實用型工程軟件綜合設計.docx

目錄1實驗原理21.1 靜電場原理21.2 靜磁場原理42三相電力電纜模型建立62.1 建立工程項目62.2 建立模型72.3 改變導線模型屬性83電場參數分析123.1 添加激勵與邊界條件定義123.2 設定求解參數143.3 求解項設置153.4 自檢求解163.5 電容矩陣求解163.6 電壓云圖和電場強度矢量圖的求解183.7 特定路徑和點的電壓求解193.7.1 X軸的系統(tǒng)電壓分布曲線193.7.2 Y軸的系統(tǒng)電壓分布曲線203.7.3 點(0,-100,0)處的電壓值和系統(tǒng)的靜電能量213.8 提高電壓等級的求解結果223.9 增加相間間距的求解結果244磁場參數分析264.1 工程項目設置264.1.1 選擇求解器264.1.2 添加激勵源與邊界條件定義264.2 電感矩陣的求解274.3 系統(tǒng)的等磁位線和磁場強度云圖的求解274.4 增加相間間距的求解結果28實用型工程軟件綜合設計電力電纜的電磁場參數分析1實驗原理1.1 靜電場原理1）靜電場概念空間中相對與觀測者靜止的電荷產生的電場稱為靜電場。2）Maxwell方程組在19世紀中葉，麥克斯韋在總結前人工作的基礎上提出了適用于所有宏觀電磁現象的數學模型，稱為麥克斯韋方程組。它是電磁場理論的基礎，也是工程電磁場數值分析的出發(fā)點。 （1） （2） （3） （4） （5）Maxwell方程組中各個場量之間的本構關系滿足： （6） （7） （8）3）電容求解電容表示某一結構中靜電儲存能量，可以表達為： （9）從而，得到電容的計算公式為： （10）4）與電荷和電壓相關的電容電容矩陣表示導體組的電壓和電量之間關系，如圖1.1所示。由3個導體組成的系統(tǒng)，有如下關系：圖1.1其中，,分別是導體1,2,3攜帶的電量。上式可以寫成矩陣形式：（11）令（12）則上式可以寫簡化成： （13） 矩陣C稱為電容矩陣，這是Ansoft參數計算的一個重要概念。矩陣中主對角線上元素是一個導體相對于其它導體電容的總和，該項表示導體的電容，在數值上是在一個導體上施加1V電壓，而其它導體接地時，在該導體上的電量為：（14）非主對角線上的元素在數值上是系統(tǒng)中一個導體是施加1V電壓，然后在其它導體上感應出的電荷量。如 ，其數值是導體2施加1V電壓，其它導體接地，在導體1上感應的電荷量。非主對角線上元素是相關的兩個導體間電容的相反數。5） 2D靜電場分析的基本過程：選取坐標系建立模型指定材料屬性施加邊界條件源加載設置求解參數添加求解分析設置設定求解選項自適應求解后處理分析。1.2 靜磁場原理1）靜磁場概念靜磁場是指空間恒定磁場，即磁場不隨時間的變化而變化。靜磁場通常包含以下幾種情況：恒定電流產生的磁場、外加靜磁場產生的磁場、勻速運動的導體產生的磁場、永磁鐵產生的磁場。2）Maxwell方程組在19世紀中葉，麥克斯韋在總結前人工作的基礎上提出了適用于所有宏觀電磁現象的數學模型，稱為麥克斯韋方程組。它是電磁場理論的基礎，也是工程電磁場數值分析的出發(fā)點。 （1） （2） （3） （4） （5）Maxwell方程組中各個場量之間的本構關系滿足： （6） （7） （8）3）達朗貝爾方程根據磁通密度和磁矢位的關系以及洛倫茲條件，可以由Maxwell方程組推導出電場和磁場的微分方程，即達朗貝爾方程。達朗貝爾方程將靜態(tài)場和時變場統(tǒng)一起來，成為分析靜態(tài)場和時變場的基本方程： （8）4）靜磁場基本方程當動態(tài)位A不隨時間的變化而變化時，達朗貝爾方程就退化為靜磁場微分方程，即泊松方程： （9）5）靜磁場的電感矩陣三導流系統(tǒng)的電感分布如圖1.2所示。靜磁場中多個導流體之間的自感和互感形成電感矩陣：圖1.2磁鏈與電流的關系為：（10）以矩陣形式表示為式，其關系下所示：（11）2三相電力電纜模型建立2.1 建立工程項目啟動Maxwell 15.0 (32-bit)軟件。點擊菜單欄“File-New”可以新建一個工程。本設計中直接用軟件啟動的時候已經為我們建立的工程。工程建立好了之后軟件會自動命名，命名方式是“Project+阿拉伯數字”，并采用默認存儲路徑“AnsoftProjects”。為了更好的識別工程，我對工程進行重命名，選擇工程名單擊右鍵-Rename，然后輸入我的工程名，命名為“sheji”。工程的存儲路徑我就采用默認的存儲路徑。如果需要改動可以依次點擊“File-Save As”進行改動。點擊“Insert Maxwell2D design”或者快捷按鈕 “”新建一 個Maxwell 2D模型，也可以在菜單“Project”下選擇“Insert Maxwell2D design” 新建一個Maxwell 2D模型。按給工程命名的方法對項目命名為“cdj”,如圖2.1所示。圖2.1在菜單欄選擇“Maxwell 2D-solution Type”在彈出的對話框中選擇靜電場（Electrostatic）求解器和XY坐標系，如圖2.2所示，點擊 OK 按鈕。圖2.2點擊菜單欄Modeler - Units -mm，將度量單位設置為厘米，如圖2.3所示。圖2.3 2.2 建立模型點擊繪制圓形快捷按鈕，繪制圓形。輸入定點坐標（-15,0），輸入半徑（3,0），確認。完成第一個導體的繪制。按同樣的方法繪制圓作為三相導線的絕緣層，圓心位置不變，唯一不同的就是在輸入半徑的時候為（4.5,0）。然后進行布爾運算，用大圓減小圓并保留小圓，以構造導線的絕緣層。選中Circle1和Circle2在繪圖工作區(qū)按右鍵，彈出工具條。依次移動光標到“EidtBooeanSubtract”點擊“Subtract”，如圖2.4所示。圖2.4彈出如圖2.5所示的對話框，交換Circle1和Circle2，并在“Clone tool objects before operation”的單選框內打勾，表示在相減的時候保留小圓。圖2.5選中全部，點擊“按直線復制”快捷按鈕，如圖2.6所示，進入到全復制模型狀態(tài)。輸入坐標（0,0），回車；再輸入坐標（15,0），回車；在彈出對話框中輸入3，表示復制成3個模型，如圖2.7所示。繪制的三個圓如圖2.8所示。圖2.6圖2.7圖2.8 2.3 改變導線模型屬性根據上面已經建立好的模型圖形，接下來需要為模型賦材料和改變其基本屬性。按住“ctrl”，同時選中Circle1、Circle1_1 和Circle1_2三個導體模型。在屬性窗口中找到“Material”項，如圖2.9所示，點擊該項的下拉圖標，點擊“Edit”進入材料管理器選擇copper后確認，如圖2.10所示，此時copper將加載到三個導體模型。圖2.9圖2.10材料加載之后，再在屬性窗口中找到“Color”項，如圖2.11所示，點擊“Edit”圖標，進入顏色編輯窗口如圖2.12所示，選擇紅色后確認，此時三個導體的顏色將變?yōu)榧t色。如果需要選擇一種特定的顏色，可以在“R、G、U”的編輯欄內輸入顏色的RGU值。由于基本顏色欄內已經有紅色，因此我們直接選擇紅色。圖2.11圖2.12以上是對導體的屬性編輯，下面改變絕緣層的屬性。按住“ctrl”，同時選中Circle2、Circle2_1 和Circle2_2三個導體模型。首先對絕緣層賦材料，按對導體的處理方法進入材料管理器，由于絕緣層的材料在材料管理器里找不到所以我們必須增加材料，點擊圖標“Add Material” 如圖2.13。圖2.13進入增加材料窗口，如圖2.14所示。圖2.14在“Material Name”欄內輸入材料的名稱，為了便于查找將材料名稱命為“JueYuan”。在“Properties of the Material ”欄內編輯材料的屬性，我們采用的絕緣層材料屬性為：，在“Relative Permittivity”的“Value”下輸入5，在“Bulk Conductivity”的“Value”下輸入10，如圖2.15所示。圖2.15點擊確定我們就可以在材料管理器里找到我們要的材料了，點擊確定，此時JueYuan所代表的材料將加載到三個導體模型。下面改變絕緣層的顏色，方法與改變導體顏色的步驟一樣，選擇綠色，點擊確定，此時絕緣層的顏色改變成功。到此時屬性編輯完畢，如圖2.16所示。圖2.163電場參數分析3.1 添加激勵與邊界條件定義在工程繪圖區(qū)或者工程樹欄選中左邊導體（B相）模型。右擊鼠標，在工程管理欄中依次選擇：“Excitation - Assign- Voltage”,如圖3.1所示。圖3.1在彈出對話框中將電壓值設置為-7.071，單位選擇kv，如圖3.2所示，確認。將電壓激勵加載到B相導體。按同樣的方法給A相和C相施加電壓激勵分別為14.142 kv和-7.071kv。圖3.2在工具欄點擊“繪制邊界”快捷按鈕：在彈出對話框中設置：200，如圖3.3所示，表示求解區(qū)域為模型尺寸沿個方向擴展2倍。 圖3.3點擊鍵盤“E”鍵，系統(tǒng)切換到選擇“邊界”模式，然后按住Ctrl同時選中邊界的4條邊；單擊右鍵，在工程管理欄中依次選擇：“Boundaries - Assign- Ballon”，如圖3.4所示。圖3.4在彈出的對話框中，選擇Voltage，然后點擊OK按鈕，如圖3.5所示。邊界條件則建立完成。圖3.5 3.2 設定求解參數點擊鍵盤“Ctrl+Alt”鍵，同時選中三個導體，單擊右鍵，在工程管理欄中依選擇“Parameters - Assign - Matrix”，如圖3.6所示。圖3.6在彈出對話框中勾選三個勾選框，求解三個導線之間的電容，三個導體均選擇“Signal Line”,表示三個導體均不接地，存在對地電容，如圖3.7所示。圖3.73.3 求解項設置 在用戶建立邊界條件和激勵源后，系統(tǒng)自動指定一系列默認的求解規(guī)范?？梢酝ㄟ^在工程管理欄中右擊“Analysis”，選擇“Add Solution setup”，如圖3.8所示，在本例中采用默認的求解設置，所以直接點擊OK即可。圖3.83.4 自檢求解當以上工作完成之后就可以進行自檢了，點擊菜單“Maxwell 2D-Validation Check”,如圖3.9所示軟件就開始自檢。圖3.9檢測完成，彈出自檢報告窗口，如圖3.10從窗口中我們可以看工程項目中有哪些工作還沒有做。由報告可以看出，我們的工程設置沒有遺漏，可以進行求解分析了。圖3.10如圖3.11點擊“Analyze All”進行求解。由于我們的工程比較小所以求解不需要很長的時間，如果工程較大，求解就需要花費一定的時間了。圖3.113.5 電容矩陣求解在工程管理欄中依次選擇“Results-Solution Data”如圖3.12所示。 在彈出對話框中，點擊“Matrix”按鈕，查看電容矩陣，如圖3.13所示。圖3.12圖3.13在軟件仿真中Voltage2代表A相，Voltage1代表B相，Voltage3代表C相，從求解出的電容矩陣我們可以得到各導體相對于其它導體（包括地）的電容，結合前面的理論推導和總結的一些規(guī)律，由圖3.13可以得各電容的大小。由求得的數據電容矩陣規(guī)律的正確性，與我們之前的理論推導很吻合。從各電容大小我們可以看出，相間間距比對地電容大很多，BC相由于距離相對較遠電容比較小。3.6 電壓云圖和電場強度矢量圖的求解在工程管理欄內依次選擇“Field Overlays -Fields-Voltage”，如圖3.14所示。點擊之后會彈出如圖3.15所示的窗口，點擊確定就可以看到系統(tǒng)的電壓云圖了，電壓云圖如圖3.16所示。圖3.14圖3.15圖3.16查看電場強度矢量圖與查看電壓云圖一樣，在工程管理欄內依次選擇“Field Overlays -Fields-E-E_Vector”并點擊在彈出的窗口直接點“確定”就可以查看系統(tǒng)電場強度矢量圖了，電場強度矢量圖如圖3.17所示。圖3.173.7 特定路徑和點的電壓求解3.7.1 X軸的系統(tǒng)電壓分布曲線點擊繪制直線快捷按鈕繪制直線作為我們的考察路徑，選取路徑直線的起點和終點為（-40，0，0），（40，0，0）。然后依次選擇菜單“Maxwell 2D-Results-Create Fields Report-Rectangular Plot”,如圖3.18所示。圖3.18點擊之后會彈出如圖3.19所示的窗口，其中Context欄：Solution：選擇工程中設置的求解項；Geometry：選擇繪制場量的特定曲線，默認為 “None”，我們在該處選擇“polyline1”， polyline1就是我們在繪圖區(qū)繪制的特定曲線的名稱；Points：繪制場量曲線所用的點數，默認為1001，不需要改變。Category欄：該欄目用以選擇需要繪制的場量的類。Ansoft一種定義了4類場量，其中“Calculator Expressions”類場量就是系統(tǒng)默認的場量，包括：電壓、電場強度等。這些場量都是矢量。我們選擇“Calculator Expressions”項。Quantity欄：該欄目中給出了與“Geometry”欄中選擇的場量類相對應的場量。我們根據需要在該欄目中選擇需要沿特定曲線（圓）繪制的場量。這里，我們選擇“Voltage”，表明要沿著給定的圓繪制電壓幅值標量。設定后的界面如圖3.19所示。圖3.19設定好了之后點擊按鈕“New Report”后，就會顯示X方向上的電壓分布曲線如圖3.20所示。圖3.20 3.7.2 Y軸的系統(tǒng)電壓分布曲線Y軸上的電壓分布曲線繪制方法與X軸上的繪制方法一樣，這里就不贅述了。首先繪制點擊繪制直線快捷按鈕繪制直線作為我們的考察路徑，選取路徑直線的起點和終點為（0，-100，0），（0，100，0）。然后依次選擇菜單“Maxwell 2D-Results-Create Fields Report-Rectangular Plot”,在“Geometry”欄選擇“polyline2”，也就是我們繪制的沿Y軸的直線。得到的Y軸上的電壓分布曲線如圖3.21所示。圖3.21 3.7.3 點(0,-100,0)處的電壓值和系統(tǒng)的靜電能量點擊工具欄中繪制“點”的快捷按鈕在輸入坐標(0,-100,0)畫一個點，作為求解點。依次點擊“Maxwell 2D - Fields - Calculator”打開場計算器； 點擊“Quantity”選擇“Voltage”，在Vector欄中點擊Mag，求電壓幅值；點擊幾何“Geometry”選擇“Point”。選擇剛才繪制的點；點擊Value -點擊Eval，就得到點(0,-100,0)的電壓值了。再點擊場量“Quantity”選擇“Energy”，點擊幾何“Geometry”，選擇體積“Volume”，選擇“AllObjectsPlusground”，點擊Ok。點擊積分符號，最后點擊Eval。就得到系統(tǒng)的靜電能量了。點(0,-100,0)處的電壓值和系統(tǒng)的靜電能量的求解結果如圖3.22所示。圖3.223.8 提高電壓等級的求解結果電壓等級提高只是將激勵電壓調高，其它的求解步驟不變，電壓等級提高到30kv后，求解得到的電容矩陣如圖3.23所示。圖3.23由矩陣數據可以看出提高電壓等級對電容的影響不到，證明了電容大小只與導體本身材料和位置有關與激勵無關的結論。 電壓等級提高到30kv后系統(tǒng)的電壓云圖如圖3.24所示。圖3.24 電壓等級提高到30kv后系統(tǒng)的電場強度矢量圖如圖3.25所示。圖3.25點(0,-100,0)處的電壓值和系統(tǒng)的靜電能量的求解結果如圖3.26所示。與10KV的數據相比較我們可以發(fā)現能量和電壓幅值都增加了，與實際吻合。圖3.26X方向上的電壓分布曲線如圖3.27所示。由圖可以看出與10KV的分布趨勢一樣只是電壓幅值增加了。圖3.27Y方向上的電壓分布曲線如圖3.28所示。由圖可以看出與10KV的分布趨勢一樣只是電壓幅值增加了。圖3.283.9 增加相間間距的求解結果增大相間間距后，求解步驟不變，求解得到的電容矩陣如圖3.29所示。由矩陣數據可以看出導體的電容由于間距的增加減小了，說明位置會影響導體的電容。圖3.29增大相間間距后系統(tǒng)的電壓云圖如圖3.30所示。圖3.30增大相間間距后系統(tǒng)的電場強度矢量圖如圖3.31所示。圖3.31增大相間間距后，點(0,-100,0)處的電壓值和系統(tǒng)的靜電能量的求解結果如圖3.32所示。我們發(fā)現增大間距后系統(tǒng)的靜電能量減少了，與實際