FEMM 5

Часть V · Электрические машины → § 23 · Асинхронные машины

Занятие 23.4

ХХ, заторможенный ротор и нагрузочная рабочая точка

Цель и задачи

Цель. Различать ХХ, заторможенный ротор и нагрузочную точку по физическим условиям.

Задачи

  • Вычислить разделение мощности через зазор.
  • Определить электромагнитный момент и развиваемую механическую мощность.
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 · Извлечение параметров ротора и восстановление рабочей характеристики

Инженерный вопрос. Соответствует ли каждый расчёт заявленному режиму машины?

Частотный отклик ротора позволяет определить параметры схемы замещения и затем обосновать момент, потери и рабочую точку по скольжению. Это связывает сечение машины с её механической характеристикой.

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. Обоснуйте связь частоты неподвижного гармонического опыта со скольжением; укажите учёт активной длины, лобовых частей и колец.

  2. Проверяемая нагрузочная мощность. Проследите переход от полевого отклика к параметрам схемы замещения и мощности воздушного зазора.

  3. Три физических режима одной машины. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Сведите скольжение, частоту ротора, токи, момент и мощности трёх режимов.

  4. Ответить на вопрос по своим результатам. Сопоставьте частотные точки и режимы с одной принятой схемой замещения; проверьте скольжение и мощность.

Что включить в отчёт

Результат этого занятия. Таблица режимов с обоснованием независимых условий каждого опыта.

Данные именно этого опыта. Сведите скольжение, частоту ротора, токи, момент и мощности трёх режимов.

Оформление наблюдений. Частота ротора, токи и потери, извлечённые параметры и допущения схемы; при рабочем режиме — скольжение, момент и мощности.

Как обосновать результат

Проверка из практикума. Проверьте мощность, фазные/линейные величины, амплитудные и действующие значения и сектор. Значение около s = 0 требует аккуратного предельного перехода вместо деления на нуль.

Независимый контроль. Проверьте параметры на частотах вне определения и энергетическими соотношениями. Условия ХХ, заторможенного ротора и нагрузки проверяйте отдельно.

Критерий выполнения. Для каждой точки выполнены цепные условия и баланс P_\delta; указаны источники сопротивлений, температура и механические потери; ограничения неподвижной полевой идентификации сформулированы.

Точность и расхождения. Отделите ошибку подгонки от ошибки независимого прогноза. Изменение сетки проводящего ротора и неопределённость торцевых сопротивлений не должны скрываться в одном проценте.

Основание сравнения. Используйте частоту ротора, скольжение и энергетические соотношения из занятия. Серия неподвижных гармонических решений требует отдельного обоснования связи с вращающейся машиной.

Вывод для устройства

Поясните, пригодны ли параметры для требуемого диапазона скольжения и что необходимо добавить для прогноза пускового или нагрузочного режима двигателя.

Границы вывода. Неподвижное гармоническое решение само не выполняет вращение и не является опытом пуска. Связь со скольжением, кольцами и лобовыми частями задаётся и проверяется в модели машины.

Дополнительный расчётный метод

Задание 4. Основная ЭДС и намагничивающий параметр асинхронного двигателя

Протокол и таблица пазов определяют возбуждение; пространственный спектр поля и энергетические интегралы дают две сопоставимые оценки индуктивного параметра.

Лабораторные работы по методу: Асинхронный двигатель от поля в зазоре до параметров и механической характеристики; Асинхронный двигатель: механическая характеристика и вращающееся поле

Получаемые величины. Bp, Eф 1, Eline1; AJ/(3 I_{\mathrm{RMS}}^{2}); f2=s f1; после отдельной AC-серии R'2(f2), L_{\sigma}(f2), T(s)

Страницы источника. PDF1–11; протокол 1; геометрия 2; токи 3–5; поле/FFT7–9; AJ10

Литература по методу

Магнитные поля в электрических машинах — введение (файл Гончарова)

Теория связывает поле с потоком, коэффициентами формы и реакции якоря, рабочей точкой генератора и частотной постановкой асинхронной машины. Каждый переход заканчивается вычисляемым параметром.

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; Потери массивного ротора: частота, гармоники и магнитное смещение; Зубцовые контуры: проводимости, коронки и взаимная связь при смещении; Проводник на переменном токе: сопротивление, транспозиция и частота силового воздействия; Замкнутый стальной виток: проникновение поля, сопротивление и потери; Контрольный опыт: от условия задачи к инженерному выводу; Измерительная рамка: от поля провода к ЭДС; 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. \Phi =\Delta Az·depth, B=\Delta Az/\Delta n; L, M; Bp и ошибка обратного восстановления; kf, k_{\Phi}, kd, kq; E0(If), Xd, Xq, U, I,\varphi,\delta; Jротора(f2), T(s), отличие дефектного ротора

Страницы источника. PDF1–75; A_z/поле 1–16; L_{17}–20; FFT20–29; синхронные 30–60; AD60–74

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

Асинхронный двигатель: от схемы замещения к проверке поля и момента

Согласование схемы замещения и полевого расчёта позволяет проверить токи, магнитные оси, момент и баланс мощности асинхронного двигателя.

Лабораторные работы по методу: Асинхронный двигатель: механическая характеристика и вращающееся поле

Получаемые величины. I1, I2, фазовые углы и пазовые токи; B_{\delta}1, B зубцов, B ярма; T, P\delta, P мех; ошибки эквивалентного гладкого зазора

  1. Проверяем переход от Г- к Т-образной схеме и базовые единицы.
  2. Восстанавливаем мгновенные токи статора и ротора при выбранном скольжении.
  3. Согласуем магнитные оси отдельными расчётами; получаем нагрузочный режим.
  4. Сравниваем подробную геометрию с гладкой при \delta, k\delta \delta и k\delta k\mu \delta.
  5. Проверяем активную длину, заполнение, кольца, лобовые части и потери перед выводом о мощности на валу.

Страницы источника. PDF 1–10: схема; 11–18: токи и оси; 19–20: мощность; 20–26: упрощённые модели; 26–29: программа и входы; 30–34: Lua

Литература по методу

Поле асинхронного двигателя на холостом ходу и вращательное перемагничивание

Спектр поля и годографы индукции показывают, где преобладают вращательное перемагничивание и насыщение; эти данные определяют дальнейший расчёт потерь.

Лабораторные работы по методу: Асинхронный двигатель: механическая характеристика и вращающееся поле

Получаемые величины. B_{1}, B_{3} и спектр B_{\delta}; годографы Bx(t), By(t); Bmax зубца и ярма; чувствительность к толщине ярма и зубца

  1. Переводим действующий ток в мгновенные пазовые плотности с заполнением и ветвями.
  2. Проверяем поле ХХ на гладком роторе.
  3. Отдельно усилить насыщение ярма и зубцов при одинаковом возбуждении.
  4. Рассчитываем период последовательностью статических состояний, строим годографы и спектры.

Страницы источника. PDF 1–3: токи и поле; 4–5: насыщение и годографы; 6–8: сценарий; 9: программа и варианты

Литература по методу

Теория и вывод формул

Параметры, определённые по полю, позволяют исследовать холостой ход, режим заторможенного ротора и нагрузочную рабочую точку. Частота вращения, момент и потери при этом должны соответствовать одному согласованному режиму.

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. (23.9) · Рабочая точка после идентификации
  2. (23.10) · Вывод разделения мощности

Рабочая точка после идентификации

Получив параметры схемы, задают фазное напряжение сети, частоту и скольжение либо механическую нагрузку. Затем находят токи и мощности. Если задана механическая характеристика нагрузки, скорость определяется равенством развиваемого и требуемого момента с учётом механических потерь. Независимо назначить произвольные ток, напряжение, скорость и мощность нельзя.

На ХХ реальной машины небольшое скольжение необходимо для покрытия механических и иных потерь. Идеальный случай без механической нагрузки и потерь даёт s \to 0. Заторможенный ротор имеет n = 0 и s = 1; его гармонический опыт является установившимся при неподвижной механике. Пуск — изменение токов и скорости во времени — требует цепной и механической модели, которой один AC-расчёт не содержит.

\Omega_{\text{син}}=\frac{2\pi f_1}{p},\qquad T_{\text{эм}}=\frac{P_\delta}{\Omega_{\text{син}}},\qquad P_{\text{мех}}=T_{\text{эм}}\Omega
(23.9)
Момент в \text{Н}\cdot \text{м}, угловая скорость в \text{рад}/\text{с}. Механическая мощность здесь развиваемая, до вычитания трения и вентиляции.

Вывод разделения мощности

В приведённой роторной ветви сопротивление R_{\text{р}}/s раскладывается на R_{\text{р}} и R_{\text{р}}(1-s)/s. Первая часть соответствует роторным потерям в металле, вторая — преобразованию в механическую мощность. Умножая на 3I_{\text{р}}^{2}, получаем P_{\text{медь},\text{р}} = sP_\delta и P_{\text{мех}} = (1-s)P_\delta. Их сумма равна мощности, переданной через воздушный зазор.

Проверка полевого момента и момента схемы относится к одному возбуждению и правильному секторному восстановлению. Потери лобовых частей, колец, стали, трения и вентиляции добавляются по своим данным. Совпадение схемы с её же исходными параметрами подтверждает арифметику, но для физической проверки нужен независимый полевой опыт, аналитический предел или измерение.

К странице приложена одна фактически рассчитанная точка на 1 \,\text{Гц} исходной четверти Meeker-модели. Табличная частотная серия, температурные изменения и работа на скорости являются учебными заданиями и отдельными аналитическими проверками. Их нельзя считать уже выполненными по этой единственной карте поля. Полное фазное потокосцепление и момент требуют выведенного секторного восстановления.

\frac{R_{\text{р}}}{s}=R_{\text{р}}+R_{\text{р}}\frac{1-s}{s},\qquad P_{\text{вал}}=P_{\text{мех}}-P_{\text{мех,пот}}
(23.10)
Разложение справедливо для выбранной установившейся основной схемы; потери высших гармоник и короткозамкнутой обмотки ротора с глубокими пазами могут требовать расширения.

От электромагнитного момента к мощности на валу

Установившаяся рабочая точка требует электрического решения и равновесия моментов. Частота вращения не следует из одного полевого снимка.

  1. Разложите приведённое роторное сопротивление на тепловую часть и эквивалент механического преобразования. Это алгебраическое разделение потока мощности, а не два физических резистора ротора.

  2. Момент найдите по мощности зазора и синхронной скорости. Затем умножьте его на фактическую механическую скорость для преобразованной мощности.

  3. Вычтите механические потери для мощности на валу и найдите пересечение электромагнитной характеристики с нагрузочным моментом. При заторможенном роторе мощность на валу равна нулю независимо от ненулевого момента.

Таблица 23.10. Обозначения и единицы
ВеличинаФизический смыслЕдиница СИ
sСкольжение в принятом направлении вращения1
\OmegaМеханическая угловая скоростьрад/с
TЭлектромагнитный моментН·м
PСредняя активная мощностьВт
RАктивное электрическое сопротивлениеОм

Границы применимости. Холостой ход включает ток намагничивания и покрытие потерь. Он не совпадает с искусственным условием нулевого скольжения в реальной машине с трением и вентиляцией.

Разобранный численный пример

Проверяемая нагрузочная мощность

Дано. Четырёхполюсная машина на 50 \,\text{Гц}, n = 1440 \,\text{об}/\text{мин}, s = 0{,}04. Мощность через зазор 1200 \,\text{Вт}; механические потери приняты равными 30 \,\text{Вт}.

  1. \Omega_{\text{син}} = 157{,}0796 \,\text{рад}/\text{с}; T_{\text{эм}} = 1200/157{,}0796 = 7{,}63944 \,\text{Н}\cdot \text{м}.

  2. Роторные потери равны 0{,}04\cdot 1200 = 48 \,\text{Вт}; развиваемая механическая мощность 1152 \,\text{Вт}.

  3. \Omega = 150{,}7964 \,\text{рад}/\text{с}; произведение T_{\text{эм}}\Omega = 1152 \,\text{Вт}. Мощность вала равна 1122 \,\text{Вт}; момент вала 7{,}44049 \,\text{Н}\cdot \text{м}.

Ответ: Развиваемый электромагнитный момент и момент на валу различаются из-за заданных механических потерь.

Проверка: Проверяются обе формы P_{\text{мех}} = (1-s)P_\delta = T_{\text{эм}}\Omega; 48 + 1152 = 1200 \,\text{Вт}. КПД не вычисляется без полной входной мощности.

Практикум в FEMM 5

Три физических режима одной машины

Таблица 23.11. Исходные данные практикума
Исходная величинаЗначениеЕдиница
Число пар полюсов21
Пазы статора / стержни ротора36 / 281
Диаметр ротора80мм
Радиальный зазор0,375мм
Активная длина100мм
Удельная электрическая проводимость алюминия при исходной температуре34,45МСм/м
  1. Откройте учебную модель Асинхронный-двигатель-09-Готовая-модель.fem из официального набора Induction Motor Example. Сохраните новую копию и проверьте распознавание всех материалов, цепей, знаков витков и граничных свойств в FEMM 5; перенос старого файла не считается выполненным расчётом.
  2. Проверьте плоскую постановку, миллиметры и глубину 100 \,\text{мм}. Исходная модель описывает четверть машины: восстановление результата зависит от величины, а не от единого множителя для всех полей.
  3. Назначьте комплексные амплитуды сохранённой модели: A = 1 \,\text{А}, B = -0{,}5 + j0{,}866025 А, C = -0{,}5 - j0{,}866025 А (углы 0^\circ, +120^\circ, -120^\circ). В линейном учебном варианте оставьте проводимость статора нулевой, а алюминиевые стержни проводящими.
  4. Сравните частотную постановку с графическим отображением материалов: проверьте, что именно стержни создают наведённые токи и принят путь их замыкания. Сохраните журнал параметров каждого ручного расчёта.
  5. Зафиксируйте одну согласованную схему замещения и укажите, какие параметры получены полем, а какие добавлены из конструкции.
  6. Для ХХ используйте малое заданное скольжение и объявленные потери; для заторможенного опыта положите s = 1; для нагрузки выберите одну проверяемую точку с 0 < s < 1.
  7. В графическом интерфейсе выполните низкочастотный идентификационный расчёт нужного диапазона и отдельный неподвижный опыт на частоте заторможенного ротора. Не переносите без проверки коэффициенты короткозамкнутой обмотки ротора с глубокими пазами между диапазонами.
  8. По схеме вручную вычислите ток, P_\delta, роторные потери, T_{\text{эм}} и P_{\text{мех}}. Составьте таблицу границы потерь.
  9. Сравните момент одного подходящего полевого опыта со схемой для той же конфигурации и токов. Поясните отсутствие пуска и высших движущихся гармоник.

Ожидаемый результат. Режимы различаются скольжением и цепными условиями; неподвижная серия служит идентификации, а скорость задаётся и согласуется в схеме.

Как проверить. Проверьте мощность, фазные/линейные величины, амплитудные и действующие значения и сектор. Значение около s = 0 требует аккуратного предельного перехода вместо деления на нуль.

Обработка и анализ результатов

Соответствует ли каждый расчёт заявленному режиму машины?

  1. Сведите скольжение, частоту ротора, токи, момент и мощности трёх режимов.
  2. Сопоставьте частотные точки и режимы с одной принятой схемой замещения; проверьте скольжение и мощность.

С чем сравнить. Используйте частоту ротора, скольжение и энергетические соотношения из занятия. Серия неподвижных гармонических решений требует отдельного обоснования связи с вращающейся машиной.

Итог работы. Таблица режимов с обоснованием независимых условий каждого опыта.

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 23.12. Результаты расчётного образца
ВеличинаРезультатЕдиница
Частота1Гц
Активная длина100мм
Ток цепи Фаза А1 + j0А
Потокосцепление цепи Фаза А0{,}0421 - j0{,}03968Вб
Ток цепи Фаза С-0{,}5 - j0{,}866А
Потокосцепление цепи Фаза С-0{,}05517 - j0{,}01806Вб
Ток цепи Фаза В-0{,}5 + j0{,}866А
Потокосцепление цепи Фаза В0{,}01251 + j0{,}05637Вб
Средняя энергия поля0,03197Дж
Норма комплексных амплитуд B в контрольной точке0,4584Тл
Координаты контрольной точки (x, y)50; 0мм
Визуализация численных данных FEMM 5: Асинхронный двигатель: сектор модели. Это экспорт результатов поля, а не снимок окна программы.
Рисунок 23.11. Визуализация численных данных FEMM 5: Асинхронный двигатель: сектор модели. Это экспорт результатов поля, а не снимок окна программы.

Учебная модель по Meeker 2horse. Частота — частота тока ротора в данном неподвижном опыте. Геометрия представляет четверть машины; результаты приведены без дополнительного множителя 4, который выводят отдельно. Пуск рассматривается в отдельном расчётном опыте. Комплексные токи и потокосцепления заданы амплитудными значениями; они отличаются от действующих значений источника.

Ориентиры в интерфейсе
Геометрия: адаптированная модель Meeker: 36 пазов статора, 28 стержней, неподвижный AC-опыт
Рисунок 23.12. Геометрия: адаптированная модель Meeker: 36 пазов статора, 28 стержней, неподвижный AC-опыт Открыть в полном размере
Распределение магнитной индукции: адаптированная модель Meeker: 36 пазов статора, 28 стержней, неподвижный AC-опыт
Рисунок 23.13. Распределение магнитной индукции: адаптированная модель Meeker: 36 пазов статора, 28 стержней, неподвижный AC-опыт Открыть в полном размере

Самостоятельная работа

Вычислите нагрузочную точку при двух скольжениях и объясните перераспределение мощности; не называйте это траекторией разгона.

Критерий выполнения: Для каждой точки выполнены цепные условия и баланс P_\delta; указаны источники сопротивлений, температура и механические потери; ограничения неподвижной полевой идентификации сформулированы.
Первоисточники и дополнительное чтение по занятию
  1. [33] — 24–39; 45–52
  2. [39] — Разделы Model Formulation, Identification и Determination of Operating Point; исходная модель FEMM 4, перенос проверяется отдельно
  3. Скачанный оригинал Induction Motor Example — 10–14: рабочая точка
  4. Carbonieri, Bianchi. Rapid Procedure for Squirrel Cage Induction Machine Finite Element Analysis — 1–16: дополнительный методический источник по геометрии и режимам; при ручном выполнении расчёта внешний код MATLAB не требуется
Пояснения и типичные ошибки
Чем заторможенный гармонический опыт отличается от пуска?

Первый устанавливает стационарные токи при n = 0; пуск содержит переходные токи, ускорение и изменение скольжения.

Можно ли получить КПД из P_\delta и скорости?

Нет. Нужны входная мощность и все существенные потери выбранной границы системы.

На что обратить внимание

  • Мощность через зазор принимается равной входной.
  • Пуск назван из одной точки s = 1.
  • Перенос холодных параметров активного сечения в заявленный изготовителем КПД без колец и потерь.