تحليل محاكاة المحولات: العمليات الرئيسية والتحديات وأفضل الممارسات باستخدام أدوات العناصر المحددة

1 مقدمة

سواء كنت تستخدم أي برنامج لتحليل العناصر المحددة (مثل COMSOL أو Infolytica أو Ansys) لتحليل المحاكاة للمحولات الكهربائية - سواء كان التركيز على المجال الكهربائي أو المجال المغناطيسي أو مجال التدفق أو المجال الميكانيكي أو المجال الصوتي - فإن العملية الأساسية هي تقريباً نفسها. فهم صحيح لأهم النقاط في كل عملية هو الأساس لنجاح تحليل المحاكاة ومصداقية النتائج النهائية.

2 العملية الأساسية للمحاكاة

تشمل عملية المحاكاة العلمية والكاملة للمحولات سبعة خطوات رئيسية:

3 فهم الصعوبة

المحول هو جهاز كهربائي ثابت، ومن هذا المنظور، فإن العمل المرتبط بمحاكاته نسبياً بسيط، حيث أن وجود مكونات دوارة سيزيد بشكل كبير من صعوبة معظم المحاكاة. ومع ذلك، فإن المحول أيضاً جهاز كهروميكانيكي غير خطي ومتغير مع الزمن ذو اقتران قوي لمجالات فيزيائية متعددة، مما يجعل محاكاة المحول أكثر صعوبة وأحياناً غير قابلة للحل.

على سبيل المثال، غالباً ما تفشل محاكاة حقول درجة الحرارة للمحولات بناءً على تحليل السوائل في إنتاج نتائج دقيقة وموثوقة. أحد الأسباب هو أن النظرية الأساسية لديناميكيات السوائل ذاتها معقدة للغاية ولم تشكل بعد نظرية موحدة واستقرارية. من ناحية أخرى، تتطلب محاكاة حقل درجة الحرارة للمحولات الاقتران القوي ثنائي الاتجاه بين ثلاثة مجالات: "المجال المغناطيسي - مجال نقل الحرارة - مجال السوائل." بالنسبة لنموذج محول كبير، فإن حل مجال تدفق واحد فقط أمر بالفعل صعب، فضلاً عن الاقتران القوي جداً بين ثلاثة مجالات.

لتحقيق الاختراقات في المجالات الرئيسية لمحاكاة المحولات، يجب على المهندسين المتخصصين في المحاكاة، من ناحية، أن يكون لديهم فهم عميق للنظريات المتعلقة بالمحولات والمعرفة حول التصميم والإنتاج والاختبار، ومن ناحية أخرى، يجب أن يكونوا مهرة جداً في تشغيل برامج المحاكاة وفهم الطبيعة الجوهرية لعملها.

4 النقاط الرئيسية للعملية
4.1 تحليل المشكلة

قبل النمذجة الهندسية، يتطلب الأمر تحليل أولي للمشكلة المحاكاة لبناء نموذج هندسي مناسب واختيار المجال الفيزيائي الصحيح. على سبيل المثال، هل يركز مشكلة المحاكاة على مجال فيزيائي واحد أم على مجالات فيزيائية متداخلة بشكل قوي؟

4.2 النمذجة الهندسية

تحدد كمال النمذجة الهندسية كفاءة وتقدم المحاكاة. في معظم الحالات، يحتاج إلى إنشاء نموذج هندسي مبسط. ومع ذلك، إذا تم تبسيط النموذج الهندسي بشكل مفرط، ستكون نتائج المحاكاة غير دقيقة وغير قادرة على توجيه العمل التصميمي. من الواضح أن تحديد كيفية تبسيط النموذج الهندسي يتطلب فهماً عميقاً للمشكلة التي يتم حلها. على سبيل المثال، هل يكون نموذج هندسي ثنائي الأبعاد كافياً؟ هل من الضروري بناء نموذج هندسي ثلاثي الأبعاد؟ حتى عند بناء نموذج ثلاثي الأبعاد، أي التفاصيل يمكن الاستغناء عنها وأيها يجب الاحتفاظ به؟

4.3 تعيين المواد

قد تحتوي المادة على عشرات المعاملات الفيزيائية، ولكن غالبًا ما تكون بعضها فقط مطلوبة لحل مشكلة معينة.

عند تعيين المعاملات المادية الخاصة، يجب أن تكون قيمتها دقيقة؛ وإلا فقد تحدث انحرافات غير مقبولة في نتائج المحاكاة.

بعض معاملات الخصائص المادية تتغير مع عوامل أخرى. على سبيل المثال، في محاكاة الحرارة والسوائل للمحولات، تختلف كثافة زيت المحول والسعة الحرارية الموحدة والموصلية الحرارية مع درجة الحرارة، ويجب وصف هذه العلاقات باستخدام دوال دقيقة نسبياً.

4.4 إعداد المجال الفيزيائي

بالنسبة للمجال الفيزيائي المختار، يجب تعريف الشروط الأساسية للحل، مثل المعادلات الفيزيائية الحاكمة للمشكلة، وتعبيرات الإثارات، والشروط الأولية، والشروط الحدية، والشروط القيودية.

4.5 إنشاء الشبكة

إنشاء الشبكة يعتبر خطوة أساسية بعد النمذجة الهندسية. نظرياً، الشبكات الأدق تنتج نتائج أكثر دقة. ومع ذلك، الشبكات الأدق بشكل مفرط غير عملية، حيث تزيد بشكل كبير من وقت الحل.

المبدأ الأساسي لإنشاء الشبكة هو الجمع المناسب بين الشبكات الخشنة والناعمة: تحسين الدقة حيث يكون ذلك ضرورياً وتخفيف الدقة حيث يكون ذلك ممكناً.

إنشاء الشبكة يدوياً أمر شديد الصعوبة ويحتاج المهندسين المتخصصين في المحاكاة إلى فهم عميق للمشكلة التي يتم حلها.

ومع ذلك، توفر بعض البرامج وظائف إنشاء شبكة آلية مستندة إلى الفيزياء، والتي غالباً ما تبسط عملية إنشاء الشبكة. على سبيل المثال، وظيفة إنشاء الشبكة الآلية لوحدات محاكاة المجال الكهربائي في COMSOL قوية للغاية، مما يسمح بإنشاء شبكات كبيرة لنماذج العزل الرئيسي للمحولات بسرعة تقارب 40 مرة أسرع من البرامج الأخرى.

للأسف، وظائف إنشاء الشبكة الآلية المدمجة في البرامج ليست كافية لحل بعض المشاكل، حيث لا يمكن للبرامج العامة التعرف على المناطق التي تحتاج إلى تحسين الدقة - مثل محاكاة مجال التدفق.

4.6 حل النموذج

جوهر حل المحاكاة هو حل أنظمة المعادلات المنفصلة الكبيرة. وهذا يتطلب من المهندسين المتخصصين في المحاكاة أن يكون لديهم معرفة بالرياضيات ذات الصلة، مثل نظرية المصفوفات وطرق التكرار النيوتنية.

بعض حلول البرامج مهيأة تلقائياً بناءً على المشكلة ولا تتطلب تدخلاً إضافياً من المهندس. ومع ذلك، كما هو الحال في إنشاء الشبكة، هذا ليس عاملاً مطبقاً بشكل شامل. حل المشكلات المتقدمة والمعقدة يتطلب من المهندسين تكوين الإعدادات بشكل فردي للتأكد من التقارب السريع والحصول على نتائج دقيقة.

4.7 معالجة النتائج بعد الحل

لتقديم نتائج المحاكاة بشكل مبسط، تحتاج البيانات المستخرجة إلى معالجة مناسبة بعد الحل، مثل إنشاء رسومات ملونة لمجال الكهربائي أو مجال الحرارة أو مجال التدفق.

إضافة إلى ذلك، تتطلب بعض الخطوات بعد الحل من المهندسين تطبيق المعرفة المهنية. على سبيل المثال، يمكن لمعظم برامج محاكاة المجال الكهربائي أن تعرض بشكل مبسط قوة المجال الكهربائي في كل نقطة، ولكن تحديد جدوى الهامش العازل يتطلب تحليل إحصائي لهذه البيانات لإنشاء منحنيات الهامش العازل بناءً على تراكم قوة المجال.