FEMM 5Поиск
ФормулыФайлы

Часть V · Электрические машины → § 40 · ТВВ-320-2. От поля к электрическим величинам

Занятие 40.5

Преобразование abc–dq и дифференциальные параметры

Перед началом

Что нужно вспомнить перед началом

Место занятия в инженерной методике

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

  1. Обосновать постановку и способ измерения. Для характеристики запишите, что фиксировано: скорость, возбуждение, напряжение, нагрузка или мощность. Скоростная ЭДС восстанавливается из пространственного потокосцепления.

  2. Разбор учебного результата. Проверьте уравнение выбранного генераторного режима и знаки мощности до построения серии.

  3. Преобразование abc–dq и дифференциальные параметры. 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.

  4. Ответить на вопрос по своим результатам. Сопоставьте контрольные величины, входы, версии и допуски.

Что включить в отчёт

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.

Дополнительный расчётный метод

Продольная и поперечная проводимости явнополюсной машины

Коэффициенты k_d и k_q объясняют различие продольного и поперечного магнитного отклика и помогают перейти к индуктивным параметрам явнополюсной машины.

Лабораторные работы по методу: Определение коэффициентов поля явнополюсной машины

Получаемые величины. k_d = B_{\mathrm{d\,}}{1}/Bsmooth; k_q = B_{\mathrm{q\,}}{1}/Bsmooth; отношение продольного и поперечного откликов

  1. Формируем гармоническую МДС по оси d и получаем B_{\mathrm{d\,}}{1}.
  2. Поворачиваем МДС на 90 электрических градусов при прежней амплитуде и получаем B_{\mathrm{q\,}}{1}.
  3. Выполняем опорный расчёт гладкого минимального зазора.
  4. Рассчитываем коэффициенты, затем сопоставляем их с картами \Psi _d(i_d, i_q), \Psi _q(i_d, i_q).

Страницы источника. PDF 1–2: определения; 3–4: картины d/q; 5: методика; 6: варианты

Литература по методу

Зубцовый контур и взаимная проводимость при движении

Зубцовый контур служит элементом матрицы магнитной связи; серия положений показывает, как взаимная проводимость изменяется при движении.

Лабораторные работы по методу: Зубцовые контуры: проводимости, коронки и взаимная связь при смещении

Получаемые величины. \Lambda =\Phi /F; \Lambda 12(x); влияние распределения тока; период зависимости связи

  1. Сравниваем особое возбуждение контура с униполярным полем.
  2. Сохраняем полный ток при трёх способах его пространственного задания.
  3. Вводим зубцы второго сердечника и перемещать его с шагом около 0,1 зубцового деления.
  4. Получаем взаимную проводимость, проверяем периодичность и взаимность.

Страницы источника. PDF 1–2: определение; 3–4: программа и движение; 5–6: сравнение токовых моделей

Литература по методу

Теория и вывод формул

Какая нормировка связывает токи, потокосцепления, мощность и взаимные индуктивности?

Обозначения и единицы

Нормировки, общие обозначения и единицы курса. Обозначения конкретной задачи приведены рядом с формулами.

Указатель формул этого занятия
  1. (40.26) · Единая нормировка без скрытых множителей
  2. (40.27) · Единая нормировка без скрытых множителей
  3. (40.28) · Единая нормировка без скрытых множителей
  4. (40.29) · Секущие и дифференциальные параметры
  5. (40.30) · Секущие и дифференциальные параметры
  6. (40.31) · Секущие и дифференциальные параметры

Модель и обозначения

Занятие 19 из 36 в цикле ТВВ-320-2.

Документированная учебная модель; заводская точность не заявляется. Новых полевых расчётов при подготовке публикации не выполнялось.

Общие обозначения цикла ТВВ-320
Таблица 40.9. Обозначения и единицы
ВеличинаФизический смыслЕдиница СИ
θm; θeМеханический и электрический углы; \theta e=p\theta mрад
pЧисло пар полюсов; для ТВВ-320-2 p=11
ULL; IЛинейное напряжение и фазный ток RMS основной симметричной составляющейВ; А
id; iq; IfАмплитудные токи d–q и постоянный ток возбужденияА
λd; λq; λfПотокосцепления в согласованной нормировкеВб·виток
Pg; Qg; TОтдаваемые активная и реактивная мощности; момент против часовой стрелкиВт; вар; Н·м

Единая нормировка без скрытых множителей

Ось d совпадает с положительной осью магнитного поля возбуждения, q опережает d на 90 электрических градусов. Для p=1 электрический и механический углы совпадают. Токи положительны внутрь статора. Нулевая последовательность в динамических опытах равна нулю, так как нагрузка симметрична и нейтраль изолирована.

Матрица с множителем 2/3 сохраняет амплитуду симметричной тройки. Она не сохраняет евклидову норму без весов. Поэтому фазная мощность в d–q имеет множитель 3/2, а физическая цепь возбуждения остаётся с весом 1. Обозначение \lambda f относится к всей последовательно соединённой обмотке ротора.

  1. Ту же матрицу применяют к напряжениям и фазным потокосцеплениям.

    \begin{pmatrix}i_d\\i_q\\i_0\end{pmatrix}=\frac23\begin{pmatrix}\cos\theta&\cos(\theta-2\pi/3)&\cos(\theta+2\pi/3)\\-\sin\theta&-\sin(\theta-2\pi/3)&-\sin(\theta+2\pi/3)\\1/2&1/2&1/2\end{pmatrix}\begin{pmatrix}i_A\\i_B\\i_C\end{pmatrix}
    (40.26)
  2. При i0=0 последний член исчезает.

    p_s=u_Ai_A+u_Bi_B+u_Ci_C=\frac32(u_di_d+u_qi_q)+3u_0i_0
    (40.27)
  3. Переход к ортонормированной записи показан только как явное преобразование; программы курса продолжают использовать амплитудную нормировку.

    i_{d,\mathrm{orth}}=\sqrt{3/2}\,i_d,\quad i_{q,\mathrm{orth}}=\sqrt{3/2}\,i_q,\quad i_{0,\mathrm{orth}}=\sqrt3\,i_0
    (40.28)

Секущие и дифференциальные параметры

Секущая индуктивность \lambda /i имеет смысл только после отделения потокосцепления возбуждения и при указанном направлении изменения тока. В насыщенной машине дифференциальная матрица зависит от всех трёх токов. Её внедиагональные элементы описывают взаимное влияние осей и возбуждения.

Для трикубической интерполяции якобиан вычисляется аналитически из той же коэнергии, что задаёт потокосцепления. Подмена производной усреднённым секущим отношением нарушает обращение карты и энергетический баланс. На границе ячеек функции и первые производные согласованы; вторые производные могут иметь конечный скачок.

  1. Линеаризация локальна; величина допустимого возмущения устанавливается сравнением с прямым полевым расчётом.

    L^{\mathrm{diff}}_{jk}=\frac{\partial\lambda_j}{\partial i_k},\qquad\Delta\boldsymbol\lambda\approx\mathbf L^{\mathrm{diff}}\Delta\mathbf i
    (40.29)
  2. Производные берутся при фиксированном угле либо для согласованно усреднённой карты.

    dW^\prime=\frac32\lambda_d\,di_d+\frac32\lambda_q\,di_q+\lambda_f\,dI_f
    (40.30)
  3. В частности, (3/2)\partial \lambda d/∂If=\partial \lambda f/\partial i_d. Проверка обычной симметрии L без M была бы неверной.

    \mathbf M\mathbf L^{\mathrm{diff}}=(\mathbf M\mathbf L^{\mathrm{diff}})^T,\quad\mathbf M=\operatorname{diag}(3/2,3/2,1)
    (40.31)

Подстановка и область действия

В независимой полевой точке i_d=-50 А, i_q=-600 А, If=1500 А получены средние \lambda d=62.10565913, \lambda q=-2.905007835, \lambda f=831.6567827 Вб·виток. Эти числа берутся из полной угловой серии, а не из линейного приближения.

Для якобиана откройте EnergyFluxMap.evaluate([−50,-600,2]). Сопоставьте аналитические производные с центральной разностью evaluate на уменьшающихся шагах, не пересекающих границу ячейки. Это проверяет реализацию производной, но не заменяет независимые полевые точки.

Ограничения и происхождение методики

Условная учебная модель активного сечения; сопротивления при 15 °C; заводская точность не заявляется.

Карта охватывает только заявленную область малой нагрузки; номинальные токи в неё не входят.

252 стороны ротора; исходные полевые точки и хеши сохранены. Коэнергия, токи и потокосцепления получены самостоятельным построителем.

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.

  1. Рассчитайте abc_to_dq0(dq0_to_abc([id,iq,0],θ),\theta) для 0^\circ,30^\circ,90^\circ; сохраните абсолютную ошибку.

  2. Загрузите проверенную карту функцией energy_map.from_record и вызовите evaluate(current): первая часть результата — \lambda, вторая — Ldiff в генри.

  3. Умножьте строки Ldiff на 1,5;1,5;1 и сравните взаимные компоненты. Затем проверьте локальное предсказание \Delta \lambda=LdiffΔi уменьшением амплитуды возмущения.

  4. Для мощности используйте физический ток возбуждения без дополнительного множителя 3/2.

Ответ: Проверяемый переход abc–dq, якобиан нелинейной карты и объяснение перекрёстного насыщения.

Проверка: Условная учебная модель активного сечения; сопротивления при 15 °C; заводская точность не заявляется. Карта охватывает только заявленную область малой нагрузки; номинальные токи в неё не входят.

Практикум в FEMM 5

Преобразование abc–dq и дифференциальные параметры

Таблица 40.10. Исходные данные практикума
Исходная величинаЗначениеЕдиница
\lambda d в контрольной точке62,11Вб·виток
\lambda q-2,905Вб·виток
\lambda f831,7Вб·виток
  1. Рассчитайте abc_to_dq0(dq0_to_abc([id,iq,0],θ),\theta) для 0^\circ,30^\circ,90^\circ; сохраните абсолютную ошибку.
  2. Загрузите проверенную карту функцией energy_map.from_record и вызовите evaluate(current): первая часть результата — \lambda, вторая — Ldiff в генри.
  3. Умножьте строки Ldiff на 1,5;1,5;1 и сравните взаимные компоненты. Затем проверьте локальное предсказание \Delta \lambda=LdiffΔi уменьшением амплитуды возмущения.
  4. Для мощности используйте физический ток возбуждения без дополнительного множителя 3/2.

Ожидаемый результат. Проверяемый переход abc–dq, якобиан нелинейной карты и объяснение перекрёстного насыщения.

Как проверить. Условная учебная модель активного сечения; сопротивления при 15 °C; заводская точность не заявляется. Карта охватывает только заявленную область малой нагрузки; номинальные токи в неё не входят.

Обработка и анализ результатов

Какая нормировка связывает токи, потокосцепления, мощность и взаимные индуктивности?

  1. Сопоставьте контрольные величины, входы, версии и допуски.

Полная программа: energy_map.py

Встроенный Python FEMM 5. Зависимости, входы и точные снимки программ доступны в файлах занятия.

Python · FEMM 5
"""Табличная трикубическая коэнергия: поток и якобиан от одного потенциала.

Узловые W' и dW'/di=(1.5 λd,1.5 λq,λf) приходят из FEMM.
Смешанные производные оцениваются симметрично по соседним узлам.
Это альтернативная интерполяция, а не симметризация чужого якобиана.
"""
from numerics import FluxMap


def basis(t,side,derivative):
    if side==0 and derivative==0:return (2*t**3-3*t*t+1,6*t*t-6*t,12*t-6)
    if side==1 and derivative==0:return (-2*t**3+3*t*t,-6*t*t+6*t,-12*t+6)
    if side==0:return (t**3-2*t*t+t,3*t*t-4*t+1,6*t-4)
    return (t**3-t*t,3*t*t-2*t,6*t-2)


class EnergyFluxMap(FluxMap):
    def __init__(self,axes,values,coenergy):
        super().__init__(axes,values)
        self.coenergy=coenergy;self.weights=(1.5,1.5,1.);self.derivatives={}
        shape=[len(a) for a in axes]
        points=[(i,j,k) for i in range(shape[0]) for j in range(shape[1]) for k in range(shape[2])]
        for index in points:
            i,j,k=index
            self.derivatives[index]={(0,0,0):coenergy[i][j][k],(1,0,0):1.5*values[i][j][k][0],
                                     (0,1,0):1.5*values[i][j][k][1],(0,0,1):values[i][j][k][2]}
        def diff(index,flags,axis):
            lo=list(index);hi=list(index)
            lo[axis]=max(0,index[axis]-1);hi[axis]=min(shape[axis]-1,index[axis]+1)
            return (self.derivatives[tuple(hi)][flags]-self.derivatives[tuple(lo)][flags])/(axes[axis][hi[axis]]-axes[axis][lo[axis]])
        for index in points:
            for a,b in ((0,1),(0,2),(1,2)):
                fa=[0,0,0];fb=[0,0,0];both=[0,0,0];fa[a]=1;fb[b]=1;both[a]=both[b]=1
                self.derivatives[index][tuple(both)]=(diff(index,tuple(fa),b)+diff(index,tuple(fb),a))/2
        for index in points:
            self.derivatives[index][(1,1,1)]=(diff(index,(1,1,0),2)+diff(index,(1,0,1),1)+diff(index,(0,1,1),0))/3

    def potential(self,point):
        # Parent enforces finite inputs and the exact declared domain.
        if len(point)!=3:raise ValueError('Нужны id,iq,If')
        indices=[];widths=[];tables=[]
        for axis,x in zip(self.axes,point):
            if not axis[0]<=x<=axis[-1]:raise ValueError('Экстраполяция карты запрещена')
            k=0
            while k<len(axis)-2 and x>=axis[k+1]:k+=1
            width=axis[k+1]-axis[k];t=(x-axis[k])/width
            indices.append(k);widths.append(width)
            tables.append([[tuple(v*width**derivative/width**order for order,v in enumerate(basis(t,side,derivative)))
                            for derivative in (0,1)] for side in (0,1)])
        value=0.;gradient=[0.,0.,0.];hessian=[[0.]*3 for _ in range(3)]
        for a in (0,1):
            for b in (0,1):
                for c in (0,1):
                    corners=(a,b,c);data=self.derivatives[tuple(indices[j]+corners[j] for j in range(3))]
                    for flags,coefficient in data.items():
                        v=[tables[j][corners[j]][flags[j]] for j in range(3)]
                        value+=coefficient*v[0][0]*v[1][0]*v[2][0]
                        for j in range(3):
                            gradient[j]+=coefficient*v[j][1]*v[(j+1)%3][0]*v[(j+2)%3][0]
                            for k in range(3):
                                term=coefficient
                                for axis in range(3):term*=v[axis][int(axis==j)+int(axis==k)]
                                hessian[j][k]+=term
        return value,gradient,hessian

    def evaluate(self,point):
        _,gradient,hessian=self.potential(point)
        return [gradient[j]/self.weights[j] for j in range(3)],[[hessian[j][k]/self.weights[j] for k in range(3)] for j in range(3)]

    def energy(self,point):
        coenergy,gradient,_=self.potential(point)
        return sum(point[j]*gradient[j] for j in range(3))-coenergy


def from_record(record):
    if record.get('interpolation')=='coenergy-tricubic-hermite':
        return EnergyFluxMap(record['axes_A'],record['values_Wb'],record['coenergy_J'])
    return FluxMap(record['axes_A'],record['values_Wb'])

Самостоятельная работа

Выведите мощность непосредственно подстановкой обратного преобразования. Для выбранной точки карты проверьте три пары взаимных производных и оцените остаток линейного приближения при двух амплитудах возмущения.

Критерий выполнения: Соблюдены определения, единицы, условия и критерии занятия. Условная учебная модель активного сечения; сопротивления при 15 °C; заводская точность не заявляется. Карта охватывает только заявленную область малой нагрузки; номинальные токи в неё не входят.

Литература

Полные библиографические описания

Пояснения и типичные ошибки
Какие ограничения необходимо сохранить в выводе?

Условная учебная модель активного сечения; сопротивления при 15 °C; заводская точность не заявляется. Карта охватывает только заявленную область малой нагрузки; номинальные токи в неё не входят.

На что обратить внимание

  • Применить √(2/3) к токам, но оставить прежнюю формулу мощности.
  • Проверять взаимность \lambda f и \lambda d без метрического множителя.
  • Перенести локальную Ldiff на всю характеристику.
НИУ «МЭИ» · Кафедра ЭМЭЭА · Учебное пособие по FEMM 5 · Теория, вычислительный эксперимент и проверка результата.

Файлы занятия

Статус, проверки и источники

Поиск по пособию

    Разделы

    На этой странице