Турбогенератор как воспроизводимый вычислительный эксперимент

Что переносим из серии статей

В работах по турбогенераторам последовательно связаны параметрическое построение, насыщенное поле, фазовые соотношения, многопозиционные функции и рабочие характеристики. Перенос в FEMM 5 означает новое исполняемое описание на встроенном MicroPython: алгоритм сохраняет физический смысл, но не обязан повторять структуру Lua-программы.

Учебный объект — двухполюсная машина с 24 открытыми пазами статора и 12 открытыми пазами возбуждения цилиндрического ротора. Каждый профиль содержит устье, выемку под клин и отдельную немагнитную область клина; ферромагнитной перемычки поперёк устья нет. Размеры, число витков и кривые стали заданы в программе как учебные. Это самостоятельная геометрия. Статья 2015 г. демонстрирует 340 МВт; статья 2019 г. Милыха и Ревуженко — 325 МВт. Ни одну из этих заявленных изготовителем мощностей нельзя приписывать данной модели.

Статья 2015 прямо сообщает о публикации лишь фрагментов входного D_TG340.txt. Не раскрыты все массивы размеров пазов, радиус ротора, размеры спинки, упаковка и полная B(H) статора. Поэтому воссоздать точный турбогенератор 340 МВт по этим материалам нельзя; недостающие данные в курсе не выдаются за опубликованные. Статья 2019 относится к другой машине 325 МВт и другому составу авторов: В. И. Милых и С. А. Ревуженко.

Протокол и единицы

Плоская модель решает поперечное сечение. Активная длина умножает потокосцепление, энергию, силу и момент; лобовые части, торцевое рассеяние, демпферные и вихревые токи не возникают от увеличения глубины. Частота 50 Гц задаёт последующую связь угла и времени; каждая позиция рассчитывается магнитостатически при частоте задачи 0 Гц.

До расчёта фиксируем направление +z для проводников, положительный поворот против часовой стрелки, начала A, B, C, ось d возбуждения, ось q и знак отдаваемой мощности. По каждой величине в таблице указываем: мгновенная, амплитуда первой гармоники или действующее значение.

1. Из одной электрической пары периодов за оборот следует f=p n/60.

2. При p=1 и f=50 Гц получаем n=3000 об/мин, \Omega =314{,}159 рад/с и T=0{,}020 с.

Устройство независимого шага

reproduce.py принимает STAGE от 01 до 16. Шаг сам восстанавливает необходимые контуры, свойства и возбуждение; запуск 09 не требует предварительного запуска 01–08. На стадиях 01–03 последовательно строится геометрия, на 04 добавляются нелинейные B(H), на 05 включаются рабочие токи. Программа выполняет проверочный расчёт при нулевых токах и сохраняет FEM/ANS также на ранних стадиях: это проверка сборки и сетки при нулевых токах, а не рабочий режим или характеристика генератора.

Сохраните reproduce.py и выбранный run-NN.py в одну рабочую папку; проверьте README.md и абсолютный путь TG_ROOT. Выполните выбранный файл во встроенном редакторе FEMM 5. В новой папке calculated-NN изучайте result.json, CSV и сохранённые модели. Повторные опыты храните отдельно. Библиотечные оригиналы и ранее проверенные квитанции не заменяются учебными копиями.

Вывод кинематической и размерной основы модели

Предполагаем p одинаковых пар полюсов, постоянную механическую скорость и отсутствие скоса по длине. За механический оборот магнитная полярность повторяет p электрических периодов. Все равенства относятся к этим предположениям.

Сначала считаем число периодов, затем выводим частоту и только после этого связываем угловую последовательность с временем. Глубина модели входит в интегралы один раз; повторное умножение экспортированного момента на активную длину даст ошибку.

Связь с программой. Проверочная программа занятия вычисляет n и Te. В reproduce.py постоянная OMEGA задаёт электрическую опорную частоту; build() создаёт магнитостатическую задачу с частотой 0 и глубиной CFG["depth_mm"].

1. Оборот равен 2\pi механических радиан, а p электрических периодов — 2\pi p; отсюда электрический угол пропорционален механическому.

   \theta_e=p\theta_m+\theta_{e0}

   (37.2)

2. Дифференцируем по времени при постоянном p. Начальная фаза исчезает, поэтому электрическая частота вращения поля равна p механическим скоростям.

   \omega_e=\frac{\mathrm d\theta_e}{\mathrm dt}=p\Omega_m

   (37.3)

3. Подставляем \omega e=2\pi f и \Omega m=2\pi n/60, сокращаем 2\pi и выражаем n. Это устанавливает связь Гц и об/мин.

   2\pi f=p\frac{2\pi n}{60}\quad\Longrightarrow\quad n=\frac{60f}{p}

   (37.4)

4. За один электрический период угол возрастает на 2\pi; при постоянной скорости получаем время каждой позиции без временного полевого решателя.

   T_e=\frac1f,\qquad t_k-t_0=\frac{\theta_{e,k}-\theta_{e,0}}{\omega_e}

   (37.5)

5. Для инвариантного по z сечения интегрируем постоянную плотность по активной длине. Единица площади обязательно переводится из мм² в м².

   \mathrm dV=\ell\,\mathrm dS,\qquad W=\ell\int_S w\,\mathrm dS,\qquad 1\,\mathrm{mm}^2=10^{-6}\,\mathrm m^2

   (37.6)

6. Размерная проверка: плотность энергии умножается на объём, а производная коэнергии по безразмерному радиану даёт момент.

   [w\ell S]=\mathrm{J},\qquad [\partial W^{\prime}/\partial\theta_m]=\mathrm{N\,m}

   (37.7)

Границы применимости. Кинематика не определяет мощность, потери и соответствие геометрии промышленному прототипу.