Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ специфики ГЭУ с точки зрения проблем ЭМС . 9
1.1 Гелиоэнергетическая установка как источник электромагнитных помех. 9
1.2 Назначение и принцип действия инвертора. 12
1.3 Анализ спектра частот помех, создаваемых ГЭУ . 13
1.4 Дроссель - как основной источник ЭМ полей рассеяния. 16
1.5 Анализ существующих европейских норм по ЭМС,
применительно к инверторам для ГЭУ. 18
1.6 Выводы.
Глава 2. Анализ методов расчета ЭМ полей рассеяния дросселя и влияния на них экранов .
2.1 Постановки задач и аналитические методы расчета магнитных полей дросселя. 25
2.2 Численные методы расчета электромагнитных полей. 28
2.2.1 Метод конечных разностей (МКР). 29
2.2.2 Метод конечных элементов (МКЭ). 30
2.2.3 Метод граничных элементов (МГЭ)
(метод вторичных источников). 32
2.3 Выводы. 39
Глава 3. Расчеты и исследования электромагнитных полей рассеяния дросселя. Выбор оптимальных размеров и формы магнитопровода дросселя . 40
3.1 Цели исследования ЭМ полей рассеяния дросселей инверторов. 40
3.2 Методика проведения расчетного эксперимента при исследовании ЭМ полей рассеяния дросселя. 44
3.3 Расчеты и анализ ЭМ полей рассеяния дросселей разных размеров и форм. 52
3.3.1 Расчет и анализ магнитных полей рассеяния базового варианта дросселя. 52
3.3.2 Расчет и анализ влияния относительной магнитной проницаемости магнитопровода на магнитные поля рассеяния дросселя. 62
3.3.3 Расчет и анализ влияния длины зазоров и их числа на магнитное поле рассеяния дросселя. 69
3.3.4 Расчет и анализ влияния изменения размеров катушек дросселя на топографию магнитных полей рассеяния. 79
3.3.5 Расчет и анализ влияния изменения размеров магнитопровода дросселя на топографию магнитного поля рассеяния. 83
3.3.6 Расчет и анализ магнитных полей рассеяния "беззазорного" дросселя (или дросселя с "беззазорным" магнитопроводом). 88
3.3.7 Расчет и анализ магнитных полей рассеяния дросселя с Ш-образным сердечником и с 3-мя зазорами. 93
3.3.8 Расчет и анализ магнитных полей рассеяния дросселя с Ш-образным сердечником с одним зазором на центральном стержне. 100
3.3.9 Расчет и анализ магнитных полей рассеяния дросселя с горшкообразным (цилиндрическим) сердечником. 103
3.4 Выводы. 109
Глава 4. Расчет и исследование влияния экранов на топографию магнитных полей рассеяния дросселя . 111
4.1 Расчет и исследование изменения топографии магнитного поля рассеяния дросселя внутри и снаружи ферромагнитного проводящего экрана. 113
4.2 Расчет и исследование изменения топографии магнитных полей рассеяния с внешней стороны неферромагнитных экранов. 129
4.3 Экспериментальная проверка точности расчета влияния экрана на магнитные поля рассеяния. 141
4.4 Выводы. 149
Глава 5. Методы снижения кондуктивных помех, создаваемых ГЭУ. 151
5.1 Пассивная фильтрация помех. 151
5.2 Разработка активного параллельного компенсатора высокочастотных кондуктивных помех (в сетевых проводах).
5.2.1 Постановка задачи разработки активного компенсатора. 156
5.2.2 Блок-схема и принцип действия. 157
5.3 Экспериментальная оценка эффективности работы параллельного компенсатора. 160
5.4 Разработка активного последовательного компенсатора кондуктивных помех (в питающих проводах солнечной батареи). 162
5.5 Постановка задачи разработки
активного последовательного компенсатора. 166
5.6 Практическая блок-схема последовательного активного компенсатора. 166
5.7 Применение параллельных и последовательных компенсаторов.
Выводы. 169
5.8 Выводы. 171
Заключение. 172
Список литературы.
- Анализ спектра частот помех, создаваемых ГЭУ
- Метод конечных разностей (МКР).
- Расчет и анализ влияния относительной магнитной проницаемости магнитопровода на магнитные поля рассеяния дросселя.
- Расчет и исследование изменения топографии магнитных полей рассеяния с внешней стороны неферромагнитных экранов.
Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях обостряющейся проблемы загрязнения окружающей среды становится всё более актуальной разработка альтернативных источников члектрической энергии. Наиболее перспективным из них является преобразователь энергии солнца в электрическую энергию. В работе изучалась гелиоэнергетическая установка (ГЭУ) с инвертором, работающим параллельно сети.
Широкое применение ГОУ приведет к уменьшению потребностей в электростанциях и, посредством лот, к снижению загрязнения окружающей среды за счёт уменьшения вредных выбросов.
Изучив технические характеристики существующих на европейском рынке инверторов и предвидя будущие проблемы, которые возникли бы при массовом применении такого рода инверторов, исследовательская лаборатория Высшей профессиональной школы города Констанца (Германия) под руководством профессора, доктора Бистрона, при участии автора, поставила перед собой задачу разработать новый инвертор. Ориентированный на будущее инвертор должен обладать не только техническими характеристиками, отвечающими самым высоким современным требованиям, но и обладать при этом высокой электромагнитной совместимостью (ОМС).
Работающие в инверторах и преобразователях современные электронные ключи, коммутирующие токи и сотни ампер с тактовой частотой в десятки килогерц вызывают скачки тока в тысячу ампер за микросекунду, создавая как электромагнитные (ОМ) помехи, так и помехи по проводам (кондуктнвные помехи), мешающие нормальной работе систем управления и подключенных к гой же сети других элекэрических приборов и устройств.
Сейчас много говорюся о так называемом "электрическом смоге" -
вредных для здоровья человека и мешающих окружающей среде
электромагнитных полях, генерируемых различными электронными
устройствами. Проблемы электромагнитной совместимости
рассматриваются часто с точки зрения зашиты окружающей среды от электромагнитных полей. С этих же пошипи целесообразно рассматривать и вопрос о нежелательном воздействии, оказываемом электронными устройствами на сеть низкой частоты, рассматривая сеть как источник, от которого должны получать злектрознеріию миллионы людей.
В июне 1996г. Европейский Комитет по стандартизации принял новые нормы, распространяющиеся на промышленные преобразователи, к которым можно отнести и инверторы для ГЭУ. Введение этих норм явилось новым витком ужесточения норм ОМС для преобразователей. Разработка новых норм, особенно в частотном диапазоне до 150 кГц, продолжается.
Проблемы ЭМС, возникшие при разработке нового инвертора дня ГЭУ, побудили автора к подготовке научных основ новых методов борьбы с электромагнитными и кондуктивными помехами в применении к современным преобразователям, предложить методы и приёмы, позволяющие уже на стадии моделирования, проектирования и конструирования предусмотреть, устранить или снизить уровень возможных помех, создаваемых преобразователями, что позволило бы сэкономить в дальнейшем значительные средства. Одновременно с этим чрезвычайно важно предложить новые, приемлемые с технической и экономической стороны методы и технические средства, позволяющие снизить уровень помех уже существующих и производимых в настоящее время устройств, в частности инверторов. Это позволит продолжать использовать парк существующего оборудования, не создавая чрезмерных помех.
Цель работы состоит в исследовании специфической проблематики ЭМС инверторов для ГЭУ, в детальном исследовании топографии магнитных полей рассеяния дросселей инверторов и эффективности их экранирования с применением современных прикладных методов моделирования и расчётов, используя возможности и быстродействие современной вычислительной техники и исследовании кондуктивных помех, создаваемых инверторами, разработка методов их активной компенсации с применением новой элементной базы.
Задачи, решаемые в диссертации.
Исследование и выбор оптимального, с точки зрения специфики применения, математического аппарата и соответствующего программного обеспечения, позволяющего с наибольшей точностью расчитывать магнитные поля рассеяния
Расчет и анализ изменения топографии магнитных полей рассеяния дросселя в зависимости от геометрической формы и материала магнитопровода
Исследование эффективности применения экранов, предназначенных для уменьшения напряженности магнитного поля рассеяния дросселя
Разработка методов активной компенсации кондуктивных помех, создаваемых инверторами, с применением новой элементной базы.
Методы исследования, В диссертационной работе ипользовались численные методы анализа электромагнитных полей:
метод вторичных источников, реализованный в программе LOMAN, для расчета трехмерных магнитостатических задач,
метод интегральных уравнений (проірамма CLARK) для решения квазистационарных задач.
Новые научные результаты.
Методы и результаты исследования топографии магнитною поля рассеяния дросселей с различной формой магнитопроводов, наиболее широко применяемых в силовой преобразовательной технике, для целей решения задач электромагнитной совместимости.
Анализ влияния размеров и магнитной проницаемости магнитопровода на топографию магнитных полей рассеяния дросселей
Методика оценки и выводы о степени влиянии числа зазоров магнитопровода, при сохранении их суммарной длины, на значения напряженности полей рассеяния дросселя.
» Методика опенки и выводы о степени влиянии катушки дросселя на топографию сю магнитных полей рассеяния, при вариации размеров катушки.
Анализ влияния материала и формы экрана на топографию магнитных полей рассеяния как внутри (между экраном и дросселем) так и снаружи экрана.
Анализ влияния экранов типа замкнутого витка (бандаж) на высокочастотную составляющую напряженности магнитного поля рассеяния дросселя.
Анализ методов последовательной и параплсльной активной компенсации коидукгипных помех инвертора
Практическая ценность работы.
Предложены метды и приемы, позволяющие уже на стадии моделирования, проектирования и конструирования инверторов предусмотреть, устранить или снизить уровень возможных помех, что позволило бы сэкономить в дальнейшем значительные средства, которые должны затрачивать производители на приведение своей продукции в соответствие с существующими международными нормами ЭМС.
Предложены новые, приемлемые с технической и экономической сторон, методы и технические средства для снижения уровня помех уже существующих и производимых в настоящее время устройствах, в частности инверторов, которые иоптолят продолжать использовать парк оборудования при ужесточении норм ЭМС
Результаты, полученные для инверторов ГЭУ, можно успешно применять для импульсных преобразователей других устройств, которые должны отвечать нормам ЭМС.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные в диссертационной работе подхолы и методы используются при проектировании новых инверторов в лаборатории Промышленной электроники и ГЭУ в Высшей прфессионапьной школе (г. Констани), на кафедре Электротехники и интроскопии МЭИ, фирмами „SUNWAYS" и "Jessler & Gsell GmbH", (г. Констани).
Апробаиия и обсуждение решьтатов. Диссертационная работа в целом и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на ірсіей и четвертой международных научно-методических конференциях «Новые информационные технологии в преподавании электротехнических дисциплин» (1995, 1998, Астрахань), научно-технической конференции «Электромеханика и электротехнологии» (1996, Ялта), на Всероссийском электротехническом конгрессе с международным участием «На рубеже веков: итоги и перспективы» (1999,. Москва), а также на научно-технических семинарах в лаборатории Промышленной электроники и I ЭУ в Высшей прфессиональной школе г. Констанц и на кафедре Электротехники и интроскопии МЭИ (ТУ), (г.Москва).
Публикации. Основные положения и разделы диссертации
опубликованы в 5 печатных рабогах
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 179 страницах и содержит введение, пять глав с выводами, заключение, список литературы,два приложения.
Анализ спектра частот помех, создаваемых ГЭУ
Численные методы анализа полей получили в последнее время значительное развитие благодаря применению современных ЭВМ. Существенный прогресс в качествах персональных компьютеров позволяет ставить и решать многие полевые задачи и на ПК.
Разнообразие и сложность геометрических форм деталей современного электротехнического оборудования, увеличение электромагнитных нагрузок, необходимость учета нелинейных свойств сред вызвали необходимость разработки численных алгоритмов расчета электромагнитных полей. Численные методы представляют решение, в виде множеств его значений в большом числе точек. В зависимости от способа дискретизации пространства и алгоритмизации характеристик магнитного поля в настоящее время различают (в основном) три способа:
Реализация всех этих методов, в конечном счете, сводится к решению системы алгебраических уравнений высокого порядка и требует применения ЭВМ и соответствующих программных средств. 2.2.1 Метод конечных разностей (МКР).
Метод конечных разностей - исторически первый численный метод анализа электромагнитных полей. Его суть состоит в замене дифференциальных уравнений в частных производных уравнениями в конечных разностях. При этом вносится ошибка, обусловленная дискретизацией. В рамках метода конечных разностей эту ошибку можно уменьшить, лишь уменьшая шаг сетки. Но при этом увеличивается число искомых значений потенциала, возрастают объем вычислений и накопление ошибок. Поэтому попытка уменьшить погрешности решения, которые вносит дискретизация, приводит к увеличению ошибок, возникающих в процессе вычислений.
Кроме того, у данного метода много и других недостатков - прежде всего, возникают проблемы аппроксимации сложных границ и учета краевых условий, разрешение которых в рамках метода ведет к быстрому росту порядка алгебраической системы уравнений. Область, в которой исследуется поле, нередко является неограниченной, поэтому при использовании метода конечных разностей необходимо искусственно ограничивать область. Часто неясно, как выбрать внешнюю (искусственную) границу области, что порождает трудно учитываемые погрешности и, следовательно, неуверенность в точности получаемых результатов. При сложной форме границы раздела сред возникают трудности, связанные с разностной аппроксимацией краевого условия. Это приводит к тому, что точность метода вблизи границы раздела сред ниже, чем в другой части пространства. В практических же задачах наибольший интерес представляет распределение поля именно вблизи границы раздела сред. В результате решения системы разностных уравнений определяют приближенные значения потенциала в точках сетки. Однако практический интерес представляет не само значение потенциала, а напряженность магнитного поля или магнитная индукция, выражающиеся через градиент или ротор соответствующего потенциала. Поэтому нахождение векторов напряженности магнитного поля или магнитной индукции требует численного дифференцирования скалярного или векторного потенциала, что, в связи с приближенным характером определения потенциалов, приводит к дополнительным погрешностям.
В областях сложной формы создание оптимальных сеток очень трудно автоматизировать (в отличие, например, от метода конечных элементов). Из-за больших недостатков метод конечных разностей в последнее время практически почти не используется.
Принцип метода конечных элементов, также как и метода конечных разностей, состоит в делении всей области решения на множество мелких подобластей, называемых «конечными элементами» [6], [7]. Каждый элемент принадлежит только одной кусочно-однородной области, так, что граница между областями с различными материалами совпадает с границей элементов. В отличие от метода конечных разностей, эти элементы могут быть различных размеров. В подобластях, где ожидаются большие изменения поля, размеры элементов могут быть уменьшены.
Сущность метода заключается в унифицированной аппроксимации потенциала внутри каждого элемента полиномиальной функцией координат, имеющей невысокий порядок. Коэффициенты полиномов выражаются через значения потенциала в некоторых точках (узлах). Затем решения в отдельных элементах сопрягаются таким образом, чтобы обеспечить непрерывность потенциала во всей исследуемой области. Таким образом, отыскание непрерывной функции заменяется нахождением ее значений в конечном числе узловых точек, по которым определяется распределение потенциала во всей области.
Другой принципиальной особенностью МКЭ является вариационный метод решения уравнений. Основа этого подхода в МКЭ состоит в минимизации некоего энергетического функционала вместо прямого решения физического уравнения (в нашем случае уравнения Пуассона для стационарной задачи магнитного поля и уравнения диффузии для квазистационарной задачи). Этот функционал - запасенная электромагнитная энергия, связанная с магнитной индукцией в области решения (а значит, и с векторным магнитным потенциалом, являющимся переменной, определяемой в узлах конечно-элементной сети). Дискретизация области на элементы позволяет записать энергию всей системы, как сумму энергий всех элементов. Минимизация этого функционала проводится по отношению к неизвестным потенциалам в узлах. Энергия принимает минимальное значение, когда удовлетворяются условия равенства нулю производных энергии по отношению к неизвестным потенциалам. Выполнение условия равенства нулю производной энергии по потенциалу отдельного узла дает уравнение, объединение которых, по всем узлам приводит к формированию системы уравнений относительно неизвестных потенциалов в узлах.
Формируемая матрица коэффициентов системы уравнений симметрична и имеет разреженный характер (значительное число коэффициентов - нули). Это в значительной мере упрощает численное решение полученной системы алгебраических уравнений. Система уравнений может быть решена любым стандартным методом, таким, например, как метод исключения Гаусса, или метод сопряженных градиентов.
Метод конечных разностей (МКР).
Так, например, для дросселя, рассчитанного на основании нижеприведенных расчетов и исследований, имеющего следующие основные параметры: 1 = 51(Г3/ни 1тах=20А, требуется сердечник с площадью сечения S=3360MM при зазоре 1о=8мм. При этом основные параметры магнитопровода следующие ц.=2000,1т=280мм.
Если бы мы хотели выполнить такой дроссель на магнитопроводе такого же типа (рг=2000, 1т=280мм), но без зазора, то пришлось бы брать площадь сечения магнитопровода в 58 раз больше, т.е. с площадью сечения 195360мм , (хотя конечно число витков такого дросселя может быть уменьшено тоже в V58 раз).
Таким образом, в большинстве случаев, введение зазора принципиально позволяет осуществить техническую реализацию дросселя. Хотя платой за это является не только увеличение числа витков обмотки, но и увеличение магнитных полей рассеяния вокруг дросселя (особенно в области зазора).
Исходя из выше сказанного, можно было бы предложить следующий алгоритм расчетного (с применением ЭВМ) эксперимента для исследования магнитных полей рассеяния дросселя с целью оптимизации отдельных размеров магнитопровода, зазоров, катушек и выбора магнитной проницаемости материала сердечника.
Сначала нужно подробно исследовать и оценить топографию ЭМ поля рассеяния дросселя с некоторой базовой формой магнитопровода, которая бы явилась подобной и производной для большинства, использованных для этих целей, форм магнитопроводов. При этом определяется наиболее «опасные» составляющие магнитного поля рассеяния и их градиенты, а также их топография. Затем рассчитываются и исследуются только эти составляющие и их градиенты при изменении некоторых размеров магнитопровода дросселя (зазоров и их числа, размеров катушек и магнитной проницаемости сердечника магнитопровода).
Далее, было бы интересно рассчитать и исследовать поведение в пространстве вышеупомянутых составляющих, ЭМ поля для других возможных форм магнитопровода, для которых базовая форма была бы производной. Далее, на основе проведенных исследований, следует предложить оптимальную (с точки зрения магнитных полей рассеяния, и с учетом энергетических и технических факторов) форму магнитопровода дросселя для рассматриваемого класса инверторов.
И, наконец, учитывая, что набор форм, используемых в практике магнитопроводов, для дросселей инверторов весьма ограничен [12], необходимо попытаться обобщить полученные результаты исследований.
Для основного расчетного эксперимента в качестве базовой формы удобно взять П-образные сердечники типа U93/76/30, набирая их количество по толщине так, чтобы выполнялось основное энергетическое требование по сечению магнитопровода, зависящее, в общем случае, от мощности инвертора (или любого другого устройства, в котором применяется дроссель). Из этих сердечников легко получить О-образный замкнутый сердечник с зазорами, как показано на Рис.3.1. Обычно такой дроссель имеет две одинаковые обмотки катушки, намотанные на оба стержня (на Рис.3.1 они не указаны). Если расположить оси координат, как это показано на том же рисунке, то качественное распределение основных составляющих магнитной индукции на боковых гранях с внешней стороны сердечника можно представить, как это изображено на Рис.3.2 (на основании нижеприведенных расчетов).
Совершенно очевидно, что максимальной, по абсолютной величине, будет составляющая магнитной индукции Вх в области зазора. Причем значение ее, и закон изменения по координате х будет, в основном, определен длиной зазора А при одинаковой накопленной энергии в дросселе и слабо зависящей от других размеров сердечника. Что же касается закона изменения составляющих Вх и Bz от расстояния (в данном случае z) или скорость их убывания, то это зависит не только от длины зазора А, но и от таких размеров сердечника, как Ь, а, Ж, X, от магнитной проницаемости сердечника, а также, от формы и размеров катушек. В отношении же составляющих магнитной индукции Вх и Bz на верхней сплошной грани сердечника, можно утверждать, что их значения будут зависеть, в
Качественное распределение Нх и Hz составляющих магнитной индукции на боковой грани с внешней стороны сердечника. 46 основном, от магнитной проницаемости сердечника дросселя (чем больше jia, тем меньше их интенсивность) и длины зазоров. При этом закон их распределения по оси z может быть очень сложен [см. диаграмму Д3.4а\.
На основании выше изложенного, может быть выбрана следующая последовательность расчетного эксперимента по исследованию влияния размеров сердечника, зазоров и магнитной проницаемости на магнитное поле рассеяния дросселя. Следует отметить, еще раз, что нас интересует, прежде всего, интенсивность внешнего, по отношению к геометрическим границам дросселя, магнитного поля и скорость его убывания. Поэтому, целесообразно было бы сначала определить значения этих составляющих напряженности магнитного поля на внешней границе дросселя, скажем, параллелепипеде с размерами (Xxbx(2 +A)) в точках максимального значения этих составляющих (определенных в опорном эксперименте), а затем найти значения этих же составляющих на поверхности воображаемого параллелепипеда, отстоящего от первой поверхности на определенное, заданное расстояние. Затем сравнить их на поверхностях при изменении только основной координаты, например, координаты z для составляющей Вх. Такой подход интересен и важен еще и потому, что в дальнейшем будет проведен расчет влияния экрана на магнитное поле рассеяния дросселя. Конечно, наиболее интересно было бы найти распределение составляющих магнитной индукции, как функций расстояния от дросселя для всех основных составляющих, как это делается в опорном эксперименте. Однако это привело бы к получению огромного объема численной информации, которую было бы трудно обработать и оценить.
Для исследования влияния числа зазоров на магнитные поля рассеяния, удобно рассмотреть две формы магнитопроводов, приведенных на Рис. 3.3 и Рис. 3.4. Причем, следует отметить, что в каждом случае суммарная длина зазоров должна (в соответствии с 3-7а) оставаться одной и той же, т.е.
Расчет и анализ влияния относительной магнитной проницаемости магнитопровода на магнитные поля рассеяния дросселя.
При удалении от поверхности магнитопровода (диаграммы ДЗ. 26 иД3.2в) обе составляющие довольно быстро затухают, при этом максимум тангенциальной составляющей Нх всегда остается при х =0, тогда как максимумы нормальной составляющей Hz расходятся.
Поэтому сравнивать качество различных форм магнитопроводов по интенсивности магнитного поля рассеяния (при постоянных координатах) можно только по тангенциальной составляющей Нх , т.к. с удалением от поверхности ее максимум не изменяет своих координат. Этого, видимо, достаточно, т.к. максимальное значение нормальной составляющей Hz, хотя и соизмеримо с Нхмакс, однако всегда немного меньше.
И, наконец, диаграмма Д3.2г показывает скорость убывания максимального значения тангенциальной составляющей Нх при удалении от боковой поверхности дросселя. Из этой диаграммы следует, что при относительном расстоянии 0,4 от поверхности, Нх убывает почти в 20 с лишним раз, тогда как нормальная составляющая Hz, на таком же расстоянии, убывает всего в 12 раз (см. ДЗ.2а яД3.2е). На этом расстоянии их максимальные относительные значения соответственно равны Их =0,0243 (2,4%) и Н =0,0196 (2%).
Внимательный анализ распределения тангенциальной составляющей Нх (х ) на диаграммах ДЗ. 26 иД3.2в заставляет обратить внимание на тот факт, что значение этой составляющей изменяет знак при удалении от зазора по координате х . Однако, ясно, если бы эта составляющая была бы только следствием влияния намагниченности материала и зазора, то она не должна была бы менять направление, т.к. это противоречит логике. Следовательно, остается предположить, (так на самом деле и есть), что на достаточно большом удалении от поверхности магнитопровода на магнитное поле, вызванное намагниченностью, начинает накладываться магнитное поле рассеяния самой катушки, которое имеет противоположное направление (по крайней мере, снаружи катушки) по отношению к магнитному полю, вызванному намагниченностью. Этот факт наводит на мысль попытаться уменьшить поле рассеяния от зазора вариацией размеров самой катушки (высоты и внешним диаметром), что и будет сделано ниже.
Следующая группа диаграмм Д3.3(а-в) представляет топографию тангенциальной Нх и нормальной Ну составляющих напряженности магнитного поля, но уже на передней поверхности магнитопровода, естественно вблизи зазора. Анализ этих диаграмм показывает схожесть поведения этих составляющих с поведением их у широкой боковой грани. Основное их отличие состоит в том, что, во-первых, максимальное их значение на относительном расстоянии 0,03 от поверхности (ДЗ.За) меньше, чем в первом случае, примерно на 30% для тангенциальной составляющей. И, во-вторых, скорость их убывания с удалением от поверхности магнитопровода (координата у) также больше, т.е. тангенциальная составляющая Нх уменьшается почти в 40 раз на относительном расстоянии 0,3 от поверхности магнитопровода (см. ДЗ.Зв). Эти отличия связаны с тем, что ширина магнитопровода по оси у (заметно больше, чем ширина его по z , то есть проводимость воздушного пути для магнитного потока в первом случае в несколько раз больше [12]).
И, наконец, последняя группа диаграмм ДЗА(а-б) дает топографию основных составляющих поля на верхней грани магнитопровода дросселя. Здесь, как и ранее, даны распределения нормальной составляющей поля Нх и тангенциальной Н2 по оси z , для двух значений координаты у : у =0 по центру грани и у =±1 по краю грани. Распределения этих составляющих вблизи верхней поверхности (Д3.4а, на относительном расстоянии от поверхности 0,025) имеет довольно сложный характер, с максимальными значениями составляющих около 0,85% от напряженности магнитного поля в зазоре. С увеличением относительного расстояния от поверхности до 0,125 (Д3.46) изменение составляющих от координаты z сглаживаются, при этом максимальные их значения уменьшаются примерно в 3 раза. В любом случае, абсолютные значения составляющих напряженности магнитного поля на верхней поверхности магнитопровода значительно меньше, чем в случае боковой поверхности, и в дальнейшем их нужно иметь в виду, тогда, когда используются другие формы магнитопровода, у которых нет наружных зазоров.
В виду относительной сложности топографии магнитного поля рассеяния вблизи поверхностей магнитопровода можно предложить следующую методику оценки значений напряженности этих магнитных полей для разных типов магнитопроводов.
Затухание модуля максимального значения относительной напряженности Н магнитного поля от расстояния х от верхней поверхности магнитопровода. Для каждого расстояния от поверхности магнитопровода рассчитываются распределения не самих координатных составляющих напряженности магнитного поля, а их модуль, т.е. Н\хУ) = 4ЇК ))2ЧН:{хЩ (3-8) Именно такие зависимости приведены на диаграммах Д3.2е, ДЗ.Зг и Д3.4в для соответствующих поверхностей магнитопровода (боковой, передней и верхней).
Из этих диаграмм видно, что максимальное значение модуля напряженности магнитного поля наблюдается у боковой поверхности магнитопровода, а минимальное у верхней поверхности. Также можно сказать, что скорость затухания значения модуля напряженности магнитного поля у боковой поверхности магнитопровода значительно больше, чем у передней и верхней поверхностей.
Для проведения этого расчетного эксперимента был взят тот же магнитопровод, что и в базовом варианте (см. п. 3.3.1), но магнитная проницаемость материала сердечника была разной: - в первом случае jui=100, а - во втором случае она увеличена до /13=2000. Такая методика позволила сравнить три варианта, с учетом уже сделанного для jLi2=1000 (в п.3.3.1). Результаты расчетов в данном случае, как и ранее, представлены группой диаграмм (Д3.5-Д3.8).
Диаграмма Д3.5а показывает некоторое уменьшение значения намагниченности в сердечнике при JUJ=100, по отношению к ju3=2000 при одинаковой напряженности магнитного поля в зазорах. Это, очевидно, связано с тем, что «магнитное сопротивление» магнитопровода при jui=100, значительно больше, чем для случая ]из=2000, поэтому некоторая часть магнитного потока проходит по воздуху.
Расчет и исследование изменения топографии магнитных полей рассеяния с внешней стороны неферромагнитных экранов.
Так же, как и для предыдущего случая, нас будет интересовать топография магнитного поля у боковой поверхности магнитопровода.
На диаграммах ДЗ. 11а-е представлены распределения тангенциальной Нх и нормальной Hz составляющих по координате х (вдоль стержня поперек зазоров) при у =0 по середине боковой поверхности. На расстояниях, меньших, чем толщина каркаса катушки (0,04), максимальное значение составляющей Нх у среднего зазора почти в 2 раза больше, чем у крайних зазоров, тогда как на относительном расстоянии 0,2 (еще внутри катушки) эти значения сравниваются. В то же время, при расстоянии 0,4 (уже с наружи катушки) значение тангенциальной составляющей Нх у среднего зазора вообще становится отрицательным (см. ДЗ. 11в), тогда как у крайних зазоров эти значения еще положительны. Эти явления, как и раньше, легко объясняются влиянием поля рассеяния катушки, когда на расстояниях больших, чем поперечные размеры катушки, ее магнитное поле имеет противоположное направление по отношению к магнитному полю от зазоров и начинает превалировать над магнитным полем рассеяния от зазоров. Этим же легко объяснить и превышение максимальных значений составляющих Нх (в области крайних зазоров) на расстояниях от боковой поверхности, больших, чем размеры катушки. Таким образом, еще раз подтверждается тот факт, что для оценки максимальных значений координатных составляющих магнитного поля рассеяния дросселя необходимо иметь как можно более полную информацию о топографии магнитного поля вокруг дросселя.
Примечание: Zi =1. 3. Один зазор на каждом стержне с увеличенной в 2 раза длиной. Если общие размеры магнитопровода и его масса получаются недопустимо большими, то иногда выгодно их уменьшить (особенно толщину Ь) за счет увеличения зазора [см. (3-7)].
В данном эксперименте использовалась та же форма (рис. 3.1) как и для базового варианта, но длина воздушного зазора была увеличена в 2 раза, при одновременном уменьшении толщины набора тоже в 2 раза (при соответствующем увеличении числа витков обмотки).
Результаты данного расчетного эксперимента представлены в виде группы диаграмм Д3.12а-г, отображающих распределение основных составляющих напряженности магнитного поля у боковой поверхности магнитопровода, где мы ожидали максимальных значений этих составляющих. Анализ диаграмм показывает, что, во-первых, тангенциальная составляющая Нх вблизи зазора (%=0,04) увеличилась по сравнению с базовым вариантом почти на 30% и, во-вторых, и это, пожалуй, более важно, скорость убывания этих составляющих при удалении от боковой поверхности (Д3.12г и Д3.2г) тоже заметно уменьшилась (почти в два раза).
Поведение остальных составляющих магнитного поля рассеяния на других гранях магнитопровода при таком зазоре практически не изменилось и, поэтому, соответствующие диаграммы здесь не приводятся.
Таким образом, увеличение длины зазора с одновременным уменьшением площади сечения сердечника вполне допустимо, если интенсивность магнитных полей рассеяния не очень лимитирована.
И в заключение на диаграмме Д3.13 приведены зависимости максимальных значений модулей напряженности магнитного поля для всех трех случаев при удалении от боковой стенки дросселя. Из этой диаграммы видно, что при увеличении числа зазоров, при сохранении его суммарной длины, максимальное значение модуля напряженности магнитного поля рассеяния дросселя вблизи зазора уменьшается более чем в два раза.
Затухание модуля Н относительной напряженности магнитного поля от расстояния г от боковой поверхности магнитопровода для различных форм сердечников. 3.3.4 Расчет и анализ влияния изменения размеров катушек дросселя на топографию магнитных полей рассеяния.
Необходимость проведения такого эксперимента вытекает из анализа предыдущих вариантов исследования, когда стало ясно, что магнитное поле рассеяния катушки оказывает значительное влияние на магнитное поле рассеяния дросселя на расстояниях больших, чем поперечные размеры катушки. Цель данного эксперимента: найти такие размеры катушки, чтобы магнитные поля рассеяния дросселя стали бы минимальными.
Для этого был взят дроссель с базовыми размерами (см. п.3.3.1), но размеры катушки стали другими, а именно: высота катушки уменьшена в 2 раза, а толщина осталась такой же как и была.
Результаты этих расчетных экспериментов приведены на диаграммах Д3.14а-г - для боковой поверхности магнитопровода и на диаграммах Д3.15а-г - для передней стороны поверхности магнитопровода.
Анализ этих диаграмм показал, что если на расстояниях от боковой и передней поверхностей меньших толщины каркаса катушки, максимальные значения Нх и Hz (или Ну ) не изменились по сравнению с базовым вариантом (Д3.2а и ДЗ.За), то на расстояниях, больших поперечного размера катушки (0,4) максимальное значение этих же составляющих уменьшилось почти в 75 раз на боковой поверхности (Д3.14а шД3.14в) и почти в 50 раз на передней стороне дросселя (Д3.15а и Д3.15в), то есть степень затухания этих составляющих при удалении от дросселя резко увеличилась, что и отражают диаграммы ДЗ. 14г иД3.15г.
Похожие диссертации на Теоретические и экспериментальные исследования и решение задач электромагнитной совместимости гелиоэнергетических установок
