w tym elemencie wynosi 

 

d

 

d

 

 

d

d

d

 

 

k

o

t

o

t

o

i

t

i

t

t

i

u

E

 

 
W  celu  obliczenia  energii  cewki  należy  znać  jednoznaczną  funkcję 

)

(

i

i

.  Dla 

cewki o charakterystyce liniowej  

i

 

L

  energia wynosi  

 
 

L

2

1

d

 

L

d

 

2

k

o

o

i

E

 

 
 

Interpretacja  graficzna  energii  –  pole  nad  charakterystyką 

)

(i

.  Pole  to 

jednoznacznie określa stan cewki jeżeli jej charakterystyka jest jednoznaczna. 

 

i

)

,

(

i

i

)

,

(

i

o

E

o

E

E

E

A

B

 

 

Charakterystyka elementu ‘L’ oraz interpretacja graficzna jego energii i koenergii. 

 

 

background image

Materiały do wykładu z “Elektromechanicznych Przemian Energii” 

Opracował: Tadeusz Sobczyk 

 

Stan  cewki  można  również  określić  podając  pole  pod  charakterystyką.  Ta 
wartość jest nazywana ko energią 

ko

E

którą oblicza się ze wzoru  

 

i

E

i

o

d

 

ko

 

 
Dla cewki o charakterystyce liniowej koenergia jest określona wzorem  
 

2

ko

 

L

2

1

d

  

L

d

 

i

i

i

i

E

i

o

i

o

  

 
oraz jest spełniony związek 

ko

k

E

E

, gdyż pola pod i nad krzywa są równe. 

 

Ważne:  
- energia cewki jest funkcją strumienia skojarzonego,  
- koenergia cewki jest funkcją prądu.  

 
Przez analogię można zapisać wyrażenia określające energię i koenergię masy: 
- w ruchu liniowym  

p

v

E

p

o

d

 

k

   

 

 

v

p

E

v

o

d

 

ko

 

 
- w ruchu obrotowym 
 

k

E

k

o

d

 

k

  

 

 

d

 

ko

o

k

E

 

 
Dla elementów o liniowych charakterystykach otrzymuje się: 
- dla ruchu liniowego 

 

energia  

M

2

1

2

k

p

E

 

 

 

koenergia  

2

ko

 

M

2

1

v

E

 

 
- dla ruchu obrotowego 

 

energia  

J

2

1

2

k

k

E

 

 

 

koenergia  

2

ko

 

J

2

1

E

 

 

 

background image

Materiały do wykładu z “Elektromechanicznych Przemian Energii” 

Opracował: Tadeusz Sobczyk 

 

OPIS ENERGETYCZNY ELEMENTÓW TYPU POTENCJALNEGO 

(na przykładzie sprężyny, czyli elementu sprężystego K) 

 
Elementy  potencjalne  są  opisywane  przez  charakterystyki  wiążące  napięcie,  siłę 
lub  moment  skrętny  z  –  odpowiednio  -  ładunkiem  kondensatora,  przesunięciem 
liniowym  lub  kątem  obrotu.  W  przypadku  charakterystyk  liniowych  są  to 
związki 
 

C

q

u

 

 

x

f

 

 

 

K

m

 

 

w których: 

C

 - pojemność kondensatora, 

K

 – sprężystość w ruchu liniowym, 

K

 

sprężystość  w  ruch  obrotowym.  Dla  elementów  nieliniowych  te  charakterystyki 
są opisywane funkcjami nieliniowymi 

)

(q

u

u

)

(x

f

f

 lub 

)

(

m

m

 

 

Dla elementu K energię zgromadzoną w sprężynie określa całka  
 

x

f

E

x

o

d

 

p

 

 

W przypadku charakterystyki liniowej otrzymuje się  
 

2

p

2

1

d

 

x

x

x

E

x

o

 

 
Odpowiada to polu powierzchni pod charakterystyką 
 

x

f

)

,

(

x

f

x

f

)

,

(

x

f

po

E

A

B

po

E

p

E

p

E

 

 

Charakterystyka elementu ‘K’ oraz interpretacja graficzna jego energii i koenergii. 

background image

Materiały do wykładu z “Elektromechanicznych Przemian Energii” 

Opracował: Tadeusz Sobczyk 

 

 
 

Pole pod krzywą określa wartość ko energii 
 

f

x

E

f

o

d

 

po

 

 
Dla elementu o charakterystyce liniowej koenergia jest określona wzorem  
 

 

K

2

1

d

  

K

1

d

 

2

po

f

i

f

f

x

E

f

o

f

o

  

 
oraz jest spełniony związek 

po

p

E

E

 
Wyrażenia określające energię i koenergię pozostałych elementów maja postaci: 
- obrotowego elementu sprężystego 

d

 

p

o

m

E

 

 

 

m

E

m

o

d

 

po

 

- oraz kondensatora 

q

u

E

q

o

d

 

p

  

 

 

u

q

E

u

o

d

 

po

 

 
Dla tych elementów o liniowych charakterystykach otrzymuje się zależności: 
- dla obrotowego elementu sprężystego  

 

energia  

2

p

K

2

1

E

 

 

koenergia  

 

M

2

1

2

po

m

E

 

 
- kondensatora 

 

energia  

C

2

1

2

p

q

E

   

 

koenergia  

2

po

 

C

2

1

u

E

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Materiały do wykładu z “Elektromechanicznych Przemian Energii” 

Opracował: Tadeusz Sobczyk 

 

 

 
Wielkości  używane  do  opisu  elementów  kinetycznych  oraz  potencjalnych 
spełniają związki  

 

t

q

i

d

d

 

 

   

t

x

v

d

d

 

 

t

d

d

 

 
które, według nazewnictwa mechaniki,  są nazywane: 
 
- współrzędnymi elektromechanicznymi  

 
ładunek – 

q

 ,  

 

przesunięcie – 

x

,   

 

kąt obrotu – 

 

- prędkościami elektromechanicznymi  
 

prąd – 

i

,    

 

prędkość – 

v

,  

 

 

prędkość kątowa – 

 

 

- pędami elektromechanicznymi 
  

strumień – 

,  

 

pęd – 

p

,    

 

 

kręt – 

k

 

 

- siłami elektromechanicznymi  
 

napięcie – u ,  

 

siłę – f , 

 

 

 

moment skrętny – m.  

 
 
Zestawiono to w Tabeli 
 

 

Wielkości 
elektromechaniczne 

Wielkości 
elektryczne 

Wielkości 
mechaniczne  
ruch liniowy 

Wielkości 
mechaniczne  
ruch obrotowy 

współrzędna – 

x

 

ładunek – 

q

 

położenie – 

x

 

kąt – 

 

prędkość –

x

 

prąd – 

i

 

prędkość – 

v

 

prędkość  kątowa 
– 

 

Pęd – 

p

 

strumień 
skojarzony 
– 

 

pęd – 

p

 

kręt – 

k

 

Siła –   

napięcie – 

u

 

siła –   

moment 
obrotowy 
– 

m

 

 
 

 

background image

Materiały do wykładu z “Elektromechanicznych Przemian Energii” 

Opracował: Tadeusz Sobczyk 

 

 
 
 
 

Opis elektromechanicznego elementu potencjalnego 

za pomocą energii lub ko- energii 

 

 

Energia potencjalna       

 

x

x

x

f

x

E

0

p

d '

)

'

(

)

(

 

 

 

 

Koenergia potencjalna   

 

f

f

f

f

x

f

E

0

d

po

'

)

'

(

)

(

 

 

x

f

f

E

x

E

 

po

p

)

(

)

(

 
Dla elementu o charakterystyce liniowej energia i koenergia potencjalna są sobie 
równe 

)

(

)

(

f

E

x

E

po

p

.  

 
Interpretacja graficzna 
 

x

f

)

,

(

x

f

)

(

po

f

E

)

(

p

x

E

 

 Charakterystyka elektromechanicznego elementu potencjalnego 

oraz interpretacja graficzna energii i koenergii potencjalnej. 

 

Ważne: 
 
Energia potencjalna elementu jest funkcją współrzędnej elektromechanicznej  
Koenergia potencjalna jest funkcją siły elektromechanicznej. 

 

background image

Materiały do wykładu z “Elektromechanicznych Przemian Energii” 

Opracował: Tadeusz Sobczyk 

 

 
 

 
 

Opis elektromechanicznego elementu kinetycznego 

za pomocą energii lub ko- energii 

 

 

Energia kinetyczna        

p

p

p

x

p

E

0

k

d

 

'

)

'

(

)

(

 

 

 

 

 

 

Koenergia kinetyczna    

x

x

x

p

x

E

0

ko

d '

)

'

(

)

(

 

 

 

x

p

x

E

p

E

 

ko

k

)

(

)

(

 
Dla  elementu  o  charakterystyce  liniowej  energia  i  koenergia  kinetyczna  są  sobie 
równe 

)

(

)

(

x

E

p

E

ko

k

.  

 
Interpretacja graficzna 

p

)

,

(

x

x

)

(

ko

x

E

)

(

k

p

E

 

 

Charakterystyka elektromechanicznego elementu kinetycznego 

oraz interpretacja graficzna energii i koenergii kinetycznej. 

 

 
Ważne: 
 
Energia kinetyczna elementu jest funkcją pędu elektromechanicznego  
Koenergia kinetyczna elementu jest funkcją prędkości elektromechanicznej. 

 

 

background image

Materiały do wykładu z “Elektromechanicznych Przemian Energii” 

Opracował: Tadeusz Sobczyk 

10 

 

 
 

 
 
Takie  definicje  energii  i  koenergii  wymagają  jednoznaczności  charakterystyki 
elementu.  Dla  elementu  potencjalnego  energia  jednoznacznie  określa  stan 
elementu, 

jeżeli 

każdej 

wartości 

współrzędnej 

jest 

jednoznacznie 

przyporządkowana  wartość  siły,  czyli,  gdy  zależność 

)

(x

f

f

  jest  funkcją, 

natomiast koenergia jednoznacznie określa stan elementu, jeżeli każdej wartości 
siły  jest  jednoznacznie  przyporządkowana  wartość  współrzędnej,  czyli,  gdy 
zależność 

)

f

x

x

  jest  funkcją.  Dla  elementu  kinetycznego  natomiast,  energia 

określa  jednoznacznie  stan  elementu,  jeżeli  każdej  wartości  pędu  jest 
jednoznacznie  przyporządkowana  wartość  prędkości,  czyli,  jeżeli  zależność 

)

p

x

x

  jest  funkcją,  a  koenergia,  jeżeli  każdej  wartości  prędkości  jest 

jednoznacznie przyporządkowana wartość pędu, czyli, gdy zależność 

)

(x

p

p

 jest 

funkcją.