工程電磁場(chǎng)論文

1、工程電磁場(chǎng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用【摘要】：現(xiàn)代大量應(yīng)用的電力設(shè)備和發(fā)電機(jī)、變壓器等都與電磁感應(yīng)作用有緊 密聯(lián)系。由于這個(gè)作用。時(shí)變場(chǎng)中的大塊導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生渦流及趨膚效應(yīng)。 電工中 感應(yīng)加熱、表面淬火、電磁屏蔽等，都是這些現(xiàn)象的直接應(yīng)用。時(shí)變電磁場(chǎng)還可 以進(jìn)一步分為周期變化的交變電磁場(chǎng)及非周期性變化的瞬變電磁場(chǎng)。對(duì)它們的研究在目的上和方法上有一些各自的特點(diǎn)。交變電磁場(chǎng)在單一頻率的正弦式變化 下，可采用復(fù)數(shù)表示以化簡(jiǎn)計(jì)算，在電力技術(shù)及連續(xù)波分析中應(yīng)用甚多。 瞬變電 磁場(chǎng)又稱脈沖電磁場(chǎng)，覆蓋的頻率很寬，介質(zhì)或傳輸系統(tǒng)呈現(xiàn)出色散特性， 往往 需要采取頻域、或時(shí)序展開等方法進(jìn)行分析?！娟P(guān)鍵詞】：工程電磁場(chǎng)電力

2、系統(tǒng)應(yīng)用工程電磁場(chǎng)的相關(guān)定義工程電磁場(chǎng)，是面向工程的電磁場(chǎng)內(nèi)容體系，內(nèi)容主要是庫侖定律、電荷守 恒定律、安培定律、法拉第定律和麥克斯韋位移電流假設(shè)、靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)、 恒定磁場(chǎng)和時(shí)變電磁場(chǎng)的基本方程及其邊值問題、鏡像法的基本原理、基于加權(quán)余量的工程中常用的有限元法和邊界元法、電磁場(chǎng)的能量和力、平面電磁波和電路參數(shù)計(jì)算原理、電氣工程中典型的電磁場(chǎng)問題 （包括變壓器的磁場(chǎng)、電機(jī)的磁 場(chǎng)、絕緣子的電場(chǎng)、三相輸電線路的工頻電磁環(huán)境以及三相輸電線路的電容和電 感參數(shù)）。場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，兩者互為因果，形成電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)可由變速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子 引起，也可由強(qiáng)弱變化的電流引起，不論原因如何，電磁場(chǎng)總是以光速向四周

3、傳 播，形成電磁波。電磁場(chǎng)是電磁作用的媒遞物，具有能量和動(dòng)量，是物質(zhì)存在的 一種形式。電磁場(chǎng)的性質(zhì)、特征及其運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律由麥克斯韋方程組確定。 交變電磁場(chǎng)與瞬變電磁場(chǎng)。時(shí)變電磁場(chǎng)還可以進(jìn)一步分為周期變化的交變電磁場(chǎng) 及非周期性變化的瞬變電磁場(chǎng)。對(duì)它們的研究在目的上和方法上有一些各自的特 點(diǎn)。交變電磁場(chǎng)在單一頻率的正弦式變化下， 可采用復(fù)數(shù)表示以化簡(jiǎn)計(jì)算，在電 力技術(shù)及連續(xù)波分析中應(yīng)用甚多。瞬變電磁場(chǎng)又稱脈沖電磁場(chǎng)，覆蓋的頻率很寬， 介質(zhì)或傳輸系統(tǒng)呈現(xiàn)出色散特性，往往需要采取頻域、或時(shí)序展開等方法進(jìn)行分 析。電力系統(tǒng)的定義由發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產(chǎn)與消費(fèi)系統(tǒng)。它的 功能是

4、將自然界的一次能源通過發(fā)電動(dòng)力裝置 （主要包括鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī) 及電廠輔助生產(chǎn)系統(tǒng)等）轉(zhuǎn)化成電能，再經(jīng)輸、變電系統(tǒng)及配電系統(tǒng)將電能供應(yīng) 到各負(fù)荷中心，通過各種設(shè)備再轉(zhuǎn)換成動(dòng)力、熱、光等不同形式的能量，為地區(qū) 經(jīng)濟(jì)和人民生活服務(wù)。工程電磁場(chǎng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)代大量應(yīng)用的電力設(shè)備和發(fā)電機(jī)、變壓器等都與電磁感應(yīng)作用有緊密聯(lián) 系。由于這個(gè)作用。時(shí)變場(chǎng)中的大塊導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生渦流及趨膚效應(yīng)。電工中感應(yīng) 加熱、表面淬火、電磁屏蔽等，都是這些現(xiàn)象的直接應(yīng)用。1. 電機(jī)瞬態(tài)電磁場(chǎng)有限元分析的精確性和穩(wěn)定性通過對(duì)典型的電機(jī)瞬態(tài)電磁場(chǎng)進(jìn)行時(shí)步法有限元分析，經(jīng)過大量的理論分析和編程實(shí)踐，研究了各有關(guān)參數(shù)對(duì)有限元分

5、析過程的穩(wěn)定性和分析結(jié)果的精確性所產(chǎn)生的影響，指出了時(shí)步法中瞬態(tài)綜合參數(shù) 0的最佳取值，并提出時(shí)間步長(zhǎng)4f 存在下限閾值。電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)屬于非線性瞬態(tài)場(chǎng)，也是無源渦流場(chǎng)。目前， 在電磁場(chǎng)有限元分析中廣泛應(yīng)用時(shí)步法求解瞬態(tài)問題，而當(dāng)采用時(shí)步法解有限元方程時(shí)，必須考慮計(jì)算精度及穩(wěn)定性問題。精確性指的是有限元解與真值的一致性程度。顯然，它與空間網(wǎng)格的疏密程度有關(guān)。除此之外，其他因素例如時(shí)間步長(zhǎng)4f 等參數(shù)是否會(huì)對(duì)其帶來影響，這則是本文所要研究的問題。穩(wěn)定性問題指的是誤差的積累是否能由算法本身得到控制的問題，具體到時(shí)步法，指選取不同的時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)，計(jì)算過程中的誤差會(huì)不會(huì)無限增長(zhǎng)，如果誤差不會(huì)無限增長(zhǎng)，則

6、稱該算法是無條件穩(wěn)定，如果步長(zhǎng)只有滿足一定條件才具有上述性質(zhì)，則此算法是有條件穩(wěn)定的。有關(guān)參數(shù)及時(shí)間步長(zhǎng)本身對(duì)瞬變場(chǎng)有限元分析穩(wěn)定性造成的影響，國內(nèi)外已有許多學(xué)者進(jìn)行了較為深入的研究，并提出了時(shí)間步長(zhǎng)上限的表達(dá)式。而實(shí)際上，就電機(jī)渦流場(chǎng)而言，由于鐵心材料非線性將引起場(chǎng)中大量高次諧波成分，若要對(duì)這樣的場(chǎng)進(jìn)行精確的分析，必須使得時(shí)間步長(zhǎng)足夠小，因此，研究時(shí)間步長(zhǎng)是否存在下限的問題，有著更為實(shí)際的意義。無疑地， 得出既滿足電機(jī)瞬態(tài)電磁場(chǎng)有限元算法穩(wěn)定性又滿足精確性的條件，將是個(gè)重要的研究課題。利用時(shí)步法進(jìn)行電機(jī)瞬態(tài)電磁場(chǎng)有限元分析，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)盡可能選擇向后差分Euler 法 (皓 1)以

7、獲得最佳計(jì)算精度；(2)時(shí)間步長(zhǎng) f存在下限閾值，因此不可取得過小，以免產(chǎn)生不穩(wěn)定解；(3)空間網(wǎng)格疏密只影響計(jì)算精度而不影響穩(wěn)定性，因此可完全根據(jù)實(shí)際工程要求和計(jì)算機(jī)硬件條件來劃分。2. 連續(xù)波金屬探測(cè)器電磁場(chǎng)模型的理論分析介紹了連續(xù)渡金屬探測(cè)器的工作原理，提出一種新的連續(xù)波金屬探測(cè)器電磁場(chǎng)模型， 采用基于電磁場(chǎng)和電路的混合方法對(duì)該模型進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，推導(dǎo)出在空氣及海水中金屬探測(cè)器接收感應(yīng)電壓的計(jì)算公式，并給出了簡(jiǎn)要的設(shè)計(jì)實(shí)例 文中理論分析結(jié)果對(duì)于連續(xù)波金屬探測(cè)器設(shè)計(jì)與分析具有指導(dǎo)意義，對(duì)其它類型的金屬探測(cè)器設(shè)計(jì)也有參考價(jià)值金屬探測(cè)器在安檢、地下和水中管線探測(cè)、尋寶等許多領(lǐng)域有重要應(yīng)用

8、基于電磁法的無源金屬探測(cè)器依工作原理分類主要有3 種：脈沖感應(yīng)型(pulseinduction)、VLF 連續(xù)波型(very low frequencycontinuous wave開口 LC 振蕩型【】.其中 LC 振蕩型主要應(yīng)用在小目標(biāo)近距探測(cè)方面，工業(yè)領(lǐng)域較少用工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的金屬探測(cè)器主要是脈沖感應(yīng)型和VLF 連續(xù)波型脈沖感應(yīng)型已有40 多年發(fā)展歷史2，其工作原理是：通過探測(cè)被測(cè)金屬感應(yīng)電流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)確定被測(cè)金屬的有無及種類，檢測(cè)波型為隨時(shí)間指數(shù)衰減的電壓或電流波型由于檢測(cè)波型的特殊性，在很大程度上限制了數(shù)字信號(hào)處理新技術(shù)在脈沖感應(yīng)型金屬探測(cè)器中的應(yīng)用通過運(yùn)用電磁場(chǎng)和電路的混和方

9、法，分別推導(dǎo)出在空氣中和海水中金屬探測(cè)器的接收線圈在二次場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電壓得出以下幾點(diǎn)重要結(jié)論：(1)接收電壓和探測(cè)距離的6 次方成反比，因此金屬探測(cè)器探測(cè)距離不可能很大 接收電壓和發(fā)射線圈電流成正比，增加電流有利于提高接收電壓，增大探測(cè)距離(2)海水中接收線圈感應(yīng)電壓與發(fā)射機(jī)工作頻率廠大約成反比，選用較低的頻率有利于增加探測(cè)距離，但自然界噪聲及放大器自身的噪聲會(huì)隨著頻率的降低而增大，因此金屬探測(cè)器工作頻率不宜選得太低(3)金屬探測(cè)器進(jìn)入海水后由于海水的渦流損耗，接收電壓將大幅度減小，因此在海水中工作的探測(cè)器必須采用更大的線圈、更強(qiáng)的電流以及更靈敏的檢測(cè)技術(shù)(DSP),才能滿足探測(cè)距離的要求

10、。3. SMES超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)(Superconductor Magnetics Energy Storage, 一類通過超導(dǎo)磁體、 電流變換控制系統(tǒng)等構(gòu)件組成的電能快速存儲(chǔ)、釋放系統(tǒng)，用于抑制電力系統(tǒng)振蕩等！SMES 在美國、 日本已經(jīng)有成功應(yīng)用的實(shí)例，我國還在研究、開發(fā)的過程中。華科大超導(dǎo)電力研究中心自1999 年以來對(duì)超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)展開了研究，并于2005年成功研制35kJ高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)，現(xiàn)已通過了動(dòng)模試驗(yàn)，下一步擬接入電力系統(tǒng)試運(yùn)行。在高溫超導(dǎo)磁體、電流引線、直接冷卻等關(guān)鍵技術(shù)上有較好的基礎(chǔ)，可聯(lián)合進(jìn)行裝置的技術(shù)開發(fā)、系統(tǒng)應(yīng)用研究等。SMES 在電力系統(tǒng)中可以用來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善供電品質(zhì)以及在含有太陽能、風(fēng)能等新能源的分散電源系統(tǒng)中儲(chǔ)存電能并改善電力輸出特性，也可以用于重要裝置的緊急備用電源。 SMES 所具有的這些優(yōu)良性能將在電力系統(tǒng)中帶來不可估量的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。 SMES 以及在研究中所獲得的相關(guān)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于所有需要強(qiáng)磁場(chǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。以上的例子只是工程電磁場(chǎng)在電力系統(tǒng)中的一些應(yīng)用舉例。工程電磁場(chǎng)中介紹的許多數(shù)值分析法，比如有限元法，時(shí)域有