【单相电能传输的建模与仿真分析案例3000字】

单相电能传输的建模与仿真分析案例1.1系统建模本文建模采用的是COMSOLMultiphysics仿真软件，COMSOL可以把多物理场的分析技术，以直观、简单的方式，呈现出来，功能十分强大。COMSOLMultiphysics给出了许多的物理接口，简称为模块。软件提供的主要模块有结构力学模块、电镀模块、声学模块、非线性模块、AC/DC模块、电池与燃料电池模块、岩土力学模块、材料库、化学反应工程模块、化学腐蚀模块等。COMSOL舍弃了以前的有限元单元库思想，从数学的变分方面为出发点，通过偏微分方程进行了物理建模求和。COMSOLMultiphysics是主要为仿真各种物理场而创作的，基于有限元分析从而建立各种的物理场模型，同时进行数值模拟计算，此外还可以把任意数目的物理应用模块联合成对一个整体的计算，是耦合建立更加简单。COMSOL软件具有高准度高精度的计算能力和特有的多物理场耦合分析的技术可以保证仿真的精确度很高32]，常用的功能有利用耦合变量对结果进行扫描、在非线性设置中求解瞬态求解器、求解时绘图、积分耦合变量、绘制探测图、停止条件等。本文使用到的是RF模块，由于本次建模的发射端的结构和接收端的结构除了电源和负载的区别其余都一致，故下文只对发射端结构的设计做出介绍，根据第二章介绍的原理构建了以下4种发射端结构：（1）结构1，无外导体结构（2）结构2，有外导体无天线臂；（3）结构3，有外导体和垂直外导体的天线臂；（4）结构4，有外导体和倾斜的天线臂，如图3-1所示。图3-1发射端结构对以上4种结构进行了仿真发现发射端为结构4的效率在这4种结构中相对最高，故我们选取结构4进行后续研究。由于其外观很像喇叭，在后续文章里称其为喇叭模型。本次模型初始设置条件为传输距离L为5m，单导线半径r为1mm，同轴外导体半径R为20mm，同轴外导体厚度d为2mm，同轴外导体长度L1为0.2m，天线臂长度I为0.425m，初始电压V为100V，介质层厚度d2为0.1mm，负载为50Ω。由于后续实验中要探究喇叭张角对效率的影响，而且喇叭天线臂的长度已确定I为0.425m，但其所在位置要随着角度而变化，故为了后续便于建模，采用了一个辅助的圆环来定位振子的角度，在圆环的基础上加一个固定长度的振子，从而定位喇叭母线相对于轴线的角度，其结构如图3-2所示。图3-2喇叭张角定位结构在定位了振子角度和其长度确定的情况下，让振子这条线以单导线为轴旋转360°即得到锥形的喇叭面，之后让已构成的结构以YZ平面做镜像翻转即得到系统整体模型。系统单线传输模型如图3-3所示。图3-3单线传输模型1.2喇叭张角特性研究本节我们在已经确定的喇叭模型上改变喇叭的张角，探究系统最佳效率对应的喇叭角度，同时探究该角度下对应的最佳频率。具体操作为，以5°为步长，从5°-85°（0°和90°为特殊结构，不再探究），在每一个角度时进行最佳频率的扫描，频率从1MHz-60MHz，每次增加1MHz进行扫描计算，以此得到最佳角度下的最佳效率。根据得到的数据绘制了频率-角度-输出功率折线图（a），频率-角度-效率的折线图（b）。如图3-4所示。功率（W）功率（W）图3-4（a）不同喇叭张角下输出功率随频率的变化折线图图3-4（b）不同喇叭张角下效率随频率的变化折线图从图3-4（a）可以看出在任意角度时输出功率随着频率的增加先上升后下降随后又上升，在角度为（45°±5°）频率在40MHz左右时达到峰值；从图3-4（b）可以看出在任意角时效率都是随着频率的上升而上升，随后达到一个峰值，在角度取45°频率在（35-37MHz）时取得最佳效率大约为74.7%；综合以上功率、效率，取喇叭张角为45°频率在（33-43MHz）进行介质层厚度对系统效率的影响。1.3介质层厚度特性研究本节在上述选定的最佳效率对应喇叭张角以及其对应的频率下，进行介质层厚度对系统传输效率的影响。具体操作为，设定喇叭张角，构建几何，对各个域进行网格剖分，再同时对介质层厚度和频率进行参数化扫描，介质层厚度选择0.1mm-2mm，步长为0.1mm，频率选择为33MHz-43MHz，步长为0.5MHz，根据计算得到的数据绘制折线图，如图3-5所示。图3-5（a）不同介质层厚度下输出功率随频率变化的折线图图3-5（a）不同介质层厚度下输出功率随频率变化的折线图从图3-5（a）可以看出任意介质层厚度下，输出功率都随着频率的增加而增加，在40MHz左右时出现最大输出功率，同时也可以看出介质层越厚，出现最大输出功率的点越提前。从图3-5（b）看出效率在特定频率带（33-43MHz）下时，介质层越厚效率越低；介质层厚度为0.1mm，频率为35.5MHz时系统取得最大效率为74.77%。综上所述，介质层为0.1mm时，频率在39MHz取得最大输出功率，在35.5MHz取得最大效率为74.77%，但本实验更加注重效率，所以下一步探究外导体长度对传输效率的影响时喇叭张角为45°，频率采用最大效率对应的35.5MHz，介质层厚度为0.1mm。1.4外导体长度对传输效率的影响本节在1.3节的基础上探究外导体长度对传输效率的影响，设定喇叭张角为45°，介质层厚度为0.1mm，频率为35.5MHz，构建几何模型，剖分网格对外导体长度进行扫描计算，外导体计算范围为0.1m-1m，步长为0.1m，根据计算的数据绘制如图3-6的折线图。（a）输出（入）功率随外导体长度变化的折线图（b）效率随外导体长度变化的折线图图3-6外导体长度的特性折线图由图3-6（a）得到，输出（输入）功率随着外导体长度的增加而增加，无最大值；从图3-6（b）得到，效率也是随着外导体长度的增加而增加，亦无最大值。综述，输出（输入）功率和效率都随着外导体长度的增加而增加，无最佳长度，在设计时传输系统时根据具体情况对待。1.5不同电导率材料对传输效率的影响本节为了探究不同电导率对传输效率的影响，在1.3节的基础上用了生活中常见的4种导体，分别为铁、铝、铜和银对系统传输效率进行探究，根据得到的数据绘制折线图，如图3-7所示。由于不同导电材料的输出（输入）功率随着频率的变化基本相似，故在此只以银的图例进行说明，图（a）为导电材料为银的时候输出（输入）功率随着频率的变化折线图，图（b）是不同导电材料时效率随着频率变化的折线图，但由于电导率非常接近，导致在二维视角下看起来只有2种导电材料，所以绘制了三维视角下的图（c）来辅助看清图（b），从图中可以看出电导率越大的导电材料同频率下效率越高，这也符合我们的专业知识。图3-7（a）银导体下功率随频率的变化折线图图3-7（b）二维视图下效率随频率的变化折线图图3-7（c）三维视图下效率随频率的变化折线图1.6单导线半径对传输效率的影响本节所做的探究属于单独的特性，不与以上研究内容发生相互影响，故设定条件为传输距离为5m，喇叭张角为45°，频率为35.5MHz，介质层厚度为0.1mm，导电材料为铜，外导体长度为0.2m。构建几何模型，剖分网格，对单导线半径进行计算，单线半径从0.1mm-0.8mm，步长为0.1mm，根据得到的数据绘制效率随着半径的折线图如下图3-8所示图3-8效率随导线半径变化的折线图从图3-8得到，系统的传输效率随着单导线半径的增加而平缓减小，到达0.6mm后急剧下降。所以在仿真中为了提高传输效率，尽量使单导线半径小一点，但是在实验的时候为了实际情况，考虑导线的机械强度等问题，导线半径不能太小。1.7传输距离对传输效率的影响本节研究传输距离与效率的关系，系统设置条件：喇叭张角45°，频率35.5MHz，介质层厚度0.1mm，同轴外导体长度0.2m，天线臂0.425m，导线半径0.1mm，同轴外导体半径20mm，同轴外导体厚度2mm，初始传输距离5m，构建几何，剖分网格，对距离为5-24m，步长为1m，不同传输距离下对应的效率进行计算。根据得到的数据进行功率