Ход выполнения работы

М одель 3х-фазного дросселя представляет собой 3 ряда катушек, каждый ряд также объединяет в себе три катушки. Каждый ряд соответствует определенной цепи А, В или С и располагается на соответствующих сердечниках Е-образного магнитопровода. Кроме того, каждая катушка может иметь заданное количество витков. Таким образом, каждая цепь состоит из 3-х последовательно соединенных катушек (рис. 1.2). Для замыкания магнитного потока имеется дополнительный I-образный сердечник, который располагается под Е-образным (иногда его называют Ш-образным) и является общим для всех 3х фаз.

Как уже говорилось ранее, некоторая линеаризация вольт-амперной характеристики дросселя может быть достигнута за счет создания зазора на пути магнитопровода. Необходимый зазор обеспечивается в месте прилегания Е- и I-образных магнитопроводов.

3-х фазный дроссель подключается к 3-х фазной цепи обычно с целью сгладить большие броски тока.

Этап 1. Пример исследования 3-х фазного дросселя Открытие нового проекта

1. В панели Пуск выберете Все программы>ANSYS Electromagnetics> Maxwell 16.0>Windows 32-bit>Maxwell 16.0 (32-bit), либо дважды нажмите на иконку Maxwell 16.0 (32-bit) на рабочем столе.

2 . По умолчанию при открытии программы уже создан файл проекта Project1. Его можно наблюдать в окне менеджера проектов Project Manager. Нажатие правой клавиши мыши позволяет переименовывать, удалять и сохранять проект. Для создания нового проекта на панели инструментов нажмите или выберете пункт пеню File> New.

3. Для создания нового расчета на основе 3D модели и запуска графического редактора на панели инструментов выберете Project > Insert Maxwell 3D Design или кнопку  . На рис. 1.3 изображено дерево модели, которое создается при выполнении расчета.

Установка типа решения (Solution Type)

С помощью Maxwell можно решать задачи различных типов: магнитостатическую (Magnetostatic) – линейные и нелинейные трехмерные магнитные поля, вызванные постоянными токами либо постоянными магнитами; вихревых токов (Eddy Current) –установившиеся трехмерные магнитные поля, вызванные переменными токами определенной частоты; движения (Transient) – моделирование магнитных полей с эффектом вращательного или поступательного движения; электростатическую (Electrostatic) – статические электрические поля без протекания тока в проводниках и вызванные приложенным постоянным напряжением; вычисления проводимости постоянного тока (DC Conduction) и другие задачи.

Для исследования индуктивностей 3х-фазного дросселя с протекающими по его катушкам постоянными токами воспользуемся магнитостатической задачей. Для этого выберете пункт меню Maxwell 3D > Solution Type > Magnetostatic.

Создание 3d модели нелинейного дросселя (Model)

1. Выберете пункт меню Modeler> Units> Select Units: mm (миллиметры).

2. Для создания 3D модели в Maxwell 3D используются команды, расположенные в основном на вкладках Draw, Edit и Modeler. Вкладка Draw используется для создания примитивов и элементов модели, а на вкладках Edit и Modeler расположены команды, позволяющие применять различные действия к уже созданным примитивам. Кроме того, команды частично дублированы на панели инструментов и в контекстном меню (правая кнопка мыши). Рекомендуется использовать различные локальные системы координат, создавать вспомогательные плоскости и применять массивы и дублирование элементов. Их использование упрощает построение моделей. Кроме того, «говорящие имена» элементов и примитивов облегчают дальнейшую работу.

Создание сердечника дросселя

2.1. Для начала процедуры рисования выберете Draw>Box. В левой части экрана программы возникает окно Measure Data, в котором отображаются координаты точки, в которой в данный момент находится курсор мыши. В правом нижнем углу экрана вводятся координаты интересующей нас точки. Координаты можно вводить в различных системах координат: абсолютных (Absolute) и относительных (Relative), и кроме того, в декартовых (Cartesian), цилиндрических (Cylindrical) и сферических (Spherical). Выберете абсолютные координаты в декартовой СК.

1. Введите координаты первой точки (-1;-6;0) параллелепипеда. Нажмите Enter.

2. Введите размеры элемента по осям (2;12;10). Обратите внимание, что по умолчанию координаты второй точки являются относительными по отношению к координатам первой точки. Относительные координаты определяют размер ребер параллелепипеда dX, dY, dZ. Нажмите Enter.

3. Для приближения или удаления (зуммирования) геометрии созданного элемента (или элементов, если их несколько) и их полного расположения на экране нажмите Ctrl+D или кнопку .

4. Редактирование свойств созданного элемента доступно в окне Properties, которое активизируется при выделении команды или геометрического объекта или может быть дополнительно вызвано при нажатии правой клавишей мыши на команде создания объекта (рис. 1.4). В данном случае такой командой является команда CreateBox, созданная элементом Box1.

В окне Properties указывается имя команды (Command), с помощью которой был создан данный элемент, система координат (Coordinate System), в которой он был создан, начальная точка создания элемента (Position) и его размеры по осям Х (XSize), Y (YSize) и Z (ZSize) соответственно. Размеры элемента и его начальная точка могут быть отредактированы.

Системы координат (СК) в среде Maxwell играют определяющую роль. Каждый объект создается в определенной системе координат (по умолчанию в глобальной). Локальные системы координат можно создавать, используя текущую СК (методом вращения осей или перемещения начальной точки Modeler > Coordinate System > Create > Relative CS), а также привязывать к определенному объекту (к примеру, выбрав расположение на грани объекта Modeler > Coordinate System > Create > Face CS). С помощью координатных систем осуществляется привязка объектов друг к другу. Кроме того, можно переназначать координатную систему объекту уже после создания самого объекта.

2.2. Вновь выберете Draw>Box для создания окна в сердечнике.

1. Координаты начальной точки: (-1;1;2);

2. Размеры окна (2;3;6).

2.3. Выберете Box2 из дерева объектов.

2.4. Выберете Edit > Duplicate > Around Axis для создания второго окна дублированием вокруг оси. В этом случае будет создана копия (одна или несколько) выбранных элементов.

1. Axis: Z для выбора оси, вокруг которой будет создан круговой массив элементов.

2. Angle: 180 deg для выбора угла между дублируемым и создаваемым элементом.

3. Total number: 2 для создания общего количества элементов, входящих в круговой массив.

4. Нажмите ОК

2.5. Вычитание элементов для создания Е-образного сердечника.

1. Выберете Box1, затем выберете Box2 и Box2_1 из дерева объектов. Для выбора нескольких объектов используйте клавиши Ctrl или Shift.

2 . Выберете Modeler > Boolean > Subtract. В появившемся окне (рис. 1.5) удостоверьтесь, что в качестве элемента, из которого будет вычитаться, Blank Parts, выступает Box1, а в качестве вычитаемых элементов, Tool Parts, - Box2 и Box2_1. При вычитании элементов существует возможность оставить вычитаемые элементы (Clone tool objects before subtracting), но в данной задаче этого не требуется, поэтому проверьте, чтобы эта возможность не была выбрана.

3. Нажмите ОК.

2.6. Выберете Draw>Box для создания воздушного зазора между Е- и I- образным сердечниками.

1. Координаты начальной точки: (-1;-6;2);

2. Размеры зазора (2;12;0.05);

3. В Maxwell при расчетах часто удобным является возможность задавать размеры элементов не числами, а буквенными обозначениями (параметрами). Особенно удобной эта возможность оказывается в случае, когда нужно провести ряд расчетов при различных значениях размеров каких-либо элементов. В данном случае таким элементом может являться воздушный зазор. Поэтому в свойствах задания размеров Box3 введите в поле ZSise буквенное обозначение зазора, к примеру, gap и в открывшемся окне введите значение 0.05 мм. (В качестве типа переменной укажите длину Length). Просмотреть или изменить значения ранее созданных переменных можно, используя команду Maxwell 3D > Design Properties...

Кроме того, заданные параметры можно использовать для связей различных объектов между собой с помощью функций. Обратите внимание, что при задании функций единицы измерения, если они отличаются от системы единиц СИ, нужно задавать непосредственным образом. Например, gap+0.1 mm.

4. Нажмите ОК. В результате получим окно свойств (рис. 1.6)

5 . Используйте команду Modeler > Boolean > Subtract для создания воздушного зазора между образовавшимися в результате вычитания I- и Е-образными сердечниками. Проверьте, что не выбрано условие Clone tool objects before subtracting.

6. Для разделения созданного элемента на два различных тела, выберете Box1 и затем используйте команду Modeler > Boolean > Separate Bodies. Двойной щелчок на Box1 открывает окно свойств элемента. Измените имя Box1 на Core_E. Таким же образом измените имя Box1_Separate1 на Core_I.

2 .7. В свойствах каждого элемента необходимо задать материал, из которого будет состоять тот или иной объект. Выберете Core_E и Core_I из дерева объектов. В окне атрибутов (по умолчанию располагается в левой части экрана под деревом проектов) выберете Material>Edit… В открывшемся окне измените материал сердечника с vacuum на steel_1008. Теперь сердечники полностью определены (рис. 1.7).

Создание катушек дросселя

2.8. Выберете Modeler > Grid Plane > YZ.

2.9. Выберете Draw> Rectangle для создания прямоугольника – сечения будущего витка катушки дросселя.

1. Координаты начальной точки прямоугольника: (0;-3.6;3.5);

2. Размеры прямоугольника (0;0.3;-0.8).

2.10. Выберете Modeler > Grid Plane > XY.

2.11. Выберете Draw> Rectangle для создания прямоугольника, по линии периметра которого будет вытянуто созданное ранее сечение витка.

1. Координаты начальной точки: (1.5;-6.5;3);

2. Размеры прямоугольника (-3;3;0).

2.12. Выберете Rectangle2 из дерева объектов. Затем выберете Modeler > Delete Last Operation для создания линии периметра созданного ранее прямоугольника.

2.13. Выберете Rectangle1 и Rectangle2 из дерева объектов. Затем выберете Draw > Sweep > Along Path и задайте параметры выдавливания в появившемся окне:

1. Angle of twist: 0 deg – угол кручения сечения вдоль оси выдавливания;

2 . Draft angle: 0 deg – угол расширения/сужения выдавленного элемента;

3. Draft type: Round – тип расширения/сужения выдавливания. Этот параметр актуален при отличном от нуля угле Draft angle.

2 .14. Выберете созданный ранее один виток Rectangle1 (рис. 1.8). Создайте линейный массив витка вдоль линии Edit > Duplicate > Along Line. Введите координаты первой (0;0;0) и второй точек линии (0;0;1.925). Задайте полное число витков Total Number 3. Нажмите ОК.

2.15. Создайте линейный массив трех созданных витков вдоль линии, образованной точками (0;0;0) и (0;5;0) (рис. 1.9).

2.16. Выберете Rectangle1, Rectangle1_1, Rectangle1_2. В окне атрибутов введите в поле Name Coil_left. Для Rectangle1_3, Rectangle1_1_1, Rectangle1_2_1. задайте имя Coil_mid. Для Rectangle1_4, Rectangle1_1_2, Rectangle1_2_2. задайте имя Coil_right.

2.17. Выберете все объекты катушки дросселя и измените в окне атрибутов тип материала на медь: copper.