FEMM 5

Лабораторная работа

Трансформатор от потокосцеплений до схемы замещения и нагрузочной характеристики

Цель. Определить коэффициент трансформации и параметры намагничивающей ветви и ветви короткого замыкания схемы замещения; построить зависимость вторичного напряжения от тока нагрузки и оценить точность и область применения полученных параметров.

Связь с проектированием. По результатам выбирают число витков и сечение магнитопровода по требуемому напряжению, оценивают падение напряжения и ток короткого замыкания. Сопротивления и потери требуют отдельного учёта реальных длин проводников и материала.

Задачи

  1. Проверить геометрию, активную длину, знаки сторон обмоток и согласованность ампер-витков.
  2. Определить потокосцепления и матрицу индуктивностей в линейной модели либо локальные параметры выбранной нелинейной рабочей точки.
  3. Получить режимы ХХ, КЗ и нагрузки с выполнением условий на выводах.
  4. Построить нагрузочную характеристику и объяснить влияние рассеяния, сопротивлений и насыщения.

Исходные данные и условия опыта

Сохраните пять исходных FEM и «Выполнить-расчет.py» из расчётного комплекта в одну папку. Программа запускается во встроенном Python FEMM 5 и создаёт новую папку «Расчет-NN». Для всех режимов сохраняются отдельные FEM/ANS и таблицы.

Общий протокол: N_{1}=354, N_{2}=39, активная длина 43 мм, площадь каждой стороны обмотки 650 мм². Линейный магнитопровод \mu _{r}=2000; отдельная нелинейная модель содержит B(H) M-43. При расширении внешней воздушной области геометрия магнитопровода не меняется.

Для схемы: U_{1}=230 В действующего значения, f=50 Гц, проводимость меди 58МСм/м, заполнение медью 0,6, средние длины витка 255{,}2/339{,}2 мм. Сопротивления не включены повторно в полевую обмотку: в FEM \sigma =0, а R учитываются внешним уравнением.

Условие короткого замыкания: U_{2}=0. При КЗ снижайте напряжение до тока 2,75 А первичной обмотки. В компенсационной воздушной модели задайте I_{2}=-354\cdot 2{,}75/39=-24{,}961538 А и глубину 1 мм. В основной нагрузочной модели сохраняйте магнитопровод и глубину 43 мм.

Теория расчётного метода

От уравнения магнитного поля к параметру обмотки

В плоской задаче ток направлен вдоль оси z, а поле в поперечном сечении описывается одной компонентой A_z. Из B=\operatorname{rot} A следуют B_x=\partial A_z/\partial y и B_y=-\partial A_z/\partial x. Уравнение поля связывает конструкцию и материал с распределением заданного тока; граничное условие задаётся на внешней воздушной области.

Обмотка занимает конечную площадь. Потокосцепление получают усреднением A_z по положительной и отрицательной сторонам с их знаками, числом витков и активной длиной. Поэтому N, знак стороны и глубина входят в результат так же непосредственно, как геометрия магнитопровода. Две стороны одной катушки относятся к одной электрической цепи.

При постоянной проницаемости действует суперпозиция: два независимых возбуждения дают столбцы матрицы L. Взаимность проверяет согласованность знаков и извлечения, а энергетическая формула — масштаб параметров. Уточнение сетки и внешней границы проверяет два разных источника численной погрешности.

\nabla\!\cdot\!\left(\nu\nabla A_z\right)=-J_z,\qquad \boldsymbol\Psi=\mathbf L\boldsymbol I
\nu =1/\mu; для линейной модели L не зависит от токов.
M_{12}=M_{21},\qquad W=\frac12\boldsymbol I^{T}\mathbf L\boldsymbol I
Соотношения относятся к взаимной линейной системе с согласованными направлениями токов.

Литература по методу: Магнитные поля в электрических машинах — введение (файл Гончарова) · PDF1–75; A_z/поле 1–16; L_{17}–20; FFT20–29; синхронные 30–60; AD60–74; Hrabovcová, Rafajdus, Makyš. Analysis of Electrical Machines (2020) · PDF21–38: параметры по геометрии; PDF39–120: общая теория, d/q и динамические уравнения; PDF130–136: электромагнит; PDF137–146: трансформатор; PDF147–163: асинхронная машина; PDF164–183: синхронные/PM; PDF184–189: SRM; Уравнения Максвелла и материальные соотношения · PDF 1–20 полностью: 1–2 постановка; 3–15 ротор, циркуляция, дивергенция и поток; 16–20 заряд, закон Ома, материальные уравнения и ток смещения.; Векторная алгебра и векторный магнитный потенциал · PDF 1–31 полностью: 1–12 операции и потенциалы; 13–23 поле прямого провода; 24–28 поток, Биo–Савар, уравнения потенциала; 29–31 разностная схема.; Энергия магнитного поля через векторный потенциал · PDF 1–7: энергия и функционал; 8–9: нелинейная магнитная цепь; 10–18: постановка и параметры; 19–25: сетка и движение; 26–30: связанные модели.

Почему матрица поля предсказывает напряжение и нагрузку

Закон Фарадея связывает потокосцепление с наведённой ЭДС. При синусоидальном режиме производная становится умножением на j\omega; сопротивление меди добавляет активное падение. Если оба тока направлены внутрь положительных выводов, вторичная нагрузка удовлетворяет U_{2}=−ZнI₂. Эти знаки позволяют одним уравнением описать холостой ход, нагрузку и короткое замыкание.

В полевом решателе задаются комплексные амплитуды. При переходе к действующим фазорам токи и потокосцепления делят на √2. В таблице мощность равна Re(UI*); множитель 1/2 нужен только при использовании амплитуд.

Для сопротивления требуются данные, которых нет в плоском сечении: длина полного витка и площадь меди. Здесь средние длины 255{,}2/339{,}2 мм взяты из расчётного листа, а заполнение 0,6 задано как условие учебного проекта. Удельная проводимость 58МСм/м относится к выбранной температуре меди.

\begin{bmatrix}U_1\\0\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}R_1+j\omega L_{11}&j\omega M\\j\omega M&R_2+Z_{\mathrm н}+j\omega L_{22}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}I_1\\I_2\end{bmatrix}
Действующие фазоры; Zн=0 задаёт КЗ, I_{2}=0 — холостой ход.
S_{\mathrm{Cu},i}=\frac{k_{\mathrm{з}}S_{\mathrm{обм},i}}{N_i},\qquad R_i=\frac{N_i l_{\mathrm{вит},i}}{\sigma S_{\mathrm{Cu},i}}
Sобм — площадь одной стороны обмоточной области; kз — заполнение медью. Сопротивление уже учитывает полный виток.

Литература по методу: Задание 1. Определение параметров однофазного трансформатора · PDF 1–20; протокол 2–3; ХХ 3–10; рассеяние 11–17; внешняя схема 18–20; Transformer_FEM_from_textbook: контрольный расчётный лист · PDF1–4; входы 1; AJ/рассеяние 2–3; сопротивления 3; Hrabovcová, Rafajdus, Makyš. Analysis of Electrical Machines (2020) · PDF21–38: параметры по геометрии; PDF39–120: общая теория, d/q и динамические уравнения; PDF130–136: электромагнит; PDF137–146: трансформатор; PDF147–163: асинхронная машина; PDF164–183: синхронные/PM; PDF184–189: SRM; Математическая модель поля и электрических цепей машины · PDF 1–15 полностью: 1–4 область и уравнения; 5–8 границы раздела; 9–11 связь поля с цепью; 12–15 проверка геометрии и сетки.

Рассеяние и насыщение требуют разных опытов

Из условия идеального КЗ без активного сопротивления следует \Psi _{2}=0. Исключение I_{2} из линейной матрицы даёт Lк=L_{11}-M^{2}/L_{22}. Это параметр того же плоского магнитопровода; при сопротивлении вторичной обмотки ток определяют полным комплексным уравнением.

Авторский компенсационный метод использует равные встречные МДС и воздушную область, чтобы выделить энергию рассеяния. Энергию модели на глубине 1 мм умножают на отношение эффективной длины к 1 мм. Здесь lэф=1{,}075\cdot (50+4+20+0{,}5+49{,}6+4+20+0{,}5)=159{,}745 мм. Такой результат — приближённая конструктивная оценка и не заменяет расчёт торцевого поля.

Для нелинейной стали \Psi (I) уже не является прямой. Секущая индуктивность \Psi /I характеризует выбранную точку, а дифференциальная d\Psi /dI — малое изменение рядом с ней. Из уменьшения наклона нельзя без нового расчёта получить ток произвольной несинусоидальной формы или потери в стали.

L_{\mathrm к}=L_{11}-\frac{M^2}{L_{22}},\qquad L_{\sigma,\mathrm{эф}}=\frac{2W_{1\,\mathrm{мм}}}{I_1^2}\frac{l_{\mathrm{эф}}}{1\,\mathrm{мм}}
Первое выражение — линейный идеальный КЗ; второе — отдельный воздушный компенсационный опыт.
W=\int_V\int_0^B H\,dB\,dV,\quad W^{\prime}=\int_V\int_0^H B\,dH\,dV,\quad L_{\mathrm{сек}}=\Psi/I,\quad L_{\mathrm{диф}}=d\Psi/dI
В первых двух выражениях подразумевается интегрирование по всему объёму. При нелинейной B(H) энергия и коэнергия различаются.

Литература по методу: Задание 1. Определение параметров однофазного трансформатора · PDF 1–20; протокол 2–3; ХХ 3–10; рассеяние 11–17; внешняя схема 18–20; Transformer_FEM_from_textbook: контрольный расчётный лист · PDF1–4; входы 1; AJ/рассеяние 2–3; сопротивления 3; Магнитные поля в электрических машинах — введение (файл Гончарова) · PDF1–75; A_z/поле 1–16; L_{17}–20; FFT20–29; синхронные 30–60; AD60–74; Энергия магнитного поля через векторный потенциал · PDF 1–7: энергия и функционал; 8–9: нелинейная магнитная цепь; 10–18: постановка и параметры; 19–25: сетка и движение; 26–30: связанные модели.

От задачи устройства к проверяемой величине

Исходная задача задаётся характеристикой устройства: напряжением, моментом, силой, потерями либо параметром схемы замещения. Поле является промежуточным результатом. Сначала выбирают контрольную величину и нормировку, затем физическую область, источник и граничные условия; только после этого — геометрию и сетку.

Один и тот же рисунок поля может соответствовать разным активным длинам и числам витков. Поэтому каждое сравнение сопровождается единицами, направлением обхода и указанием, являются ли ток и напряжение амплитудными, действующими либо мгновенными. Простой аналитический предел проверяет масштаб результата до расчёта сложного устройства.

\text{устройство}\ \longrightarrow\ \{B,H,A\}\ \longrightarrow\ \{\Psi,L,M,F,T\}\ \longrightarrow\ \{U(I),T(s),P\}
Промежуточный полевой результат используется для расчёта характеристики и выбора параметров устройства.

Литература по методу: Введение: поле как основа электромеханического преобразования · PDF1–13; Простейшая электрическая машина и цепи её расчёта · PDF1–18; Расчёт магнитных систем электромагнитов классическим и численным методом (ОНПУ,2010) · PDF4–13,35–43

Уравнение поля, материалы и границы

В магнитоквазистатической постановке закон полного тока связывает поле с заданным током, а отсутствие магнитных зарядов требует непрерывности нормального магнитного потока. В плоской модели эти условия удобно выполнить через единственную составляющую векторного потенциала A_z. Скалярная магнитная проницаемость либо нелинейная зависимость H(B) замыкает систему.

На границе материалов сохраняется нормальная составляющая B; тангенциальная H непрерывна при отсутствии поверхностного свободного тока. Внешняя граница и симметрия являются физическими условиями задачи. Их изменение проверяется отдельно от уменьшения конечных элементов: сходимость внутри неверной области не устраняет ошибку постановки.

\nabla\times\mathbf H=\mathbf J,\quad \nabla\cdot\mathbf B=0,\quad \mathbf B=\nabla\times(A_z\mathbf e_z)
Статическая/квазистатическая система без существенного тока смещения.
\nabla\cdot(\nu\nabla A_z)=-J_z,\qquad B_x=\partial_y A_z,\quad B_y=-\partial_x A_z
Здесь \nu =1/\mu; производные берутся по координатам в метрах, если A_z задан в Вб/м.

Литература по методу: Уравнения Максвелла и материальные соотношения · PDF3–20; Векторная алгебра и векторный магнитный потенциал · PDF1–12,24–31; Математическая модель поля и электрических цепей машины · PDF1–11

Параметрическая серия и независимые оси погрешности

Автоматизация сохраняет одинаковую последовательность построения, решения и извлечения для каждого набора параметров. Перед серией фиксируют единицы, признаки материалов и обмоток, точку измерения и требуемую характеристику. Программа должна повторно открывать сохранённую модель, чтобы расчёт относился к записанному варианту.

Изменение сетки, внешней границы, углового шага, числа гармоник и шага времени отвечает на разные вопросы. Сначала получают ряд по одной оси при фиксированных остальных условиях, затем проверяют независимый аналитический или энергетический критерий. Скрипт переносит методику в серию; сам по себе он не заменяет физического обоснования.

\varepsilon_Q(h)=\frac{|Q(h)-Q(h/2)|}{\max(|Q(h/2)|,Q_{scale})}
Для величины, близкой к нулю, используют заранее выбранный абсолютный масштаб Qscale; нельзя делить ошибку на нулевой эталон.

Литература по методу: Расчёт магнитных систем электромагнитов классическим и численным методом (ОНПУ,2010) · PDF4–13,35–48; Параметризация и автоматизация серий расчётов · PDF1–30; Энергия магнитного поля через векторный потенциал · PDF19–30; Математическая модель поля и электрических цепей машины · PDF12–15

От потенциала к потоку и реальной обмотке

Разность A_z даёт поток на единицу активной длины. После умножения на фактическую длину получают веберы. Потокосцепление реальной обмотки определяется суммой вкладов всех её сторон с их знаками и числами витков; одна контрольная линия потока не заменяет эту сумму при рассеянии.

Сначала выполняют независимое возбуждение цепей. В линейной системе полученные столбцы образуют матрицу индуктивностей. Взаимность проверяет согласованность ориентации сторон и численного извлечения; положительность энергии проверяет физическую допустимость матрицы. При насыщении разделяют секущую и дифференциальную индуктивности.

\Phi=l_z\Delta A_z,\qquad \Psi_k=l_z\sum_jN_{kj}\langle A_z\rangle_{S_j}
Знаки разностей и N согласованы с нормалями и направлениями обмотки; усреднение соответствует распределённой стороне катушки.
\boldsymbol\Psi=\mathbf L\mathbf i,\quad L_{kj}\simeq L_{jk},\quad L_{\rm sec}=\Psi/i,\quad L_{\rm diff}=\partial\Psi/\partial i
Матрица постоянна только для линейного материала при фиксированной геометрии.

Литература по методу: Векторная алгебра и векторный магнитный потенциал · PDF24–31; Математическая модель поля и электрических цепей машины · PDF9–11; Магнитные поля в электрических машинах — введение (файл Гончарова) · PDF1–20

Энергия, коэнергия и выбор независимой переменной

Электрическая работа при неподвижной геометрии равна интегралу тока по изменению потокосцепления. Если независимой переменной выбран ток, удобнее коэнергия — площадь под зависимостью \Psi (i). Сумма двух площадей равна i\Psi. Это равенство остаётся полезной проверкой при нелинейной, однозначной кривой намагничивания.

Равенство W=W'=i\Psi /2 требует линейности и отсутствия независимого возбуждения в рассматриваемой однопортовой задаче. Для нескольких обмоток энергетическое тождество содержит сумму токов на потокосцепления всех независимых портов. При постоянном возбуждении генератора динамический баланс использует отдельно энергию переменных токов по формуле блока d/q и мощность преобразования. Для насыщенной стали интегрируют фактическую характеристику. Сила определяется частной производной при фиксированных токах, а не производной вдоль нагруженной траектории с меняющимся током.

W=\int_0^\Psi i(\psi)\,d\psi,\quad W^\prime=\int_0^i\Psi(j)\,dj,\quad W+W^\prime=i\Psi
Однозначная квазистатическая характеристика без отдельного гистерезисного цикла.
F_x=\left.\frac{\partial W^\prime}{\partial x}\right|_{\mathbf i},\qquad T=\left.\frac{\partial W^\prime}{\partial\theta_m}\right|_{\mathbf i}
Угол \theta m выражается в радианах; положительное направление координаты задано в модели.

Литература по методу: Энергия магнитного поля через векторный потенциал · PDF1–9,19–30; Hrabovcová, Rafajdus, Makyš. Analysis of Electrical Machines (2020) · PDF130–146,184–189

Полевая модель и уравнения внешней цепи

Задание токов в геометрии определяет один полевой режим. Питание от напряжения и работа на нагрузку требуют отдельного выполнения уравнений выводов. В линейной гармонической модели напряжение содержит сопротивление меди и производную потокосцепления; фазорная невязка проверяется для каждой обмотки.

Сопротивления рассчитывают по полной длине проводника и температуре. Лобовые части, кольца ротора и добавочные внешние индуктивности, отсутствующие в плоском сечении, входят в схему отдельными элементами. В насыщенном режиме потокосцепление зависит от состояния, и постоянная матрица L становится локальным приближением.

\mathbf u=\mathbf R\mathbf i+\frac{d\boldsymbol\Psi}{dt},\qquad \widehat{\mathbf u}=\mathbf R\widehat{\mathbf i}+j\omega\widehat{\boldsymbol\Psi}
Переход к фазорам допустим для согласованной одночастотной постановки.
R(T)=\rho(T)\frac{l_{\rm turn}N}{S_{\rm Cu}},\qquad P_{\rm Cu}=\sum R_k I_{k,\rm rms}^2
Длина витка включает обе активные стороны и лобовые части; глубина 2D не является полной длиной витка.

Литература по методу: Математическая модель поля и электрических цепей машины · PDF9–11; Hrabovcová, Rafajdus, Makyš. Analysis of Electrical Machines (2020) · PDF21–38,39–51,137–183; Применение конечно-элементных моделей при учебном проектировании синхронных машин · PDF1–9

Модели для работы

Однофазный трансформатор: холостой ход

Планарная магнитостатическая модель, глубина43 мм, M-43. В первичной обмотке354 витка и мгновенный ток0.387А; вторичная обмотка разомкнута. Рассчитываются потокосцепление, секущая индуктивность, энергия и коэнергия.

Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Энергия W0,1009Дж
Коэнергия W'0,3193Дж
Интеграл A\cdot J0,4202Дж

Рассеяние трансформатора: компенсационный опыт

Компенсационный магнитостатический опыт: первичная354витка,2.75А; вторичная39витков,24.96153846153846А с противоположной МДС. Магнитные области заменены воздухом для отдельной оценки рассеяния. Глубина1мм; эффективная длина161мм задаёт масштаб161/1 для энергии и AJ. Рассчитывается приведённая индуктивность рассеяния.

Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Энергия W90,98 × 10⁻⁶Дж
Коэнергия W'90,98 × 10⁻⁶Дж
Интеграл A\cdot J182 × 10⁻⁶Дж

Трансформатор: влияние магнитного зазора

Планарная магнитостатическая модель с раздельными частями магнитопровода, глубина43мм. Источники первичной обмотки J=±0.210766МА/м²; вторичная разомкнута. Рассчитываются поле, потокосцепление и энергия для заданного положения геометрии.

Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
Энергия W0,008155Дж
Коэнергия W'0,008098Дж
Интеграл A\cdot J0,01625Дж

Трансформатор: параметры, нагрузка и выбор вторичной обмотки

Планарная активная часть 43 мм; N_{1}/N_{2}=354/39 или 350/38. Линейная схема на 50 Гц с \mu _{r}=2000 и отдельно заданными сопротивлениями; нелинейная токовая серия M-43. Воздушная компенсационная модель — отдельная оценка рассеяния.

Модели и сохранённые решения серии
Нагрузочная характеристика при 230 В,50 Гц и нелинейное потокосцепление <span class="inline-math" data-inline-latex="M-43">M-43</span>. Выбор <span class="inline-math" data-inline-latex="350/38">350/38</span> витков проверен отдельным полевым расчётом.
Нагрузочная характеристика при 230 В,50 Гц и нелинейное потокосцепление M-43. Выбор 350/38 витков проверен отдельным полевым расчётом. Открыть график
Результаты расчёта
ВеличинаРезультатЕдиница
L_{11}2,65Гн
L_{22}0,03217Гн
M0,2919Гн
Lк активной части1,366мГн
Рассеяние с эффективной длиной4,134мГн
U_{2} выбранной обмотки350/38 витков23,97В

Последовательное решение

1 · Описание модели и проверка обмотки

Ошибку числа витков или глубины нельзя устранить последующей настройкой схемы замещения.

  1. Запишите протокол, направления цепей и знаки витков двух сторон. Вычислите эффективную глубину 49{,}6\cdot 0{,}866\approx 43 мм и объясните её связь с пакетом стали.
  2. Откройте грубую и мелкую модели: размеры магнитопровода совпадают. В модели с дальней границей изменяется только воздушная область; сравните координаты её внешнего прямоугольника.
  3. Вычислите площадь одного провода kзSобм/N и сопротивления по полным средним длинам витка. Объясните, почему активную длину 43 мм нельзя подставить вместо длины полного витка.
J_k S_k=N_k i_k
S — площадь одной стороны обмотки с эквивалентным распределённым током. Коэффициент заполнения и модель многожильного провода задаются отдельно.

Записать в протокол. Таблица геометрии и свойств; N_{1}I_{1}, N_{2}I_{2} и их разность; имена точных файлов.

Подробное выполнение: 19.1 · Однофазный трансформатор и независимое возбуждение обмоток; 8.5 · Источники тока, витки, знаки и связи между токами и напряжениями на выводах

2 · Матрица потокосцеплений и взаимная проверка

Независимые возбуждения отделяют собственное поле от взаимного и выявляют ошибку знаков.

  1. Выполните независимые опыты (I_{1}, I_{2})=(1{,}0) и(0,1)А. Из потокосцеплений заполните оба столбца L и отдельно M_{12}, M_{21}.
  2. Сравните W с I^{T}LI /2 и проверьте положительность определителя. Повторите матрицу на мелкой сетке и при дальней границе, используя значения программы.
  3. Откройте серию насыщения 0,1…2 А: постройте \Psi _{1}(I_{1}), вычислите \Psi /I и соседние \Delta \Psi /\Delta I. Объясните различие с постоянной L линейной модели.
L_{jk}=\left.\frac{\partial\Psi_j}{\partial i_k}\right|_{\text{раб. точка}},\qquad k=\frac{M}{\sqrt{L_{11}L_{22}}}
В линейном случае производную заменяет отношение потокосцепления к единственному возбуждающему току.

Записать в протокол. Матрица L, взаимная невязка, энергия и метод получения: секущий или дифференциальный.

Подробное выполнение: 8.8 · Две обмотки и матрица собственной и взаимной индуктивности; 8.9 · Знаки M, взаимность и энергетическая проверка; 8.11 · Локальная матрица Якоби и динамическая индуктивность; 21.1 · Линейная система двух связанных обмоток во встроенном Python

3 · Холостой ход при заданном напряжении

ХХ определяет потребную МДС и напряжение вторичной обмотки. Заданный ток и заданное напряжение задают разные задачи.

  1. Используйте полевую матрицу и сопротивления проводников, чтобы решить U_{1}=(R_{1}+j\omega L_{11})I_{0} приI₂=0.
  2. Умножьте ток RMS на√2 перед передачей в FEMM. Из нового решения вычислите действующие U_{1} и U_{2} и невязку первичного напряжения.
  3. Сопоставьте U_{2}/U_{1} сN₂/N_{1}. Источник приводит L\mu =2{,}82 Гн и L_{\sigma}=5{,}2 мГн как данные своего трансформатора; объясните, почему одна учебная линейная активная часть не подтверждает точность для этого физического устройства.
\widehat U_1=R_1\widehat I_1+j\omega\widehat\Psi_1,\qquad \widehat I_2=0
R_{1} здесь включает лишь сопротивление, ещё не учтённое в полевой обмотке; двойное добавление запрещено.
G_0=\frac{P_0}{U_0^2},\quad |Y_0|=\frac{I_0}{U_0},\quad |B_0|=\sqrt{|Y_0|^2-G_0^2}
В этой формуле U_{0} и I_{0} действующие, P_{0} — активная мощность соответствующей параллельной ветви после оговорённых поправок.

Записать в протокол. U_{1}, I_{0}, U_{20}, P_{0}, нормировка фазоров; отдельно потери в меди, стали и прочие неучтённые потери.

Подробное выполнение: 19.2 · Холостой ход при заданном токе или заданном напряжении; 19.5 · Нелинейность, баланс мощности и пределы гармоники; 21.2 · Холостой ход и короткое замыкание с учётом активных сопротивлений

4 · Короткое замыкание и рассеяние

КЗ задают напряжением на выводе, а не произвольно выбранной парой противоположных токов.

  1. Вычислите Zк=R_{1}+j\omega L_{11}+(\omega M)^{2}/(R_{2}+j\omega L_{22}). Найдите U₁к=2,75|Zк| и комплексные токи; решите новую гармоническую FEM при этих амплитудах.
  2. Проверьте U_{2}=R_{2}I_{2}+j\omega \Psi _{2}\approx 0 и модульI₁=2,75 А. Отдельно вычислите идеальную Lк=L_{11}-M^{2}/L_{22}.
  3. Выполните воздушную компенсацию при равных встречных МДС. По энергии на 1 мм получите L_{\sigma} с lэф=159,745 мм. Сравните сLк активной части и поясните различие способов учёта длины.
R_2\widehat I_2+j\omega\widehat\Psi_2=0,\qquad L_{\text{к}}=L_{11}-\frac{M^2}{L_{22}}
Второе равенство относится к линейной системе, идеальному КЗ и согласованным направлениям; это не универсальная формула для насыщенной нагруженной машины.

Записать в протокол. Zк, Rк, Xк, Lк и невязка вторичного напряжения; отдельная строка для упрощённого опыта.

Подробное выполнение: 19.3 · Опыт короткого замыкания и рассеяние; 21.2 · Холостой ход и короткое замыкание с учётом активных сопротивлений; 21.4 · Проверка полевой невязки и невязки уравнений электрической цепи

5 · Нагрузка и проектное решение

Параметры полезны, когда предсказывают независимый режим и показывают запас по напряжению.

  1. Решите систему схемы для нагрузок 20,10,5,1 и 24/26{,}3 Ом при 230 В. Для каждой точки выполните прямой гармонический расчёт с полученными токами и проверьте оба уравнения выводов.
  2. Постройте U_{2}(I_{2}), Pвх, Pнагрузки и потери R_{1}|I_{1}|^{2}+R_{2}|I_{2}|^{2}. Проверьте баланс; без потерь в стали он характеризует только принятые механизмы.
  3. По отклонению от 24 В выберите 350 первичных и 38 вторичных витков. Пересчитайте L_{11}, L_{22} и сопротивления пропорционально квадратам соответствующих витков, а M — произведениюN₁N₂ при фиксированном заполнении. Откройте отдельный полевой расчёт выбранной обмотки и проверьте достижение цели с допуском 1%.
P_{\text{вх}}=\tfrac12\operatorname{Re}(\widehat U_1\widehat I_1^*),\quad P_{\text{вых}}=-\tfrac12\operatorname{Re}(\widehat U_2\widehat I_2^*)
Формулы для комплексных амплитуд. Для действующих фазоров множитель 1/2 отсутствует.

Записать в протокол. График U_{2}(I_{2}), таблица мощности и проверка независимой точки с оценкой численной ошибки.

Подробное выполнение: 19.4 · Активная и активно-индуктивная нагрузка; 21.3 · Нелинейная нагрузка: метод Ньютона по действительным и мнимым составляющим; 21.4 · Проверка полевой невязки и невязки уравнений электрической цепи; 34.2 · Чувствительность к исходным данным и неопределённость

Контрольный расчёт и численные результаты

Полевая матрица для N_{1}=354, N_{2}=39,\mu _{r}=2000, глубины 43 мм; питание 230 В,50 Гц. Цель —24 В на нагрузке 24/26{,}3 Ом.

  1. L_{11}=2{,}65035 Гн, L_{22}=0{,}032168 Гн, M=0{,}291912 Гн; Lк=1,36626 мГн.
  2. По геометрии проводников R_{1}=1{,}41382 Ом, R_{2}=0{,}0228083 Ом. При 39 витках нагрузочное напряжение равно 24,2692 В.
  3. Выбраны 350/38 витков; прямое полевое решение даёт U_{2}=23{,}9681 В и I_{2}=26{,}2651 А. Отклонение от цели 24 В составляет 0,132715%.
  4. В отдельной воздушной компенсации получена оценка L_{\sigma}=4{,}1343 мГн с эффективной длиной 159,745 мм.
  5. Для выбранной обмотки первичный ток составляет 2,86586 А, суммарные потери в меди — 26,29 Вт. Провод и тепловой режим первичной обмотки выбирают с учётом этого тока; 2,75 А относится к отдельному контрольному опыту КЗ.

Числа получены в FEMM 5 для заданных учебных условий. Конструктивная оценка рассеяния и линейная схема активной части имеют разные допущения.

Нагрузочная характеристика, N_{2}=39

Rн, ОмU_{1}, ВI_{2}, АU_{2}, ВPнагрузки, ВтPмеди, Вт
ХХ230025,3300,1079
202301,26425,2831,960,1716
102302,52325,2363,660,362
52305,02625,13126,31,117
123024,3624,36593,323,82
0,912523026,624,27645,428,38
09,13124,96202,3 × 10⁻¹²024,9

КЗ — строкаRн=0 со сниженным U_{1}. Все электрические величины таблицы — действующие значения.

Нелинейная характеристика

I_{1}, А\Psi _{1}, Вб·витLсек, ГнB в центре, Тл
0,10,75977,5970,9965
0,31,0773,591,415
0,61,1541,9231,516
11,1981,1981,575
21,260,62981,656

Токовая статическая серия M-43; она не задаёт автоматически синусоидальный ток при питании напряжением.

Количественные результаты и их проверка

Заполните таблицу собственными значениями; каждому числу сопоставьте режим и файл решения.

ВеличинаЕдиницаЧто определяет
kU=U_{20}/U_{1}1Число витков для требуемого вторичного напряжения
L_{11}, L_{22}, M и LкГнСвязь обмоток, ток ХХ и рассеяние
Rк, Xк и ZвхОмПадение напряжения и ток КЗ
U_{2}(I_{2}), \Delta UВ, %Качество напряжения при выбранной нагрузке
Pвх, Pвых и невязкаВт, %Границы учтённых потерь и энергетическая согласованность
  1. Взаимность M_{12}, M_{21} — расхождение менее 0,1%; энергия линейной модели I^{T}LI /2 — менее 0,3%.
  2. Уточнение сетки: изменения L_{11}, L_{22}, M, Lк менее 2,5%; независимое расширение воздушной области — менее 3%. Воспроизведите фактические значения из программы.
  3. Уравнения первичного и вторичного выводов проверяются прямым AC-решением с невязкой менее 0,5%; вторичное напряжение КЗ нормируется первичным приведённым напряжением.
  4. Выбранная обмотка 350/38 витков должна дать 24 В с отклонением менее 1% при объявленной нагрузке. Баланс входной мощности, мощности нагрузки и медных потерь относится только к учтённым сопротивлениям.

Итоговый вывод. Обоснуйте выбор 350 первичных и 38 вторичных витков по напряжению под нагрузкой. Сопоставьте две оценки рассеяния, объясните роль средней длины витка и перечислите данные, необходимые для прогноза реального тока ХХ и полного КПД.

Границы применения результата

Литература

  1. Моделирование однофазного трансформатора : задание 1. — 20 с.
  2. Однофазный трансформатор : расчётный лист. — 4 с.
  3. Hrabovcová V., Rafajdus P., Makyš P. Analysis of Electrical Machines. — London : IntechOpen, 2020. — ISBN 978-1-83880-207-3. — DOI: 10.5772/intechopen.90135. Главы 1–3 распространяются по лицензии CC BY 3.0 [13].
  4. Магнитные поля в электрических машинах — введение. — 75 с.
  5. Уравнения Максвелла. Раздел 2. — 20 с.
  6. Основные понятия векторной алгебры, используемые при описании электромагнитного поля. Векторный магнитный потенциал. Раздел 3. — 31 с.
  7. Выражение энергии магнитного поля через векторный магнитный потенциал. Раздел 4. — 30 с.
  8. Математическое описание электромагнитного поля в электрической машине. Раздел 5. — 15 с.
  9. Введение. — 13 с.
  10. Простейшая электрическая машина. Раздел 1. — 30 с.
  11. Рымша В. В., Процына З. П., Якимец А. М. Расчёт магнитных систем электромагнитов классическим и численным методом : методические указания. — Одесса : ОНПУ, 2010. — 48 с.
  12. Составление скриптов на языке Lua. — 30 с.
  13. Иванов-Смоленский А. В., Гончаров В. И., Тейн Наинг Тун. Применение конечно-элементных моделей при учебном проектировании синхронных машин. — 14 с.