Tranformator simulasiyası təhlili: Məhdud element alətləri istifadə edərək əsas prosesslər çətinliklər və ən yaxşı praktikalar

1 Giriş

Herhangi bir sonlu eleman analizi yazılımı (COMSOL, Infolytica veya Ansys gibi) kullanarak transformator simülasyonu analizi yaparken - elektrik alanı, manyetik alan, akış alanı, mekanik alan veya akustik alan üzerine odaklanıyor olunsa da - temel süreç genellikle aynıdır. Her sürecin kilit noktalarını gerçek anlamda anlama, simülasyon analizin başarısı ve sonuçların güvenilirliğinin temelidir.

2 Temel Simülasyon Süreci

Bilimsel ve kapsamlı bir transformator simülasyon süreci yedi ana adımı içerir:

3 Zorluğun Anlaşılması

Transformator, bir statik elektrik cihazıdır ve bu açıdan bakıldığında, ilgili simülasyon çalışmaları dönen parçaların varlığı nedeniyle çoğu simülasyonun zorluğunu artırmadan oldukça basittir. Ne yazık ki, transformator aynı zamanda doğrusal olmayan, zamanla değişen, çok sayıda fiziksel alanın güçlü bir şekilde bağlanmış olduğu bir elektromekanik cihazdır, bu da genellikle transformator simülasyonlarını çok daha zor hatta çözümsüz hale getirir.

Örneğin, akış analizine dayalı transformator sıcaklık alanı simülasyonları genellikle doğru ve güvenilir sonuçlar vermez. Bunun nedeni, akış dinamiğinin temel teorisinin kendisinin oldukça karmaşık olması ve henüz birleşik ve istikrarlı bir teori oluşturmadığıdır. Diğer taraftan, transformator sıcaklık alanı simülasyonu, "manyetik alan - ısı transfer alanı - akış alanı" üç alanın çift yönlü güçlü bir şekilde bağlanmasını gerektirir. Bu büyük bir transformator modeli için tek bir akış alanını çözmek bile zordur, üç alanın aşırı güçlü bir şekilde bağlanması düşünüldüğünde ise bu daha da zorlaşır.

Transformator simülasyonunun kritik alanlarında ilerleme kaydetmek için, simülasyon mühendisleri bir yandan transformatörle ilgili teorileri, tasarım, üretim ve test bilgisini derinden anlamalı, diğer yandan simülasyon yazılımlarını kullanma konusunda çok yetkin olmalı ve yazılımın işleyişinin iç doğasını anlamalıdır.

4 Sürecin Ana Noktaları
4.1 Problemin Analizi

Geometrik modellemeden önce, simülasyon problemini ön analiz etmek, uygun bir geometrik model oluşturmak ve doğru fiziksel alan seçmek gerekir. Örneğin, simülasyon problemi tek bir fiziksel alana mı yoksa güçlü bir şekilde bağlanmış fiziksel alanlara mı odaklanıyor?

4.2 Geometrik Modelleme

Geometrik modellemenin tamamlılığı, simülasyonun verimliliğini ve ilerlemesini belirler. Çoğu durumda, basitleştirilmiş bir geometrik model oluşturulmalıdır. Ancak, geometrik model aşırı derecede basitleştirilirse, simülasyon sonuçları doğruluğunu kaybeder ve tasarım çalışmalarına rehberlik edemez. Açıktır ki, geometrik modelin nasıl basitleştirileceğini belirlemek, çözülen probleme ilişkin derin bir anlayışı gerektirir. Örneğin, 2D geometrik model yeterli mi? 3D geometrik model oluşturmak gerekiyor mu? Hatta 3D model oluştururken hangi detayların ihmal edilebileceği ve hangilerinin korunması gerektiğini belirlemek de önemlidir.

4.3 Malzeme Ataması

Bir malzemenin birkaç fiziksel parametresi olabilir, ancak belirli bir problemi çözmek için sadece birkaç tanesi gereklidir.

Belirli malzeme parametrelerini atarken, değerlerinin doğru olması gerekir; aksi takdirde, simülasyon sonuçlarına kabul edilemez sapmalar girilebilir.

Bazı malzeme özellik parametreleri, diğer parametrelerle birlikte değişebilir. Örneğin, transformator akış-ısıl simülasyonlarında, transformatör yağı yoğunluğu, öz ısıl kapasitesi ve termal iletkenliği sıcaklıkla birlikte değişir ve bu ilişkilerin nispeten doğru fonksiyonlarla tanımlanması gerekir.

4.4 Fiziksel Alan Ayarlaması

Seçilen fiziksel alan için, problemin yönettiği fiziksel denklemler, uyarıcıların ifadeleri, başlangıç koşulları, sınır koşulları ve kısıtlama koşulları gibi temel çözme koşullarını tanımlamak gerekir.

4.5 Ağ Oluşturma

Ağ oluşturma, geometrik modellemenin ardından argüden çekirdek adımıdır. Teorik olarak, daha ince ağlar daha doğru sonuçlar verir. Ancak, aşırı ince ağlar pratik değildir, çünkü çözüm süresini önemli ölçüde artırır.

Ağ oluşturma temel prensibi, ince ve kalın ağları uygun bir şekilde birleştirmektir: gerektiğinde inceleştirin ve mümkün olduğunda kalınlaştırın.

El ile ağ oluşturma oldukça zordur ve simülasyon mühendislerinin çözülen probleme ilişkin derin bir anlayışa sahip olmasını gerektirir.

Neyse ki, bazı yazılımlar, genellikle fizik tabanlı otomatik ağ oluşturma fonksiyonları sunar, bu da ağ oluşturma sürecini sıkça basitleştirir. Örneğin, COMSOL'un elektrik alan simülasyon modülleri için otomatik ağ oluşturma fonksiyonu oldukça güçlüdür ve diğer yazılımlardan neredeyse 40 kat daha hızlı bir hızla büyük bir transformator ana yalıtım modelini ağlandırmayı sağlar.

Ne yazık ki, yazılımın yerleşik otomatik ağ oluşturma fonksiyonları, akış alanı simülasyonları gibi bazı problemlerin çözümü için yetersizdir, çünkü genel amaçlı yazılımlar, ağ incelemesi gerektiren bölgeleri tanıyamaz.

4.6 Model Çözümü

Simülasyon çözümünün özü, geniş ayrık denklem sistemlerini çözmektir. Bu, simülasyon mühendislerinin matris teorisi ve Newton iterasyon yöntemleri gibi ilgili matematik bilgisine sahip olmasını gerektirir.

Bazı yazılım çözücüler, mühendisten herhangi bir ek müdahale gerektirmeden otomatik olarak problemeye göre yapılandırılır. Ancak, ağ oluşturmaya benzer şekilde, bu evrensel olarak uygulanamaz. İleri ve karmaşık problemlerin çözümü, mühendislerin ayarları bireysel olarak yapılandırarak hızlı yakınsamanın ve doğru sonuçların sağlanması için gerekli olan bilgiye sahip olmalarını gerektirir.

4.7 Sonuç Post-işlemi

Simülasyon sonuçlarını görsel olarak sunmak için, elde edilen verilerin uygun post-işlemeye ihtiyacı vardır, örneğin, elektrik alanı kontur çizimleri, sıcaklık alanı kontur çizimleri veya akış alanı kontur çizimleri oluşturmak gibi.

Ayrıca, bazı post-işlem adımları, mühendislerin profesyonel bilgi uygulamasını gerektirir. Örneğin, çoğu elektrik alan simülasyon yazılımı, her noktadaki elektrik alan yoğunluğunun büyüklüğünü görsel olarak gösterir, ancak yalıtım marjının uygunluğunu belirlemek için bu verilerin istatistiksel analiz edilmesi ve toplam alan gücünün dayalı olarak yalıtım marj eğrilerinin oluşturulması gerekir.