Введение к работе
В диссертации, представленной в форме научного доклада, обобщаются іезультатн работы, проводившейся автором и при его участии с 1963 года над ешением проблемы аналогового и численного моделирования электромагнитных олей с помощью скалярного магнитного потенциала и опубликованные в статьях, окладах, книге, учебных пособиях (см. список литературы).
Актуальность темы. При создании современных мощных электроэнергетических стройств (силовых трансформаторов, электрических машин, токопроводов генератор-ого напряжения, коммутационных электрических аппаратов, накопителей энергии, ключая образцы со сверхпроводящими обмотками и т.д.), необходимо совершен-гвование расчетов электромагнитных процессов в них. В свою очередь трудности ешения проблемы расчета электромагнитных полей, определения интегральных и ифференциальных параметров устройств при учете явления поверхностного эффекта элементах конструкций, обусловлены тем, что современные электроэнергетические ітройства представляют собой сложные многоэлементные системы, тесно взаимо-зязанные с еще более сложными по геометрии металлоконструкциями.
Анализ возможных путей исследования электромагнитных полей в указанных зтройствах показывает ограниченность использования аналитических методов, азирующихся на упрощенных расчетных моделях. Численные модели позволяют ;пешно решать как стационарные, так и нестационарные задачи расчета поля в лнейных и нелинейных средах в двухмерных областях. Вместе с тем, при ^пользовании даже самых мощных ЭВМ для решения специфических задач анализа іектромагнитньїх полей, возникают проблемы, связанные с верификацией сходимости ^числительного процесса и организацией удобного интерфейса, позволяющего в аксимальной мере учесть особенности решаемой задачи в процессе интерактивного іаимодействия пользователя и ЭВМ. В связи с этим сохраняется необходимость ^пользования в расчетах физически наглядных, конструктивно и функционально >ступных, сравнительно недорогих вычислительных систем. К таким системам следует нести аналоговые модели, характеризующиеся высоким быстродействием, отсут-вием проблем сходимости вычислительных процессов, доступностью и наглядностью їзультатов моделирования. Гибкость аналоговых моделей дает возможность на їждом этапе расчета и изменения условий эксперимента реализовать свои фсональные субъективные требования, непосредственно меняя структуру и параметры эделируемого устройства.
С учетом многообразия и функциональных возможностей новых дискретных іементов (ДЭ) возникают условия для резкого повышения эффективности аналоговых эделей, если сочетание ДЭ и модели изначально произведено оптимальным образом.
Однако традиционные аналоговые модели, характеризующиеся практически иовенным решением дифференциальных уравнений, теряют свою эффективность из-значительного роста трудоемкости моделирования и настройки трехмерных >делей, сьема и обработки данных.
В итоге каждый из методов анализа электромагнитных полей электроэнерге-ческих устройств в отдельности не обеспечивает во всей полноте потребностей іактики, поэтому повышение точности и скорости вычислений должно развиваться на четании преимуществ аналоговых и численных моделей. Постановка задачи в такой >рмулировке обусловливает актуальность дальнейшего развития комплексного
подхода к исследованию электромагнитных полей на базе численно-аналоговы> процессоров (ЧАП). Применение качественно новой вычислительной системы в виде численно- аналогового комплекса (ЧАК), пригодной для решения широкого спектрг задач анализа электромагнитных полей, требует развития как аналоговых, так і численных методов моделирования.
Цель работы. Разработка новых подходов численно-аналогового моделировани; электромагнитных полей посредством развития метода скалярного магнитногс потенциала для анализа стационарных и квазистационарных трехмерных магнитны) полей с учетом вихревых токов в проводящих телах на основе создания проблемно ориентированных численно-аналоговых процессоров.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
разработать принципы построения проблемно-ориентированного численно аналогового процессора как основного элемента численно-аналогового комплекса < учетом особенностей использования функции обобщенного скалярного магнитногс потенциала;
разработать способы управления и программное обеспечение, необходимы* для использования численно-аналогового комплекса на базе ЧАП в качеств* оптимальной адаптивной системы;
- сформулировать необходимые условия, устанавливающие связь иежц)
алгоритмами решения и техническими возможностями при создании численно
аналогового комплекса;
- сформулировать и обосновать условия формирования оптимальных областей і
источниками аналоговых и численных моделей, определяющих оптимальную структур;
численно-аналогового комплекса;
- на основе принципов формирования оптимальных расчетных моделей і
источниками разработать критерии оптимальности и алгоритмы решения задачі
параметрического синтеза магнитных систем;
разработать методику численно-аналогового моделирования вихревых токов проводящих массивах, используя метод комбинации переменных при разделениі области исследования на внешнюю и внутреннюю;
разработать методику и моделирующие устройства для определения вихревы: токов в тонких проводящих пластинах, оболочках произвольной конфигурации прі различной степени проявления поверхностного эффекта;
решить ряд практических задач на основе разработанных численно- аналоговы методов моделирования.
Научная новизна работы заключается в развитии методов построения проблемне ориентированных численно-аналоговых процессоров, оптимизированных на основ учета особенностей использования обобщенной функции скалярного магнитног потенциала. При этом:
изложены новые принципы формирования оптимальной структуры проблемне ориентированного численно-аналогового процессора, предназначенного для анализ стационарных и квазистационарных трехмерных электромагнитных полей использованием в качестве моделируемой функции - скалярного магнитног потенциала;
впервые предложен комплексный подход к анализу электромагнитных полей н базе проблемно-ориентированного ЧАП;
- предложена оригинальная методика моделирования вихревых токов
тонкостенных экранах, оболочках, не требующая численного решения;
- на основе развития метода скалярного магнитного потенциала применительно
трехмерным магнитным полям сформированы условия решения комплексно
шогопараметрической задачи оптимизации геометрии магнитных систем.
Практическая значимость работы. На основании разработанных теоретических оложений создан численно-аналоговый процессор, основанный на принципах ниверсальности базовой модели, предложены устройства для моделирования простых двойных слоев, вихревых токов в проводящих телах. Использование дискретно-налоговых элементов проблемно-ориентированного численно-аналогового процессо-а, осуществляющих адаптирование АП с ЭВМ, позволило существенным образом простить процедуру перестройки модели в процессе исследования, наиболее птимально учитывающую специфику решаемой задачи и интересы исследователя, езко расширить возможности аналоговых моделей, оформленных в виде ЧАК.
Эффективность использования ЧАК иллюстрируется на примерах решения рактических задач по исследованию электромагнитных процессов в электроэнерге-«ческих устройствах, проектированию магнитных систем.
Результаты разработок автора в разное время были использованы в работах іститутов: ВИТ. ВНИИЭСО, НИИПТ, ЛенГидропроект, ВНИИЭлектромаш, ИВТАН, в іучньїх исследованиях, выполненных на кафедре Теоретических основ электротехники ПбГТУ в период с 1968 г. по 1993 гг., в учебном процессе, а также при подготовке :пирантоз, стажеров и соискателей кафедры ТОЭ.
Апробация работы. Результаты исследований, выполненных автором по теме >едставленного доклада, были доложены и обсуждены: на заседаниях 2-ой секции їучного Совета АН СССР по комплексной проблеме "Научные основы электрофизики электроэнергетики", Москва, 1973, 1981 гг.; на Международных симпозиумах по еретической электротехнике, Москва, 1985 г.; Ильменау, ГДР, 1987 г.; Будапешт, ВР, І89 г.;на Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости, Нагая, юния, 1989 г.; на Международном симпозиуме по электромагнитной теории, іатислава, ЧССР, 1991 г.; на научно- технических конференциях СПбГТУ и других 'Зов, а также на заседании экспертного совета Академии электротехнических наук, эсква, 1993 г. Основное содержание вопросов, изложенных в научном докладе, убликовано: в статьях, докладах, учебных пособиях, наиболее существенные из торых приведены в конце настоящего доклада; изложено в книге "Поверхностный хрект в электроэнергетических устройствах", Л., Энергия 1983, 278 с. (авторы ~.Демирчян, В.Н.Воронин, И.Ф.Кузнецов); отражено в 4-х авторских свидетельствах, стично материал доклада изложен в 3-х учебных пособиях: "Расчет электромагнитных лей на ЦВМ", Л., ЛПИ, 1981, 63 с. (авторы В.Н.Боронин, В.Л.Чечурин); оделирование стационарных магнитных полей", Л., ЛПИ, 1982, 70 с. (авторы (.Воронин, В.Л.Чечурин); "Гибридные модели для анализа электромагнитных полей", ЛПИ, 1988, 55 с. (авторы В.Н.Боронин, В.Л.Чечурин, Н.В.Коровкин, Е.Е.Селина).
Структура доклада определена его задачами. Первый раздел содержит краткий
"орский анализ развития методов численно-аналогового моделирования, основные
щептуальные положения, связанные с построением проблемно-ориентированного
;ленно-аналогового процессора для исследования электромагнитных полей. В
:ледующих разделах рассматриваются проблемы формирования оптимальной
уктуры численно-аналогового комплекса, алгоритмы его работы и принципы
іавления, допускающие их оптимизацию; развиваются методы аналогового и
:ленного моделирования электромагнитных полей, ориентированные на решение
хмерных задач с учетом вихревых токов в проводящих телах, приводятся решения
;а практических задач по анализу электромагнитных полей в энергетических
ройствах. 5
