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基于TLM法的电气电路及电气设备电磁场的分析研究

作 者: 鲍景宽
导 师: 李凤霞
学 校: 太原理工大学
专 业: 电气工程及自动化
关键词: 传输线模型法 数值计算方法 电磁场 科学论证 参数运算 数值模拟
分类号: O441.4
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 39次
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内容摘要


自上世纪70年代Peter.B.Johns和R.L.Beurle根据电磁波的惠更斯原理提出时间空间域内电磁场的全波分析方法——传输线模型方法(Transmission Line Method,,TLM)以来,TLM方法作为电磁场数值计算方法之一,已随着计算机技术的提高获得了飞速的发展。TLM法物理过程概念清晰,便于计算机程序的实现,可用于电力系统输电线电压、电流的变化及远距离、超高压电力传输线的电磁场分析与运算,已被应用于实现高速IC特性模拟,也可用于微带线的模拟、应用TLM法求解硅铁电弧炉电磁场等,总之它可以用于数值模拟电磁波的传输、散射特性,也可以用于分析电磁场、热传导、声波等领域,而近些年来也有越来越多的人用TLM方法计算和模拟。近些年来,随着超大规模集成电路的快速发展及电力输电系统规模的不断扩大,传输线暂态响应的研究受到了众多学者的关注,国内外期刊发表了大量有关传输线研究的文章。但是传输线方程解析解的研究成果都是根据行波的物理传播规律得到的,缺乏真正可行性和科学性的论证,缺乏严密的数学推导过程,介绍这一方面的文献是少之又少,本文运用电气学和数学知识,在理论上验证了传输线模型法的正确性,推导出了一维、二维传输线模型的建立过程及参数等效计算,在建模和推导过程中可以发现传输线模型法的模型优势,同时对三维扩展型结点传输线模型法和凝缩型结点传输线模型法进行了探讨,结合各种边界处理方式的优点推导得出了三维对称超凝缩型结点传输线法(Symmetrical Super-Condensed Node Transmission Line Method,SSCN TLM)。在本文第五章将传输线模型法运用到了动态电路的求解、三相电力传输线的模拟运算以及电弧炉电磁场的计算,从中验证了TLM方法的在电气领域的应用,同时也阐述了该方法的优越性。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-20
  1.1 电磁场数值计算方法  10-14
    1.1.1 电磁场及其计算方法概述  10-11
    1.1.2 有限差分法  11-12
    1.1.3 体积分方程法  12
    1.1.4 边界积分方程法  12-13
    1.1.5 有限元法  13-14
  1.2 传输线模型法(TLM)基本概念  14-15
    1.2.1 传输线模型法的基本原理  14-15
    1.2.2 传输线模型法的优点  15
  1.3 TLM 模型法国内外研究现状及动态  15-20
    1.3.1 TLM 国外研究状况及动态  15-16
    1.3.2 TLM 国内研究现状  16-20
第二章 一维传输线模型的建立和应用  20-36
  2.1 一维TLM 方法简介  20-25
    2.1.1 一维传输线提出背景及参数介绍  20-21
    2.1.2 一维传输线原理推导及波动方程的建立  21-22
    2.1.3 传输线模型在正弦信号源下的求解  22-25
  2.2 集总元件的传输线模型  25-29
  2.3 有耗传输线的TLM 法入射反射波的推导  29-36
    2.3.1 传输线模型法的戴维南等效  29-30
    2.3.2 单向传输线模型法中电压和电流  30-36
第三章 二维传输线模型  36-56
  3.1 二维传输线模型产生背景  36-37
  3.2 理想介质的二维横向电场TE 场(串联节点的TLM 法)  37-41
  3.3 理想介质的二维横向磁场TM 场  41-44
  3.4 导电媒质中的二维电磁场  44-47
  3.5 电磁波在空间域和时间域的离散  47-49
  3.6 二维传输线模型计算  49-54
    3.6.1 理想二维串联节点模型参数的计算  49-50
    3.6.2 二维串联节点TLM 模型的戴维南等效  50-52
    3.6.3 二维 TLM 中特殊情况  52-54
  3.7 本章小结  54-56
第四章 三维TLM 模型法  56-72
  4.1 三维扩展型结点传输线模型的引入  56-57
  4.2 三维扩展型结点传输线串联结点模型  57-62
    4.2.1 扩展性结点模型的串联结点  58-59
    4.2.2 扩展性结点模型的并联结点  59-61
    4.2.3 扩展型结点传输线模型总结  61-62
  4.3 凝缩型结点传输线模型法  62-72
    4.3.1 凝缩型结点传输线模型法的提出及演化  62-64
    4.3.2 三维对称凝缩型结点传输线模型基本方程  64-67
    4.3.3 三维SCN 传输线模型参数  67-69
    4.3.4 约束方程及SSCN TLM  69-72
第五章 传输线模型法的应用及算例实现  72-90
  5.1 在动态电路中的传输线模型法  72-79
    5.1.1 一阶动态电路的求解  72-77
    5.1.2 二阶动态电路的求解  77-79
  5.2 传输线模型在电力传输线中的应用  79-84
  5.3 传输线模型法在二维电磁场中的应用  84-86
  5.4 传输线模型法在电弧炉电磁场中的应用  86-90
第六章 总结与展望  90-92
  6.1 总结  90
  6.2 对今后工作的展望  90-92
参考文献  92-96
附录  96-106
致谢  106-108
攻读硕士学位期间发表的学术论文目录  108

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 电磁学、电动力学 > 电磁学 > 电磁波与电磁场
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