實(shí)用型工程軟件綜合設(shè)計(jì).docx

目錄1實(shí)驗(yàn)原理21.1 靜電場(chǎng)原理21.2 靜磁場(chǎng)原理42三相電力電纜模型建立62.1 建立工程項(xiàng)目62.2 建立模型72.3 改變導(dǎo)線模型屬性83電場(chǎng)參數(shù)分析123.1 添加激勵(lì)與邊界條件定義123.2 設(shè)定求解參數(shù)143.3 求解項(xiàng)設(shè)置153.4 自檢求解163.5 電容矩陣求解163.6 電壓云圖和電場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖的求解183.7 特定路徑和點(diǎn)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(diǎn)(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(jí)的求解結(jié)果223.9 增加相間間距的求解結(jié)果244磁場(chǎng)參數(shù)分析264.1 工程項(xiàng)目設(shè)置264.1.1 選擇求解器264.1.2 添加激勵(lì)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(chǎng)強(qiáng)度云圖的求解274.4 增加相間間距的求解結(jié)果28實(shí)用型工程軟件綜合設(shè)計(jì)電力電纜的電磁場(chǎng)參數(shù)分析1實(shí)驗(yàn)原理1.1 靜電場(chǎng)原理1）靜電場(chǎng)概念空間中相對(duì)與觀測(cè)者靜止的電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)稱為靜電場(chǎng)。2）Maxwell方程組在19世紀(jì)中葉，麥克斯韋在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上提出了適用于所有宏觀電磁現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型，稱為麥克斯韋方程組。它是電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)，也是工程電磁場(chǎng)數(shù)值分析的出發(fā)點(diǎn)。 （1） （2） （3） （4） （5）Maxwell方程組中各個(gè)場(chǎng)量之間的本構(gòu)關(guān)系滿足： （6） （7） （8）3）電容求解電容表示某一結(jié)構(gòu)中靜電儲(chǔ)存能量，可以表達(dá)為： （9）從而，得到電容的計(jì)算公式為： （10）4）與電荷和電壓相關(guān)的電容電容矩陣表示導(dǎo)體組的電壓和電量之間關(guān)系，如圖1.1所示。由3個(gè)導(dǎo)體組成的系統(tǒng)，有如下關(guān)系：圖1.1其中，,分別是導(dǎo)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(shù)計(jì)算的一個(gè)重要概念。矩陣中主對(duì)角線上元素是一個(gè)導(dǎo)體相對(duì)于其它導(dǎo)體電容的總和，該項(xiàng)表示導(dǎo)體的電容，在數(shù)值上是在一個(gè)導(dǎo)體上施加1V電壓，而其它導(dǎo)體接地時(shí)，在該導(dǎo)體上的電量為：（14）非主對(duì)角線上的元素在數(shù)值上是系統(tǒng)中一個(gè)導(dǎo)體是施加1V電壓，然后在其它導(dǎo)體上感應(yīng)出的電荷量。如 ，其數(shù)值是導(dǎo)體2施加1V電壓，其它導(dǎo)體接地，在導(dǎo)體1上感應(yīng)的電荷量。非主對(duì)角線上元素是相關(guān)的兩個(gè)導(dǎo)體間電容的相反數(shù)。5） 2D靜電場(chǎng)分析的基本過程：選取坐標(biāo)系建立模型指定材料屬性施加邊界條件源加載設(shè)置求解參數(shù)添加求解分析設(shè)置設(shè)定求解選項(xiàng)自適應(yīng)求解后處理分析。1.2 靜磁場(chǎng)原理1）靜磁場(chǎng)概念靜磁場(chǎng)是指空間恒定磁場(chǎng)，即磁場(chǎng)不隨時(shí)間的變化而變化。靜磁場(chǎng)通常包含以下幾種情況：恒定電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)、外加靜磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)、勻速運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)、永磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)。2）Maxwell方程組在19世紀(jì)中葉，麥克斯韋在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上提出了適用于所有宏觀電磁現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型，稱為麥克斯韋方程組。它是電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)，也是工程電磁場(chǎng)數(shù)值分析的出發(fā)點(diǎn)。 （1） （2） （3） （4） （5）Maxwell方程組中各個(gè)場(chǎng)量之間的本構(gòu)關(guān)系滿足： （6） （7） （8）3）達(dá)朗貝爾方程根據(jù)磁通密度和磁矢位的關(guān)系以及洛倫茲條件，可以由Maxwell方程組推導(dǎo)出電場(chǎng)和磁場(chǎng)的微分方程，即達(dá)朗貝爾方程。達(dá)朗貝爾方程將靜態(tài)場(chǎng)和時(shí)變場(chǎng)統(tǒng)一起來，成為分析靜態(tài)場(chǎng)和時(shí)變場(chǎng)的基本方程： （8）4）靜磁場(chǎng)基本方程當(dāng)動(dòng)態(tài)位A不隨時(shí)間的變化而變化時(shí)，達(dá)朗貝爾方程就退化為靜磁場(chǎng)微分方程，即泊松方程： （9）5）靜磁場(chǎng)的電感矩陣三導(dǎo)流系統(tǒng)的電感分布如圖1.2所示。靜磁場(chǎng)中多個(gè)導(dǎo)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(guān)系為：（10）以矩陣形式表示為式，其關(guān)系下所示：（11）2三相電力電纜模型建立2.1 建立工程項(xiàng)目啟動(dòng)Maxwell 15.0 (32-bit)軟件。點(diǎn)擊菜單欄“File-New”可以新建一個(gè)工程。本設(shè)計(jì)中直接用軟件啟動(dòng)的時(shí)候已經(jīng)為我們建立的工程。工程建立好了之后軟件會(huì)自動(dòng)命名，命名方式是“Project+阿拉伯?dāng)?shù)字”，并采用默認(rèn)存儲(chǔ)路徑“AnsoftProjects”。為了更好的識(shí)別工程，我對(duì)工程進(jìn)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(chǔ)路徑我就采用默認(rèn)的存儲(chǔ)路徑。如果需要改動(dòng)可以依次點(diǎn)擊“File-Save As”進(jìn)行改動(dòng)。點(diǎn)擊“Insert Maxwell2D design”或者快捷按鈕 “”新建一 個(gè)Maxwell 2D模型，也可以在菜單“Project”下選擇“Insert Maxwell2D design” 新建一個(gè)Maxwell 2D模型。按給工程命名的方法對(duì)項(xiàng)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(duì)話框中選擇靜電場(chǎng)（Electrostatic）求解器和XY坐標(biāo)系，如圖2.2所示，點(diǎn)擊 OK 按鈕。圖2.2點(diǎn)擊菜單欄Modeler - Units -mm，將度量單位設(shè)置為厘米，如圖2.3所示。圖2.3 2.2 建立模型點(diǎn)擊繪制圓形快捷按鈕，繪制圓形。輸入定點(diǎn)坐標(biāo)（-15,0），輸入半徑（3,0），確認(rèn)。完成第一個(gè)導(dǎo)體的繪制。按同樣的方法繪制圓作為三相導(dǎo)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(shí)候?yàn)椋?.5,0）。然后進(jìn)行布爾運(yùn)算，用大圓減小圓并保留小圓，以構(gòu)造導(dǎo)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(dòng)光標(biāo)到“EidtBooeanSubtract”點(diǎn)擊“Subtract”，如圖2.4所示。圖2.4彈出如圖2.5所示的對(duì)話框，交換Circle1和Circle2，并在“Clone tool objects before operation”的單選框內(nèi)打勾，表示在相減的時(shí)候保留小圓。圖2.5選中全部，點(diǎn)擊“按直線復(fù)制”快捷按鈕，如圖2.6所示，進(jìn)入到全復(fù)制模型狀態(tài)。輸入坐標(biāo)（0,0），回車；再輸入坐標(biāo)（15,0），回車；在彈出對(duì)話框中輸入3，表示復(fù)制成3個(gè)模型，如圖2.7所示。繪制的三個(gè)圓如圖2.8所示。圖2.6圖2.7圖2.8 2.3 改變導(dǎo)線模型屬性根據(jù)上面已經(jīng)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(shí)選中Circle1、Circle1_1 和Circle1_2三個(gè)導(dǎo)體模型。在屬性窗口中找到“Material”項(xiàng)，如圖2.9所示，點(diǎn)擊該項(xiàng)的下拉圖標(biāo)，點(diǎn)擊“Edit”進(jìn)入材料管理器選擇copper后確認(rèn)，如圖2.10所示，此時(shí)copper將加載到三個(gè)導(dǎo)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(xiàng)，如圖2.11所示，點(diǎn)擊“Edit”圖標(biāo)，進(jìn)入顏色編輯窗口如圖2.12所示，選擇紅色后確認(rèn)，此時(shí)三個(gè)導(dǎo)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(nèi)輸入顏色的RGU值。由于基本顏色欄內(nèi)已經(jīng)有紅色，因此我們直接選擇紅色。圖2.11圖2.12以上是對(duì)導(dǎo)體的屬性編輯，下面改變絕緣層的屬性。按住“ctrl”，同時(shí)選中Circle2、Circle2_1 和Circle2_2三個(gè)導(dǎo)體模型。首先對(duì)絕緣層賦材料，按對(duì)導(dǎo)體的處理方法進(jìn)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(diǎn)擊圖標(biāo)“Add Material” 如圖2.13。圖2.13進(jìn)入增加材料窗口，如圖2.14所示。圖2.14在“Material Name”欄內(nèi)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(nèi)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(diǎn)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(diǎn)擊確定，此時(shí)JueYuan所代表的材料將加載到三個(gè)導(dǎo)體模型。下面改變絕緣層的顏色，方法與改變導(dǎo)體顏色的步驟一樣，選擇綠色，點(diǎn)擊確定，此時(shí)絕緣層的顏色改變成功。到此時(shí)屬性編輯完畢，如圖2.16所示。圖2.163電場(chǎng)參數(shù)分析3.1 添加激勵(lì)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(dǎo)體（B相）模型。右擊鼠標(biāo)，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(duì)話框中將電壓值設(shè)置為-7.071，單位選擇kv，如圖3.2所示，確認(rèn)。將電壓激勵(lì)加載到B相導(dǎo)體。按同樣的方法給A相和C相施加電壓激勵(lì)分別為14.142 kv和-7.071kv。圖3.2在工具欄點(diǎn)擊“繪制邊界”快捷按鈕：在彈出對(duì)話框中設(shè)置：200，如圖3.3所示，表示求解區(qū)域?yàn)槟Ｐ统叽缪貍€(gè)方向擴(kuò)展2倍。 圖3.3點(diǎn)擊鍵盤“E”鍵，系統(tǒng)切換到選擇“邊界”模式，然后按住Ctrl同時(shí)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(duì)話框中，選擇Voltage，然后點(diǎn)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(shè)定求解參數(shù)點(diǎn)擊鍵盤“Ctrl+Alt”鍵，同時(shí)選中三個(gè)導(dǎo)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(duì)話框中勾選三個(gè)勾選框，求解三個(gè)導(dǎo)線之間的電容，三個(gè)導(dǎo)體均選擇“Signal Line”,表示三個(gè)導(dǎo)體均不接地，存在對(duì)地電容，如圖3.7所示。圖3.73.3 求解項(xiàng)設(shè)置 在用戶建立邊界條件和激勵(lì)源后，系統(tǒng)自動(dòng)指定一系列默認(rèn)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(rèn)的求解設(shè)置，所以直接點(diǎn)擊OK即可。圖3.83.4 自檢求解當(dāng)以上工作完成之后就可以進(jìn)行自檢了，點(diǎn)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(cè)完成，彈出自檢報(bào)告窗口，如圖3.10從窗口中我們可以看工程項(xiàng)目中有哪些工作還沒有做。由報(bào)告可以看出，我們的工程設(shè)置沒有遺漏，可以進(jìn)行求解分析了。圖3.10如圖3.11點(diǎn)擊“Analyze All”進(jìn)行求解。由于我們的工程比較小所以求解不需要很長的時(shí)間，如果工程較大，求解就需要花費(fèi)一定的時(shí)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(duì)話框中，點(diǎn)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(dǎo)體相對(duì)于其它導(dǎo)體（包括地）的電容，結(jié)合前面的理論推導(dǎo)和總結(jié)的一些規(guī)律，由圖3.13可以得各電容的大小。由求得的數(shù)據(jù)電容矩陣規(guī)律的正確性，與我們之前的理論推導(dǎo)很吻合。從各電容大小我們可以看出，相間間距比對(duì)地電容大很多，BC相由于距離相對(duì)較遠(yuǎn)電容比較小。3.6 電壓云圖和電場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖的求解在工程管理欄內(nèi)依次選擇“Field Overlays -Fields-Voltage”，如圖3.14所示。點(diǎn)擊之后會(huì)彈出如圖3.15所示的窗口，點(diǎn)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(chǎng)強(qiáng)度矢量圖與查看電壓云圖一樣，在工程管理欄內(nèi)依次選擇“Field Overlays -Fields-E-E_Vector”并點(diǎn)擊在彈出的窗口直接點(diǎn)“確定”就可以查看系統(tǒng)電場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖了，電場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖如圖3.17所示。圖3.173.7 特定路徑和點(diǎn)的電壓求解3.7.1 X軸的系統(tǒng)電壓分布曲線點(diǎn)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(diǎn)和終點(diǎn)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(diǎn)擊之后會(huì)彈出如圖3.19所示的窗口，其中Context欄：Solution：選擇工程中設(shè)置的求解項(xiàng)；Geometry：選擇繪制場(chǎng)量的特定曲線，默認(rèn)為 “None”，我們?cè)谠撎庍x擇“polyline1”， polyline1就是我們?cè)诶L圖區(qū)繪制的特定曲線的名稱；Points：繪制場(chǎng)量曲線所用的點(diǎn)數(shù)，默認(rèn)為1001，不需要改變。Category欄：該欄目用以選擇需要繪制的場(chǎng)量的類。Ansoft一種定義了4類場(chǎng)量，其中“Calculator Expressions”類場(chǎng)量就是系統(tǒng)默認(rèn)的場(chǎng)量，包括：電壓、電場(chǎng)強(qiáng)度等。這些場(chǎng)量都是矢量。我們選擇“Calculator Expressions”項(xiàng)。Quantity欄：該欄目中給出了與“Geometry”欄中選擇的場(chǎng)量類相對(duì)應(yīng)的場(chǎng)量。我們根據(jù)需要在該欄目中選擇需要沿特定曲線（圓）繪制的場(chǎng)量。這里，我們選擇“Voltage”，表明要沿著給定的圓繪制電壓幅值標(biāo)量。設(shè)定后的界面如圖3.19所示。圖3.19設(shè)定好了之后點(diǎn)擊按鈕“New Report”后，就會(huì)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(diǎn)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(diǎn)和終點(diǎn)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(diǎn)(0,-100,0)處的電壓值和系統(tǒng)的靜電能量點(diǎn)擊工具欄中繪制“點(diǎn)”的快捷按鈕在輸入坐標(biāo)(0,-100,0)畫一個(gè)點(diǎn)，作為求解點(diǎn)。依次點(diǎn)擊“Maxwell 2D - Fields - Calculator”打開場(chǎng)計(jì)算器； 點(diǎn)擊“Quantity”選擇“Voltage”，在Vector欄中點(diǎn)擊Mag，求電壓幅值；點(diǎn)擊幾何“Geometry”選擇“Point”。選擇剛才繪制的點(diǎn)；點(diǎn)擊Value -點(diǎn)擊Eval，就得到點(diǎn)(0,-100,0)的電壓值了。再點(diǎn)擊場(chǎng)量“Quantity”選擇“Energy”，點(diǎn)擊幾何“Geometry”，選擇體積“Volume”，選擇“AllObjectsPlusground”，點(diǎn)擊Ok。點(diǎn)擊積分符號(hào)，最后點(diǎn)擊Eval。就得到系統(tǒng)的靜電能量了。點(diǎn)(0,-100,0)處的電壓值和系統(tǒng)的靜電能量的求解結(jié)果如圖3.22所示。圖3.223.8 提高電壓等級(jí)的求解結(jié)果電壓等級(jí)提高只是將激勵(lì)電壓調(diào)高，其它的求解步驟不變，電壓等級(jí)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(shù)據(jù)可以看出提高電壓等級(jí)對(duì)電容的影響不到，證明了電容大小只與導(dǎo)體本身材料和位置有關(guān)與激勵(lì)無關(guān)的結(jié)論。 電壓等級(jí)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(jí)提高到30kv后系統(tǒng)的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖如圖3.25所示。圖3.25點(diǎn)(0,-100,0)處的電壓值和系統(tǒng)的靜電能量的求解結(jié)果如圖3.26所示。與10KV的數(shù)據(jù)相比較我們可以發(fā)現(xiàn)能量和電壓幅值都增加了，與實(shí)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(shì)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(shì)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(jié)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(shù)據(jù)可以看出導(dǎo)體的電容由于間距的增加減小了，說明位置會(huì)影響導(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)度矢量圖如圖3.31所示。圖3.31增大相間間距后，點(diǎn)(0,-100,0)處的電壓值和系統(tǒng)的靜電能量的求解結(jié)果如圖3.32所示。我們發(fā)現(xiàn)增大間距后系統(tǒng)的靜電能量減少了，與實(shí)際