Расчётная лабораторная работа · Восстановление электрических характеристик синхронного генератора
Последовательность решения, отчёт и критерии результата
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.
Результат получают из наблюдаемых величин и проверяют в условиях данного практикума.
Последовательность решения
Обосновать постановку и способ измерения. Для характеристики запишите, что фиксировано: скорость, возбуждение, напряжение, нагрузка или мощность. Скоростная ЭДС восстанавливается из пространственного потокосцепления.
Разбор учебного результата. Проверьте уравнение выбранного генераторного режима и знаки мощности до построения серии.
Полный оборот и сходимость углового шага. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Проверена основная гармоника выбранной серии. Малый шаг по углу не доказывает автоматически сходимость всех высших гармоник и силовых пульсаций.
Результат этого занятия. Полная серия 0…352{,}5^\circ и вложенные сетки по углу: 30^\circ, 15^\circ, 7{,}5^\circ.
Оформление наблюдений. Возбуждение, скорость, фазные потокосцепления, ЭДС и согласованные токи/напряжения в объёме конкретного опыта; независимые условия каждой строки.
Как обосновать результат
Точность и расхождения. Уточняйте шаг возбуждения или угла отдельно от сетки. При КЗ оценивайте абсолютное остаточное напряжение и его отношение к ненулевому масштабу режима.
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.
Теория и вывод формул
Достаточно ли 48 положений ротора для основной гармоники ЭДС холостого хода?
Механический и электрический углы; \theta e=p\theta m
рад
p
Число пар полюсов; для ТВВ-320-2 p=1
1
ULL; I
Линейное напряжение и фазный ток RMS основной симметричной составляющей
В; А
id; iq; If
Амплитудные токи d–q и постоянный ток возбуждения
А
λd; λq; λf
Потокосцепления в согласованной нормировке
Вб·виток
Pg; Qg; T
Отдаваемые активная и реактивная мощности; момент против часовой стрелки
Вт; вар; Н·м
Что изменяется между решениями
Статор, фазные зоны и внешняя граница неподвижны. Поворачиваются геометрия ротора, его проводники и ось возбуждения; If=2920 А, токи статора нулевые. Для каждого положения строится и решается новая задача. Поскольку p=1, полный механический оборот совпадает с электрическим периодом.
Сначала получаем все 48 положений без предположения о половинном периоде. Для N=24 берём каждый второй, для N=12 каждый четвёртый результат. Точка 360^\circ не добавляется в дискретное преобразование: она повторяет фазу 0^\circ и нарушила бы равномерность весов.
Полупериодическую антисимметрию проверяем по сумме \lambda (\theta )+\lambda (\theta +\pi ), а не вводим как условие решения. Отдельно рассчитана точка 360^\circ: при перестроении сетки число элементов отличается от точки 0^\circ, поэтому совпадение проверяется по физическим величинам с заранее заданными шкалами, а не побитовым равенством ANS. Эта точка не включается в DFT.
Отсчёты включают начало и исключают повторную конечную точку.
Учебная модель с документированными входами. Заводская и экспериментальная точность не заявляются.
Угловая сходимость силовых пульсаций ещё не доказана; совпадение начала и конца периода её не заменяет.
Числа получены новой реализацией FEMM 5; проверены хеши снимков и результатов. Архив вложения использован только для направлений и задания токов.
Реестр формул и библиография в файлах занятия отделяют собственные выводы от доступных первоисточников. Недоступные тексты и текстовое распознавание PDF не объявлены полной визуальной проверкой.
Разобранный численный пример
Разбор учебного результата
Дано. ТВВ-320-2; документированные входы и точные версии программ из файлов занятия.
Откройте angular.levels и convergence; сопоставьте основную гармонику на N=12{,}24,48. Отдельно изучите остаток антисимметрии.
Для точки 360^\circ в копии комплекта замените field-plan.json содержимым field-plan-closure.json и задайте TVV_SERIES="closure". Сравните её с angle-000 по прежним шкалам; в спектральную сумму её не добавляйте.
Ответ: Полная серия 0…352{,}5^\circ и вложенные сетки по углу: 30^\circ, 15^\circ, 7{,}5^\circ.
Проверка: Учебная модель с документированными входами. Заводская и экспериментальная точность не заявляются. Угловая сходимость силовых пульсаций ещё не доказана; совпадение начала и конца периода её не заменяет.
Изменение \lambda d при повторном расчёте в 360^\circ
36,17 × 10⁻⁶
1
Задайте TVV_SERIES="angular" и выполните run_fields.py. Каждая точка сохраняется отдельно; полный запуск требует заметного времени и места для ANS.
Не меняйте токи при повороте: они равны нулю. If остаётся 2920 А. Проверьте уникальность углов и отсутствие пропусков.
Передайте завершённую серию в TVV_FIELD_RUNS и запустите run_field_analysis.py. Для двух частей укажите оба каталога; обработчик объединит и отсортирует углы.
Откройте angular.levels и convergence; сопоставьте основную гармонику на N=12{,}24,48. Отдельно изучите остаток антисимметрии.
Для точки 360^\circ в копии комплекта замените field-plan.json содержимым field-plan-closure.json и задайте TVV_SERIES="closure". Сравните её с angle-000 по прежним шкалам; в спектральную сумму её не добавляйте.
Ожидаемый результат. Полная серия 0…352{,}5^\circ и вложенные сетки по углу: 30^\circ, 15^\circ, 7{,}5^\circ.
Как проверить. Учебная модель с документированными входами. Заводская и экспериментальная точность не заявляются. Угловая сходимость силовых пульсаций ещё не доказана; совпадение начала и конца периода её не заменяет.
Обработка и анализ результатов
Достаточно ли 48 положений ротора для основной гармоники ЭДС холостого хода?
Сопоставьте контрольные величины, входы, версии и допуски.
Итог работы. Полная серия 0…352{,}5^\circ и вложенные сетки по углу: 30^\circ, 15^\circ, 7{,}5^\circ.
Полная программа: run_field_analysis.py
Встроенный Python FEMM 5. Зависимости, входы и точные снимки программ доступны в файлах занятия.
Python · FEMM 5
"""Запустить во встроенном Python после полевых серий. FEMM-решатель не вызывается."""importsys,json,osROOT=globals().get('TVV_ROOT','')ifnotROOT:raiseValueError('Задайте TVV_ROOT')ifROOTinsys.path:sys.path.remove(ROOT)sys.path.insert(0,ROOT)formodulein('run_record','physics','field_analysis'):sys.modules.pop(module,None)fromrun_recordimportstart,finish,sha,save_jsonfromfield_analysisimportangular,comparison,identities,integralspaths=globals().get('TVV_FIELD_RUNS',[])ifnotpaths:raiseValueError('Задайте TVV_FIELD_RUNS — список каталогов завершённых расчётов')folder,record=start(ROOT,globals().get('TVV_OUTPUT_ROOT',ROOT+'/runs'),'analysis',['run_field_analysis.py','field_analysis.py','physics.py','run_record.py'],'verified analysis of native field series')rows=[];sources=[];common={};targets=Nonetry:forpathinpaths:withopen(path+'/receipt.json')asf:receipt=json.loads(f.read())ifreceipt['status']!='passed_field_identities_not_convergence':raiseValueError('Серия не завершена: '+path)forprefix,filesin[('/snapshot/',receipt['inputs_and_programs']),('/',receipt['outputs'])]:forname,expectedinfiles.items():ifsha(path+prefix+name)!=expected:raiseValueError('Неверный SHA-256: '+path+prefix+name)fornamein['machine.json','winding.json','geometry.py','build.py','physics.py','rotor-bh.json','stator-bh.json','stator-cross-bh.json','model-scope.json','current-mapping.json']:digest=receipt['inputs_and_programs'][name]ifnameincommonandcommon[name]!=digest:raiseValueError('Разные физические входы/версии: '+name)common[name]=digestwithopen(path+'/snapshot/field-plan.json')asf:plan=json.loads(f.read())iftargetsisnotNoneandtargets!=plan['convergence_targets']:raiseValueError('Разные критерии сходимости')targets=plan['convergence_targets']withopen(path+'/results.json')asf:values=json.loads(f.read())ifnotall(identities(row,plan['acceptance'])['passed']forrowinvalues):raiseValueError('Не выполнено тождество')rows.extend(values);sources.append({'path':path,'receipt_sha256':sha(path+'/receipt.json')})indexed={r['case']['id']:rforrinrows}iflen(indexed)!=len(rows):raiseValueError('Одна точка включена повторно')result={'sources':sources,'targets':targets,'scope':'educational model, no factory validation','cases':len(rows)}if'state-2'inindexed:base=indexed['state-2'];result['comparisons_to_state_2']={}forrowinrows:ifrow['case']['series']in['mesh','boundary','input-sensitivity']:result['comparisons_to_state_2'][row['case']['id']]=comparison(base,row,targets)angles=[rforrinrowsifr['case']['series']=='angular']ifangles:result['angular']=angular(angles)save_json(folder+'/results.json',result)save_json(folder+'/source-results.json',rows)record['sources']=sources;finish(folder,record,'passed_analysis_not_course_release')exceptExceptionaserror:record['error']=str(error);finish(folder,record,'failed');raiseprint('TVV_ANALYSIS_RESULT',folder)
Самостоятельная работа
Составьте таблицу E_{1} всех трёх фаз на трёх шагах. Найдите максимальную ошибку 24→48 и сравните с 1%. Объясните ограничение h<N/2.
Критерий выполнения: Соблюдены определения, единицы, условия и критерии занятия. Учебная модель с документированными входами. Заводская и экспериментальная точность не заявляются. Угловая сходимость силовых пульсаций ещё не доказана; совпадение начала и конца периода её не заменяет.
Пояснения и типичные ошибкиДостаточно ли 48 положений ротора для основной гармоники ЭДС холостого хода?
Полная серия 0…352{,}5^\circ и вложенные сетки по углу: 30^\circ, 15^\circ, 7{,}5^\circ.
Какие ограничения необходимо сохранить в выводе?
Учебная модель с документированными входами. Заводская и экспериментальная точность не заявляются. Угловая сходимость силовых пульсаций ещё не доказана; совпадение начала и конца периода её не заменяет.
На что обратить внимание
Смешать одну неподвижную фазную обмотку и виртуально сдвигаемую фазную зону.
Добавить точку 360^\circ в DFT.
Считать сходимость первой гармоники доказательством сходимости пульсаций момента.