Нелинейный трансформатор: четыре вещественные неизвестные и полный метод Ньютона

При заданном напряжении ток намагничивания заранее неизвестен: он определяется насыщением сердечника и нагрузкой. FEMM принимает токи обмоток и возвращает поле и портовые величины, поэтому рабочую точку находят согласованием внешней электрической цепи с полевым решением.

В этом примере используются собственная геометрия курса, её однозначная восьмиточечная B–H-кривая, нагрузка 10 Ом и внешнее сопротивление первичной обмотки 0,8 Ом. Источники 100 и 105 В здесь амплитудные: это примерно 70,71 и 74,25 В действующего значения.

Как воспроизвести

Распакуйте весь ZIP в новую папку. В FEMM 5 откройте меню запуска Python-скрипта и выберите reproduce.py. Каталог определяется по пути сохранённого файла в sys.argv[0], поэтому исходная рабочая папка FEMM не важна. Внешние Python, MATLAB, COM и TCP не нужны.

Программа создаёт новый каталог reproduced и отказывается перезаписывать его. Один контрольный повтор не заменяет полную исходную серию. Исходные модели и квитанции не изменяются. Для полной серии используйте run-series.py из корня комплекта: параметр SERIES_NUMBER выбирает одну из программ ниже, а рабочая папка и контекст исходного сценария устанавливаются автоматически. Для IPM повторяйте запуск пакета до завершения всех точек.

manifest.json связывает точные входы с SHA-256; case-data.json содержит определения таблиц и графиков; expected-native.json задаёт контрольные состояния. Графики основной страницы курса работают без Python.

Как получить систему для Ньютона

Комплексные токи содержат четыре независимые вещественные компоненты. Для нелинейного материала не следует предполагать, что отображение токов в напряжения является комплексно-аналитическим. Поэтому записываем действительную и мнимую части обоих цепных остатков отдельно.

Линеаризация остатка в окрестности текущего вектора x даёт r(x+Δx)≈r(x)+JΔx. Условие нулевого линейного остатка приводит к системе JΔx=−r. Каждый столбец J получают двумя полноценными полевыми решениями, изменяя одну из четырёх компонент токов.

Следовательно, построение центрального Якобиана требует восьми возмущённых решений. Плюс базовое поле, пробный шаг и заключительный повтор — именно поэтому число полевых обращений больше числа итераций.

Сходимость и независимые контроли

Шаг разности h выбирается достаточно большим относительно ошибки поля и достаточно малым для локальной линейности. Повтор с h/2 выполняется из той же начальной точки: запуск из уже найденного решения практически не проверяет Якобиан.

Для продолжения по напряжению решение при 100 В используется как начальная точка для 105 В. Это ускоряет поиск, но не освобождает от заключительной проверки цепных уравнений при новом напряжении.

В таблице отчётливо видно, что первичный реактивный ток возрастает нелинейно. Энергии гармонической модели не подставляются без проверки в магнитостатические формулы; критерием согласования служат напряжения, токи и средняя активная мощность.

Пределы применимости

Расчёт нелинейной основной гармоники не воспроизводит бросок включения, апериодическую составляющую и полную временную петлю гистерезиса.

B–H-кривая учебная; отсутствие магнитных потерь в данном материале не подтверждает высокий КПД реального трансформатора.

Фиксированная комплексная поправка исходника MyTransformer и этот обновляемый вещественный Якобиан — разные алгоритмы.