FEMM 5

Часть IV · Трансформаторы, реакторы и дроссели → § 19 · Однофазные трансформаторы

Занятие 19.4

Активная и активно-индуктивная нагрузка

Цель и задачи

Цель. Оценить нагрузочный режим по полевым и терминальным результатам.

Задачи

  • Составить и вручную решить систему двух комплексных уравнений.
  • Задать найденные токи в графическом интерфейсе и проверить напряжения на выводах.
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 параметров и согласованных режимов трансформатора

Инженерный вопрос. Как изменение нагрузки меняет ток, напряжение и мощность?

Опыты независимого возбуждения, ХХ, КЗ и нагрузки дают параметры связи, рассеяния и изменения напряжения. Они образуют последовательность построения и проверки схемы замещения трансформатора.

Лабораторная работа:

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. Запишите независимое условие на каждой обмотке и уравнения выводов с сопротивлением. ХХ, КЗ и нагрузка задаются разными электрическими условиями.

  2. Две нагрузки при 100 \,\text{В}. Восстановите связь потокосцеплений, напряжений и нагрузки; проверьте нормировку комплексных величин.

  3. Две согласованные нагрузки. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Сведите токи, напряжения и мощности двух согласованных нагрузок.

  4. Ответить на вопрос по своим результатам. Проверьте уравнения выводов с принятыми знаками и нагрузкой; сопоставьте полевой результат с расчётом по параметрам обмоток.

Что включить в отчёт

Результат этого занятия. Сравнение режимов с проверкой уравнения нагрузки.

Данные именно этого опыта. Сведите токи, напряжения и мощности двух согласованных нагрузок.

Оформление наблюдений. Комплексные токи, потокосцепления и напряжения обеих обмоток, сопротивления и частота; схема нагрузки и её невязка.

Как обосновать результат

Проверка из практикума. Установите учебный допуск невязки уравнений на выводах 1\,\% от питающего напряжения; проверьте активную мощность с явно перечисленными потерями.

Независимый контроль. Проверьте определяющее условие режима и уравнения выводов; извлечённые параметры дополнительно проверьте независимым возбуждением, если оно предусмотрено занятием.

Критерий выполнения. Токи, комплексные напряжения и баланс мощности приведены для всех режимов; коэффициент изменения напряжения вычислен по модулям действующих значений.

Точность и расхождения. Сравнивайте комплексные невязки целиком. Для КЗ нормируйте остаточное напряжение на заранее выбранный ненулевой масштаб; отделяйте согласование цепи от точности полевого решения.

Основание сравнения. Используйте уравнения связанных обмоток и нормировку комплексных величин из занятия. Токовое возбуждение, заданное напряжение и условие короткого замыкания задают разные опыты.

Вывод для устройства

Объясните, какой параметр схемы замещения или изменение вторичного напряжения определяется этим опытом и какие потери и торцевые эффекты в него не входят.

Границы вывода. Геометрия активной части и принятые свойства не описывают автоматически лобовые сопротивления, все потери и нелинейную форму тока. Электрические условия каждого опыта проверяются отдельно.

Дополнительный расчётный метод

Задание 1. Определение параметров однофазного трансформатора

Последовательность связывает размеры и измеренные данные трансформатора с параметрами схемы замещения, а затем с токами и напряжением при нагрузке.

Лабораторные работы по методу: Трансформатор от потокосцеплений до схемы замещения и нагрузочной характеристики

Получаемые величины. Lсек(I)=\Psi /I; Lкз при U_{2}=0; R_{1}, R_{2} при объявленной температуре и длине витка; U2(I2), I1, Pпот, невязки терминальных уравнений

Страницы источника. PDF 1–20; протокол 2–3; ХХ 3–10; рассеяние 11–17; внешняя схема 18–20

Литература по методу

Hrabovcová, Rafajdus, Makyš. Analysis of Electrical Machines (2020)

Расчёт сопротивлений и индуктивностей по геометрии, уравнения электрических машин в фазных и d/qкоординатах, энергетический метод силы и момента, полевые опыты трансформатора, АД, синхронных и реактивных преобразователей. Параметры поля связываются с напряжением, мощностью и динамикой при явных допущениях модели.

Лабораторные работы по методу: Трансформатор от потокосцеплений до схемы замещения и нагрузочной характеристики; Асинхронный двигатель от поля в зазоре до параметров и механической характеристики; Генератор с постоянными магнитами от конструкции ротора до ЭДС и нагрузочного напряжения; Выбор обмотки и расчет момента в кольцевом зазоре; Определение коэффициентов поля явнополюсной машины; Асинхронный двигатель: механическая характеристика и вращающееся поле; Синхронный генератор: от полевых параметров к внешней и угловой характеристикам; Пазовый зазор: коэффициент Картера и комплексная передача гармоник; Зубцовые контуры: проводимости, коронки и взаимная связь при смещении; Сила в пазу: нагрузка меди, стенок и выбор глубины проводника; Опыт Эрстеда: момент стрелки, эквивалентный ток и движение; От магнитной цепи к карте \Psi (i,\theta ) и моменту SRM; Зубцовый момент: пусковая помеха и спектр PM-генератора; Нагрузка PM-генератора и рабочая область магнитов

Получаемые величины. F(g), L(I, g); параметры трансформатора; R'2, L_{\sigma}, T(s); E_{0}, Xd, Xq; ΨPM, Tcog; \Psi (I,\theta ), W'(I,\theta ), T

Страницы источника. 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

Литература по методу

Теория и вывод формул

Нагрузочный режим трансформатора определяется согласованием полевой модели с источником питания и внешней цепью. Для активной и активно-индуктивной нагрузок рассматриваются условия на выводах обмоток и баланс передаваемой мощности.

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. (19.11) · Пассивные направления и нагрузка
  2. (19.12) · Баланс мощности
  3. (19.13) · Соглашение о комплексных величинах и мощности
  4. (19.14) · Вывод уравнения нагрузки и проверка мощности

Пассивные направления и нагрузка

Выбираем токи I_1 и I_2 входящими в положительно отмеченные выводы трансформатора. Ток нагрузки тогда равен -I_2, а напряжение её выводов равно U_2. Поэтому уравнение внешней нагрузки записывается U_2+Z_{\text{н}}I_2 = 0. Такой знак полезен: в одном соглашении пассивная мощность вторичной обмотки отрицательна, когда трансформатор отдаёт энергию нагрузке.

В линейной системе нагрузка добавляется к диагональному элементу вторичной цепи. Исключение I_2 даёт входной импеданс, который зависит от нагрузки. Токовая компенсация без этого уравнения не воспроизводит режим питания от источника напряжения. Для активно-индуктивной нагрузки комплексный ток отстаёт от её напряжения; потери и падение напряжения отличаются от активного случая.

\begin{pmatrix}Z_{11}&Z_{12}\\Z_{21}&Z_{22}+Z_{\text{н}}\end{pmatrix}\begin{pmatrix}\widehat I_1\\\widehat I_2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\widehat U_{1,\text{зад}}\\0\end{pmatrix}
(19.11)
В разделе с ручным управлением моделью систему решают вручную или с помощью калькулятора; вычисленные токи затем вводятся в графическом интерфейсе.

Баланс мощности

Комплексная мощность, рассчитанная по действующим значениям, равна U I^{*}. Активная выходная мощность нагрузки равна |I_2|^{2}\operatorname{Re}(Z_{\text{н}}). В идеализированном линейном сердечнике без потерь разность входной и выходной мощности должна совпадать с медными потерями. Если в модель включено магнитное рассеяние, оно влияет на реактивную мощность, но само по себе не создаёт активных потерь.

После решения уравнений необходимо выполнить повторный полевой расчёт с найденными токами. Это проверяет не только арифметику, но и то, что матрица получена для нужной геометрии, частоты и направлений обмоток. При насыщении такая однократная операция не гарантирует согласования; тогда нужна итерация, которая будет подробно реализована во второй части курса.

Готовый полевой образец Трансформатор-нагрузка-09-Готовая-модель.fem использует питание 24 \,\text{В} действующего значения, частоту 50 \,\text{Гц} и активную вторичную нагрузку 20 \,\text{Ом}. Нагрузки 10 \,\text{Ом} и 10 + j8 \,\text{Ом} в численном примере относятся к аналитическому эталону. Для активно-индуктивной нагрузки, заданной в графическом интерфейсе, нужно решить новую систему уравнений с матрицей исследуемой модели и заново получить поле; готовый активный образец не подменяет этот опыт.

S_{\text{вх}}=\underline U_{1,\text{д}}\underline I_{1,\text{д}}^*,\qquad P_{\text{н}}=|\underline I_{2,\text{д}}|^2\operatorname{Re}Z_{\text{н}},\qquad r_2=\underline U_{2,\text{д}}+Z_{\text{н}}\underline I_{2,\text{д}}
(19.12)
Все величины здесь действующие. Для комплексных амплитуд мощность содержит множитель 1/2.

Соглашение о комплексных величинах и мощности

Шляпка обозначает комплексную амплитуду, как во входных и выходных данных FEMM. Подчёркивание с индексом «д» обозначает комплексное действующее значение. Численные примеры мощности этого занятия используют действующие значения; перед вводом в FEMM их умножают на корень из двух.

\widehat U=\sqrt2\,\underline U_{\text{д}},\quad\widehat I=\sqrt2\,\underline I_{\text{д}},\quad S=\underline U_{\text{д}}\underline I_{\text{д}}^*=\frac12\widehat U\widehat I^*
(19.13)
Это мощность одной обмотки. Для симметричной трёхфазной системы фазную мощность умножают на три.

Вывод уравнения нагрузки и проверка мощности

Токи обеих обмоток направлены внутрь трансформатора. В этом уроке расчёт мощности по комплексным действующим значениям отдельно оговорён; входные значения FEMM остаются амплитудными.

  1. Ток нагрузки противоположен току вторичной обмотки. Закон Ома нагрузки поэтому добавляет её импеданс к диагональному элементу вторичной цепи.

  2. Исключение вторичного тока даёт входной импеданс нагруженного трансформатора и позволяет решить задачу от заданного напряжения.

    Z_{\text{вх}}=Z_{11}-\frac{Z_{12}Z_{21}}{Z_{22}+Z_{\text{н}}},\qquad\widehat I_1=\frac{\widehat U_1}{Z_{\text{вх}}}
    (19.14)
  3. По найденным токам пересчитайте поле и оба напряжения. Затем сравните входную активную мощность с нагрузкой и суммой учтённых потерь: малая вторичная невязка и малый энергетический остаток проверяют разные условия.

Таблица 19.10. Обозначения и единицы
ВеличинаФизический смыслЕдиница СИ
\widehat IКомплексная амплитуда токаА
\widehat UКомплексная амплитуда напряженияВ
ZКомплексное электрическое сопротивлениеОм
PСредняя активная мощностьВт
I_{\text{д}}Действующее значение токаА

Границы применимости. Проверка мощности должна использовать либо только комплексные действующие значения, либо только амплитудные с множителем одной второй. Смешение нормировок даёт систематическую ошибку вдвое.

Разобранный численный пример

Две нагрузки при 100 \,\text{В}

Дано. Используется матрица аналитического эталона 19.1 на частоте 50 \,\text{Гц}: L_{11}=0{,}100 \,\text{Гн}, L_{22}=0{,}025 \,\text{Гн}, M=0{,}049 \,\text{Гн}, R_1=0{,}4 \,\text{Ом}, R_2=0{,}1 \,\text{Ом}. Напряжение первичной обмотки \underline U_{1,\text{д}}=100+j0 В. Первая нагрузка 10 \,\text{Ом}; вторая 10+j8 \,\text{Ом}. Все комплексные токи и напряжения данного численного примера — действующие значения.

  1. Для 10 \,\text{Ом}: I_1 = 2{,}39385 - j3{,}19470 А; I_2 = -4{,}80239 + j0{,}08589 А; U_2 = 48{,}02386 - j0{,}85888 В.

  2. Входная активная мощность 239{,}3845 \,\text{Вт}; нагрузка получает 230{,}7028 \,\text{Вт}; сумма медных потерь 8{,}6817 \,\text{Вт}.

  3. Для 10 + j8 \,\text{Ом}: I_1 = 1{,}48383 - j4{,}29929 А; I_2 = -2{,}91651 + j2{,}31649 А; U_2 = 47{,}69705 + j0{,}16722 В. Нагрузка получает 138{,}7217 \,\text{Вт}, потери равны 9{,}6615 \,\text{Вт}.

Ответ: Оба режима имеют разные токи и мощность при одинаковом питающем напряжении; баланс активной мощности выполняется.

Проверка: Для каждого режима непосредственно подставьте U_2+Z_{\text{н}}I_2: нуль получается с точностью округления. Нельзя переносить токи одной нагрузки в другую.

Практикум в FEMM 5

Две согласованные нагрузки

Таблица 19.11. Исходные данные практикума
Исходная величинаЗначениеЕдиница
Внешние размеры кольцевого сердечника120 \times 100мм
Размер окна80 \times 60мм
Активная длина40мм
Относительная магнитная проницаемость10001
Витки первичной и вторичной обмоток200; 100витков
Частота50Гц
  1. Создайте плоскую магнитную задачу (Planar), миллиметры, частоту 50 \,\text{Гц} и глубину 40 \,\text{мм}. Нарисуйте прямоугольники с углами (-60; -50), (60; 50) и (-40; -30), (40; 30); область между ними — сердечник.
  2. Слева от левого стержня разместите прямые стороны первичной и вторичной обмоток: x от -66 до -62 \,\text{мм} и от -72 до -68 \,\text{мм}, y от -20 до 20 \,\text{мм}. В окне разместите обратные стороны: x от -38 до -34 \,\text{мм} и от -33 до -29 \,\text{мм} с той же высотой. Замкните каждый прямоугольник.
  3. Создайте линейный материал сердечника с \mu_r = 1000 и нулевой проводимостью. Для идеализированных обмоточных областей задайте \mu_r = 1 и нулевую проводимость: сопротивления 0,4 и 0{,}1 \,\text{Ом} будут добавляться к напряжениям отдельно. Эти области представляют заданную плотность ампер-витков, а не расчёт потерь реального провода.
  4. В свойствах цепей (Circuit Properties) задайте последовательные цепи «Первичная обмотка» и «Вторичная обмотка». В свойствах меток областей назначьте +200/-200 и +100/-100 витков прямым/обратным сторонам; знак определяет выбранные начала обмоток.
  5. Окружите устройство воздухом до квадрата x,y = \pm 200 \,\text{мм}. Задайте нулевой магнитный потенциал на внешнем контуре. Разделите метками окно, внешний воздух, сердечник и четыре обмоточные области; сетку около углов и промежутков задайте мельче общей.
  6. На своей матрице рассчитайте режимы при U_1 = 40 \,\text{В} и Z_{\text{н}} = 10 \,\text{Ом}, затем Z_{\text{н}} = 10 + j8 \,\text{Ом}. Зафиксируйте единое соглашение направлений.
  7. В каждой копии введите свои найденные токи, получите полевые напряжения и добавьте внешние сопротивления. Сравните U_1 с заданным и U_2 с напряжением нагрузки.
  8. Измерьте поле между обмотками, потокосцепления и комплексную мощность. Составьте одну таблицу ХХ, КЗ и двух нагрузок вместо четырёх несвязанных картинок.

Ожидаемый результат. Под нагрузкой вторичный ток направлен против намагничивающего действия первичного; первичный ток содержит и нагрузочную, и намагничивающую составляющие.

Как проверить. Установите учебный допуск невязки уравнений на выводах 1\,\% от питающего напряжения; проверьте активную мощность с явно перечисленными потерями.

Обработка и анализ результатов

Как изменение нагрузки меняет ток, напряжение и мощность?

  1. Сведите токи, напряжения и мощности двух согласованных нагрузок.
  2. Проверьте уравнения выводов с принятыми знаками и нагрузкой; сопоставьте полевой результат с расчётом по параметрам обмоток.

С чем сравнить. Используйте уравнения связанных обмоток и нормировку комплексных величин из занятия. Токовое возбуждение, заданное напряжение и условие короткого замыкания задают разные опыты.

Итог работы. Сравнение режимов с проверкой уравнения нагрузки.

Пошаговая настройка расчётного примера

Откройте отдельную страницу с последовательными действиями, точными параметрами, накопительными файлами этапов и программами с русскими комментариями.

Все расчётные примеры курса

Расчётный образец FEMM 5

Откройте модель, воспроизведите указанный режим и сопоставьте свои измерения с таблицей результатов.

Таблица 19.12. Результаты расчётного образца
ВеличинаРезультатЕдиница
Частота50Гц
Активная длина40мм
Ток цепи Первичная обмотка0{,}4269 - j0{,}8526А
Потокосцепление цепи Первичная обмотка0{,}001086 - j0{,}1075Вб
Ток цепи Вторичная обмотка-0{,}8382 - j0{,}007314А
Потокосцепление цепи Вторичная обмотка468 \times 10^{-6} - j0{,}05363Вб
Средняя энергия поля0,02303Дж
Норма комплексных амплитуд B в контрольной точке0,6596Тл
Координаты контрольной точки (x, y)0; 40мм
Визуализация численных данных FEMM 5: Однофазный трансформатор: нагрузка. Это экспорт результатов поля, а не снимок окна программы.
Рисунок 19.12. Визуализация численных данных FEMM 5: Однофазный трансформатор: нагрузка. Это экспорт результатов поля, а не снимок окна программы.

Двумерная модель активной части. Модель стали с постоянной магнитной проницаемостью не описывает насыщение. Идеализированные обмотки с нулевой проводимостью не учитывают все потери. Сходимость силы и момента требует отдельной проверки. Комплексные токи и потокосцепления заданы амплитудными значениями; они отличаются от действующих значений источника.

Ориентиры в интерфейсе
Однофазный трансформатор: две обмотки, их стороны, сердечник и воздушная область. Для занятий о группе 3×1ф это кадр одной независимой составляющей, а не всей трёхфазной группы.
Рисунок 19.13. Однофазный трансформатор: две обмотки, их стороны, сердечник и воздушная область. Для занятий о группе 3×1ф это кадр одной независимой составляющей, а не всей трёхфазной группы. Открыть в полном размере
Однофазный трансформатор: нагрузка, согласованные токи отдельного режима. Для занятий о группе 3×1ф это кадр одной независимой составляющей, а не всей трёхфазной группы.
Рисунок 19.14. Однофазный трансформатор: нагрузка, согласованные токи отдельного режима. Для занятий о группе 3×1ф это кадр одной независимой составляющей, а не всей трёхфазной группы. Открыть в полном размере
Нагрузка: цепь Secondary; полевое напряжение и потокосцепление. Для занятий о группе 3×1ф это кадр одной независимой составляющей, а не всей трёхфазной группы.
Рисунок 19.15. Нагрузка: цепь Secondary; полевое напряжение и потокосцепление. Для занятий о группе 3×1ф это кадр одной независимой составляющей, а не всей трёхфазной группы. Открыть в полном размере

Расчётные исследования по теме

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

Все темы учебного практикума

Окна FEMM 5

Снимки интерфейса FEMM показывают геометрию, настройки и работу с результатами в FEMM 5. Откройте изображение, чтобы рассмотреть подписи и значения в полном размере.

Трансформатор тока: геометрия сердечника и двух обмоток. Выбрано статическое калибровочное возбуждение для определения матрицы индуктивностей; подписи скрыты.
Трансформатор тока: геометрия сердечника и двух обмоток. Выбрано статическое калибровочное возбуждение для определения матрицы индуктивностей; подписи скрыты. Открыть в полном размере
Трансформатор тока: первый статический калибровочный столбец матрицы индуктивностей, I₁ = 1 А, I₂ = 0. Показаны |B|, Т, и линии поля. Режим с подключённой нагрузкой вычисляется отдельно по полученной матрице.
Трансформатор тока: первый статический калибровочный столбец матрицы индуктивностей, I₁ = 1 А, I₂ = 0. Показаны |B|, Т, и линии поля. Режим с подключённой нагрузкой вычисляется отдельно по полученной матрице. Открыть в полном размере

Самостоятельная работа

Добавьте третью нагрузку 20 + j4 \,\text{Ом} и оцените изменение регулирования напряжения относительно ХХ.

Критерий выполнения: Токи, комплексные напряжения и баланс мощности приведены для всех режимов; коэффициент изменения напряжения вычислен по модулям действующих значений.
Первоисточники и дополнительное чтение по занятию
  1. [33] — 24–39; 45–52
  2. [104] — Разделы Introduction и Derivation of Iterative Method; источник для старой версии, физический метод сохраняется
Пояснения и типичные ошибки
Почему уравнение нагрузки имеет плюс Z_{\text{н}}I_2?

Ток I_2 направлен внутрь трансформатора, а ток нагрузки — наружу. Их направления противоположны.

Доказывает ли сохранение входного напряжения физическую правильность модели?

Нет. Нужно также выполнить вторичное уравнение, проверить мощность и обосновать магнитные и геометрические допущения.

На что обратить внимание

  • Независимое задание токов и нагрузки без проверки их совместимости.
  • Обратный знак нагрузки при пассивной маркировке.
  • Множитель 1/2 одновременно с действующими значениями.