Векторные диаграммы наглядно показывают соотношения между токами, э.д.с. и напряжениями обмоток. На рис. 2-14 — 2-16 представлены диаграммы трансформатора, работающего с различными нагрузками.
Рис. 2-14. Векторная диаграмма трансформатора работающего с отстающим током.
Рис. 2-15. Векторная диаграмма трансформатора, работающего с 1.
Рис. 2-16. Векторная диаграмма трансформатора, работающего с опережающим током.
Приведенные ранее уравнения напряжений и токов, а также векторные диаграммы относятся к однофазному трансформатору или к одной фазе трехфазного трансформатора. Различие токов холостого хода отдельных фаз трехфазного трансформатора вследствие несимметрии их магнитных цепей не имеет практического значения, так как токи холостого хода составляют обычно небольшую долю номинального тока; параметры же отдельных фаз r1, , x1, можно считать одинаковыми.
Расчеты, связанные с исследованием работы трансформатора, можно свести к расчетам простых цепей переменного тока. Для этого заменим трансформатор некоторой схемой, сопротивление которой Zэкв
Сопротивлению Zэкв соответствует схема, представленная на рис. 2-17. Она называется схемой замещения трансформатора.
Рис. 2-17. Схема замещения трансформатора.
В схеме замещения переменным параметром является сопротивление ; остальные ее параметры можно считать постоянными. Они могут быть определены путем расчета, а также опытным путем. В последнем случае обращаются к данным опытов холостого хода и короткого замыкания.
2-6. Опыт холостого хода
По данным опыта холостого хода определяются коэффициент трансформации , магнитные потери Рс и параметры ветви намагничивания Магнитные потери Рс, как указывалось, могут быть приняты равными мощности Р0, потребляемой трансформатором при холостом ходе.
При опыте холостого хода собирается схема по рис. 2-18 для однофазного трансформатора или по рис. 2-19 для трехфазного трансформатора.
При исследовании малых трансформаторов следует учитывать потери в приборах, так как они могут быть соизмеримы с потерями холостого хода.
Рис. 2-18 Схема при опыте холостого хода для однофазного трансформатора.
Рис. 2-19. Схема при опыте холостого хода для трехфазного трансформатора.
Измерения U1 и U20 производятся при помощи вольтметров или при высоком напряжении, при помощи вольтметров и измерительных трансформаторов напряжения. По данным измерений находят коэффициент трансформации: U20/U1 По амперметру и ваттметру находят ток и мощность P0 в случае однофазного трансформатора. В случае трехфазного трансформатора необходимо измерить токи во всех трех фазах, так как вследствие несимметрии магнитных цепей отдельных фаз токи в них будут различны.
Мощности отдельных фаз также различны; поэтому мощность, потребляемую трехфазным трансформатором при холостом ходе, следует измерять двумя ваттметрами по схеме рис. 2-19.
2-7. Опыт короткого замыкания
По данным опыта короткого замыкания определяются потери короткого замыкания Рк, которые могут быть приняты равными электрическим потерям в обмотках, и параметры трансформатора, к которым приходится обращаться при решении многих практических задач.
Под коротким замыканием трансформатора здесь понимается такой режим его работы, при котором вторичная обмотка замкнута накоротко, а к первичной обмотке подведено напряжение. Этому режиму работы соответствует схема замещения (рис. 2-17) при =0.
Так как сопротивления z1 и в сотни раз меньше сопротивления z12, то при коротком замыкании трансформатора можно пренебречь током в этом сопротивлении, т. е. принять . В этом случае получаем схему замещения, представленную на рис. 2-20.
От этой диаграммы мы можем перейти к диаграмме, представленной на рис. 2-22.
Рис. 2-22. Треугольник короткого замыкания.
Прямоугольный треугольник ОАВ называется треугольником короткого замыкания трансформатора. Сопротивления
называются соответственно активным, индуктивным и полным сопротивлениями короткого замыкания трансформатора. Параметры короткого замыкания zк, rк и xк определяются по данным опыта короткого замыкания. При этом опыте собирается одна из схем, приведенных на рис. 2-18 и 2-19, но вторичные зажимы замыкаются накоротко.
Согласно ГОСТ активные сопротивления обмоток трансформаторов, по которым определяются электрические потери и активные падения напряжения, должны быть приведены к температуре 75° С.
Процентное значение номинального напряжения короткого замыкания указывается на щитке трансформатора. Оно для нормальных трансформаторов лежит в пределах 5 — 10%. Также выражаются в процентах номинального напряжения реактивная и активная составляющие напряжения короткого замыкания:
Значения r1 и r2 могут быть измерены при постоянном токе, например при помощи амперметра и вольтметра Полученные при этом сопротивления будут несколько меньше активных сопротивлений обмоток. Активные сопротивления больше сопротивлений, измеренных при постоянном токе, в 1,03 — 1,07 раза вследствие наличия вихревых токов в проводниках обмоток и в других металлических частях трансформатора, вызванных полями рассеяния.
2-8. Изменение вторичного напряжения
Вторичное напряжение при нагрузке в общем случае отличается от вторичного напряжения U20 при холостом ходе. Изменение вторичного напряжения при переходе от холостого хода к нагрузке при принято выражать в процентах номинального напряжения.
Полученное значение
(2-52)
называется процентным изменением напряжения трансформатора. Оно может быть найдено при помощи векторной диаграммы, представленной на рис. 2-23 и соответствующей схеме замещения на рис. 2-24.
Рис. 2-23. Упрощенная векторная диаграмма трансформатора (для определения изменения напряжения).
Рис. 2-24. Упрощенная схема замещения (для определения изменения напряжения).
2-9. Потери и коэффициент полезного действия
При работе трансформатора в нем возникают потери — магнитные и электрические.
Электрические потери, или потери короткого замыкания, пропорциональны квадрату тока.
Коэффициент полезного действия (к.п.д.) трансформатора имеет высокие значения: от 0,96 при мощности ≈ 5 кВА и до 0,995 при номинальной мощности, составляющей десятки тысяч кВА. Поэтому определение его непосредственным методом по формуле
(2-61)
где Р2 — полезная (вторичная) мощность; Р1 — затраченная (первичная) мощность, практически не может дать точных результатов.
Так как потери в трансформаторе невелики, то следует определять к.п.д. трансформатора косвенным методом .
к.п.д. получается максимальным при нагрузке, составляющей 50—70% от номинальной. Такая нагрузка обычно и соответствует средней нагрузке при эксплуатации трансформатора.
Методы типового проектирования ИС достаточно подробно рассмотрены в литературе [10]. В данном курсе приведены основные определения и представлено задание для разработки проекта ИС методом типового проектирования (кейс "Проектирование ИС предприятия оптовой торговли лекарственными препаратами").
Типовое проектирование ИС предполагает создание системы из готовых типовых элементов.Основополагающим требованием для применения методов типового проектирования является возможность декомпозиции проектируемой ИС на множество составляющих компонентов (подсистем, комплексов задач, программных модулей и т.д.). Для реализации выделенных компонентов выбираются имеющиеся на рынке типовые проектные решения, которые настраиваются на особенности конкретного предприятия.
Типовое проектное решение (ТПР) - это тиражируемое (пригодное к многократному использованию) проектное решение.
Принятая классификация ТПР основана на уровне декомпозиции системы. Выделяются следующие классы ТПР:
элементные ТПР - типовые решения по задаче или по отдельному виду обеспечения задачи (информационному, программному, техническому, математическому, организационному);
подсистемные ТПР - в качестве элементов типизации выступают отдельные подсистемы, разработанные с учетом функциональной полноты и минимизации внешних информационных связей;
объектные ТПР - типовые отраслевые проекты, которые включают полный набор функциональных и обеспечивающих подсистем ИС.
Каждое типовое решение предполагает наличие, кроме собственно функциональных элементов (программных или аппаратных), документации с детальным описанием ТПР и процедур настройки в соответствии с требованиями разрабатываемой системы.
Основные особенности различных классов ТПР приведены в таблице 3.3.
Таблица 3.3. Достоинства и недостатки ТПР
Класс ТПР Реализация ТПР
Достоинства
Недостатки
Элементные ТПР Библиотеки методо-ориентированных программ
обеспечивается применение модульного подхода к проектированию и документированию ИС
большие затраты времени на сопряжение разнородных элементов вследствие информационной, программной и технической несовместимости
большие затраты времени на доработку ТПР отдельных элементов
Подсистемные ТПР Пакеты прикладных программ
достигается высокая степень интеграции элементов ИС
позволяют осуществлять: модульное проектирование; параметрическую настройку программных компонентов на различные объекты управления
обеспечивают: сокращение затрат на проектирование и программирование взаимосвязанных компонентов; хорошее документирование отображаемых процессов обработки информации
адаптивность ТПР недостаточна с позиции непрерывного инжиниринга деловых процессов
возникают проблемы в комплексировании разных функциональных подсистем, особенно в случае использования решений нескольких производителей программного обеспечения
Объектные ТПР Отраслевые проекты ИС
комплексирование всех компонентов ИС за счет методологического единства и информационной, программной и технической совместимости
открытость архитектуры — позволяет устанавливать ТПР на разных программно-технических платформах
масштабируемость — допускает конфигурацию ИС для переменного числа рабочих мест
конфигурируемость — позволяет выбирать необходимое подмножество компонентов
проблемы привязки типового проекта к конкретному объекту управления, что вызывает в некоторых случаях даже необходимость изменения организационно-экономической структуры объекта автоматизации
Для реализации типового проектирования используются два подхода: параметрически-ориентированное и модельно-ориентированное проектирование.
Параметрически-ориентированное проектирование включает следующие этапы: определение критериев оценки пригодности пакетов прикладных программ (ППП) для решения поставленных задач, анализ и оценка доступных ППП по сформулированным критериям, выбор и закупка наиболее подходящего пакета, настройка параметров (доработка) закупленного ППП.
Критерии оценки ППП делятся на следующие группы:
назначение и возможности пакета;
отличительные признаки и свойства пакета;
требования к техническим и программным средствам;
документация пакета;
факторы финансового порядка;
особенности установки пакета;
особенности эксплуатации пакета;
помощь поставщика по внедрению и поддержанию пакета;
оценка качества пакета и опыт его использования;
перспективы развития пакета.
Внутри каждой группы критериев выделяется некоторое подмножество частных показателей, детализирующих каждый из десяти выделенных аспектов анализа выбираемых ППП. Достаточно полный перечень показателей можно найти в литературе [10].
Числовые значения показателей для конкретных ППП устанавливаются экспертами по выбранной шкале оценок (например, 10-бальной). На их основе формируются групповые оценки и комплексная оценка пакета (путем вычисления средневзвешенных значений). Нормированные взвешивающие коэффициенты также получаются экспертным путем.
Модельно-ориентированное проектирование заключается в адаптации состава и характеристик типовой ИС в соответствии с моделью объекта автоматизации.
Технология проектирования в этом случае должна обеспечивать единые средства для работы как с моделью типовой ИС, так и с моделью конкретного предприятия.
Типовая ИС в специальной базе метаинформации - репозитории - содержит модель объекта автоматизации, на основе которой осуществляется конфигурирование программного обеспечения. Таким образом, модельно-ориентированное проектирование ИС предполагает, прежде всего, построение модели объекта автоматизации с использованием специального программного инструментария (например, SAP Business Engineering Workbench (BEW), BAAN Enterprise Modeler). Возможно также создание системы на базе типовой модели ИС из репозитория, который поставляется вместе с программным продуктом и расширяется по мере накопления опыта проектирования информационных систем для различных отраслей и типов производства.
Репозиторий содержит базовую (ссылочную) модель ИС, типовые (референтные) модели определенных классов ИС, модели конкретных ИС предприятий.
Базовая модель ИС в репозитории содержит описание бизнес-функций, бизнес-процессов, бизнес-объектов, бизнес-правил, организационной структуры, которые поддерживаются программными модулями типовой ИС.
Типовые модели описывают конфигурации информационной системы для определенных отраслей или типов производства.
Модель конкретного предприятия строится либо путем выбора фрагментов основной или типовой модели в соответствии со специфическими особенностями предприятия (BAAN Enterprise Modeler), либо путем автоматизированной адаптации этих моделей в результате экспертного опроса (SAP Business Engineering Workbench).
Построенная модель предприятия в виде метаописания хранится в репозитории и при необходимости может быть откорректирована. На основе этой модели автоматически осуществляется конфигурирование и настройка информационной системы.
Бизнес-правила определяют условия корректности совместного применения различных компонентов ИС и используются для поддержания целостности создаваемой системы.
Модель бизнес-функций представляет собой иерархическую декомпозицию функциональной деятельности предприятия (подробное описание см. в разделе "Анализ и моделирование функциональной области внедрения ИС").
Модель бизнес-процессов отражает выполнение работ для функций самого нижнего уровня модели бизнес-функций (подробное описание см. в разделе "Спецификация функциональных требований к ИС"). Для отображения процессов используется модель управления событиями (ЕРС - Event-driven Process Chain). Именно модель бизнес-процессов позволяет выполнить настройку программных модулей - приложений информационной системы в соответствии с характерными особенностями конкретного предприятия.
Модели бизнес-объектов используются для интеграции приложений, поддерживающих исполнение различных бизнес-процессов (подробное описание см. в разделе "Этапы проектирования ИС с применением UML").
Модель организационной структуры предприятия представляет собой традиционную иерархическую структуру подчинения подразделений и персонала (подробное описание см. в разделе "Анализ и моделирование функциональной области внедрения ИС").
Внедрение типовой информационной системы начинается с анализа требований к конкретной ИС, которые выявляются на основе результатов предпроектного обследования объекта автоматизации (см. раздел "Анализ и моделирование функциональной области внедрения ИС"). Для оценки соответствия этим требованиям программных продуктов может использоваться описанная выше методика оценки ППП. После выбора программного продукта на базе имеющихся в нем референтных моделей строится предварительная модель ИС, в которой отражаются все особенности реализации ИС для конкретного предприятия. Предварительная модель является основой для выбора типовой модели системы и определения перечня компонентов, которые будут реализованы с использованием других программных средств или потребуют разработки с помощью имеющихся в составе типовой ИС инструментальных средств (например, ABAP в SAP, Tools в BAAN).
Реализация типового проекта предусматривает выполнение следующих операций:
