Рассматриваются программные средства расчета электрических полей установок высокого напряжения. В статье приведены краткие сведения о наиболее распространенных продуктах и их
производителях. Описаны преимущества и недостатки применения таких программных комплексов как Ansys, Femlab, Maxwell, Coulomb 3D и Elcut.Softwares to calculate the electric fields of high voltage installations are considered. In this article the
short information of the most widespread products and their producers is given. Advantages and disadvantages
of application of such program complexes as Ansys, Femlab, Maxwell, Coulomb 3D and Elcut
are described

Волохин, В. В.

Окунь, Александр Александрович

Шевченко, Сергей Юрьевич

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

190 УДК 620.179  С.Ю.ШЕВЧЕНКО, канд. техн. наук, профессор, НТУ «ХПИ»; В.В.ВОЛОХИН, канд. техн. наук, старший преподаватель, Сумской  государственный университет; А.А.ОКУНЬ, аспирант, НТУ «ХПИ»  АНАЛИЗ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ УСТАНОВОК ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ  Розглядаються програмні засоби розрахунку електричних полів установок високої напруги. У статті приведені короткі відомості про найбільш поширені продукти і їх виробниках. Описані пе-реваги і недоліки застосування таких програмних комплексів як Ansys, Femlab, Maxwell, Coulomb 3D та Elcut.  Softwares to calculate the electric fields of high voltage installations are considered. In this article the short information of the most widespread products and their producers is given. Advantages and disad-vantages of application of such program complexes as Ansys, Femlab, Maxwell, Coulomb 3D and Elcut are described.  Рассматриваются программные средства расчета электрических полей установок высокого на-пряжения. В статье приведены краткие сведения о наиболее распространенных продуктах и их производителях. Описаны преимущества и недостатки применения таких программных комплек-сов как Ansys, Femlab, Maxwell, Coulomb 3D и Elcut.  Постановка проблемы. Численные методы требуют большого количе-ства вычислений, поэтому для усовершенствования процесса расчета на базе данных методов создано большое число программных продуктов, предназна-ченных для решения полевых задач применительно к энергетике. В области программных средств расчета и анализа электрических полей установок вы-соких и сверхвысоких напряжений на сегодня сложилась противоречивая си-туация. Процесс обновления возможностей данного программного обеспече-ния в ведущих фирмах происходит весьма динамично. Однако, отсутствие подробной документации и недостаточная информированность о возможно-стях, приводят к трудностям в их изучении, применении при расчетах и, как следствие, – написании своих русскоязычных узко-ориентированных про-грамм.  Метод решения. Многообразие программных комплексов, которые могут применяться для решения полевых задач установок высоких напря-жений приведены в табл. 1. В этой таблице представлены краткие сведения о наиболее распространенных программах расчета электрических полей и их производителей. Правильный выбор программного средства – надежное условие эффективного использования. Основными критериями выбора яв-191 ляются: – распространенность; – цена; – широта охвата поставленных задач; – удобство работы и простота создания геометрических моделей; – наличие широкой библиотечной базы объектов; – возможность и простота стыковки с другими программами.  Таблица 1 – Программные средства для анализа и расчета электрических по-лей установок высоких напряжений Наименование пакета Наименование фирмы-изготовителя Краткая характеристика пакета High-Frequency Structure Simu-lator (HFSS) Ansoft Corporation В основе – метод конечных элементов ANSYS ANSYS, Inc В основе – метод конечных элементов, возможность решения связанных задач COULOMB 3D ELECTRO 2D Integrated Engi-neering Software Соответственно 3D и 2D-расчеты элек-тростатических и квазистатических электрических полей. Используются ме-тод граничных элементов и гибридные методы ELCUT ПК «ТОР» В основе – метод конечных элементов FEMLAB Elec-tromagnetics Module COMSOL 3D- полноволновое моделирование по-лей с решателем на базе MatLab. Ис-пользуется метод конечных элементов IE3D Полноволновое трехмерное и плоское электромагнитное моделирование с ис-пользованием метода моментов и опти-мизация Fidelity Zeland Software 3D -полноволновое электромагнитное моделирование с использованием мето-да конечных разностей во временной области Maxwell Ansoft CorporationMSC/EMAS MacNeal - Schwendler Corpo-ration В основе – метод конечных элементов XFDTD Remcom, Inc В основе – метод конечных разностей во временной области  192 Практически все приведенные в табл. 1 программные комплексы имеют следующую структуру: 1) предварительная подготовка (выбор типа и свойств конечных эле-ментов, определение системы единиц, задание констант); 2) создание геометрической модели; 3) задание свойств материалов; 4) постановка граничных условий; 5) задание источников; 6) выбор способа решения системы уравнений; 7) обработка результатов расчетов и их визуализация. В современных программах, используемых для анализа и расчета элек-трических полей, можно выделить следующие основные черты: – ориентированность на пользователя (удобный Windows-интерфейс); – отсутствие подробной документации на русском языке; – отсутствие широкой библиотечной базы стандартных элементов; – наличие во всех пакетах четко выраженных стадий процесса модели-рования: подготовка, решение и обработка. Все пакеты являются универсальными (предназначены для решения раз-личных типов полевых задач), позволяют решать линейные и нелинейные за-дачи, и обладают примерно одинаковой точностью и возможностями. Основ-ные существенные отличия пакетов представлены в табл. 2.  Таблица 2 – Сравнение возможностей пакетов № Возможности пакета ANSYS Femlab Maxwell Elcut Coulomb (Electro) Геометрическая модель:  Двухмерная да да да да да Осесимметричная да да да да да 1 Трехмерная да да да нет да 2 Выбор типа конечно-го элемента да нет да нет да 3 Возможность импор-та/экспорта моделей из других CAD-программ да да да нет да 4 Возможность моде-лирования внешних электрических цепейда да да нет да  Среди рассматриваемых программ Elcut на первый взгляд обладает огра-ниченными возможностями по сравнению с другими программами. Однако некоторые ограничения достаточно легко преодолеваются. Например, Elcut 193 не позволяет моделировать трехмерные объекты, однако существует множе-ство объектов являющихся с точки зрения геометрии телами вращения, а осе-симметричные задачи с помощью Elcut решаются и дают те же результаты, что и в трехмерной постановке. Преимуществом же Elcut безусловно является наличие русскоязычной версии, документации на русском языке, большое количество примеров, по-ставляемых с программой, а также развитые возможности по обработке ре-зультатов расчета.  Пакет ANSYS обладает наибольшим числом достоинств. Однако слож-ность интерфейса программы, большое число параметров ее настройки и поч-ти полное отсутствие учебников по программе на русском языке затрудняют ее использование. Обычно применение этого пакета ассоциируется с расчета-ми механических конструкций, а не электрических полей, однако такая воз-можность предусмотрена. Пакет Maxwell характеризуется выгодным на фоне аналогов сочетанием широты возможностей и простоты освоения. Подобен ANSYS, однако более прост в освоении и ориентирован на расчеты электромагнитных полей. Пакет Femlab соединяет в себе достоинства двух других пакетов. Он об-ладает простым и понятным интерфейсом, как Elcut, и имеет практически те же расчетные возможности, что и ANSYS. Кроме этого Femlab, по-сути, явля-ется инструментом пакета Matlab и работает под его управлением. Это озна-чает, что все возможности программирования, доступные в Matlab, могут быть использованы и в Femlab (например, при обработке результатов расче-та). Еще одним огромным достоинством Femlab является возможность экс-порта конечно-элементной модели в Simulink (инструмент моделирования динамических систем, встроенный в Matlab). Это позволяет моделировать не только простейшие внешние электрические цепи, но и работу установки со-вместно с системами управления. Большинство производителей программного обеспечения использует ме-тод конечных элементов (МКЭ). Исключением является компания Integrated Engineering Software со своим продуктом Coulomb 3D, продвигающая кон-цепцию расчета полей посредством метода граничных элементов (МГЭ) и гибридных методов (на основе МКЭ и МГЭ). Таким образом, в зависимости от сложности решаемой задачи и требованиям по точности пользователь мо-жет выбрать нужный численный метод для проведения расчетов. Необходимо отметить, что расчетная модель может быть создана во встроенной системе Coulomb 3D, так и альтернативно пакет может прочиты-вать модели других известных систем геометрического моделирования (Ideas, Solid Works, Pro Engineer, Solid Edge и другие).  Выводы 1. Практически все программные пакеты расчета электрических полей, 194 представленные в данной статье, обеспечивают возможность расчета потен-циалов и напряженностей полей, впоследствии успешно подтверждаемых экс-периментально. 2. С точки зрения функциональных возможностей и целесообразности применения для решения полевых задач актуальных для электроэнергетики наиболее универсальными являются Coulomb 3D и Maxwell. Применение их должно быть тщательно рассмотрено на основе конкретных примеров.  Список литературы: 1. Агапов С.В., Чермошенцев С.Ф. Методы и средства анализа и прогнози-рования электромагнитных излучений от электронных средств // Информационные технологии. – 2003. – № 11. – С. 2-12. 2. Басов К.А. ANSYS: справочник пользователя. – М.: ДМК Пресс, 2005. – 640 с. 3. Вишняков С.В., Гордюхина Н.М., Федорова Е.М. Расчет электромагнитных полей с по-мощью программного комплекса ANSYS. – М.: Издательство МЭИ, 2003. 4. В.Н.  Довбыш, М.Ю. Маслов, Ю.М. Сподобаев Электромагнитная безопасность элементов энергетических систем: Мо-нография. – Самара: ООО «ИПК «Содружество», 2009. – 198 с. 5. Ansoft high frequency structure simulator v 10. – User’s guide, 2005. 6. Ansoft Maxwell 3D Field Simulator v 11. – User’s guide. 7. El-Fouly T.H.M., El-Saadany E.F., Salama M.M.A., Abdel-Galil T.K., Habiballah I.O. Power transmission lines generated electric and magnetic fields calculations / COMSOL multiphysics user's conference, Bos-ton, USA, 2005. 8. Elcut. Моделирование двухмерных полей методом конечных элементов. Версия 4.2 Руководство пользователя. – СПб.: Производственный кооператив ТОР, 2000. – 130 с. 9. http://www.integratedsoft.com/products/coulomb/default.aspx. Поступила в редакцию 21.10.2011   

Анализ программных средств расчета электрических полей установок высоких напряжений

http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/17805/1/vestnik_HPI_2011_49_Shevchenko_Analiz.pdf

Анализ программных средств расчета электрических полей установок высоких напряжений

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository