Difference between revisions of "Feladat 5"
(/* A hővezetés differenciálegyenleteSzabó I., Áramlástan, műszaki hőtan, Tankönyvkiadó, Budapest, 1973.Imre L., Villamos gépek és eszözök melegedése és hűtése - 2. Bevezetés a hőátviteli folyamatok elméletébe, Műszaki Könyvkiad...) |
|||
Line 21: | Line 21: | ||
A hallgatók elsajátítsák az elektromágneses térszámítás alapjait, főbb lépéseit, valamint gyakorlatot szerezzen az eredmények kiértékelésében a [http://www.femm.info/wiki/HomePage FEMM] vagy az [http://www.agros2d.org/ Agros2D] szoftver segítségével. Ezen túl a nemzetközi elvárásoknak megfelelő Műszaki Jelentés (Technical Report) írásában is gyakorlatot szerezzen. | A hallgatók elsajátítsák az elektromágneses térszámítás alapjait, főbb lépéseit, valamint gyakorlatot szerezzen az eredmények kiértékelésében a [http://www.femm.info/wiki/HomePage FEMM] vagy az [http://www.agros2d.org/ Agros2D] szoftver segítségével. Ezen túl a nemzetközi elvárásoknak megfelelő Műszaki Jelentés (Technical Report) írásában is gyakorlatot szerezzen. | ||
− | A feladat egy | + | A feladat egy háromfázisú kábel vezetőiben meghatározni a veszteséget és az ellenállást adott áramerősség mellett több frekvencia esetében. |
=== A feladat megoldásához szükséges ismeretek === | === A feladat megoldásához szükséges ismeretek === | ||
* A végeselem-módszer lépései; | * A végeselem-módszer lépései; | ||
− | * | + | * Az örvényáramú térre vonatkozó elméleti ismeretek (anyagok definiálásához, gerjesztés és peremfeltétel megadásához); |
* A [http://www.femm.info/wiki/HomePage FEMM] vagy [http://www.agros2d.org/ Agros2D] szoftver alapszintű kezelése. | * A [http://www.femm.info/wiki/HomePage FEMM] vagy [http://www.agros2d.org/ Agros2D] szoftver alapszintű kezelése. | ||
Line 34: | Line 34: | ||
{| class="wikitable" | {| class="wikitable" | ||
| '''Leadási határidő:''' | | '''Leadási határidő:''' | ||
− | | '''nappali''' - 2020. | + | | '''nappali''' - 2020. november 20., 23:59 / '''távoktatás''' - 2020. december 5. 23:59 |
|- | |- | ||
| '''Leadás formája:''' | | '''Leadás formája:''' | ||
Line 64: | Line 64: | ||
== Feladat I. része == | == Feladat I. része == | ||
==== Rezisztencia és veszteség számítása végeselem-módszerrel ==== | ==== Rezisztencia és veszteség számítása végeselem-módszerrel ==== | ||
− | A kapott sorszám alapján a feladat geometriájának méreteit a következő táblázatban találja: [https://docs.google.com/spreadsheets/d/ | + | A kapott sorszám alapján a feladat geometriájának méreteit a következő táblázatban találja: [https://docs.google.com/spreadsheets/d/12Mem9HXSISiKsP9Juty1ZvLWhpzoyQLcxZeNZ_d-4T0/edit?usp=sharing '''Feladat #5 méretei''']. |
− | A feladat: meghatározni az elrendezés esetében a | + | A feladat: meghatározni az elrendezés esetében a veszteséget és a rezisztenciát a három fázisvezető mindegyikében '''50 Hz''' / '''150 Hz''' / '''500 Hz''' / '''1 kHz''' frekvencia esetében.<br \> |
− | + | Az örvényáram okozta veszteség (<math>I^2\cdot R</math>) időtartományban: | |
− | <math> | + | <math>P_{\text{ec}} = \frac{1}{T}\int_{0}^{T}\int_{\Omega}\sigma\cdot|\vec{E}|^2~\text{d}\Omega~\text{d}t</math>, |
− | + | aminek frekvenciatartományban, egy periódusra vett átlaga: | |
− | + | ||
− | <math> | + | <math>P_{\text{ec}} = \frac{1}{2}\int_{\Omega}\text{Re}\Big\{\sigma\vec{E}\cdot\vec{E}^{*}\Big\}\text{d}\Omega</math>. |
+ | |||
+ | A vezető rezisztenciája meghatározható az így kapott örvényáram-veszteséget behelyettesítve az ellenállás képletbe: | ||
− | + | <math>R = \frac{2\cdot P_{\text{ec}}}{I^2}</math>, | |
− | + | ahol <math>P_{\text{ec}}</math> az örvényáram okozta veszteség, <math>I</math> az áramerősség, <math>R</math> a rezisztencia. | |
− | + | ''A <math>z-</math>irányú hossza a feladatnak minden esetben <math>1\,\text{m}</math> legyen és a szigetelő (PVC) vastagsága <math>4,2\,\text{mm}</math>. A fázisok áramai között a fáziseltérés 120 fok.'' | |
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
'''Elvégzendő feladatok''' | '''Elvégzendő feladatok''' | ||
Line 96: | Line 88: | ||
* Az anyagtulajdonságok, a gerjesztés és a peremfeltételek megadása; | * Az anyagtulajdonságok, a gerjesztés és a peremfeltételek megadása; | ||
* A FEM szimuláció futtatása; | * A FEM szimuláció futtatása; | ||
− | * Az eredmények kiértékelése, ha a <math>z-</math>irányú | + | * Az eredmények kiértékelése, ha a <math>z-</math>irányú hossz egységnyi (<math>1\,\text{m}</math>). |
− | A [https://docs.google.com/spreadsheets/d/ | + | '''Szabadon eldönthető a fázisok gerjesztése!''' |
+ | |||
+ | A [https://docs.google.com/spreadsheets/d/12Mem9HXSISiKsP9Juty1ZvLWhpzoyQLcxZeNZ_d-4T0/edit?usp=sharing táblázatban] található méretek jelentését az alábbi ábrák mutatják. A táblázatban a 2. oszlop jelöli a változat számát. | ||
Line 104: | Line 98: | ||
|- | |- | ||
| align=center | | | align=center | | ||
− | [[File:01 | + | [[File:01 Feladat04 Busbar.png|350px]] |
| align=center | | | align=center | | ||
− | [[File:02 | + | [[File:02 Feladat04 Busbar.png|350px]] |
|- | |- | ||
− | |align=center | <span style="font-size:88%;">'''Feladat # | + | |align=center | <span style="font-size:88%;">'''Feladat #4 - 1. változat.'''</span> |
− | |align=center | <span style="font-size:88%;">'''Feladat # | + | |align=center | <span style="font-size:88%;">'''Feladat #4 - 2. változat.'''</span> |
|- | |- | ||
| align=center | | | align=center | | ||
− | [[File:03 | + | [[File:03 Feladat04 Busbar.png|350px]] |
| align=center | | | align=center | | ||
− | [[File:04 | + | [[File:04 Feladat04 CrossSection.png|350px]] |
|- | |- | ||
− | |align=center | <span style="font-size:88%;">'''Feladat # | + | |align=center | <span style="font-size:88%;">'''Feladat #4 - 3. változat.'''</span> |
− | |align=center | <span style="font-size:88%;">'''Feladat # | + | |align=center | <span style="font-size:88%;">'''Feladat #4 - keresztmetszet.'''</span> |
|} | |} | ||
==== Szoftverek használatának bemutatása ==== | ==== Szoftverek használatának bemutatása ==== | ||
− | Az 1. ábrán látható feladat megoldásán keresztül röviden bemutatom az előadáson és az önálló feladat során használandó szoftvereket. A feladathoz készült videók segítségével elsajátítható a feladat beállítása | + | Az 1. ábrán látható feladat megoldásán keresztül röviden bemutatom az előadáson és az önálló feladat során használandó szoftvereket. A feladathoz készült videók segítségével elsajátítható a feladat beállítása, az anyagtulajdonságok, a peremfeltételek és a gerjesztés megadása. Majd a megoldást követően a térváltozók megjelenítése és a feladathoz kapcsolódó számítandó mennyiségek meghatározása. A feladatban az áramerősség <math>400~\text{A}</math>. |
− | A mintdapéldához nincs a levegő berajzolva. Ennek méretei a videókban megtalálhatóak, de akár gyakorlásképpen ellenőrizhető, hogyan befolyásolja a kapacitás értékét (az eredményt) a lezárás mérete. | + | A mintdapéldához nincs a levegő berajzolva. Ennek méretei a videókban megtalálhatóak, de akár gyakorlásképpen ellenőrizhető, hogyan befolyásolja a kapacitás értékét (az eredményt) a lezárás mérete. A fázisok elnevezése balról jobbra haladva <math>L_1</math> (bal oldali), <math>L_2</math> (középső), <math>L_3</math> (jobb oldali). |
{| width=100% | {| width=100% | ||
|- | |- | ||
| align=center | | | align=center | | ||
− | [[Image:05 | + | [[Image:05 Feladat04 Example.png|400px]] |
|- | |- | ||
− | |align=center | <span style="font-size:88%;>''' ''Ábra 1.'' - A mintapélda és geometriai méretei.'''</span> | + | |align=center | <span style="font-size:88%;>''' ''Ábra 1.'' - A mintapélda és geometriai méretei (''A méretek mm-ben értendőek.'').'''</span> |
|} | |} | ||
{| class="wikitable" style="text-align: center; width: 1000px; height: 80px;" | {| class="wikitable" style="text-align: center; width: 1000px; height: 80px;" | ||
− | |+ Az eredmények összehasonlítása. | + | |+ Az eredmények összehasonlítása 1 kHz esetében. |
− | ! Szoftver | + | ! colspan="2"| Szoftver |
! FEMM | ! FEMM | ||
! Agros2D | ! Agros2D | ||
! Maxwell 2D | ! Maxwell 2D | ||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
|- | |- | ||
− | ! | + | ! rowspan="3"| Veszteség [<math>\text{W}</math>] |
− | | | + | ! L1 |
+ | | 7,76 || 7,77 || 7,93 | ||
+ | |- | ||
+ | ! L2 | ||
+ | | 9,84 || 9,89 || 10,41 | ||
+ | |- | ||
+ | ! L3 | ||
+ | | 7,81 || 7,83 || 8,01 | ||
+ | |- | ||
+ | ! rowspan="3"| Rezisztencia [<math>\mu\Omega</math>] | ||
+ | ! L1 | ||
+ | | 97,0 || 97,125 || 98,08 | ||
|- | |- | ||
− | ! | + | ! L2 |
− | | | + | | 123,0 || 123,625 || 125,26 |
|- | |- | ||
− | ! | + | ! L3 |
− | | | + | | 97,625 || 97,875 || 98,08 |
|} | |} | ||
Line 158: | Line 159: | ||
* [ Agros2D] | * [ Agros2D] | ||
* [ Ansys Maxwell 2D] | * [ Ansys Maxwell 2D] | ||
− | |||
− | |||
==== A hővezetés differenciálegyenlete<ref>Szabó I., Áramlástan, műszaki hőtan, Tankönyvkiadó, Budapest, 1973.</ref><ref>Imre L., Villamos gépek és eszözök melegedése és hűtése - 2. Bevezetés a hőátviteli folyamatok elméletébe, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1982.</ref> ==== | ==== A hővezetés differenciálegyenlete<ref>Szabó I., Áramlástan, műszaki hőtan, Tankönyvkiadó, Budapest, 1973.</ref><ref>Imre L., Villamos gépek és eszözök melegedése és hűtése - 2. Bevezetés a hőátviteli folyamatok elméletébe, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1982.</ref> ==== |
Revision as of 13:01, 22 October 2020
Feladat #5 - Stacionárius hőáramlás | ||
Oktató
|
További oktatók:
|
A feladat célja
A hallgatók elsajátítsák az elektromágneses térszámítás alapjait, főbb lépéseit, valamint gyakorlatot szerezzen az eredmények kiértékelésében a FEMM vagy az Agros2D szoftver segítségével. Ezen túl a nemzetközi elvárásoknak megfelelő Műszaki Jelentés (Technical Report) írásában is gyakorlatot szerezzen.
A feladat egy háromfázisú kábel vezetőiben meghatározni a veszteséget és az ellenállást adott áramerősség mellett több frekvencia esetében.
A feladat megoldásához szükséges ismeretek
- A végeselem-módszer lépései;
- Az örvényáramú térre vonatkozó elméleti ismeretek (anyagok definiálásához, gerjesztés és peremfeltétel megadásához);
- A FEMM vagy Agros2D szoftver alapszintű kezelése.
A feladat
A feladat két részből áll, a szimulációból és az összefoglaló elkészítéséből.
Leadási határidő: | nappali - 2020. november 20., 23:59 / távoktatás - 2020. december 5. 23:59 |
Leadás formája: | A szimulációs fájlt (FEMM - *.feh; Agros2D - *.a2d) tömörítve (.zip formátumban). Az összefoglalót PDF formátumban. A színes ábrákat úgy kell elkészíteni, hogy fekete-fehérben kinyomtatva is világos legyen a tartalmuk az olvasó számára. |
Benyújtás nyelve: | Magyar |
Benyújtás helye: | A Moodle rendszerben kiírt feladatnál. |
Késői benyújtás: | Minden megkezdett nap után 5% levonás az elért eredményből (azaz pl. 5 nap késés után 100%-os leadandóra már csak max. 100% - 5x5% = 75%-ot lehet szerezni). |
Értékelés: | 0 – 50% - Elégtelen (1) |
51 – 60% - Elégséges (2) | |
61 – 70% - Közepes (3) | |
71 – 85% - Jó (4) | |
86 – 100% - Jeles (5) | |
A formai követelmények tekintetében az alábbi linken elérhető útmutatót/sablont kell használni. |
Feladat I. része
Rezisztencia és veszteség számítása végeselem-módszerrel
A kapott sorszám alapján a feladat geometriájának méreteit a következő táblázatban találja: Feladat #5 méretei.
A feladat: meghatározni az elrendezés esetében a veszteséget és a rezisztenciát a három fázisvezető mindegyikében 50 Hz / 150 Hz / 500 Hz / 1 kHz frekvencia esetében.
Az örvényáram okozta veszteség (I2⋅R
Pec=1T∫T0∫Ωσ⋅|→E|2 dΩ dt
aminek frekvenciatartományban, egy periódusra vett átlaga:
Pec=12∫ΩRe{σ→E⋅→E∗}dΩ
A vezető rezisztenciája meghatározható az így kapott örvényáram-veszteséget behelyettesítve az ellenállás képletbe:
R=2⋅PecI2
ahol Pec
A z−
Elvégzendő feladatok
- A megadott paraméterek alapján elkészíteni a síkbeli (planar) feladat geometriáját a FEMM vagy Agros2D szoftverek valamelyikében;
- Az anyagtulajdonságok, a gerjesztés és a peremfeltételek megadása;
- A FEM szimuláció futtatása;
- Az eredmények kiértékelése, ha a z−irányú hossz egységnyi (1m).
Szabadon eldönthető a fázisok gerjesztése!
A táblázatban található méretek jelentését az alábbi ábrák mutatják. A táblázatban a 2. oszlop jelöli a változat számát.
Feladat #4 - 1. változat. | Feladat #4 - 2. változat. |
Feladat #4 - 3. változat. | Feladat #4 - keresztmetszet. |
Szoftverek használatának bemutatása
Az 1. ábrán látható feladat megoldásán keresztül röviden bemutatom az előadáson és az önálló feladat során használandó szoftvereket. A feladathoz készült videók segítségével elsajátítható a feladat beállítása, az anyagtulajdonságok, a peremfeltételek és a gerjesztés megadása. Majd a megoldást követően a térváltozók megjelenítése és a feladathoz kapcsolódó számítandó mennyiségek meghatározása. A feladatban az áramerősség 400 A
A mintdapéldához nincs a levegő berajzolva. Ennek méretei a videókban megtalálhatóak, de akár gyakorlásképpen ellenőrizhető, hogyan befolyásolja a kapacitás értékét (az eredményt) a lezárás mérete. A fázisok elnevezése balról jobbra haladva L1
Ábra 1. - A mintapélda és geometriai méretei (A méretek mm-ben értendőek.). |
Szoftver | FEMM | Agros2D | Maxwell 2D | |
---|---|---|---|---|
Veszteség [W ]
|
L1 | 7,76 | 7,77 | 7,93 |
L2 | 9,84 | 9,89 | 10,41 | |
L3 | 7,81 | 7,83 | 8,01 | |
Rezisztencia [μΩ ]
|
L1 | 97,0 | 97,125 | 98,08 |
L2 | 123,0 | 123,625 | 125,26 | |
L3 | 97,625 | 97,875 | 98,08 |
Videók a szoftverek használatához
- [ FEMM]
- [ Agros2D]
- [ Ansys Maxwell 2D]
A hővezetés differenciálegyenlete[1][2]
A hővezetés általános differenciálegyenletéhez az energimegmaradás tételét a hővezetés jelenségére alkalmazva jutunk.
Vizsgáljuk egy V
m=∫Vρ dV
ahol ρ
A tömeg hőmérsékletének dT
dT=∂T∂τ dτ
egy helyfüggő érték. A felmelegítéshez szükséges hőmennyiség
dQ=dτ∫Vc⋅ρ⋅∂T∂τ dV
ahol c
A közölt hőmennyiség származhat a vizsgált térrészen belül elhelyezkedő hőforrásból (dQ1
dQ=dQ1+dQ2
Hőforrásként jelentkezhet a közegben például az elektromos áram hőhatása. A hőforráseloszlás (qV
dQ1=dτ∫VqV dV
A V
dQ2=−dτ∫S→q d→S
ahol →q
A hőmérsékletek azonosságát kifejező egyenletbe helyettesítve:
dτ∫Vc⋅ρ⋅∂T∂τ dV=dτ∫VqV dV−dτ∫S→q d→S
Ez az összefüggés azt mutatja, hogy az S
A Gauss-Osztrogradszkij tétel értelmében a jobb oldal második tagja átalakítható:
∫S→q d→S=∫V∇⋅→q dV
amit visszahelyettesítve és átrendezve a következő egyenletre vezet:
dτ∫Vc⋅ρ⋅∂T∂τ dV=dτ∫VqV dV−dτ∫V∇⋅→q dV→dτ∫V(c⋅ρ⋅∂T∂τ−qV+∇⋅→q) dV=0
Figyelembe véve azt, hogy az integrál zérus értéke az integrandusz zérus voltát jelenti, tehát
c⋅ρ⋅∂T∂τ−qV+∇⋅→q=0
Egy szilárd testben, amelyben a hő kizárólag vezetés útján terjed, a →q
→q=λ⋅(−∇ T)=−λ⋅∇ T
Ezt az összefüggést felhasználva a hővezetés általános differenciálegyenlete:
−∇(λ⋅∇ T)+c⋅ρ⋅∂T∂τ=qV
További egyszerűsítést jelent az esetünkben, hogy stacionárius hőáramlásról van szó, azaz nincs időbeli változás
−∇(λ⋅∇ T)=qV
A feladatmegoldás során ezt a Poisson-egyenletet oldjuk meg, ahol qV
Feladat II. része
A műszaki jelentés elkészítése és leadása a Moodle rendszerben PDF formátumban.
A műszaki jelentés a következő linken elérhető: Word; PDF.