FEMM 5

Часть V · Электрические машины → § 24 · Синхронные генераторы

Занятие 24.1

Турбогенератор и цилиндрический ротор

Цель и задачи

Цель. Проверить рабочий масштаб учебного цилиндрического генератора.

Задачи

  • Различить обмотку возбуждения и постоянный магнит.
  • Связать число полюсов, скорость и электрическую частоту.
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 · Восстановление электрических характеристик синхронного генератора

Инженерный вопрос. Согласованы ли геометрия, возбуждение и поток учебной машины?

От геометрии и обмоток переходят к потокосцеплениям и ЭДС, затем к характеристикам ХХ, КЗ, нагрузки и регулирования. Эти характеристики определяют требуемое возбуждение и допустимый электрический 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. Для характеристики запишите, что фиксировано: скорость, возбуждение, напряжение, нагрузка или мощность. Скоростная ЭДС восстанавливается из пространственного потокосцепления.

  2. Скорость двухполюсного генератора. Проверьте уравнение выбранного генераторного режима и знаки мощности до построения серии.

  3. Учебный цилиндрический генератор. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Запишите число полюсов, активную длину, возбуждение и фазные потокосцепления.

  4. Ответить на вопрос по своим результатам. Сведите потокосцепления, фазоры и мощности к одному режиму; проверьте независимые условия и выбранные направления.

Что включить в отчёт

Результат этого занятия. Протокол генератора с оценкой поля и принятых геометрических ограничений.

Данные именно этого опыта. Запишите число полюсов, активную длину, возбуждение и фазные потокосцепления.

Оформление наблюдений. Возбуждение, скорость, фазные потокосцепления, ЭДС и согласованные токи/напряжения в объёме конкретного опыта; независимые условия каждой строки.

Как обосновать результат

Проверка из практикума. Проверьте токи, витки, отсутствие постоянных магнитов и сетку зазора. При удвоении тока в линейном варианте потокосцепление должно удвоиться.

Независимый контроль. Проверьте определяющие условия характеристики, фазорные уравнения и баланс мощности; задаваемый ток статора сам по себе не подтверждает заданную внешнюю нагрузку.

Критерий выполнения. Подписаны углы и скорость, возбуждение действительно токовое, скоростная ЭДС получена законом Фарадея, а не заимствована из значения напряжения в магнитостатическом решении.

Точность и расхождения. Уточняйте шаг возбуждения или угла отдельно от сетки. При КЗ оценивайте абсолютное остаточное напряжение и его отношение к ненулевому масштабу режима.

Основание сравнения. Опора — уравнения конкретного режима генератора из теории. Для каждой характеристики явно укажите, что фиксировано; двумерная активная длина не включает автоматически торцевые эффекты.

Вывод для устройства

Свяжите полученную характеристику с выбором возбуждения, регулированием напряжения или допустимым режимом; укажите, какие проверки нужны для полной машины.

Границы вывода. Каждая характеристика требует своих независимых условий и скорости. Двумерный срез, заданные токи и статическое поле не подтверждают автоматически режим на сеть, устойчивость и полную мощность реального генератора.

Дополнительный расчётный метод

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

Теория и вывод формул

Турбогенератор имеет ротор с обмоткой возбуждения и, как правило, небольшое число полюсов. Исходную модель исследуют при постоянном токе возбуждения; ЭДС вращения восстанавливают по серии решений для различных положений ротора.

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. (24.1) · Возбуждение и геометрия ротора
  2. (24.2) · Что считает неподвижная магнитостатика
  3. (24.3) · ЭДС от пространственной карты потокосцепления

Возбуждение и геометрия ротора

Постоянный ток обмотки ротора создаёт магнитное поле, которое при вращении последовательно связывает фазы статора. У турбогенератора механические ограничения высокой скорости приводят к цилиндрическому ротору и небольшому числу полюсов. Пазы возбуждения и зубчатая поверхность нарушают идеальную гладкость, поэтому даже цилиндрический ротор не гарантирует строго одинаковых магнитных свойств по любому направлению.

В полевой модели возбуждение задаётся электрической цепью обмотки. Заменять эту цепь постоянным магнитом для удобства нельзя: изменятся регулирование возбуждения, энергетические условия и реакция машины. Сначала задают ток возбуждения и нулевые токи статора, затем проверяют магнитные полюса, среднюю индукцию зазора и потокосцепления фаз.

f=\frac{pn}{60},\qquad\omega_{\text{э}}=p\Omega,\qquad\Theta=p\theta
(24.1)
Электрический угол \Theta отличается от механического \theta множителем числа пар полюсов. Угловая производная всегда требует радианов.

Что считает неподвижная магнитостатика

Каждый магнитостатический расчёт даёт поле и потокосцепление для одного положения ротора. При неподвижной геометрии в нём нет скорости и скоростной ЭДС. Напряжение, показанное результатами цепи такого решения, нельзя объявить напряжением работающего генератора. Для заданной скорости нужно вычислить производную потокосцепления по механическому углу и умножить её на скорость.

Закон Фарадея следует из производной потока, сцепленного с витками. Если \Psi_a(\theta) = \Psi_{\text{амп}}\cos(p\theta), то e_{\text{а}} = -\mathrm d\Psi_a/\mathrm dt = p\Omega\Psi_{\text{амп}} \sin(p\theta). Получается синусоидальная ЭДС с амплитудой p\Omega\Psi_{\text{амп}}. Сначала эту зависимость проверяют серией ручных расчётов при разных углах. Затем угловую выборку сгущают автоматически с помощью встроенного Python.

Фактически приложенный цилиндрический образец решён магнитостатически: ток цепи «Обмотка возбуждения» = 2 \,\text{А}, мгновенные фазные токи A = 1 \,\text{А}, B = 1 \,\text{А}, C = -2 \,\text{А}; глубина 80 \,\text{мм}. Это один расчёт при фиксированных токах с линейной сталью, а не завершённая характеристика ХХ, КЗ или согласованная нагрузка генератора. Скорость, угол нагрузки и скоростная ЭДС в этом снимке не вычислены. Серии и цепное согласование практикума выполняются отдельно.

e_a=-\Omega\frac{\partial\Psi_a}{\partial\theta},\qquad E_{\text{д}}=\frac{p\Omega\Psi_{\text{амп}}}{\sqrt2}
(24.2)
e — внутренняя индуцированная ЭДС при объявленном направлении обхода; напряжение на выводах также содержит падения и реакцию якоря.

ЭДС от пространственной карты потокосцепления

Для карты холостого хода токи статора равны нулю, возбуждение неизменно, ротор перемещается с постоянной механической скоростью.

  1. Выберите полный механический интервал повторения и вычислите потокосцепление одной фазы в последовательности положений ротора.

  2. Закон Фарадея и цепное правило переводят производную по углу в производную по времени.

    e_a=-\frac{\mathrm d\Psi_a}{\mathrm dt}=-\frac{\partial\Psi_a}{\partial\theta}\frac{\mathrm d\theta}{\mathrm dt}=-\Omega\partial_\theta\Psi_a
    (24.3)
  3. Для основной синусоидальной составляющей производная добавляет множитель числа пар полюсов. Сначала извлеките её амплитуду, затем переводите амплитуду ЭДС в действующее значение.

Таблица 24.1. Обозначения и единицы
ВеличинаФизический смыслЕдиница СИ
\PsiПотокосцепление обмотки; тот же физический смысл, что у \PsiВб
\thetaМеханический угол при дифференцировании энергиирад
\OmegaМеханическая угловая скоростьрад/с
pЧисло пар полюсов1
U_{\text{д}}Действующее значение напряженияВ

Границы применимости. Угол в производной измеряется в радианах. Использование градусного шага без перевода создаёт ошибку множителя сто восемьдесят, делённого на число пи.

Разобранный численный пример

Скорость двухполюсного генератора

Дано. p = 1; требуемая частота 50 \,\text{Гц}; амплитуда основного фазного потокосцепления 0{,}20 \,\text{Вб}.

  1. n = 60\cdot 50/1 = 3000 \,\text{об}/\text{мин}; \Omega = 314{,}1593 \,\text{рад}/\text{с}.

  2. Амплитуда ЭДС равна 314{,}1593\cdot 0{,}20 = 62{,}83185 \,\text{В}.

  3. Действующее фазное напряжение внутренней ЭДС равно 44{,}42883 \,\text{В}; линейное при симметричной звезде — 76{,}95299 \,\text{В}.

Ответ: ЭДС появилась из угловой зависимости и скорости, а не из строки напряжения неподвижного магнитостатического решения.

Проверка: При неподвижном роторе \Omega = 0, поэтому скоростная ЭДС равна нулю, хотя потокосцепление остаётся ненулевым.

Практикум в FEMM 5

Учебный цилиндрический генератор

Таблица 24.2. Исходные данные практикума
Исходная величинаЗначениеЕдиница
Радиус расточки / наружной поверхности статора60 / 100мм
Пазы: число121
Пазы: диапазон радиусов60–85мм
Пазы: угловая ширина14град
Активная длина80мм
Число витков каждой стороны со знаком40витков
Пары полюсов11
Ротор / вал58 / 18мм
Катушки возбуждения: витки сторон со знаком\pm 200витков
Ток возбуждения2А
  1. Базовый статор: расточка радиуса 60 \,\text{мм}, наружный радиус 100 \,\text{мм}, глубина 80 \,\text{мм}. Создайте 12 пазов между радиусами 60 и 85 \,\text{мм} угловой шириной 14^\circ с шагом 30^\circ. Наружный воздушный квадрат x,y = \pm 170 \,\text{мм} замкните условием A = 0.
  2. Материалы первого эталона: воздух и идеализированная обмоточная область \mu_r = 1, \sigma = 0; линейная сталь \mu_r = 1000, \sigma = 0. Каждый паз имеет 40 витков с учётом знака. Сопротивление реальной меди здесь не рассчитано; оно задаётся отдельным цепным параметром.
  3. Двухполюсная обмотка: последовательность пазов от 0^\circ — A+, A+, C-, C-, B+, B+, A-, A-, C+, C+, B-, B-. Все стороны имеют по 40 витков с учётом знака. Здесь каждая фазная полоса занимает два соседних паза.
  4. Ротор — кольцо железа от внутреннего вала радиуса 18 \,\text{мм} до наружного радиуса 58 \,\text{мм}. Воздушный зазор до расточки равен 2 \,\text{мм}. Катушечные стороны возбуждения — кольцевые сектора радиусов 30\text{–}55 \,\text{мм}, по 30^\circ ширины, с центрами 90^\circ и 270^\circ; назначьте цепь «Обмотка возбуждения», +200 и -200 витков.
  5. Задайте ток возбуждения 2 \,\text{А}. Ротору и его обмоточным областям назначьте общую группу. Для ручного поворота вращайте всю группу; поле возбуждения не заменяется магнитом. Исходная угловая точка определяется как совмещение оси поля с выбранной осью статора.
  6. Задайте ток возбуждения 2 \,\text{А}, токи фаз статора нулевые. Выполните магнитостатический расчёт и проверьте два магнитных полюса и цепные потокосцепления.
  7. Создайте три копии положения ротора 0^\circ, 30^\circ, 60^\circ, вращая всю роторную группу вместе с катушками. Подпишите механические углы.
  8. Оцените, какие элементы исходной геометрии позволяют моделировать реальную турбомашину, а какие являются учебной упрощённой конструкцией.

Ожидаемый результат. Поле имеет одну пару полюсов. Фазные потокосцепления меняются при повороте; постоянный ток возбуждения остаётся неизменным.

Как проверить. Проверьте токи, витки, отсутствие постоянных магнитов и сетку зазора. При удвоении тока в линейном варианте потокосцепление должно удвоиться.

Обработка и анализ результатов

Согласованы ли геометрия, возбуждение и поток учебной машины?

  1. Запишите число полюсов, активную длину, возбуждение и фазные потокосцепления.
  2. Сведите потокосцепления, фазоры и мощности к одному режиму; проверьте независимые условия и выбранные направления.

С чем сравнить. Опора — уравнения конкретного режима генератора из теории. Для каждой характеристики явно укажите, что фиксировано; двумерная активная длина не включает автоматически торцевые эффекты.

Итог работы. Протокол генератора с оценкой поля и принятых геометрических ограничений.

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 24.3. Результаты расчётного образца
ВеличинаРезультатЕдиница
Частота0Гц
Активная длина80мм
Ток цепи Фаза А1А
Потокосцепление цепи Фаза А0,03417Вб
Ток цепи Фаза В1А
Потокосцепление цепи Фаза В0,05922Вб
Ток цепи Фаза С-2А
Потокосцепление цепи Фаза С-0,1016Вб
Ток цепи Обмотка возбуждения2А
Потокосцепление цепи Обмотка возбуждения1,186Вб
Момент на исходной учебной сетке-0,04961Н·м
Энергия поля1,334Дж
Модуль B в контрольной точке0,1528Тл
Координаты контрольной точки (x, y)56,42; 17,25мм
Момент на проверенной уточнённой сетке-0,04951Н·м
Визуализация численных данных FEMM 5: Синхронная машина с неявнополюсным ротором. Это экспорт результатов поля, а не снимок окна программы.
Рисунок 24.1. Визуализация численных данных FEMM 5: Синхронная машина с неявнополюсным ротором. 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. Сеточная проверка момента этой рабочей точки выполнена отдельно; её критерии, методы и границы приведены в протоколе. Токи статора заданы как мгновенное состояние. Это поле при токовом возбуждении, а не автоматически согласованная нагрузка генератора. Скоростную ЭДС восстанавливают отдельно; напряжение неподвижного решения её не содержит. У острых кромок модели стали с постоянной проницаемостью возможны большие локальные значения B. Они не описывают реальный материал и сами по себе не доказывают насыщение или повреждение. Проверяйте нелинейную характеристику материала и сходимость поля в физически заданной области.

Ориентиры в интерфейсе
Геометрия: цилиндрический ротор с токовым возбуждением; неподвижный снимок, скоростная ЭДС отдельно
Рисунок 24.2. Геометрия: цилиндрический ротор с токовым возбуждением; неподвижный снимок, скоростная ЭДС отдельно Открыть в полном размере
Распределение магнитной индукции: цилиндрический ротор с токовым возбуждением; неподвижный снимок, скоростная ЭДС отдельно
Рисунок 24.3. Распределение магнитной индукции: цилиндрический ротор с токовым возбуждением; неподвижный снимок, скоростная ЭДС отдельно Открыть в полном размере
Синхронная машина с неявнополюсным ротором: выбранная сетка воздушного зазора.
Рисунок 24.4. Синхронная машина с неявнополюсным ротором: выбранная сетка воздушного зазора. Открыть в полном размере
Синхронная машина с неявнополюсным ротором: момент ротора на выбранной сетке.
Рисунок 24.5. Синхронная машина с неявнополюсным ротором: момент ротора на выбранной сетке. Открыть в полном размере

Самостоятельная работа

Постройте учебную двухполюсную модель и таблицу потокосцеплений трёх положений при нулевых токах статора.

Критерий выполнения: Подписаны углы и скорость, возбуждение действительно токовое, скоростная ЭДС получена законом Фарадея, а не заимствована из значения напряжения в магнитостатическом решении.
Первоисточники и дополнительное чтение по занятию
  1. [33] — 24–39; 45–52
  2. [2] — Программа: трансформаторы, индукционные, синхронные машины и машины постоянного тока
  3. Н. Бьянки. PM motor design with FEMM — скачанный отдельный раздел, физика и постобработка — 68–71: механический и электрический углы; старый интерфейс и Lua не назначаются обязательным инструментом
Пояснения и типичные ошибки
Почему нельзя заменить обмотку возбуждения магнитом?

Это другая система источников. Токовое регулирование и энергетический обмен цепи возбуждения исчезнут.

Какое напряжение не содержит скоростную ЭДС?

Напряжение цепи неподвижной магнитостатической задачи; скорость нужно вводить через угловую производную потокосцепления.

На что обратить внимание

  • Механический угол ошибочно объявлен электрическим.
  • Модель машины с постоянными магнитами названа турбогенератором с возбуждением.
  • Одно поле одного положения использовано как полная характеристика работающего генератора.