Utilizarea Tehnicilor Informatice Moderne In Rezolvarea Problemelor Specifice Ingineriei Electrice

CUPRINS

CAPITOLUL I.

INSTRUMENTE SOFTWARE SPECIFICE INGINERIEI ELECTRICE

I.1. Invățământul și software-ul cu specific tehnic

Odată cu dezvoltarea Internetului și a Telecomunicațiilor modul de predare și învățare se schimbă radical. Procesul de învățare începe să treacă dincolo de sala de clasă, să trimită munca spre activităti independente ale studentului, spre domiciliu și să cuprindă discipline și tehnologii complexe [1].

În învățământul de astăzi se insistă la trecerea de la training la learning aceasta însemnă că actul învățării este plasat înaintea celui al predării, iar studentul este situat în centrul procesului de învățământ. Obiectivele principale ale învățământului modern se concentrează pe îmbunătățirea proceselor de predare – învățare aplicând tehnologiile multimedia.

Cu ajutorul tehnologiilor multimedia, dezvoltate din ce în ce mai mult, putem realiza cursuri, prezentări complexe, sugestive care pot fi ușor de înțeles, de urmărit și de învățat. Aceste tehnologii moderne schimbă lumea din jurul nostru. Odată cu folosirea constantă și eficientă a acestor tehnologii în procesul de predare și explicare, studenții vor dobândi abilități importante în domeniu.

Cadrul didactic, care folosește tehnicile moderne de predare cu ajutorul metodelor multimedia, trebuie să creeze un mediu adecvat pentru pregătirea unor activități de predare. Este important ca toți profesorii să fie pregătiți să desfășoare activități cu elevii sau studenții lor, în care să utilizeze tehnologiile multimedia care să sprijine activitățile de învățare ale acestora, să-i facă pe elevi/studenți să beneficieze de avantajele pe care le poate oferi multimedia.

Cursurile software educaționale pentru diverse discipline pot fi create cu ajutorul Internet-ului, a aplicațiilor și a programelor de elaborare a produselor Web și a aplicațiilor speciale de grafică pe calculator.

Învățământul bazat pe tehnicile multimedia reprezintă o formă atractivă și eficientă de învățare, formare și de informare. Avantajul pe care îl prezintă acesta este acela că studentul poate să-și aleagă cum și ce să învețe, când și cât să învețe, respectiv ordinea învățării și metoda prin care să facă acest lucru [1], [2].

Astăzi profesorii care integrează tehnologia IT&C în procesul de educație ajută studenții să-și dezvolte competențele de gândire și învățare, studenții se simt provocați și învață mai bine, devenind astfel responsabili de propriul lor proces de învățare.

Cel mai important rol în procesul de învățare îl are profesorul care deține abilități de operare pe calculator, deoarece indiferent de dificultățile care pot apărea, un profesor care utilizează tehnologiile noi la clasă poate obține rezultate superioare în procesul instructiv – educativ.

Există situații când și studenții pot fi implicați în realizarea conținutului educațional, iar avantajele sunt: satisfacția unei aplicații implementate, formarea abilităților necesare lucrului în echipă, dezvoltarea spiritului de competiție cât și premiile, în general obținute la diversele concursuri. Studenții trebuie îndrumați și încurajați în acest sens.

1.2. Soft-ul educațional

Calculatorul este util în predarea tuturor disciplinelor din sistemul nostru de învățământ, măcar din punctul de vedere al prezentării unor imagini (în cazul disciplinelor cum ar fi: istoria, filosofia), sunete, expresii (în cazul unor discipline precum limbile străine), formule matematice, relații etc. Chiar și așa, cu toate avantajele oferite de calculator și tehnicicle multimedia exixtente, computerul este folosit încă destul de puțin în munca de predare a profesorilor la alte discipline, decât cele informatice.

Programele software dedicate fiecărei discipline în parte sunt diferite, deoarece domeniile educației în zilele noastre sunt foarte variate [1].

Programele pe calculator create pentru scopuri educaționale și care ușurează procesul de transmitere și însușire a cunoștințelor poartă denumirea si de softuri educaționale. Un soft educațional de calitate atrage prin calitatea prezentării, prin atenția cu care a fost realizat, și asigură informațiile necesare si suficiente pentru o anumită temă, asigură interacțiunea dintre utilizator și calculator, și se adaptează în funcție de caracteristicile utilizatorului [2].

Câteva tipuri de programe software întâlnite în activitățile de predare-învățare și evaluare:

– Programele interactive: acestea permit însușirea de cunoștințe noi și creează un dialog între computer și student asemănător cu cel dintre student și profesor. Aceste programe se mai numesc și „tutoriale”. În utilizarea acestor soft-uri utilizatorul poate parcurge pas cu pas aplicația până la descoperirea și însușirea cunoștințelor necesare sau mai există și varianta ca utilizatorul să își selecteze singur informațiile și rezultatele pe care dorește să le asimileze ținând cont de nivelul de cunoștințe proprii, de dorințele acestuia, dar și de stilul propriu de învățare și cunoaștere.

– Programe software de modelare și simulare a unor fenomene de câmp electromagnetic sau a unor obiecte fizice reale prin intermediul aplicațiilor pe calculator. Studentul utilizează acest fel de aplicații, sau programe pentru a observa fenomenul studiat, cu precizarea că acesta poate interveni asupra unor parametri de material sau de sistem și de-a descoperi modul în care unele mărimi electrice și/sau magnetice se modifică.

– Programele sub forma jocurilor didactice pot fi utile în dobândirea unor deprinderi corecte de utilizare a echipamentelor de calcul.

– Soft-urile pentru testarea cunoștințelor – acestea pot fi create independent, sau pot face parte dintr-un set complex deaplicații avand rol de instruire. Acestea se prezintă sub forma unor teste care pot fi completate direct pe calculator, și care vor fi evaluate imediat după ce procesul de completare s-a terminat.

Din clasificarea de mai sus se observă varietatea de aplicații cu caracter instructiv-educativ, activitate în care este utilă și necesară folosirea computerului ca mijloc de predare și învățare.

Este important să se observe diferența dintre un soft educațional, care înglobează și anumite valențe pedagogice și un soft de prezentare care redă doar anumite cunoștințe cum ar fi de exemplu, sistemul Help din orice program.

1.3. Instrumentele software specifice ingineriei electrice

Din punctul de vedere al cercetării și al educației, instrumentele software folosite pentru simularea circuitelor și instalațiilor din domeniul microundelor pun în evidență trăsăturile și aspectele de bază cu privire la realizarea și proiectarea acestora. Astfel că, instrumentele software sunt realizate încât să satisfacă cerințele din cercetare precum și cele din procesul universitar de predare. Aceste simulări 3D sunt considerate a fi foarte importante pentru o mai bună înțelegere a modelelor de circuit și a limitelor lor, așa cum sunt predate în cadrul programelor de inginerie.

Dacă ne referim la ingineria modernă, teoria microundelor pune în discuție mai multe chestiuni specifice. De cele mai multe ori materialul ce trebuie predat în procesul de învățământ este foarte vast, necesită timp foarte mult, în consecință, se impune folosirea instrumentelor software aferente pentru a se ilustra simularea circuitului/instalației de microunde cât mai ușor posibil. Mai mult, studenții devin mult mai interesați de rezultate direct vizibile, cu privire la simularea unor situații în practică, astfel că aceștia trebuiesc încurajați să exerseze simulări computerizate în cadrul temelor sau proiectelor lor de cercetare. [1], [2].

Atâta timp cât tindem și pretindem un învățământ centrat pe student, ritmul de studiu pentru o educație de calitate și continuă, este un sistem asincron, eficiența structurii programei de studiu trebuie să se bazeze pe cursuri cât mai atractive și intersante, cursurile putând fi restructurate în module construite în jurul conceptelor de bază care prin conexiunile lor reflectă ritmul logic de dezvoltare a cunoașterii în domeniul disciplinei de studiu [3].

Instrumentele software sunt indispensabile în ingineria electrică și cu precădere în ingineria microundelor unde fenomenele sunt mai greu de imaginat și de testat, astfel încât cursurile aferente ar trebui să includă în procesul de învățare designul și simularea computerizată. [1]

Odată cu revoluționarea accesului la internet prin sistemul wireless posibil în mare parte datorită tehnologiilor radiocelulare, aplicațiile microwave au ajuns să domine industria globală. Costurile și capacitatea de producție au o mai puternică influență în interiorul ingineriei microundelor. Costul contra performanță va fi mereu un compromis în orice proiect din inginerie, totuși ponderea coeficienților s-a schimbat. Prin urmare, cercetătorii și specialiștii în microunde se bazează pe instrumente de software pentru Ingineria Asistată de Calculator (CAE- Computer-Assited Engineering) sau Proiectare Asistată de Calculator (CAD – Computer-Aided Design). Astfel, instrumentele software ar trebui considerate anexe pentru cursurile de microunde cuprinse în manualele tradiționale.

1.4. Importanța instrumentelor software la proiectarea echipamentelor electrotermice

În general, orice proiectare care presupune folosirea calculatorului poate fi numită CAD. În ultima perioadă, s-au făcut progrese extraordinare pe partea CAD din domeniul radio-frecvenței (RF)/ Circuitele cu microunde (MW), în speță în cazul simulărilor electromagnetice bialternante (EM). Acestea au fost implementate atât în software-ul comercial cât și în cel specific intern și sunt aplicate la simularea microundelor, modelare, proiectare și validare. Progresele în acest domeniu sunt în mod sigur stimulate de puterea în continuă creștere a calculatorului astăzi.

În general, la proiectarea și realizarea unui produs, pe lângă investiția în utilajele de lucru, în materiale și mâna de lucru, costul producției este afectat cel mai mult. Cheltuielile în muncă le includ pe cele legate de proiectare, fabricare, testare și reglaj. Aici costurile pentru proiectare și reglaj pot fi mult reduse folosind CAD care poate asigura o proiectare mai precisă cu mai puține repetiții de proiectare, ducând la soluții în proiectare care nu mai au nevoie de nici o verificare [4]. Astfel că este necesară existența unui element stimulator de tip CAD în procesul de producției ieftină și mare.

Mai mult computerul a revoluționat și felul în care proiectăm echipamentele cu microunde și a redus dificultățile de calcul. Orice abordare a proiectării microundelor trebuie să țină seama de strategiile asistate de calculator care au devenit eficiente în ce privește reglajul în timp real, analiza statistică, analiza preciziei și optimizarea. Acum devine posibil a se optimiza caracteristicile dorite și individualizate ținând cont în același timp de pierderi, paraziți și discontinuități.

Simulatoarele de echipamente moderne se compun din câteva trăsături de bază: descrierile echipamentului pot fi salvate, reactivate și reeditate, simularea este precisă, iar procesul are caracter general, adică dacă utilizatorul poate descrie rețeaua, simulatorul poate estima un răspuns.

Circuitele cu microunde sunt rezolvabile cu produsele SPICE ce utilizează în primul rând ecuații cu formă închisă pentru a calcula răspunsul domeniului de frecvență. Produsele SPICE rezolvă ecuații diferențiale non-liniare pentru o rețea folosind tehnici iterative deoarece o soluție cu formă închisă este necunoscută.

Dezavantajele simulării SPICE devin mai mari odată cu creșterea frecvenței. De asemenea, datele domeniului temporar deseori îi interesează mai puțin pe inginerii care se ocupă cu frecvențe mai înalte din cauza dificultății cu care se măsoară tensiuni la frecvențele înalte.

Ingineria asistată de calculator (CAE) și proiectarea asistată de calculator (CAD) inițial au fost acceptate în aria proiectării circuitului liniar, de semnal mic RF/MW. Conștienți de costuri, piața de consum a forțat integrarea produselor pe scară foarte mare iar instrumentele CAD trebuind să facă față unei game mai largi de nevoi ale utilizatorului. Din ce în ce mai mulți ingineri au devenit generaliști în loc să se specializeze în domenii mai restrânse și astfel își doresc programele integrate în CAD care să acopere toate nevoile lor.

În anii 90’, au fost perfecționate mai multe simulatoare de circuit: Advanced Design Systems (ADS) de la Agilent Technologies (Hewlett Packard), Ansoft Designer de la Ansoft, Microwave Office (MWO) de la Applied Wave Research, IE3D de la Zeland Software și Genesis de la Eagleware (Agilent) [4].

Forma învechită, când inginerii de circuit făceau proiectarea de nivel schematic și îl dădeau pe mâna specialiștilor în configurație, a început treptat să fie înlocuită cu o nouă formă, unde inginerul de circuit are control total asupra circuitului de la stadiul incipient până la realizarea prototipului și la verificare. Ca urmare, în loc de a asista la realizarea unor prototipuri fizice repetitive care consumă timp și bani (uneori durează și luni de zile), ciclurile se produc în computere în câteva zile.

CAPITOLUL II

MODULE SOFTWARE SPECIFICE INGINERIEI ELECTRICE

Există un număr considerabil de pachete software, (OrCAD, PSpice, HFSS, FLUX 2D, FLUX 3D, AUTOCAD, MATLab, LabVIEW etc), pentru diversele tipuri de sisteme CAD/CAM. Fiecare soft are puterea și specificul lui și este destinat unei anumite piețe și unui anumit grup de utilizatori.

Softurile profesionale pot fi categorisite după domeniile lor de aplicație în softuri mecanice, electrice și arhitecturale, pentru utilizatorii din domeniile respective. Dacă un soft existent se folosește pe sisteme diverse, rezultă că acesta are o structură generică și module comune. Cunoașterea unor asemenea structuri și module, permite utilizatorilor o mai bună înțelegere a funcționării sistemului, în scopul evaluării și instruirii. [4]

Prin modelarea obiectului de conceput se înțelege studiul mărimilor fizice specifice și al modelelor matematice caracteristice. Cunoașterea câmpului electric sau magnetic în orice dispozitiv electrotehnic permite accesul la calculul performanțelor globale în orice regim de funcționare.

Modelele utilizate pentru simularea funcționării dispozitivelor electrotehnice sunt descrise de ecuații cu derivate parțiale în domenii, adesea cu geometrie foarte complexă. Metodele numerice de calcul, singurele disponibile în astfel de situații, fac apel la tehnici de discretizare a domeniilor de calcul. Operația de modelare, a câmpurilor care, face apel la metode numerice de integrare a ecuațiilor se numește modelare numerică. Ecuațiile cu derivate parțiale se transformă prin modelare numerică în sisteme de ecuații algebrice, a căror soluție furnizează o aproximație a câmpului într-un număr discret de puncte ale domeniului de calcul.

II.1. Sistemul de operare

Modulul sistemului de operare furnizează utilizatorului comenzi utilitare și de sistem, în conturile de lucru ale acestuia. Funcții tipice, precum manipulările fișierelor (ștergere, copiere, redenumire etc.), directoarelor și subdirectoarelor, editarea textelor, programarea și organizarea conturilor, sunt suportate de către sistemul de operare. Fișierele care sunt generate într-un cont al utilizatorului, de către sistemul de operare, pot fi clasificate în două grupuri. Primul grup include toate fișierele convenționale (fișiere text) iar al doilea grup include fișierele grafice.

Datorită diferenței dintre sistemul de operare și funcțiile de grafică, într-un sistem CAD/CAM, utilizatorului îi sunt disponibile două niveluri. Acestea sunt nivelul sistemului de operare și nivelul grafic. Utilizatorul poate apela cu ușurință un nivel din cel curent. Software-ul furnizează, de obicei, utilizatorilor o comandă sau o procedură de a merge înainte sau înapoi între două niveluri, pentru a realiza flexibilitatea maximă și pentru a crește productivitatea utilizatorului.

II.2. Modulul grafic

Acest modul oferă utilizatorilor posibilitatea de-a modela și construi forme geometrice, de-a editarea și manipula geometrii existente. Programele de proiectare asistată de calculator, furnizează o serie de comenzi de vizualizare 2D și 3D a obiectelor proiectate. Aceste comenzi sunt necesare la obținerea proiecțiilor plane, a proiecțiilor izometrice și la realizarea unor imagini realiste, prin utilizarea funcțiilor de eliminare a părților ascunse, de umbrire, texturare și plasare a surselor de lumină. Aceste facilități dau un aspect realist, fotografic, obiectului modelat.

II.3. Modulul aplicațiilor

Acest modul diferă de la un software la altul. Cu toate acestea, există aplicații comune regăsite în cele mai multe pachete de CAD. Creerea unui model geometric pentru un echipament reprezintă o modalitate și nu un scop pentru ingineri.

Structura unui software de modelare numerică.

Modulul FLUX 2D 4

Tratarea numerică a unei probleme caracterizată de ecuații cu derivate parțiale parcurge următoarele trei etape succesive:

Descrierea problemei: geometrie, proprietăți fizice, divizarea domeniului de calcul, asocierea proprietăților fizice pentru materiale;

Dezvoltarea metodei numerice de simulare (MDF, MEF);

Verificarea, vizualizarea și interpretarea rezultatelor simulării.

Aceste etape corespund structurii naturale a softului în trei procesoare:

procesorul de introducere a datelor (preprocesorul);

procesorul de calcul;

procesorul de extragere a rezultatelor (postprocesorul).

Descrierea geometriei unui domeniu de calcul și discretizarea cu elemente finite este asigurată de către preprocesorul geometric PREFLU. Discretizarea domeniului de calcul reprezintă trecerea de la mediul continuu la mediul discret, ea fiind strâns legată de metoda utilizată pentru aproximarea ecuațiilor cu derivate parțiale. Relativa ușurință a discretizării în elemente finite și marea generalitate a procedurilor numerice asociate fac ca această metodă să fie foarte utilizată în softurile CAD. Pentru a se realiza o cât mai bună discretizare a modelului considerat trebuie să fie îndeplinite următoarele condiții mai importante:

densitatea elementelor trebuie să fie cât mai mare în zonele unde fenomenul este mai intens (mai accentuat);

elementele trebuie să fie suficient de regulate ca formă geometrică.

În general discretizarea frontierelor domeniului o poate face utilizatorul. Sarcina divizorului automat (cu care este prevăzut programul) este aceea de a propaga automat divizarea către interiorul domeniului, respectând densitățile alese.

Descrierea proprietăților fizice presupune identificarea și atribuirea diferitelor regiuni din domeniul de calcul a caracteristicilor de material, a surselor de excitație a câmpului și a condițiilor de frontieră.

Descrierea caracteristicilor fizice se realizează prin modulele CSLMAT, utilizat pentru gestionarea bazei de materiale și PROPHY, MODPRO utilizate pentru asocierea respectiv modificarea proprietăților fizice ale materialelor, descrierea surselor și stabilirea condițiilor de frontieră.

Procesorul de calcul SOLVER asigură o rezolvare interactivă a problemei.

Procesorul POSTPRO permite analiza și procesarea rezultatelor, precum și extragerea informațiilor semnificative referitoare la mărimile locale sau globale și prezentarea sintetică a informațiilor numerice sub formă grafică în scopul interpretării lor.

Modulul MATLAB [6]

Matlab este un pachet de programe dedicat calculului numeric și reprezentărilor grafice în domeniul științei și ingineriei. Elementul de bază cu care operează MATLAB-ul este matricea, fără a fi necesară programarea tradițională.

Dintre resursele de calcul și reprezentarea grafică ale MATLAB-ului se menționează următoarele:

operații matematice fundamentale;

algebră liniară și funcții matriciale;

analiza datelor și transformatele Fourier;

analiza numerică neliniară;

reprezentarea graficelor în 2D și 3D.

De asemenea MATLAB-ul, include aplicații specifice care dezvoltă mediul de programare de la o versiune la alta, pentru a rezolva probleme din domenii variate, numite TOOLBOX-uri, (Signal processing; Image processing; Statistics; Neural network; Contro sistem design; Optimisation; Power sistem control; Spline).

Programul OrCAD

Pachetul de programe OrCAD, 4, cuprinde mai multe module, cu funcționare relativ independente, pentru proiectarea circuitelor electronice, începând cu desenarea schemei, realizarea cablajului, verificarea funcționării corecte a circuitului și programe asociate (de legătură și utilitare).

Programul PSpice este un program folosit pentru simularea circuitelor electrice analogice, dar și numerice, cu aplicații utile în electrotehnică, electronică și automatică. Acest program are multe variante comerciale, ca de exemplu: PSpice, HSpice, ISpice, etc.

Figura. 2.1. Imagine de circuit realizat cu softul Pspice

Figura. 2.2. Imagine cu rezultate, extrasă din softul PSpice

Noțiunile ce stau la baza analizei unui circuit electric impun cunoștințe de circuite electronice, însușirea comportării componentelor electronice și evident cunoașterea legilor circuitelor electronice. Dacă utilizatorul are un circuit al cărui mod de funcționare o cunoaște principial și dorește să-l simuleze pentru a afla detalii de funcționare, acest fapt este suficient pentru a înțelege programul PSpice.

Programul PSpice ajută utilizatorul să simuleze circuite electrice înainte de a le construi. Acesta permite proiectantului să decidă ce schimbări sunt necesare, fără a atinge un echipament fizic. Există deci posibilitatea de-a verifica dacă circuitul electric proiectat funcționează corect, înainte de-a fi executat.

Programul Ansoft HFSS, 5

Este un pachet de software interactiv ce permite caracterizarea efectelor de radiație și asupra undelor, electromagnetice, pentru structuri pasive de transmisie la frecvență înaltă. Folosind algoritmi bazați pe elemente finite, HFSS permite calcularea și vizualizarea de:

mărimi de bază ale câmpului electromagnetic, parametrii antenă, și pentru probleme de frontieră, câmpuri radiate;

impedanțe caracteristice pentru porturi și constante de propagare;

parametrii S generalizați și parametrii S renormalizați pentru diferite impedanțe ale porturilor.

Utilizatorul trebuie să deseneze structura, să specifice caracteristicile materialelor pentru fiecare obiect, să identifice porturile, sursele, caracteristicile suprafețelor speciale. Sistemul va genera apoi soluțiile câmpului necesare.

Figura 2.3. Imagine din softul HFSS

Programul Ansoft Designer [5]

Ansoft Designer este un soft profesional de RF/MW de înaltă perfomanță și un instrument de verificare analog/RFIC care furnizează schema integrală și designul pentru circuite analogice complexe, RF și aplicații de semnal mixt.

Câteva din avantajele softului Ansoft Designer față de alte softuri asemănătoare:

– permite să proiecteze, optimizeze și să valideze componenta, circuitul și sistemul de performanță cu mult înainte de a construi un prototip în hardware.

– poate îmbunătății sistemele de simulare digitale de comunicare, simulare de circuite nelineare, domeniul de frecvență, analize tranzitorii, și simulare 3D.

– este un mediu de proiectare avansat cu un manager de proiect dinamic, și soluții exacte, și cu o legătură dinamică cu HFSS, un simulator electromagnetic 3D full-wave conceput de Ansoft.

– elementele de circuit sunt grupate în biblioteci abundente care vin odată cu softul, sau care pot fi accesate sau actualizate on-line.

– modelul geometric poate fi construit din obiecte predefinite, cum ar fi cerc, dreptunghi, arc, linie, poligon, gol, și cavitate.

– poate fi efectuată simularea 3D și parametrii simbolici a modelelor câmpului electromagnetic pot fi definiți și optimizați. Discretizarea poate fi automată sau manuală în fincție de precizia rezultatului dorit.

În afară de caracteristica de interfață, Ansoft Designer oferă:

optimizarea în funcție de valorile parametrilor geometrici;

analiza parametrică pentru a determina în ce măsură variația geometriei afectează perfomanța acestuia;

analiză statistică pentru a determina distribuția performanței designului;

analiza pentru a determina sensibilitate designului la mici modificări la nivelul variabilelor.

Ansoft Designer este un instrument software profesionist și sofisticat, care se adresează în primul rând aplicațiilor industriale și de cercetare, și utilizatorilor experimentați. Principalele beneficii ale acestei aplicații pentru microunde sunt următoarele:

Oferă modele neliniare pentru circuite și sisteme de microunde precum și analizele corespunzătoare.

Reprezentarea alcătuirii fizice este atribuită fiecărei componente în schemă și poate fi exportată automat la modelul planar electromagnetic.

Analiza 3D a câmplului electromagnetic de tip ‘full-wave’ cu posibilitatea încorporării arbitrare a structurilor 3D EM multi-strat în schemă.

Optimizare manuală și automată puternică pentru un circuit și parametrii de model 3D a câmplului electromagnetic.

Caracterizarea componentelor multiple este oferită sub formă analitică sau electromagentică 3D.

Calculează intervalul timpului de răspuns pe domenii și deține un modul separat pentru analiza SPICE.

Subcircuitele sunt acceptate și pot fi utilizate pentru a creea scheme complexe.

Instrumentele de calcul pentru microunde sunt module software cu care sunt dotate pentru calcule de rutină, cum ar fi analiza sau sinteza liniei de microstrip și pierderea reportată.

Posibilul dezavantaj al acestui instrument software excellent Ansoft Designer, ar putea fi acela că ar putea părea ca fiind ultra-sofisticat pentru studenți în programul de licență și cercetători sau practicieni începători.

CAPITOLUL III

PREZENTAREA SOFTULUI FEMM

(FINITE ELEMENT METHOD MAGNETICS)

III.1. Introducere

Metoda Elementului Finit pentru probleme Magnetice (FEMM) este un pachet de programe pentru rezolvarea problemelor 2D, axisimetrice, de magnetism, de joasă frecvență și de electrostatică. Programul rulează sub Windows 95, 98, ME, NT, 2000 și XP. Programul poate fi obținut prin accesarea FEMM la: http://femm.foster-miller.com .

Pachetul de programe este format dintr-o interfață interactivă care cuprinde grafice pre și postprocesare, un generator mesh și diverși rezolvatori. Programul are integrat un limbaj de scripting puternic, Lua 4.0, care permite utilizatorilor să creeze loturi de rulare, să descrie parametrii geometrici și să efectueze optimizări. Lua este, de asemenea, integrat în fiecare casetă de editare din program, astfel că, dacă se dorește, formulele pot fi introduse în locul valorilor numerice. În program nu există nici o limită legată de dimensiunea problemei – mărimea maximă a problemei fiind limitată doar de cantitatea de memorie disponibilă. Utilizatorii efectuează de obicei simulări cu mai mult de un milion de elemente.

Scopul acestui capitol este de a prezenta un ghid pas-cu-pas pentru a ajuta noii utilizatorii să lucreze cu FEMM. În acest caz se consideră soluția pentru domeniul de bobină cu miez de aer.

III.2. Construcția și analiza unui model

Bobina analizată este prezentată în figura 3.1. Bobina are un diametru interior de 2,54 cm; un diametru exterior de 7,62 cm și o lungime axială de 5,08 cm. Bobina este construită din 1000 de spire din sârmă de cupru. Prin cablu trece un curent constant de 1 Amper.

Prin convenție, se ia r = 0, prin aceasta înțelegându-se că axa va rula pe verticală, iar problema domeniului este limitată la regiunea unde r ≥ 0. Valorile-pozitive ale curentului sunt orientate pe direcția paginii.

Figura 3.1. Bobină fără miez magnetic (cu aer)

III.2.1. Crearea unui nou model

Se pornește aplicația FEMM prin selectarea FEMM 4.0 din meniul “Start”;

Se va deschide implicit o fereastră nouă cu o bară minimă de meniu;

Se selectează “New” din meniul principal;

se va deschide o fereastră de dialog cu o listă verticală care va permite selectarea tipului nou de problemă care va fi creată;

Se selectează intrarea “Magnetics Problem” și se apasă pe butonul OK;

Astfel se va crea o nouă problemă de tip magnetic și vor apărea butoane noi în bara de instrumente.

III.2.2. Definirea problemei

Primul lucru care trebuie făcut, este de a spune programului ce fel de problemă se dorește a fi rezolvată;

Pentru a face acest lucru, se selectează “Problem” din meniul principal;

Astfel va apare fereastra de dialog “Problem Definition”;

În fereastra “Problem Type” se va apăsa “Axisimmetric”;

Trebuie avut grijă ca fereastra “Length units” să fie setată pe “cm” și frecvența să fie setată la 0;

După ce valorile corespunzătoare au fost introduse, se apasă butonul “OK”.

III.2.3. Trasarea limitelor

În prima fază se trage limitele pentru regiunea soluției. Rezolvatorilor le revine sarcina de a lucra cu elemente finite pe suprafețe mesh și de a găsi o soluție într-o regiune finită de spațiu care conține obiecte de interes. În cazul nostru, se va alege regiunea soluție ca fiind o sferă cu o rază de 10,16 cm.

În primul rând, se va ajusta imaginea, astfel încât aceasta să conțină soluția pe întreaga regiune. Se selectează fereastra “View | Keyboard off” de la meniul principal pentru a aduce o fereastră de dialog care va permite să se specifice extensii ale ecranului vizibil. În acestă fereastră de dialog, se vor specifica condițiile: “jos să fie -10,16 cm, “stânga să fie 0”, “dreapta să fie 10,16 cm, și “sus să fie 10,16 cm și se apasă pe butonul “OK”. Astfel ecranul va fi dimensionat la cel mai mic dreptunghi care conține regiunea specificată.

În continuare, trebuie să se definească punctele de nod care delimitează sfera. Pentru a desena aceste puncte de nod, se selectează butonul “Operate on nodes” din bara de instrumente (aceasta este butonul cel mai din stânga, cu o cutie neagră mică ). Se pun nodurile din partea de sus și partea de jos a sferei, la coordonatele: (0, 10,16) și (0,- 10,16), și originea la (0,0). Se pot pune noduri, fie prin mutarea indicatorul mouse-ului în locația dorită și apăsând pe butonul stânga al mouse-ului, sau prin apăsarea tastei <Tab> și introducerea manuală a coordonatelor punctului prin intermediul unei ferestre de dialog.

Se selectează butonul “Operate on segments” din bara de instrumente (al doilea buton din stânga cu o linie albastră: ). Pentru a selecta un nod care să fie punctul final al unei linii, se face click pe nodul dorit cu butonul stânga al mouse-ului. Se trage o linie în jos de-a lungul axei de simetrie, prin selectarea punctului de coordinate (0,- 10,16) și apoi a punctului de coordonate (0, 10,16). Astfel când al doilea punct este selectat va apărea o linie care va lega nodurile respective.

Se selectează butonul “Operate on arc segments” din bara de instrumente (al treilea buton din stânga cu un arc de cerc albastru: ). Se desenează un arc de cerc de-a lungul axei de simetrie, prin selectarea punctului de coordonate (0,- 10,16) și apoi a punctului de coordonate (0, 10,16). Va apare o casetă de dialog pentru a cere unele proprietăți ale arcului de cerc. În FEMM, arcul de cerc este aproximat printr-o serie de linii mici, drepte. Proprietatea “Max. segement” precizează asprimea cu care arcul de cerc este împărțit în secțiuni. Se introduce 2,5 în acestă casetă de editare pentru a obține o reprezentare destul de fină al arcului. În caseta de editare “Arc Angle” se pune 180 de grade pentru a indica faptul că o jumătate de cerc este în curs de elaborare.

III.2.4. Desenarea unei bobine

Acum, bobina în sine poate fi desenată

comută înapoi la modul de lucru prin noduri prin apăsarea butonului “Operate on nodes” aflat în bara de instrumente;

Se plasează nodurile la coordonatele (1,27; -1); (3,81; -1); (3,81;1) și (1,27;1), acestea definind extensii al spiralei;

Se selectează butonul “Operate on segments” din bara de instrumente, astfel liniile putând fi trase prin conectarea punctelor;

Prin selectarea nodurilor care definesc în ordine bobina, se obține o linie între fiecare dintre noduri și rezultatul într-o mare căsuță conectată.

III.2.5. Plasarea etichetelor bloc

Se face click pe butonul “Operate on Block Labels” din bara de instrumente notată cu cercuri concentrice verzi ;

Se pune o etichetă bloc pe regiunea bobinei, și una pe aerul din afara regiunii bobinei;

Ca și în cazul punctelor de nod, etichetele bloc pot fi plasate fie printr-un click pe butonul stânga al mouse-ului, fie prin intermediul tastei de dialog <Tab>;

Programul folosește etichete bloc pentru a asocia materiale și alte proprietăți cu diferite regiuni în geometria problemei;

Se definesc astfel unele proprietăți de materiale, apoi se merge înapoi și se asociază cu etichetele bloc speciale;

NOTĂ: Dacă utilitarul de completare “snap-to-grid” este activat atunci, uneori, este dificil să se pună eticheta pe spații goale. În acest caz, se deselectează “snap-to-grid”, apăsând butonul cu punctul și săgeata din bara de instrumente.

III.2.6. Adăugarea de materiale pentru modelul creat

Se selectează “Properties Materials Library” din meniul principal;

Se trage și se lipește “Air” de la “Library Materials” la “Model Materials” pentru a-l adăuga la modelul curent;

În folderul “Copper AWG Sizes” se bifează 18 AWG în “Model Materials”;

Se face click pe OK.

III.2.7. Adăugarea unei proprietăți de circuit pentru bobină

Se selectează “Properties | Circuits” din meniul principal;

În caseta de dialog care apare, se apasă butonul “Add Property” pentru a crea o nouă proprietate de circuit;

Se redenumește circuitul prin înlocuirea “New circuit”, cu “Coil”;

Specific acesteia este faptul că prin proprietatea de circuit va apare o regiune de focalizare prin selectarea butonului “Series radio”;

În căsuța “Circuit Current” se introduce 1;

Caseta de editare “J” denotă componenta imaginară a curentului, care este utilizată în probleme armonice de timp pentru a indica faza de curent;

În cazul analizat, problema este de tip magnetostatic, astfel componenta imaginară este ignorată se pune zero în caseta de editare “J”;

Se face click pe OK pentru ambele căsuțe de dialog: “Circuit Property” și “Property Definition”.

III.2.8. Asocierea de proprietăți cu etichetele bloc

Se face click dreapta pe nodul etichetei bloc din regiunea aerului exterior bobinei. Astfel eticheta bloc va fi roșie, ceea ce denotă faptul că este selectată;

Se apasă tasta ”Space” pentru a "deschide" eticheta blocului selectat (În loc de apăsarea tastei ”Space”, se poate folosi butonul ”Open up Properties Dialog” din bara de instrumente: ). Va apare astfel o căsuță de dialog care conține proprietăți atribuite etichetei selectate;

Se setează ”Block Type” ca fiind “Air”;

Se debifează caseta “Let Triangle choose Mesh Size” și se introduce 0,1 pentru “Mesh Size”. Parametrul “Mesh Size” definește o constrângere pentru cea mai mare dimensiune permisă de elemente posibile în secțiunea asociată. Mesh încearcă să umple cu triunghiuri echilaterale, regiunile în care părțile sunt aproximativ de aceeași lungime cu parametrul specificat în casuța “Mesh Size”. În cazul în care este bifată caseta "Let Triangle choose Mesh Size", mesh alege dimensiunea elementelor proprii, de obicei, destul de grosier;

Se apasă OK. Eticheta bloc va fi etichetată ca fiind aer, și va apărea un cerc care se referă la eticheta bloc specificată indicând aproximativ dimensiunea suprafeței mesh, în regiunile asociate;

Se repetă același lucru pentru nodul etichetei bloc din interiorul regiunii bobinei, schimbând dimensiunea mesh la valoarea 0,25. În căsuța “Block type” se selectează “Copper”;

Pentru ca curentul să treacă prin această regiune, se selectează “Coil Circuit” din lista verticală “In Circuit”;

Caseta de editare “Number of turns” va fi activată în cazul în care un circuit de tip serie este selectat pentru regiunea respectivă;

Se introduce valoarea 1000, ca număr de înfășurări pentru această bobină, ceea ce denotă faptul că bobina în cazul în care are 1000 de înfășurări și curentul circulă într-o direcție contrară sensului acelor de ceasornic. (Adică curentul circulă după regula burghiului);

Se face click pe OK.

NOTĂ: Dacă se vrea ca înfășurările să fie înfășurate într-o direcție contrară sensului acelor de ceasornic, se specifică numărul de înfășurări să fie -1000.

III.2.9. Crearea condițiilor de frontieră

Se selectează “Properties | Boundary” din bara de meniu, apoi se face click pe butonul “Add Property”;

Se înlocuiește “New Boundary” cu “ABC” și se schimbă “BC Type” cu “Mixed”. Numele ABC este menit să denote faptul că se crează o condiție de frontieră asimptotică care aproximează impedanța de un spațiu nelimitat, deschis.

În acest fel, putem modela câmpul produs de bobină într-un spațiu nelimitat de modelare, în timp ce modelează doar o regiune finită din acel spațiu. În cazul în care condiția de frontieră de tip mixt este selectată, coeficientul c0 și coeficientul c1 vor fi activați. Aceste intrări sunt menite să reprezinte coeficienții într-o condiție de frontieră de forma:

unde: A este potențialul magnetic vector, μr este permeabilitatea magnetică relativă a regiunii adiacente până la frontieră, μ0 este permeabilitatea spațiului liber, și n reprezintă direcția normală până la frontieră;

Pentru condiția de frontieră asimptotică, este nevoie să se precizeze condițiile:

unde: R este raza exterioară a unui domeniu de problemă sferică.

Pentru a introduce aceste valori în caseta de dialog, se introduce coeficientul c1 ca fiind 0 și coeficientul c0 ca fiind 1 / (μ0*4*2,54 cm);

Limbajul de scriere Lua procesează conținutul fiecărei casete de editare automat atunci când este închisă caseta de dialog, înlocuind valoarea numerică de permeabilitate de spațiu liber cu μ0 și inch cu 0.0254, evaluând astfel rezultatul.

Pentru a atribui această condiție de frontieră, se comută pe modul de funcționare cu arc de segmente;

Pentru definirea frontierei exteriore a arcului se selectează arcul de cerc printr-un click pe el cu butonul stânga al mouse-ului și se apasă tasta “Space” pentru a deschide proprietățile de editare;

Se selectează ABC din caseta “Boundary cond” și se face click pe OK. Astfel s-au definit destule condiții defrontieră pentru rezolvarea problemei, deoarece un potențial zero este în mod automat aplicat de-a lungul liniei r = 0 pentru problemele axisimetrice.

S-a terminat astfel de modelat bobina. Geometria problemei ar trebui să arate ca în imaginea din figura 3.2:

Figura 3.2. Modelul bobinei completate, gata pentru a fi analizată

III.2.10. Generarea suprafețelor mesh și executarea FEA

Se salvează fișierul și se face click în bara de instrumente pe butonul cu ochiuri galbene: . Această acțiune generează o suprafață mesh de formă triunghiulară pentru problema enunțată;

În cazul în care distanța între suprafețele mesh este prea fină sau grosieră există posibilitatea să se selecteze etichetele bloc sau segmentele de linie și să se regleze dimensiunea suprafețelor mesh definite în proprietățile fiecărui obiect;

După ce suprafața mesh a fost generată, se face click pe butonul “Turn the crank”: pentru a analiza modelul analizat;

Prelucrarea informațiilor de stare vor fi afișate;

În cazul în care bara de progres nu pare să fie în mișcare atunci ar trebui să se anuleze, calcularea;

Aceasta se poate întâmpla în cazul în care condițiile de frontieră specificate au fost insuficiente;

Pentru această problemă specială, calculele ar trebui să fie finalizate într-o secundă;

Nu există nici o confirmare pentru cazul în care calculele sunt complete, fereastra de stare dispare doar atunci când prelucrarea a fost terminată.

III.3. Analiza rezultatelor

Se face click pe icoana ochelari pentru a vizualiza rezultatele analizei;

O fereastră post-procesare va apărea;

Fereastra post-procesor va permite să se extragă mai multe tipuri diferite de informații de la soluție.

III.3.1. Valorile în puncte

La fel ca la pre-procesare, fereastra de post-procesare are un set de moduri de editare diferite: Punct, Contur, și Zonă;

Alegerea modului este specificată de butoanele din bara de instrumente, și anume

unde: primul buton corespunde la modul de editare “Punct”, al doilea la modul de editare “Contur”, iar al treilea la modul de editare “Zonă”;

În mod implicit, atunci când programul este instalat prima dată, post-procesorul pornește în modul de editare Punct;

Făcând click pe orice punct cu butonul mouse-ului din stânga, diversele proprietăți ale domeniului asociat acestui punct se afișează în fereastra “ FEMM Output”;

Similar cu desenarea de puncte în pre-procesor, amplasarea unui punct poate fi exact specificată prin apăsarea tastei <TAB> care deschide caseta de dialog unde se introduc coordonatele punctului.

De exemplu, în cazul în care punctul de coordonate (0,0) este specificat, în caseta de dialog apar afișate proprietățile punctului ca în figura 3.3:

Figura 3.3. Afișarea valorilor de câmp ale punctului de coordonate (0,0).

III.3.2. Proprietățile spiralei bobinei

– Cu FEMM, este simplu să se determine inductanța și rezistența unei bobine doar știind proprietățile spiralelor sale;

– Apăsând butonul: se vor afișa atributele care rezultă din fiecare proprietate de circuit care a fost definită;

– Pentru proprietățile bobinei definite în acest exemplu, rezultatul este ilustrat în figura 3.4:

Figura 3.4. Proprietățile de circuit ale bobinei

Având în vedere că problema este liniară și nu există decât un curent, rezultatul fluxului/curent poate fi interpretat ca neechivoc cu inductanța bobinei (de exemplu, 22,9mH). Rezistența bobinei este interpretată în funcție de rezultatul tensiunii/curent (adică 3,34Ω).

III.3.3. Trasarea valorilor de câmp magnetic de-a lungul unui contur

FEMM poate trasa valorile unui câmp magnetic de-a lungul unui contur definit de utilizator;

Aici, se va trasa densitatea de flux de-a lungul axului spiralei;

Se va comuta la modul de editare “Contur” apăsând butonul “Mod Contour” din bara de instrumente;

Astfel va fi definit un contur de-a lungul fluxului care va fi reprezentat. Există trei modalități de a adăuga puncte la un contur:

1. Făcând click stânga pe butonul mouse-ului se va adauga nodul cel mai apropiat de intrare la contur;

2. Făcând click dreapta pe butonul mouse-ului se va adauga poziția curentă indicată de mouse la contur;

3. Apăsând tasta <TAB> se va afișa o casetă de dialog în care se va permite să se introducă coordonatele unui punct care va fi adăugat la contur.

În exemplul analizat, poate fi utilizată metoda 1;

Se face click pe punctele de nod de coordonate (0, 10,16), (0,0), și (0, – 10,16) cu butonul stânga al mouse-ului, adăugând astfel punctele în ordinea de mai sus;

Apoi, se apasă butonul “Plot din bara de instrumente;

Apăsând OK în caseta de dialog “X-Y Plot of Field Values”, selectarea implicită este magnitudinea densității de flux magnetic;

Dacă se dorește afișarea diferitelor câmpuri de valori, acestea pot fi selectate din lista verticală a casetei de dialog.

NOTĂ: Acesta este cazul cel mai întâlnit de soluție la problemele magnetice unde valorile câmp sunt discontinue de-a lungul frontierei. În acest caz, FEMM determină care parte a frontierei va fi reprezentată bazându-se pe ordinea în care punctele sunt adăugate. De exemplu, în cazul în care punctele sunt adăugate în jurul unui contur închis într-o ordine inversă acelor de ceasornic, punctele de grafic se vor situa doar în interiorul conturului. În cazul în care punctele sunt adăugate într-o ordine în sensul acelor de ceasornic, punctele de grafic se vor situa doar în exteriorul conturului. În exemplul analizat, problema este că conturul de-a lungul r = 0 ar trebui să fie definit în ordinea descrescătoare a z (adică în sens invers acelor de ceasornic, astfel încât punctele reprezentate pe grafic sunt situate în interiorul domeniului soluție în și nu în exteriorul acestuia, în cazul în care valorile domeniului nu sunt definite).

III.3.4. Trasarea densității de flux

În mod implicit, atunci când programul este instalat pentru prima dată, este afișat doar un grafic alb-negru de linii de flux;

Densitatea de flux poate fi reprezentată ca un raport densitate culoare, dacă se dorește acest lucru;

Pentru a face trasarea densității fluxului de culoare, se face click în bara de instrumente pe butonul mov pentru a genera o culoare densității de flux;

În cazul în care apare caseta de dialog, se selectează butonul ”Flux density plot” care acceptă și alte valori implicite;

Se face click pe OK.

Soluția rezultată va arăta ca cea desenată în figura 3.4:

Figura 4.4: Reprezentarea în culori a densității de flux

Astfel, în aceast capitol, au fost expuse următoarele concepte:

Cum se desenează un model folosind noduri, segmente, arcuri de cerc, și etichete bloc;

Cum se adaugă materiale pentru modelul creat și cum li se atribuie regiuni;

Cum se specifică dimensiunea elementelor finite ale suprafețelor mesh;

Cum se definește limita pentru un model;

Cum se definesc și se aplică condițiile de frontieră;

Cum se analizează o problemă;

Cum se inspectează domeniul valorilor locale;

Cum se trasează valori de câmp de-a lungul unei linii;

Cum se calculează valoarea inductivității și rezistența;

Cum se afișează câmpuri de culoare a densității de flux magnetic.

Capitolul IV

PREZENTAREA SOFTULUI HFSS – HIGH FREQUENCY

STRUCTURE SIMULATOR

În procesul de promovare a electrotehnologiilor bazate pe energia microundelor, o etapă importantă o constituie realizarea unor modele experimentale, de laborator, care să permită o analiză reală a fenomenelor în orice moment și în orice condiții, a procesului de încălzire în câmp de microunde și odată cu aceasta, determinarea unor parametrii specifici problemei.

Existența softurilor de firmă permite însă, ca înainte de-a realiza practic o instalație, aceasta să poată fi studiată și simulată numeric. Astfel că, în momentul realizării practice se vor cunoaște deja o parte din fenomenele ce caracterizează instalația, deci vor fi eliminate o serie de necunoscute ale problemei.

Tehnicile numerice de analiză pentru problemele inginerești au devenit în ultimii ani foarte familiare unui număr mare de specialiști, ingineri, oameni de știință. Marea diversitate a problemelor pe care inginerul trebuie să le rezolve în vederea proiectării eficiente a unei structuri se reflectă sugestiv în multitudinea metodelor de calcul existente. Aceste metode s-au dezvoltat treptat, în timp, în condițiile unor relații existente între aspectele teoretice și cele practice. Aceste tehnici se bazează pe soluția aproximativă a unei ecuații sau set de ecuații ce descriu problema concretă.

Uscarea în câmp de microunde a materialelor dielectrice, oferă posibilitatea creșterii vitezei de evaporare și optimizarea întregului proces de uscare. Energia microundelor este absorbită în volumul corpului solid și dă naștere la o sursă de căldură în întreg materialul. Existența unei astfel de surse de căldură volumetrice permite transferul de energie în corpul solidului umed și modifică caracteristicile fizice ale uscării. Toate aceste fenomene trebuie să fie riguros urmărite pentru a nu se produce fenomene nedorite ca deteriorarea materialului sau altele.

Transferul de masă de apă din material este determinat mai ales de gradienții de temperatură și de presiunea totală, datorită unei stabiliri rapide a fazei de vapori în solidul umed. Pentru excitarea undelor într-un ghid sau cavitate rezonantă, trebuie cunoscută distribuția câmpului electromagnetic în acea structură corespunzător modului de funcționare. Structura de cuplaj trebuie atunci să inducă în ghid sau în cavitate, ori în pereții acestora, un câmp electric sau magnetic cu distribuție cât mai apropiată de cea a modului dorit, rămânând ca prin condițiile de funcționare să fie asigurată selectarea din excitație numai a modului dorit și atenuarea modurilor parazite.

IV.1. Prezentarea softului HFSS

Pachetul de programe Ansoft – HFSS (High Frequency Structure Simulator) permite determinarea câmpului electromagnetic în interiorul unor structuri pasive la frecvențe înalte.

Pachetul de programe Ansoft – HFSS (High Frequency Structure Simulator) este un soft interactiv ce permite determinarea câmpului electromagnetic în interiorul unor structuri pasive la frecvențe înalte, de exemplu:

Antene

Microunde de transmisie

Ghiduri de undă – componente

Filtre RF

Discontinuități tri-dimensionale

Elemente Pasive de Circuit.

Softul include comenzi de post-procesare utile pentru a analiza în detaliu funcționarea structurilor considerate. Astfel, folosind algoritmi bazați pe elemente finite, Ansoft – HFSS permite calcularea și vizualizarea unor mărimi ca:

– mărimi de bază ale câmpului electromagnetic, iar pentru probleme cu frontieră deschisă se determină câmpurile radiate și reflectate;

– impedanțe caracteristice ale porturilor și constantele de propagare;

– parametri S generalizați precum și parametrii S renormalizați pentru diferite impedanțe ale porturilor;

– parametri S și câmpurile electromagnetice (full-wave) în structuri pasive, 3D

– frecvențele de rezonanță sau intervalul de frecvențe pentru o structură dată, [7].

Presupunem că desenăm geometria unei structuri, specificăm proprietățile de material pentru fiecare obiect, definim porturile și frontierele specifice și setăm condițiile de rezolvare. În aceste condiții, selectând modulul de rezolvare Driven Solution, softul va genera soluțiile necesare ale câmpului electromagnetic și va asocia caracteristicile porturilor și parametrii S.

Odată cu alegerea unei structuri, Ansoft – HFSS permite rezolvarea acesteia, fie la o frecvență dată selectând Single Frequency, fie la mai multe frecvențe date, dintr-un interval precizat, selectând Sweep. Dacă se alege rezolvarea Sweep, atunci se va opta pentru o rezolvare cu pași rapizi de frecvență, Fast care va da o soluție unică și completă a câmpului pentru fiecare valoare de frecvență din interval, sau cu pas discret de frecvență, Discrete care va genera soluții de câmp în puncte corespunzătoare frecvențelor din domeniul specificat, sau cu pas interpolat de frecvență, Interpolating care va estima soluțiile pe întreg domeniul de frecvență.

Câteva din avantajele acestui soft:

Este capabil să deseneze foarte simplu geometriile impuse;

Dispune de motoare de rezolvare avansate;

Dispune de un post-procesor puternic, fără precedent asupra performanțelor electrice;

Materiale avansate;

Librăria de modele include inductoare în spirală;

Modelăm jumătăți, sferturi sau octeți de simetrie

Acoperă o Bandă largă de frecvență rapidă;

Crează secțiune transversală, modele-2D.

Softul HFSS poate avea diverse destinații, cum ar fi:

operații matematice de uz general și operații speciale între diverse mărimi electrice și magnetice ale problemelor rezolvate;

manipularea rezultatelor și matricelor obținute;

rezolvarea unor probleme de analiză numerică;

reprezentări grafice 2D și 3D etc.

IV.2. Descrierea prin imagini a softului de simulare HFSS

Deschiderea sau Creearea un proiect nou. Pentru modelare, HFSS oferă o interfață grafică prietenoasă, care permite realizarea modelelor pe baza unor conponente din bibliotecile de proprii. De asemenea permite și realizarea unor forme, modele noi, pornind de la cele existente, care pot fi grupate și mascate. Prin organizarea ierarhică, modelul poate fi vizualizat la un nivel general, dar blocurile componente se pot și detalia printr-o comandă specială. [7]. La lansarea HFSS se va deschide o fereastră ca în Figura 4.1 în se denumește aplicația după care se va seta pagina pentru aplicație și unitatea de măsură în care se lucrează, Figura 4.2.

Figura 4.1. Denumirea problemei

Figura 4.2. Setarea unităților de măsură

Desenarea obiectelor. Desenarea geometriei modelului se poate face prin trasare de segmente între coordonate bine stabilite, precum și prin utilizarea de elemente existente în librăria de componente, Figura 4.3, Figura 4.4, Figura 4.5.

Figura 4.3. Desenarea geometriei modelului

Figura 4.4. Desenarea geometriei modelului prin linii

Figura 4.5. Desenarea geometriei modelului prin obiecte

Atribuirea proprietăților de material. Acum că geometria pentru problema de simulat este creată se pot defini proprietățile de material, porturile și condițiile de frontieră. Astfel că, în continuare vor fi asociate proprietățile de material pentru toate obiectele din modelul geometric, Figura 4.6.

Figura 4.6. Definirea proprietăților de material

Definim condițiile de frontieră. În continuare vor fi definite porturile prin care intră unda și se vor defini condițiile de frontieră, Figura 4.7.

Frontierele specifică modul de comportare al câmpurilor electric și magnetic pe diferite suprafețe. În aceast soft se se pot folosi condiții de frontieră cum ar fi:

Radiație. Acest tip de frontieră definește suprafețe deschise sau care se întind până la infinit față de obiect.

Perfect E. Acest tip de frontieră forțează câmpul electric să fie normal la suprafață. Acesta permite modelarea unor suprafețe perfect conductoare.

Simetrie. În cazul structurilor care au un plan electromagnetic de simetrie, problema poate fi simplificată prin modelarea unei jumătăți a problemei și identificarea suprafeței expuse cu o frontieră de tip perfect H sau perfect E.

Perfect H. Acest tip de frontieră forțează componenta tangențială a câmpului H să fie egală de ambele părți ale frontierei.

Figura 4.7. Condițiile de frontieră

Figura 4.8. Definim porturile prin care intră unda

Figura 4.9. Definim porturile prin care intră unda

Figura 4.10. Definim porturile prin care intră unda

Rezolvarea problemei. Acum că avem creată geometria și modelul este pregătit, putem genera soluții. Scopul propus se referă la setarea parametrilor folosiți la calcularea soluției și generarea soluției, Figura 4.11, Figura 4.12.

Sistemul calculează soluțiile câmpului 3D în interiorul structurii ca rezultat al semnalului de excitație de la fiecare port. Odată ce s-a obținut soluția de câmp, simulatorul calculează matricea S generalizată, asociată structurii.

După ce am introdus criteriile de rezolvare și frecvența de lucru, problema poate fi rezolvată. Programul calculează explicit valorile câmpului în nodurile mesh-ului și interpolează valorile în toate punctele regiunii, Figura 4.13.

Figura 4.11. Setarea parametrilor pentru calcularea soluției

Figura 4.12. Setarea parametrilor pentru generarea mesh-ului

Vizualizarea rezultatelor. Pachetele de simulare permit diverse metode de examinare a variabilelor de ieșire în cadrul simulării. HFSS oferă o mare varietate de blocuri de ieșire, care afișează direct variabilele alese ca ieșire. De asemenea, una sau mai multe variabile pot fi salvate în spațiul de lucru pentru o prelucrare ulterioară. [8]

Figura 4.13. Setarea parametrilor pentru generarea mesh-ului

După ce s-a generat o soluție, sistemul nu mai permite modificarea geometriei, porturilor, condițiilor de frontieră sau a proprietăților de material doar dacă ștergem soluția. De exemplu, dacă schimbăm geometria problemei după ce am generat soluția, trebuie să generăm o nouă soluție după ce am salvat modificările la geometrie.

Figura 4.14. Vizualizarea rezultatelor

Figura 4.15. Matricea S a modelului

Figura 4.16. Distribuția câmpului electromagnetic prin model

IV.3. Organigrama softului

Presupunem că desenăm geometria unei structuri, specificăm proprietățile de material pentru fiecare obiect, definim porturile și frontierele specifice și setăm condițiile de rezolvare. În aceste condiții, selectând modulul de rezolvare Driven Solution, softul va genera soluțiile necesare ale câmpului electromagnetic și va asocia caracteristicile porturilor și parametrii S. [8]. Odată cu alegerea unei structuri, HFSS permite rezolvarea acesteia, fie la o frecvență dată selectând Single Frequency, fie la mai multe frecvențe date, dintr-un interval precizat, selectând Sweep. Dacă se alege rezolvarea Sweep, atunci se va opta pentru o rezolvare cu pași rapizi de frecvență, Fast care va da o soluție unică și completă a câmpului pentru fiecare valoare de frecvență din interval, sau cu pas discret de frecvență, Discrete care va genera soluții de câmp în puncte corespunzătoare frecvențelor din domeniul specificat, sau cu pas interpolat de frecvență, Interpolating care va estima soluțiile pe întreg domeniul de frecvență.

Softul HFSS, este capabilă să determine frecvențele de rezonanță pentru o structură dată, funcție de geometria aleasă, de materialele existente și nu în ultimul rând de condițiile de frontieră impuse, folosind solverul Eigenmode Solution. Odată cu realizarea acestui lucru, vom cunoaște frecvențele de rezonanță pentru fiecare structură.

Pentru rezolvarea unei probleme cu HFSS, este necesar să se parcurgă următorii pași ce sunt cuprinși în organigrama din Figura 4.17. [5] [8].

Pas 1. Se alege solverul Eigenmode Solution pentru situații în care se dorește determinarea frecvențelor de rezonanță și câmpul electromagnetic corespunzător pentru o structură dată, sau Driven Solution atunci când pentru o frecvență de rezonanță cunoscută se rezolvă structura, obținându-se date despre câmpul electromagnetic, parametrii S, Y, Z0 și distribuții de câmp pe fețele, suprafețele și volumele dorite.

Pas 2. Se construiește modelul geometric 3D al structurii. În funcție de complexitatea problemei, rețeaua de discretizare necesară rezolvării, poate fi mai simplă sau mai complexă, funcție de aceasta spațiul ocupat pe disc este mai mare sau mai mic.

Pas 3. Atribuim fiecărui obiect din geometrie câte un material cu proprietăți cunoscute, deci impuse. Materialele atribuite pot fi luate din baza de date a programului sau pot fi adăugate altele în funcție de necesități.

Pas 4. Impunem condițiile de frontieră și sursele de excitație ale problemei. În mod implicit, pereții aplicatoarelor vor fi considerați de tip Perfect E, iar în cazul unor zone de simetrie vom defini suprafețele de tip Perfect E sau Perfect H, în funcție de orientarea câmpului pe suprafața de simetrie. Sursele de excitație le vom defini de tip Port.

Pas 5. Selectăm condițiile de rezolvare ale problemei (frecvență unică sau interval de frecvențe), cu posibilitatea realizării unui mesh manual sau impus. Astfel, putem avea: rezolvare la frecvență unică, (Single Frequency) adaptată sau neadaptată. Dacă impunem o rezolvare adaptivă, aceasta înseamnă că meshul inițial creat, este rafinat până când diferența între parametrii S de la doi pași succesivi nu depășește valoarea impusă prin MaxDeltaS. Selectând modulul de rezolvare a unui interval de frecvențe (Sweep) avem trei direcții de rezolvare: soluție rapidă (Fast), soluție cu frecvență discretă (Discrete) și soluție cu frecvență interpolată (Interpolating).

Figura 4.17. Organigrama programului Ansoft –HFSS [5]

Pas 6. După selectarea criteriilor de rezolvare și a frecvenței de lucru, problema poate fi rezolvată. Programul calculează explicit valorile câmpului electromagnetic în toate nodurile rețelei de discretizare și interpolează valorile în toate punctele regiunii de calcul.

Pasul 7. După terminarea rezolvării problemei, accesând unul din cele trei post-procesoare ale softului: Fields, Matrix Data, Matrix Plot, putem obține informații legate de distribuția câmpului electromagnetic în diferite secțiuni și medii, de numărul de pași făcuți, de numărul de tetraedre la fiecare pas, de diferența MaxDeltaS de la un pas la altul, de frecvența de calcul precum și rezultate legate de parametrii matricei S, Delta S, constante de propagare, etc. și nu în ultimul rând putem trasa grafic diferiți parametrii în funcție de frecvență sau timp. Soluțiile de câmp obținute, pot fi prelucrate pentru obținerea de alte rezultate.

O remarcă importantă ce trebuie făcută este aceea că pașii enumerați mai sus trebuie respectați în această ordine.

Figura 4.18. Algoritmul de rezolvare a unei probleme cu soluție adaptată [5]

Pentru a calcula matricea S asociată unei structuri, sunt parcurse următoarele etape:

structura este împărțită într-un mesh de elemente finite;

rezolvă undele în fiecare port al structurii;

rezolvă întregul model de câmp electromagnetic în interiorul structurii presupunând că fiecare port e excitat de una dintre unde;

rezolvă matricea generalizată S.

Procesul de rezolvare cuprinde trei direcții de rezolvare:

soluție adaptată;

soluție cu frecvență discretă neadaptată;

soluție cu frecvență rapidă neadaptată.

Soluția adaptată este soluția în care se creează un mesh de element finit care este ulterior automat rafinat. Sistemul îndeplinește soluția adaptabilă la o frecvență singulară.

Algoritmul de rezolvare a unei astfel de probleme este prezentat în Figura 4.18.

Această metodă este mai rapidă putându-se face o rafinare destul de bună a meshului, până la aproximativ 50000 de tetraedre.

IV.4. Rezultate obținute prin modelarea cu HFSS a unei cavități rezonante cilindrice

Cavitățile rezonante sunt incinte cu pereți metalici, conductori, alimentate prin unul sau mai multe ghiduri de undă. Dimensiunile acestora sunt mari față de lungimea de undă utilizată. Numărul de moduri care pot să apară în cavitățile mari, în comparație cu lungimea de undă, depinde în general, de volumul cavității și frecvența de lucru. [8]

Problemele apărute la realizarea practică a aplicatoarelor cu microunde sunt legate de alegerea formei și dimensiunile cavității, astfel încât încălzirea să fie uniformă, rapidă, eficientă și să nu distrugă calitățile materialului încălzit sau uscat. Din aceste motive, uneori, în cavitate se introduc dispozitive auxiliare capabile să perturbe câmpul, iar când este posibil, corpul care este supus încălzirii se poate pune în mișcare.

Descrierea sistemului. Aplicatorul de formă cilindrică, realizat din pereți de tablă este excitat de un magnetron, la frecvența de 2.45 GHz. Transmiterea undelor electromagnetice de la magnetron la cavitate se face prin intermediul unui ghid de undă dreptunghiular, amplasat în partea laterală, Figura 4.19. De asemenea, în cavitatea rezonantă s-au mai considerat trei palete metalice, necesare pentru deplasarea sarcinii (snec) și totodată și pentru omogenizarea câmpului. [9]

Din analiza rezultatelor numerice, se încearcă determinarea poziției optime de amplasare a dielectricului (funcție de conținutul de apă) astfel încât încălzirea să fie cât mai uniformă și eficientă. În acest sens, se cunosc dimensiunile materialului procesat precum și proprietățile dielectrice ale acestuia. Se va observa în cele din urmă că există cel puțin un parametru geometric al aplicatorului în funcție de care se poate face optimizarea instalației.

Datorită pe de o parte, proprietăților de material și dependenței acestora cu temperatura, și nu în ultimul rând, a realizării efective a instalației se observă din analiza rezultatelor că, câmpul electromagnetic prezintă un anumit grad de neuniformitate pe suprafața dielectricului. [8], [9]

Ca și date inițiale de program avem:

Dimensiuni geometrice

– dimensiunile cavității R = 480 mm; L = 1380 mm; D = 960 mm;

– dimensiunile paletelor metalice sunt: L = 800mm; l = 400mm; h = 10mm, amplasate la distanța de 350mm între acestea, în mijlocul cavității față de axa 0z.

Proprietăți de material

– cavitatea a fost considearată ca fiind VACUUM;

– paletele confecționate din tablă metalică;

Parametrii de program

frecvența câmpului de microunde, 2.45 GHz.

– Pereții exteriori Perfect E (câmpul electromagnetic pe peretele ideal este perfect conductor, există numai câmp magnetic tangențial (ET = 0), astfel vectorul Poynting în metal este zero, adică pereții sunt fără pierderi). [8], [9]

Figura 4.19. Geometria cavității

Rezultatele numerice obținute în procesul de uscare în câmp de microunde sunt:

Figura 4.20. Distribuția mărimii CmplxMagE în port și pe suprafața paletelor

Mărimea CmplxMagE se referă la valoarea efectivă a intensității câmpului electric.

Figura 4.21. Distribuția mărimii CmplxMagE în port, pe suprafața paletelor

și într-un plan după axa xz

Figura 4.22. Distribuția mărimii CmplxMagE în port, pe suprafața paletelor

și într-un plan după aza xz

Figura 4.23. Distribuția CmplxMagE în port, pe suprafața paletelor

și într-un plan după aza yz

Figura 4.24. Distribuția CmplxMagE în port, pe suprafața paletelor

și într-un plan longitudinal, după aza yz

Figura 4.25 Distribuția câmpului electric pe cele două capate ale cavității, pe suprafața paletelor și într-un plan longitudinal, după aza yz

Figura 4.26. Distribuția câmpului electric pe cele două capate ale cavității, pe suprafața paletelor și în două planuri longitudinale, după aza xz și yz

Capitolul V

CONCLUZII

Lucrarea este structurată în cinci capitole. Astfel, capitolul 1, este menit să evidențieze importanța instrumentelor software în procesul de învățământ și a repus în discuție conceptele cheie precum și concluziile aferente studiului efectuat.

In cel de-al treilea capitol sunt trecute în revistă instrumentele software folosite în ingineria electrică și sunt punctate aspecte legate de importanța acestora.

In cel de-al treilea capitol, este prezentat softul FEMM (Finite Element Method Magnetics): Softul este prezentat printr-un exemplu de rezolvare pas cu pas a unei probleme tehnice concrete. Scopul acestui capitol este de a prezenta un ghid pas-cu-pas pentru a ajuta noii utilizatorii să lucreze cu FEMM. În acest caz se consideră soluția pentru domeniul de bobină cu miez de aer.

În capitolul patru este descris și prezentat softul profesional HFSS – High Frequency Structure Simulator. Pachetul de programe HFSS (High Frequency Structure Simulator) permite determinarea câmpului electromagnetic în interiorul unor structuri pasive la frecvențe înalte. Softul include comenzi de post-procesare utile pentru a analiza în detaliu funcționarea structurilor considerate.

Analizând diversele rezultate obținute cu programul HFSS (distribuția câmpului electromagnetic din dielectric, puterea reflectată spre magnetroane, parametrii S, în dB) se poate deduce situația ce corespunde unor puteri reflectate spre ghid minime, adică dielectricul să absoarbă o cantitate maximă de putere.

De asemenea, capitolul prezintă și rezultate obținute prin modelarea unor cavități din instalațiile electrotermice cu microunde specifice aplicatiilor industriale.

Din analiza rezultatelor obținute, o primă remarcă care trebuie făcută este aceea că, în interiorul aplicatoarelor există o distribuție neuniformă a câmpului electromagnetic (pusă în evidență prin componenta electrică a câmpului electromagnetic) fapt care necesită găsirea soluției optime, astfel încât câmpul absorbit de dielectric să fie omogenizat.

O soluție de omogenizare a câmpului electromagnetic, respectiv termic o reprezintă deplasarea sarcinii. Modificarea poziției dielectricului pe una din axe determină distribuția câmpului electromagnetic diferită foarte mult de la un caz la altul. De asemenea, distribuția câmpului electromagnetic depinde și de cantitatea de apă din materialul supus procesării. Generarea de căldură în câmp de microunde este un fenomen local care depinde foarte mult de proprietățile materialului (de exemplu, conținutul de umiditate), [8], [9].

Rezultatele mai arată că cu cât puterea microundelor este mai mare cu atât uscarea este mai rapidă. Desigur, puterea aplicată în microunde este limitată superior de temperatura acceptată de material, astfel încât să nu fie modificate negativ structura și proprietățile materialului.

Făcând o comparație între procesele de uscare convective și cele cu microunde se constată de asemenea o viteză mult mai mare de uscare când se aplică energie cu microunde, deci se poate reduce timpul de uscare de la ore sau zile la minute.

Rezultatele mai arată că cu cât puterea microundelor este mai mare cu atât uscarea este mai rapidă. Desigur, puterea aplicată în microunde este limitată superior de temperatura acceptată de material, astfel încât să nu fie modificate negativ structura și proprietățile materialului.

BIBLIOGRAFIE

[1] Daniela Elena Popescu, Tehnologii multimedia si arhitecturi orientate Internet, Editura Universității din Oradea, 2011

[2] Mihaela Brut, Instrumente pentru E-Learning. Ghidul informatic al profesorului modern, Editura Polirom, 2006

[3] Slama-Cazacu T., Psiholingvistica – o știință a comunicării, Bucuresti, Editura All, 1999

[4] St. Nagy, T. Leuca, C. Mich, A. Nagy, CAD în sisteme electrotehnice industriale, Editura Universității din Oradea, 2010.

[5] ***Manual de utilizare Ansoft – High Frequency Structure Simulator 8.0.25, Pittsburgh, Noiembrie, 1998.

[6] Matlab Simulink, Simulink User’s Guide, MathWorks Inc

[7] http://www.ansoft.com

[8] Molnar Carmen O., Modelarea numerică a câmpului electromagnetic din instalațiile electrotermice cu microunde, Editura Universității din Oradea, 2006

[9] V.D. Soproni, L. Bandici, F.I. Hathazi, C.O. Molnar, M.N. Arion – The Numerical Modeling of the Electromagnetic Field in the Drying Processes in a Microwave Field, The 8th International Symposium on Electric and Magnetic Fields, EMF 2009, book of summaries, pp. 67-68, ISSN 2030-546X, Mondovi, Italy, 2009