FEMM 5

Часть IV · Трансформаторы, реакторы и дроссели → § 21 · Цепь однофазного трансформатора

Занятие 21.2

Холостой ход и короткое замыкание с учётом активных сопротивлений

Цель и задачи

Цель. Получить ХХ и КЗ из согласованной модели с сопротивлениями.

Задачи

  • Выбрать напряжение опыта КЗ по допустимому току и проверить вторичную невязку.
  • Сведите комплексные токи, напряжения и потери ХХ и КЗ.
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. Сохраняет ли одна матрица верные условия обоих опытов?

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. Вычисленный аналитический эталон. Восстановите связь потокосцеплений, напряжений и нагрузки; проверьте нормировку комплексных величин.

  3. Холостой ход и короткое замыкание из одной матрицы. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Сведите комплексные токи, напряжения и потери ХХ и КЗ.

  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 условий выводов с оценкой вклада активных сопротивлений.

Данные именно этого опыта. Сведите комплексные токи, напряжения и потери ХХ и КЗ.

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

Как обосновать результат

Проверка из практикума. В ХХ проверен нулевой вторичный ток; в КЗ — малая невязка напряжения на выводах короткозамкнутой цепи.

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

Критерий выполнения. Условия на выводах и нормировка амплитуд описаны; токи согласованы с заданным напряжением; каждое сопротивление учтено однократно.

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.

Теория и вывод формул

Автоматизированные опыты холостого хода и короткого замыкания воспроизводят соответствующие условия на выводах обмоток. Учёт активных сопротивлений позволяет согласовать токи, напряжения и потери в каждом режиме.

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. (21.3) · Физическая и вычислительная постановка
  2. (21.4) · Численный пример

Физическая и вычислительная постановка

Холостой ход размыкает вторичную цепь, поэтому I_{2} = 0. Первичный ток определяется входным импедансом и напряжением источника; он не равен нулю. Вторичное напряжение получается через взаимную связь. Короткое замыкание соединяет вторичные выводы малым внешним сопротивлением и устанавливает U_{2} = 0 лишь в идеальном пределе. Это условие не тождественно отсутствию вторичного тока.

Из второго уравнения четырёхполюсника при КЗ следует I_{2} = -Z_{21}I_1/Z_{22}. После подстановки в первую строку получаем Z_{\text{вх},\text{кз}} = Z_{11} - Z_{12} Z_{21}/Z_{22}. Реальная лабораторная короткозамкнутая серия обычно выполняется при пониженном напряжении, чтобы ток не превысил заданный диапазон. Напряжение выбирают по расчётному полному сопротивлению, а потом проверяют полем. В сопротивления включаются провода и источник в соответствии с границей модели; их нельзя игнорировать, когда собственное полное сопротивление КЗ мало.

\widehat I_{1,\text{хх}}=\frac{\widehat U}{Z_{11}},\quad \widehat U_{2,\text{хх}}=Z_{21}\widehat I_{1,\text{хх}},\quad Z_{\text{вх,кз}}=Z_{11}-\frac{Z_{12}Z_{21}}{Z_{22}}
(21.3)
ХХ и КЗ выводятся из разных условий на выводах обмоток одной линейной модели.

Порядок проверки результата

Численный пример ниже является аналитическим учебным эталоном. Его значения вычислены по указанным формулам; они не обозначают результат решения новой модели методом конечных элементов. Практикум связывает эталон с полевой задачей: сначала воспроизведите уже проверенный результат базового раздела, затем измените только один исследуемый параметр. Именно такое сравнение позволяет отделить ошибку программы от влияния геометрии, сетки и физического приближения. Сохраните исходную модель, рабочую копию и таблицу с заголовками величин. В подписи каждой величины укажите единицу, положительное направление и способ получения; для гармонических величин дополнительно укажите амплитудную нормировку. Если условие задачи не выполнено, остановите серию и сохраните причину отказа вместе с последним корректным состоянием.

Пояснение программы

При холостом ходе вторичный ток равен нулю. Для короткого замыкания система составляется без внешнего нагрузочного сопротивления; первичное напряжение снижено со 100 до 10 \,\text{В} для ограничения тока. Проверка второго уравнения контролирует нулевое напряжение на выводах вторичной обмотки. Результаты этих двух опытов относятся к разным значениям первичного напряжения.

Два предельных режима нагрузки

Холостой ход и короткое замыкание задаются электрическими условиями на выводах. Активные сопротивления сохраняются.

  1. При разрыве вторичной цепи задайте нулевой вторичный ток и вычислите первичный из первого уравнения. Вторичное напряжение остаётся результатом.

  2. При замыкании вторичных выводов исключите вторичный ток из системы. Полученный входной импеданс включает преобразованное влияние вторичного сопротивления.

  3. Проверьте непрерывный переход: большая нагрузка приближает холостой ход, малая — короткое замыкание. Для очень больших чисел избегайте ухудшения обусловленности, используя явные граничные условия.

Таблица 21.4. Обозначения и единицы
ВеличинаФизический смыслЕдиница СИ
\widehat IКомплексная амплитуда токаА
\widehat UКомплексная амплитуда напряженияВ
RАктивное электрическое сопротивлениеОм
ZКомплексное электрическое сопротивлениеОм

Границы применимости. Идеальная модель с нулевым рассеянием и нулевыми сопротивлениями при коротком замыкании вырождена. Не следует исправлять её бесконечный ток произвольным ограничением без изменения физической модели.

Разобранный численный пример

Вычисленный аналитический эталон

Дано. Матрица предыдущего урока; U_{\text{хх},\text{амп}} = 100 \,\text{В}; U_{\text{кз},\text{амп}} = 10 \,\text{В}.

  1. ХХ: I_{1} = 0{,}495050 - j4{,}950495 А; |U_{2}| = 44{,}776674 \,\text{В}.

    \widehat I_{1,\text{хх}}=\frac{100}{2+j20}=0{,}495050-j4{,}950495\ \text{А}
    (21.4)
  2. КЗ при 10 \,\text{В}: I_{1} = 1{,}118587 - j0{,}967199 А; I_{2} = -2{,}270816 + j1{,}286796 А.

  3. При ошибочном назначении I_{2} = 0 опыт КЗ превращается в ХХ и даёт другую физическую задачу.

Ответ: Амплитуды токов КЗ: |I_{1}| = 1{,}478753 \,\text{А} и |I_{2}| = 2{,}610067 \,\text{А}; вторичное напряжение равно нулю.

Проверка: Токи КЗ при 10 \,\text{В} в десять раз меньше токов той же линейной системы при 100 \,\text{В}.

Практикум в FEMM 5

Холостой ход и короткое замыкание из одной матрицы

Таблица 21.5. Исходные данные практикума
Исходная величинаЗначениеЕдиница
Частота50Гц
U_{\text{хх},\text{амп}}100В
U_{\text{кз},\text{амп}}10В
Внешнее R_{\text{кз}}0; 0,1Ом
  1. Измерьте линейную матрицу Z, указав включённые сопротивления и нормировку.
  2. Выполните ХХ с I_{2} = 0 и найденным первичным током; сохраните фактическое U_{2}.
  3. Для КЗ задайте малое напряжение и сначала нулевую внешнюю нагрузку, затем 0{,}1 \,\text{Ом}.
  4. Полученные токи передайте в FEMM; проверьте U_{2} + R_{\text{кз}} I_{2}, а не условие I_{2} = 0.
  5. Сопоставьте потери в меди с действующими токами. Укажите сопротивление каждой обмотки при заданной температуре.
  6. Для нелинейного сердечника ХХ исследуйте при нескольких напряжениях; постоянная матрица здесь лишь ориентир.

Ожидаемый результат. Две корректно различённые серии; пониженное напряжение КЗ и ограничения токов заданы заранее.

Как проверить. В ХХ проверен нулевой вторичный ток; в КЗ — малая невязка напряжения на выводах короткозамкнутой цепи.

Обработка и анализ результатов

Сохраняет ли одна матрица верные условия обоих опытов?

  1. Сведите комплексные токи, напряжения и потери ХХ и КЗ.
  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 условий выводов с оценкой вклада активных сопротивлений.

Программа с русскими пояснениями: Численная проверка выведенного эталона · Порядок запуска

Численная проверка выведенного эталона

Код выполняется во встроенном Python FEMM 5. Он проверяет приведённый аналитический вывод; получение полевых данных выполняется отдельным практикумом с указанной моделью.

Python · встроенный MicroPython FEMM 5
"""Холостой ход и короткое замыкание с учётом активных сопротивлений.

Среда: встроенный MicroPython FEMM 5.
Аналитический учебный пример; полевой решатель не вызывается.
Параметры, единицы величин и порядок вывода пояснены по стадиям.
"""

import numpy as np

# Линейный аналитический эталон двух обмоток; сопротивления в омах.
z11, z22, mutual = 2 + 20j, 1 + 5j, 9j
# Холостой ход: вторичный ток равен нулю, амплитуда первичного напряжения — 100 В.
open_current = 100 / z11
open_voltage = mutual * open_current
# Короткое замыкание: вторичное напряжение равно нулю, внешняя нагрузка исключена.
short_matrix = np.array([[z11, mutual], [mutual, z22]])
# Для ограничения тока амплитуда первичного напряжения снижена до 10 В.
short_currents = np.linalg.solve(short_matrix, np.array([10 + 0j, 0j]))
# Вывод для холостого хода: первичный ток, А; вторичное напряжение, В.
print("ХХ:", open_current, open_voltage)
# Вывод для короткого замыкания: токи обеих обмоток, А.
print("КЗ:", short_currents)
# Независимая подстановка во второе уравнение проверяет напряжение на выводах, В.
print("Невязка вторичной цепи:", mutual * short_currents[0] + z22 * short_currents[1])

Расчётное исследование и разбор результатов

Эти материалы продолжают практикум: постановка, программа встроенного Python, сохранённые численные результаты и проверка их смысла. Графики строятся по результатам FEMM 5.

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 21.6. Результаты расчётного образца
ВеличинаРезультатЕдиница
Частота50Гц
Активная длина40мм
Ток цепи Первичная обмотка0{,}008726 - j0{,}8605А
Потокосцепление цепи Первичная обмотка0{,}001096 - j0{,}108Вб
Ток цепи Вторичная обмотка0 + j0А
Потокосцепление цепи Вторичная обмотка546{,}6 \times 10^{-6} - j0{,}0539Вб
Средняя энергия поля0,02324Дж
Норма комплексных амплитуд B в контрольной точке0,6628Тл
Координаты контрольной точки (x, y)0; 40мм
Визуализация численных данных FEMM 5: Однофазный трансформатор: холостой ход. Это экспорт результатов поля, а не снимок окна программы.
Рисунок 21.9. Визуализация численных данных FEMM 5: Однофазный трансформатор: холостой ход. 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 21.10. 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: холостой ход, согласованные токи отдельного режима. Для занятий о группе 3×1ф это кадр одной независимой составляющей, а не всей трёхфазной группы.
Рисунок 21.11. Однофазный трансформатор: холостой ход, согласованные токи отдельного режима. Для занятий о группе 3×1ф это кадр одной независимой составляющей, а не всей трёхфазной группы. Открыть в полном размере
Холостой ход: цепь Secondary; полевое напряжение и потокосцепление. Для занятий о группе 3×1ф это кадр одной независимой составляющей, а не всей трёхфазной группы.
Рисунок 21.12. Холостой ход: 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
Однофазный трансформатор: короткое замыкание, согласованные токи отдельного режима. Для занятий о группе 3×1ф это кадр одной независимой составляющей, а не всей трёхфазной группы.
Рисунок 21.13. Однофазный трансформатор: короткое замыкание, согласованные токи отдельного режима. Для занятий о группе 3×1ф это кадр одной независимой составляющей, а не всей трёхфазной группы. Открыть в полном размере
Короткое замыкание: цепь Secondary; полевое напряжение и потокосцепление. Для занятий о группе 3×1ф это кадр одной независимой составляющей, а не всей трёхфазной группы.
Рисунок 21.14. Короткое замыкание: 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
Встроенная консоль FEMM: Холостой ход и короткое замыкание с учётом активных сопротивлений. Аналитическая проверка программы занятия. Показана консоль исходной редакции программы, зафиксированной при съёмке. Текущая программа с русскими пояснениями проверена отдельно во встроенном Python FEMM; этот снимок не является новым запуском текущей редакции.
Рисунок 21.15. Встроенная консоль FEMM: Холостой ход и короткое замыкание с учётом активных сопротивлений. Аналитическая проверка программы занятия. Показана консоль исходной редакции программы, зафиксированной при съёмке. Текущая программа с русскими пояснениями проверена отдельно во встроенном Python FEMM; этот снимок не является новым запуском текущей редакции. Открыть в полном размере

Самостоятельная работа

Подберите U_{\text{кз}}, чтобы действующий первичный ток был 1 \,\text{А}. Сначала рассчитайте масштаб аналитически, затем проверьте полевой результат.

Критерий выполнения: Условия на выводах и нормировка амплитуд описаны; токи согласованы с заданным напряжением; каждое сопротивление учтено однократно.
Первоисточники и дополнительное чтение по занятию
  1. [33] — 10–15, 25–26, 105, 110
  2. [81] — Раздел Packages · Локальная копия
  3. [15]
Пояснения и типичные ошибки
Почему напряжение опыта КЗ обычно уменьшают?

Малый входной импеданс КЗ приводит к большим токам; уменьшение напряжения позволяет исследовать требуемый токовый диапазон.

Можно ли пренебречь сопротивлением испытательных проводов?

Только после оценки его отношения к измеряемому сопротивлению и явного задания границы модели.

На что обратить внимание

  • Нелинейный ХХ нельзя экстраполировать простым масштабированием Z.
  • Из одночастотного гармонического опыта нельзя получить бросок тока включения и остаточную намагниченность.