三相交流电缆的电场仿真剖析.docx
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三相交流电缆的电场仿真剖析
1.课程设计的目的与作用1
1.1设计目的:
1
1.2设计作用:
1
2.设计任务及所用Maxwell软件环境介绍2
2.1设计任务:
2
2.2Maxwell软件环境:
2
3.电磁模型的建立3
3.1建模3
3.2设置激励6
4.电磁模型计算及仿真结果后处理分析7
4.1设置自适应计算参数:
7
4.2检查并运行8
4.3软件仿真结果9
4.3.1Voltage,E,D及Energy的分布9
4.3.2双导线中心连线的电场分布9
4.3.3计算单位长电容12
5.设计总结和体会14
6.参考文献:
15
1.课程设计的目的与作用
1.1设计目的:
电磁场与电磁波课程理论抽象、数学计算繁杂,将Maxwell软件引入教学中,通过对典型电磁产品的仿真设计,并模拟电磁场的特性,将理论与实践有效结合,强化学生对电磁场与电磁波的理解和应用,提高教学质量。
1.2设计作用:
电磁场与电磁波主要介绍电磁场与电磁波的发展历史、基本理论、基本概念、基本方法以及在现实生活中的应用,内容包括电磁场与电磁波理论建立的历史意义、静电场与恒流电场、电磁场的边值问题、静磁场、时变场和麦克斯韦方程组、准静态场、平面电磁波的传播、导行电磁波以及谐振器原理等。
全书沿着电磁场与电磁波理论和实践发展的历史脉络,将历史发展的趣味性与理论叙述和推导有机结合,同时介绍了电磁场与电磁波在日常生活、经济社会以及科学研究中的广泛应用。
2.设计任务及所用Maxwell软件环境介绍
2.1设计任务:
如图所示的三相交流电缆截面,内导体材料为铜(copper),介质为空气(air),三相内导体分别加三相对称电压,相序为A、B、C。
在A相位达到最大值380V时,B相和C相电位为-190V。
此时进行分析和计算。
图2.1三相交流电缆截面及参数
2.2Maxwell软件环境:
Maxwell是低频电磁场有限元仿真软件,在工程电磁领域有广泛的应用。
它基于麦克斯韦微分方程,采用有限元离散形式,将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解,使用领域遍及电器、机械、石油化工、汽车、冶金、水利水电、航空航天、船舶、电子、核工业、兵器等众多行业,为各领域的科学研究和工程应用作出了巨大的贡献。
3.电磁模型的建立
3.1建模
1.Project>InsertMaxwell2DDesign
File>Saveas>1303030331(工程命名为“1303030331”)
图3.1.1新建工程
2.选择求解器类型:
Maxwell>SolutionType>Electric>Electrostatic
图3.1.2求解器类型选择
3.创建场域
Draw>circle
圆心位置:
(X,Y,Z)=(0,0,0)
坐标偏置:
(dX,dY,dZ)=(600,0,0)
图3.1.3外圆参数设置
Draw>regularpolygon
圆心位置:
(X,Y,Z)=(0,0,0)
坐标偏置:
(dX,dY,dZ)=(300,0,0)
图3.1.4三角形参数设置
Numberofsegment设置为3
图3.1.5设置为三角
在三角形三个顶点处分别Draw>circle即三相内导体,选中三角形点delete键删除。
图3.1.6设置完成图
4.添加材料
分别选中三个圆AssignMaterial>铜(copper)
图3.17添加材料
同理设置其它区域为空气(air)
3.2设置激励
选中A内导体
Maxwell2D>Excitations>Assign>Voltage>380V
图3.2.1设置激励
同理设置B、C内导体为-190V
4.电磁模型计算及仿真结果后处理分析
4.1设置自适应计算参数:
Maxwell2D>AnalysisSetup>AddSolutionSetup
最大迭代次数:
Maximumnumberofpasses>10
误差要求:
PercentError>1%
每次迭代加密剖分单元比例:
RefinementperPass>30%
图4.1.1最大迭代次数及误差设置
图4.1.2每次迭代加密剖分单元比例设置
4.2检查并运行
Maxwell2D>AnalyzeAll,后计算机就开始进行计算
图4.2.1计算机计算
4.3软件仿真结果
4.3.1Voltage,E,D及Energy的分布
检查完毕后,Maxwell2D>Fields>Fields,分别选择Voltage,E,D,还有Other>Energy.
图4.3.1.1Voltage,E,D,Energy仿真云图
4.3.2双导线中心连线的电场分布
绘制双导线中心连线,Draw>Line,以A内导体的中心为起点,C内导体中心为中点绘制中心连线。
图4.3.2.1双导线中心连线及电势的矢量图
Maxwell2D>Results>CreateFieldsReport>Rectangular
Plot,Geometry>Polyine1,再分别选择Voltage,E,D,Energy。
图4.3.2.2电压变化曲线
由上图电压变化曲线图可知:
从左边导线中心到100mm时候,由于是等电势体,电压保持在380V,没有发生改变;从420mm处到520mm之间,电压保持在0V不变;而在100mm到420mm之间,电压随距离的变化呈线性递减。
图4.3.2.3电场强度变化曲线
图4.3.2.4电位移密度变化曲线
图4.3.2.5能量变化曲线
图4.3.2.6变化曲线汇总
上四幅图分别为场强,电位移密度,能量变化以及总的变化图。
有以上图可以明显的看出:
在从左边导线中心到90mm之间,由于是等电势体,以上三值均为0;从430mm处到520mm之间,以上三值也均为0;而从90mm到430mm之间,三条曲线均保持同一个变化规律:
先递减,中间有一段平衡距离,随后递增。
4.3.3计算单位长电容
Maxwell2D>Fields>Calcalator,Input>Quantity>Energy,Geoemtry>AllOblects,Scalar的积分号,Output>Eval.
图4.3.31能量计算
由图可知,能量为0.000002951J,再由公式C=2W/V*V计算出电容值C=0.117pF。
5.设计总结和体会
在做完本次课程设计之后,我对课本上的基础知识了解的更加透彻了,也对Maxwell软件有了初步的认具有了简单运用能力,同时对三相电路的有关知识有了进一步的了解,对知识点有了更深的理解和掌握。
同时在课设中我也明白了多看书的重要性,一切的知识尽在书中。
通过仔细的阅读,才能将所学的知识融会贯通。
此外我们要培养动手查资料的能力,拓展自己的视野。
6.参考文献:
1《电磁场与电磁波》苏东林陈爱新谢树果等编著,高等教育出版社
2《电磁场与电磁波》谢处方,饶克谨等编著,高等教育出版社
3《Ansoft12在工程电磁场中的应用》赵博张洪亮等编著,中国水利水电出版社
4《Ansoft工程电磁场中有限元分析》刘国强等编著,电子工业出版社
5《工程电磁场与电磁波基础》张惠娟杨文荣李玲玲等编著机械工业出版社