Расчётная лабораторная работа · Восстановление электрических характеристик синхронного генератора
Инженерный вопрос. Как отделить влияние искусственной границы A=0 от изменения сетки?
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.
Результат. Проверьте уравнение выбранного генераторного режима и знаки мощности до построения серии.
Внешняя граница и геометрическая дискретизация. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Методика и учебные файлы доступны. Проверки относятся к указанным в занятии примерам и версиям; заводская точность и завершённость всего численного цикла не заявляются.
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
Учебный материал с ограничениями. Как отделить влияние искусственной границы A=0 от изменения сетки?
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
Граница задачи
Наружная окружность расположена в воздухе. На ней задаётся A_z =0; это фиксирует уровень потенциала и приближённо ограничивает внешнее поле. Радиусы равны 2, 3 и 4 наружным радиусам статора: 2590, 3885 и 5180 мм. При переносе границы сетка внешнего воздуха перестраивается, поэтому тест включает небольшое сопутствующее сеточное изменение.
Окружности геометрии созданы дугами, но сетка аппроксимирует их хордами. Угловой шаг ротора, максимальный угол сегмента дуги и угловой шаг отсчётов поля — три разных параметра. Их нельзя смешивать в одной таблице.
Вторая независимая серия меняет только один вход за раз: заполнение на ±1% относительно 0,8366, глубину ротора на 149,5 мм или продольную кривую статора на поперечную. Это исследуемые альтернативы модели. ±1% не является доверительным интервалом измерения, а ориентационные кривые не гарантируют верхнюю и нижнюю границы реальной машины.
Наибольшие изменения выбранных интегралов составили около 0,31% и 0,29% для заполнения, 3,50% для глубины и 3,93% для кривой статора. Последние два эффекта больше проверенных численных изменений. В материальном аудите отдельно сохраняется доля энергии вне исходного диапазона B(H); дополнительная проверка продолжений приведена в занятии 9 и examples/checked-materials-forces.
Знак показывает направление изменения. Это конечное сравнение вариантов, не дифференциальная производная и не статистическая неопределённость.
Учебная модель с документированными входами. Заводская и экспериментальная точность не заявляются.
Проверка относится к интегралам состояния 2; локальные поля на кромках и все силовые режимы требуют отдельного контроля.
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.
Ответ: Три внешних радиуса для состояния 2 и количественная оценка изменения интегралов.
Проверка: Учебная модель с документированными входами. Заводская и экспериментальная точность не заявляются. Проверка относится к интегралам состояния 2; локальные поля на кромках и все силовые режимы требуют отдельного контроля.
Максимальное изменение при дуге 1^\circ относительно 2^\circ
140,5 × 10⁻⁶
1
Максимальное изменение при дуге 0{,}5^\circ относительно 2^\circ
127,3 × 10⁻⁶
1
Запустите TVV_SERIES="boundary"; сравните boundary-3 и boundary-4 с state-2 по тем же шести интегралам и шкалам.
В каждом FEM проверьте наружный радиус и сохранение размеров машины. Граничное условие должно назначаться только внешней окружности.
Затем отдельно запустите TVV_SERIES="input-sensitivity". Проверьте overrides каждого задания в field-plan.json и изменения в сохранённом FEM.
Для отдельной проверки дуг скопируйте комплект в две новые папки. В первой сохраните учебный field-plan-arc-1.json под именем field-plan.json, во второй — field-plan-arc-05.json. Задайте TVV_SERIES="arc". Остальные входы и сеточные ограничения не меняются; прежние квитанции сохранены.
Обработка и анализ результатов
Как отделить влияние искусственной границы A=0 от изменения сетки?
Сопоставьте контрольные величины, входы, версии и допуски.
Полная программа: run_fields.py
Встроенный Python FEMM 5. Зависимости, входы и точные снимки программ доступны в файлах занятия.
Python · FEMM 5
"""Занятия 11–15: самостоятельные ненулевые решения учебной модели."""importsys,json,math,osROOT=globals().get('TVV_ROOT','')ifnotROOT:raiseValueError('Задайте TVV_ROOT')ifROOTinsys.path:sys.path.remove(ROOT)sys.path.insert(0,ROOT)# Повторный запуск редактора не должен использовать старые модули другой копии.formodulein('run_record','geometry','physics','build','field_results','material_variants'):sys.modules.pop(module,None)fromrun_recordimportstart,finish,save_json,shafrombuildimportbuildfromfield_resultsimportcollectfrommaterial_variantsimportvariantnames=['run_fields.py','field_results.py','run_record.py','build.py','geometry.py','physics.py','machine.json','winding.json','rotor-bh.json','stator-bh.json','stator-cross-bh.json','field-plan.json','model-scope.json','current-mapping.json','material_variants.py']resume=globals().get('TVV_RESUME_DIR','')selected=globals().get('TVV_CASE_ID',None);series=globals().get('TVV_SERIES','four-states')part=globals().get('TVV_PART',0);parts=globals().get('TVV_PARTS',1)ifparts<1ornot0<=part<parts:raiseValueError('Неверная часть серии')ifresume:folder=resumewithopen(folder+'/receipt.json')asf:record=json.loads(f.read())if(record.get('selected_case'),record.get('series'),record.get('part',0),record.get('parts',1))!=(selected,series,part,parts):raiseValueError('Продолжение требует того же набора заданий')forname,digestinrecord['inputs_and_programs'].items():ifsha(ROOT+'/'+name)!=digestorsha(folder+'/snapshot/'+name)!=digest:raiseValueError('Изменены входы или версия программы: '+name)if'case_outputs'notinrecord:raiseValueError('В этой квитанции нет проверяемых промежуточных результатов')else:folder,record=start(ROOT,globals().get('TVV_OUTPUT_ROOT',ROOT+'/runs'),'fields',names,'nonzero teaching model; no factory accuracy claim')record['case_outputs']={}defload(name):withopen(folder+'/snapshot/'+name+'.json')asf:returnjson.loads(f.read())plan=load('field-plan');scope=load('model-scope');rows=[]ifscope['factory_accuracy_claim']:raiseValueError('Необоснованное заявление о заводской точности')record.update(selected_case=selected,series=series,part=part,parts=parts,status='running')save_json(folder+'/receipt.json',record)try:cases=[cforcinplan['cases']if(c['id']==selectedifselectedelsec.get('series')==series)]forindex,caseinenumerate(cases):ifindex%parts!=part:continueifcase['id']inrecord['case_outputs']:forname,digestinrecord['case_outputs'][case['id']].items():ifsha(folder+'/'+name)!=digest:raiseValueError('Повреждён результат продолжения: '+name)withopen(folder+'/'+case['id']+'-result.json')asf:rows.append(json.loads(f.read()))print('TVV_FIELD_REUSED',case['id']);continuemachine=load('machine');winding=load('winding')['rows'];mesh=plan['mesh'].copy()forkeyinmesh:mesh[key]*=case.get('mesh_scale',1.)mesh.update(case.get('mesh_overrides',{}))forsection,valuesincase.get('overrides',{}).items():machine[section].update(values)materials={'rotor':load('rotor-bh'),'stator':load(case.get('stator_curve','stator')+'-bh')}machine['_bh_limits']={tag:[v['points'][0][0],v['points'][-1][0]]fortag,vinmaterials.items()}fortaginmaterials:materials[tag]['points']=variant(materials[tag]['points'],case.get('bh_mode','native'))path=folder+'/'+case['id']+'.fem'record['active_case']=case['id'];save_json(folder+'/receipt.json',record)print('TVV_FIELD_BUILD',case['id'])build(globals(),machine,winding,materials,path,mesh,case['theta_deg'],case['currents_dqf_A'])mi_close();opendocument(path);mi_analyze(1);mi_loadsolution()print('TVV_FIELD_SOLVED',case['id'],mo_numelements())row=collect(globals(),machine,winding,case['theta_deg'],case['currents_dqf_A'],folder,case['id'],case.get('coverage',True),case.get('contour_samples',1440))row['case']=case;row['mesh']=meshlimits=plan['acceptance']errors={name:abs(values[2]-row['independent_circuit_flux_Wb'][name])/max(abs(values[2]),limits['flux_absolute_scale_Wb'])forname,valuesinrow['circuits'].items()}row['flux_identity_relative_error']=max(errors.values())row['energy_identity_relative_error']=abs(row['energy_J']+row['coenergy_J']-row['sum_i_lambda_J'])/max(abs(row['sum_i_lambda_J']),limits['energy_absolute_scale_J'])rows.append(row);save_json(folder+'/results.json',rows)ifrow['max_copper_area_relative_error']>1e-8:raiseValueError('Площадь активных областей не совпадает')ifrow['flux_identity_relative_error']>limits['flux_identity_relative']:raiseValueError('Независимое потокосцепление не совпадает')ifrow['energy_identity_relative_error']>limits['energy_identity_relative']:raiseValueError('Не выполнен энергетический интеграл')mo_close();mi_close()save_json(folder+'/'+case['id']+'-result.json',row)record['case_outputs'][case['id']]={name:sha(folder+'/'+name)fornameinos.listdir(folder)ifname.startswith(case['id']+'.')orname.startswith(case['id']+'-')}save_json(folder+'/receipt.json',record);print('TVV_FIELD_CHECKED',case['id'])ifnotrows:raiseValueError('Не найдено задание расчёта')record['checks']={'cases':len(rows),'factory_validation':False,'mesh_convergence':False}finish(folder,record,'passed_field_identities_not_convergence')exceptExceptionaserror:record['error']=str(error);save_json(folder+'/results.json',rows);finish(folder,record,'failed');raiseprint('TVV_FIELDS_RESULT',folder,record['status'])
Самостоятельная работа
Постройте таблицу знаковых изменений шести величин для четырёх вариантов входов. Обоснуйте, какое уточнение исходных данных наиболее полезно для этой точки.
Критерий выполнения: Соблюдены определения, единицы, условия и критерии занятия. Учебная модель с документированными входами. Заводская и экспериментальная точность не заявляются. Проверка относится к интегралам состояния 2; локальные поля на кромках и все силовые режимы требуют отдельного контроля.
Пояснения и типичные ошибкиКакие ограничения необходимо сохранить в выводе?
Учебная модель с документированными входами. Заводская и экспериментальная точность не заявляются. Проверка относится к интегралам состояния 2; локальные поля на кромках и все силовые режимы требуют отдельного контроля.
На что обратить внимание
Увеличить радиусы всех узлов, а не только наружную границу.
Назвать исследуемый размер новым заводским исполнением.
Принять допустимую сеточную ошибку за допустимую неопределённость материала.