FEMM 5

Часть IV · Трансформаторы, реакторы и дроссели → § 18 · Катушки, реакторы и дроссели

Занятие 18.4

Переменный ток в реакторе: действующие значения, гармоники и баланс потерь

Цель и задачи

Цель. Составить согласованный баланс потерь реактора при переменном токе.

Задачи

  • Согласовывайте комплексные амплитуды FEMM с действующим током и средней мощностью.
  • Суммируйте потери гармоник при обоснованной линейности или малосигнальном приближении.
Что нужно вспомнить перед началом

Если одно из понятий незнакомо, вернитесь к предыдущему занятию и воспроизведите его численный пример. После этого переходите к новой постановке.

Место занятия в инженерной методике

Расчётная лабораторная работа · Определение потерь и границы энергетического баланса

Инженерный вопрос. Какие гармоники и механизмы определяют рассчитанные потери?

Зазор и рабочий ток выбирают по требуемой индуктивности, запасу энергии и насыщению; переменная составляющая и потери дополнительно ограничивают рабочий режим.

Последовательность решения, отчёт и критерии результата

Результат получают из наблюдаемых величин и проверяют в условиях данного практикума.

Последовательность решения

  1. Обосновать постановку и способ измерения. Перечислите учитываемые механизмы и области потерь; укажите проводимость, частоту и нормировку. Неучтённые торцевые и гистерезисные вклады записываются отдельно.

  2. Аналитический эталон. Проверьте размерность мощности и контрольный предел проводника или RL-цепи, когда он применим.

  3. Проверяемая серия во встроенном Python FEMM 5. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Сведите действующие токи, частоты, нормировку и потери по областям и гармоникам.

  4. Ответить на вопрос по своим результатам. Сведите потери по областям и механизмам в общий баланс; сохраняйте одинаковую нормировку тока и границу системы.

Что включить в отчёт

Результат этого занятия. Баланс потерь с проверкой гармонических допущений и контролем проводниковой сетки.

Данные именно этого опыта. Сведите действующие токи, частоты, нормировку и потери по областям и гармоникам.

Оформление наблюдений. Потери по областям и механизмам, входная мощность, токовая нормировка и частота; отдельно — добавленные сопротивления и происхождение их значений.

Как обосновать результат

Проверка из практикума. Нужны нормировка спектра, отдельные входы частот, сетка по \delta, граница охвата потерь и обоснование суперпозиции.

Независимый контроль. Сведите мощности выводов и объёмные потери в один баланс, используя физически одинаковые границы системы.

Критерий выполнения. Амплитудная и действующая нормировки согласованы; DC и AC-вклады подписаны. Суперпозиция и свойства потерь обоснованы; отсутствующие механизмы названы, сетка проводника проверена. Точные входы и решения сохранены; аналитическая сумма, FEMM и тепловые выводы различены.

Точность и расхождения. Уточняйте сетку в проводнике относительно глубины проникновения; неопределённость проводимости и дополнительных сопротивлений отделяйте от сеточного изменения.

Основание сравнения. Используйте определения потерь и глубины проникновения из занятия. Формула однородного проводника или полупространства служит контрольным пределом; торцевые и неучтённые механизмы перечисляют отдельно.

Вывод для устройства

Определите, какие потери ограничивают режим или передаются тепловой модели; полный КПД нельзя получать без всех требуемых членов баланса.

Границы вывода. Секущая индуктивность, малосигнальный наклон и потери относятся к разным определениям и режимам. Температуру и допустимый ток нельзя установить только по запасённой энергии.

Дополнительный расчётный метод

Электродинамические поля и проникновение в проводящий массив

Глубина проникновения, фаза и вихревые потери позволяют оценить проводящий массив и шихтовку. Сравнение выполняют при одном физическом условии: поверхностном поле, средней индукции или полном потоке.

Лабораторные работы по методу: Асинхронный двигатель от поля в зазоре до параметров и механической характеристики; Асинхронный двигатель: механическая характеристика и вращающееся поле; Потери массивного ротора: частота, гармоники и магнитное смещение; Проводник на переменном токе: сопротивление, транспозиция и частота силового воздействия; Замкнутый стальной виток: проникновение поля, сопротивление и потери; Аналогии полей: проводимость, дуальная сеть и диффузия

Получаемые величины. \Delta=√(2/(\omega \mu \sigma )); комплексные B(z), J(z) и фаза; Вт/м³ и Вт вихревых потерь; отношение потерь сплошной и шихтованной области

  1. Объявить постоянные \mu,\sigma и амплитудную нормировку.
  2. Проверить экспоненциальное затухание и фазу в полупространстве.
  3. Для пластины задать одинаковые условия на обеих сторонах и сравнить профиль.
  4. Вычислить потери с множителем 1/2 для амплитуд и сопоставить при одном фиксированном поле/потоке.
  5. Сравнить сплошной и шихтованный варианты, сохраняя фактическую среднюю индукцию и геометрию.

Страницы источника. PDF 1–42 полностью: 1–8 уравнения и энергия; 9–18 полупространство; 19–23 интегральные величины; 24–33 пластина; 34–42 потери и шихтовка.

Литература по методу

Интегральные величины при резко выраженном поверхностном эффекте

Поверхностное приближение даёт быстрый независимый контроль тока, комплексного сопротивления и потерь массивной детали. Разные способы возбуждения сравнивают при одинаковом физическом условии.

Лабораторные работы по методу: Асинхронный двигатель от поля в зазоре до параметров и механической характеристики; Асинхронный двигатель: механическая характеристика и вращающееся поле; Потери массивного ротора: частота, гармоники и магнитное смещение; Проводник на переменном токе: сопротивление, транспозиция и частота силового воздействия; Замкнутый стальной виток: проникновение поля, сопротивление и потери

Получаемые величины. комплексные I, \Phi, Zэл и магнитное сопротивление; поверхностная глубина и потери; ошибка поверхностного предела относительно объёмной модели

  1. Проверить, что глубина проникновения мала относительно толщины и радиуса кривизны.
  2. Определить периметры и длины, соответствующие току и потоку.
  3. Вычислить интегралы с комплексной нормировкой.
  4. Сравнить объёмную модель, поверхностное условие и аналитический предел при одном возбуждении.
  5. Изменить толщину или частоту и показать область выхода из поверхностного приближения.

Страницы источника. PDF 1–15 полностью: 1–7 сильный поверхностный эффект и интегралы; 8–9 замкнутый виток; 10–15 стальной тороид и способы FEMM.

Литература по методу

Теория и вывод формул

Амплитудные результаты FEMM приводятся к действующим значениям и мощности с принятой нормировкой. Раздельно рассматриваются потери в меди, стали и конструктивных деталях, условия независимого расчёта гармоник и пределы тепловых выводов.

Соглашения об обозначениях и единицах
  • \(i(t)\), \(u(t)\) — мгновенные значения; \(\widehat I\), \(\widehat U\) — комплексные амплитуды; \(\underline I_{\text{д}}\), \(\underline U_{\text{д}}\) — комплексные действующие значения. Для синусоиды \(\widehat I=\sqrt{2}\,\underline I_{\text{д}}\); действующее значение тока равно \(|\underline I_{\text{д}}|\). Нормировка обязательно учитывается в формулах мощности.
  • \(\Phi=\int_S\mathbf B\cdot\mathrm d\mathbf S\) — поток через ориентированную поверхность; \(\Psi=\sum_k\oint_{C_k}\mathbf A\cdot\mathrm d\mathbf l\) — потокосцепление последовательных витков с согласованными замкнутыми контурами. Только при одинаковом сцепленном потоке каждого витка \(\Psi=N\Phi\). Обе величины измеряются в веберах: число витков безразмерно. Запись «Вб·виток» подчёркивает суммирование.
  • \(\theta_{\text{м}}\), \(\Omega\) (также \(\omega_{\text{мех}}\)) — механические угол и угловая скорость. Для основной гармоники \(\theta_{\text{э}}=p\theta_{\text{м}}\), \(\omega_{\text{э}}=p\Omega\), где \(p\) — число пар полюсов. Геометрический период зубцов задаётся отдельно. В производных по углу используйте радианы.
  • Статическая индуктивность \(L_{\text{ст}}=\Psi/i\) — наклон секущей из начала координат; это определение используется при \(\Psi(0)=0\) и \(i\ne0\). Динамическая индуктивность \(L_{\text{дин}}=\partial\Psi/\partial i\) — наклон касательной (дифференциальная, инкрементальная); положение и остальные токи фиксированы. Для линейной характеристики без смещения обе равны одной индуктивности \(L\). При постоянных магнитах и взаимном возбуждении сначала учитывают ненулевое смещение потокосцепления.
  • Положительные направления, оси и специальные индексы определяются в конкретной задаче. Единицу берите из условия или заголовка таблицы; перед подстановкой в формулу СИ переводите миллиметры в метры, миллигенри в генри и градусы в радианы.
  • Численные результаты обычно показаны с четырьмя значащими цифрами; для сравнения близких значений в таблицах сходимости сохранено больше цифр. Полные значения остаются в исходных расчётных данных. Малые остатки вычисления координат на осях показаны как ноль; малые физические величины сохраняются в показательной записи.
Указатель формул этого занятия
  1. (18.8) · Амплитуды и действующие значения
  2. (18.9) · Медь, поверхностный эффект и поле зазора
  3. (18.10) · Баланс мощности и тепловое продолжение

Амплитуды и действующие значения

Пусть i(t)=I0+\Sigma Re(În exp(jnωt)). На полном основном периоде гармоники ортогональны, поэтому средний квадрат равен I0^{2}+\tfrac12 \Sigma|În|². Постоянную составляющую не делят на √2.

В гармонической магнитной задаче комплексные токи и напряжения FEMM — амплитуды. Если дан синусоидальный RMS-ток, его умножают на √2 для входа. Средняя мощность равна \tfrac12 Re(ÛÎ*); готовый интеграл потерь повторно на два не делят.

Полного RMS без спектра недостаточно для AC-потерь: разные частоты создают разные глубину проникновения и эффект близости. Одно Rdc не описывает это распределение.

I_{\text{д}}^2=I_0^2+\tfrac12\sum|\hat I_n|^2,\quad P_n=\tfrac12\Re(\hat U_n\hat I_n^*)
(18.8)
Полный общий период и амплитудная конвенция комплексных величин.

Медь, поверхностный эффект и поле зазора

При равномерном DC-токе потери меди Rdc I0^{2}. На AC распределение J зависит от частоты, формы провода, соседних витков и краевого поля зазора; Rac(f) требует своей модели или измерения.

В поверхностном эффекте и близости различают размер сетки и глубину проникновения. Перед переносом на реактор проверьте частоту, диаметр, число слоёв и связь проводников.

Массивный проводник и усреднённая многовитковая обмотка — разные материальные модели. Не назначайте проводимость меди всему блоку витков без проверки stranded/bulk и его модели потерь. Воздушная катушка тоже имеет AC-потери.

P_{\text{медь}}=R_{\mathrm{dc}}I_0^2+\sum R_{\mathrm{ac}}(nf)|\hat I_n|^2/2,\quad \delta=\sqrt{2/(\omega\mu\sigma)}
(18.9)
Сумма предполагает линейность и неизменные параметры. Формула \delta — для однородного линейного проводника, не универсальная модель нелинейной стали.

Сталь, гармоники и подмагничивание

Гармонический решатель рассматривает одну частоту. Независимые гармоники можно складывать в линейной системе; сильное насыщение связывает их и нарушает суперпозицию. Малосигнальный incremental-расчёт требует конкретной DC-основы.

Статическая B–H-кривая без соответствующих свойств гистерезиса, ламинации и проводимости не определяет частотные потери стали. Нулевой интеграл отражает заданную модель, а не отсутствие потерь реального изделия.

Нельзя подставить сумму амплитуд B в формулу синусоидальных потерь и объявить учтёнными PWM и DC-смещение. Нужны применимые экспериментальные данные или модель формы волны и предыстории; см. калиброванные потери стали.

Баланс мощности и тепловое продолжение

Для неподвижного линейного гармонического устройства средняя мощность источников сопоставляется с потерями всех областей. Внешние сопротивления и лобовые части добавляют отдельно с указанной границей расчёта.

mo_blockintegral(6) суммирует предусмотренные моделью потери выбранных областей. Типы (3) и (4) разделяют механизмы; (3) может включать эффект близости усреднённой обмотки, поэтому его нельзя всегда подписывать «только сталь».

Потери становятся тепловыми источниками, но температура зависит от охлаждения, контактов, теплопроводности и среды. Длительный допустимый ток не подтверждается одной электромагнитной таблицей.

\varepsilon_P=\frac{|P_{\mathrm{ист}}-P_{\mathrm{поле}}-P_{\mathrm{внеш}}|}{\max(|P_{\mathrm{ист}}|,P_{\mathrm{масштаб}})}
(18.10)
Ненулевой масштаб задаётся до расчёта, чтобы почти нулевая активная мощность не давала бессмысленную относительную невязку.

Разобранный численный пример

Аналитический эталон

Дано. I0=2 А; амплитуды 1 А при 1 кГц и 0,3 А при 3 кГц. Заданы учебные Rdc=0,2 Ом, Rac(1 кГц)=0,3 Ом, Rac(3 кГц)=0,8 Ом. Свойства линейны; потери стали не включены.

  1. Irms²=4+1^{2}/2+0{,}3^{2}/2=4{,}545 А²; Irms=2,132 А.

  2. DC-потери 0,8 Вт; первая гармоника 0,15 Вт; третья 0,036 Вт. Сумма PCu=0,986 Вт.

  3. Rdc Irms²=0,909 Вт: такая оценка пропустила 0,077 Вт частотных потерь меди.

  4. Для немагнитной меди \sigma =58 МСм/м при 1 кГц \delta \approx 2{,}089807 мм. Это ориентир сетки, не потери всей катушки.

Ответ: Irms≈2,132 А; PCu=0,986 Вт; одно Rdc даёт 0,909 Вт; δCu(1 кГц)≈2,09 мм.

Проверка: Если оба Rac=Rdc, сумма гармоник совпадает с Rdc Irms². Удвоение третьей амплитуды увеличивает только её вклад в четыре раза. Аналитический расчёт по формулам.

Практикум в FEMM 5

Проверяемая серия во встроенном Python FEMM 5

Таблица 18.4. Исходные данные практикума
Исходная величинаЗначениеЕдиница
I02А
Амплитуда 1 кГц1А
Амплитуда 3 кГц0,3А
Rdc0,2Ом
Rac(1 кГц)0,3Ом
Rac(3 кГц)0,8Ом
  1. Выполните аналитическую программу, сохраните спектр и проверьте преобразование каждой амплитуды в RMS.
  2. Скачайте файлы copper-skin-proximity; изучите геометрию, полный ток и связь проводников. Запустите reproduce.py во встроенном Python в отдельном каталоге.
  3. Сравните \delta /2, \delta /4, \delta /8 одного режима; сопоставьте 0,5·Re(U·conj(I)) с интегралом потерь по полной области проводников.
  4. Для отдельной учебной копии реактора задавайте одну гармонику на расчёт. До сложения обоснуйте линейность или малость возмущения около DC-основы; сохраняйте модели и квитанции каждой частоты.
  5. Разделите медь, сердечник и конструктивные проводники; подпишите присутствующие и отсутствующие механизмы. Для усреднённой обмотки проверьте также интеграл (3).
  6. Сопоставьте источник, полевые потери и внешние сопротивления с заранее заданным допуском. Для теплового продолжения перечислите свойства и условия охлаждения.

Ожидаемый результат. Аналитический ответ PCu=0,986 Вт. У новой полевой серии ожидаются стабилизация потерь и баланс включённых механизмов; число из аналитического примера другой геометрии не приписывается.

Как проверить. Нужны нормировка спектра, отдельные входы частот, сетка по \delta, граница охвата потерь и обоснование суперпозиции.

Обработка и анализ результатов

Какие гармоники и механизмы определяют рассчитанные потери?

  1. Сведите действующие токи, частоты, нормировку и потери по областям и гармоникам.
  2. Сведите потери по областям и механизмам в общий баланс; сохраняйте одинаковую нормировку тока и границу системы.

С чем сравнить. Используйте определения потерь и глубины проникновения из занятия. Формула однородного проводника или полупространства служит контрольным пределом; торцевые и неучтённые механизмы перечисляют отдельно.

Итог работы. Баланс потерь с проверкой гармонических допущений и контролем проводниковой сетки.

Программа с русскими пояснениями: Действующий ток и потери · Порядок запуска

Аналитическая самопроверка во встроенном Python FEMM 5

Откройте программу в редакторе встроенного Python FEMM 5 и выполните целиком. Она печатает JSON, проверяет контрольные равенства, не создаёт геометрию и не изменяет старые результаты. Полевые исследования: поверхностный эффект и близость, калиброванные потери стали.

Python · встроенный MicroPython FEMM 5
"""Нормировка гармоник и потери меди при заданных Rac(f).

Среда: встроенный Python FEMM 5. Все входы в СИ, выход — JSON.
Rac задано как учебное число: поле, сталь и температура здесь не вычисляются.
"""
import math
import json

I_dc_A, R_dc_ohm = 2.0, 0.2
# Каждая строка: частота Гц, амплитуда тока А, Rac Ом.
harmonics = [(1000.0, 1.0, 0.3), (3000.0, 0.3, 0.8)]
I_rms_squared = I_dc_A * I_dc_A
P_copper_W = R_dc_ohm * I_dc_A * I_dc_A
records = []
for frequency_Hz, peak_A, R_ac_ohm in harmonics:
    rms_A = peak_A / math.sqrt(2)
    power_W = R_ac_ohm * rms_A * rms_A
    I_rms_squared += rms_A * rms_A
    P_copper_W += power_W
    records.append({"frequency_Hz": frequency_Hz, "peak_A": peak_A,
                    "rms_A": rms_A, "R_ac_ohm": R_ac_ohm,
                    "P_copper_W": power_W})

# Глубина проникновения относится к однородной немагнитной меди.
mu0, sigma_S_m = 4 * math.pi * 1e-7, 58e6
delta_m = math.sqrt(2 / (2 * math.pi * 1000 * mu0 * sigma_S_m))
assert abs(P_copper_W - 0.986) < 1e-12
assert abs(I_rms_squared - 4.545) < 1e-12
print(json.dumps({"origin": "author_analytical_reference_not_FEMM",
                  "I_rms_A": math.sqrt(I_rms_squared),
                  "P_copper_W": P_copper_W,
                  "P_using_Rdc_only_W": R_dc_ohm * I_rms_squared,
                  "delta_copper_1kHz_m": delta_m,
                  "harmonics": records}))

Расчётные исследования по теме

Изучите физическую постановку, выполните программу во встроенном Python FEMM 5 и проверьте результаты по сохранённым моделям и независимым критериям.

  • Скин-эффект круглого провода и комплексное внутреннее сопротивление

    Скин-эффект увеличивает сопротивление массивного проводника на переменном токе даже без заметного влияния соседних проводов. Изменяющееся поле порождает вихревые токи, которые вытесняют полный ток к поверхности сечения. В работе вычисленное активное сопротивление сравнивается с аналитическим решением для круглого провода через комплексные функции Бесселя.

    Решений FEMM: 9 · Численных проверок: 21

  • Эффект близости: два медных проводника переменного тока

    Поле соседнего проводника изменяет распределение тока в рассматриваемом проводе. При противоположных токах токи сильнее концентрируются на обращённых друг к другу сторонах, а активные потери превышают сумму потерь двух удалённых проводов. Эффект близости нужно отделять от собственного скин-эффекта, который присутствует и у одиночного провода.

    Решений FEMM: 9 · Численных проверок: 21

Все темы учебного практикума

Самостоятельная работа

Составьте спектр реактора и сумму потерь при заданных Rac(f), затем проверьте один полевой частотный режим по сетке и мощности. Укажите, чего недостаёт для температуры.

Критерий выполнения: Амплитудная и действующая нормировки согласованы; DC и AC-вклады подписаны. Суперпозиция и свойства потерь обоснованы; отсутствующие механизмы названы, сетка проводника проверена. Точные входы и решения сохранены; аналитическая сумма, FEMM и тепловые выводы различены.
Первоисточники и дополнительное чтение по занятию
  1. [33] — §§ 2.2.6–2.2.7, 2.3.10; mo_getcircuitproperties, mo_blockintegral, mi_setprevious
  2. [22] — Вопросы 2–3, 7, 27; старые сведения об интерфейсе не применяются как руководство FEMM 5
Пояснения и типичные ошибки
Почему DC-ток не делят на √2?

Его средний квадрат равен I0^{2}. Множитель 1/2 возникает только у квадрата синусоидальной составляющей, заданной амплитудой.

Можно ли сложить гармоники сильно насыщенного реактора?

Без обоснования нельзя: нелинейное состояние связывает гармоники. Суперпозиция допустима в линейной системе или при обоснованном малом сигнале около согласованной DC-основы.

Нулевой интеграл потерь стали доказывает эффективность?

Нет. Если материал не содержит нужных свойств, модель не вычисляет этот механизм. Нужны применимые характеристики режима, стали и проводников.

На что обратить внимание

  • RMS без спектра и Rac(f) не определяет потери.
  • Нелинейные гармонические решения нельзя складывать без обоснования.
  • Готовые интегралы средней мощности FEMM повторно на два не делят; тип и области выбирают по руководству.