Трансформаторна симулация и анализ: Ключови процеси предизвикателства и най-добри практики при използване на инструменти за крайно елементно моделиране

1 Въведение

Без значение дали използвате софтуер за анализ с крайни елементи (например COMSOL, Infolytica или Ansys) за симулация и анализ на трансформатори – дали фокусирани сте върху електрическо поле, магнитно поле, поле на потока, механично поле или акустично поле – основният процес е приблизително един и същ. Настоящото разбиране на ключовите точки във всеки процес е основата за успеха на симулацията и надеждността на крайния резултат.

2 Основен процес на симулация

Научен и пълен процес на симулация на трансформатор включва седем големи стъпки: 

3 Разбиране на трудността

Трансформаторът е статичен електрически апарат и от тази гледна точка, свързаната с него симулационна работа е относително проста, тъй като наличието на въртящи се компоненти би значително увеличило трудността на повечето симулации. За съжаление обаче, трансформаторът е също нелинеен, временен електромеханичен апарат с силна куплуваност на много физически полета, което често прави симулацията на трансформатора много по-трудна и дори нерешима.

Например, симулациите на температурните полета на трансформаторите, базирани на анализа на потока, често не дават точни и надеждни резултати. Един от причините е, че основната теория на динамиката на флуидите сама по себе си е много сложна и все още не е формирана еднаедна и стабилна теория. От друга страна, симулацията на температурното поле на трансформаторите изисква двупосочна силна куплуваност на три полета: "магнитно поле – поле на прехода на топлина – поле на потока." За такава голяма модел на трансформатор, решаването на един единствен поток е вече предизвикателство, а още повече свръх силната куплуваност на трите полета.

За да постигнат промени в ключови области на симулацията на трансформаторите, инженерите по симулация трябва, от една страна, да имат дълбоко разбиране на теории, свързани с трансформаторите, дизайн, производство и знания за тестове, а от друга страна, да са високо умели в управлението на софтуера за симулация и да разбират вътрешната природа на неговата операция.

4 Ключови точки на процеса
4.1 Анализ на проблема

Преди геометричното моделиране, е необходим предварителен анализ на проблема на симулацията, за да се установи подходящ геометричен модел и да се изберат правилните физически полета. Например, дали проблемът на симулацията е фокусиран върху един единствен физически полет или силно куплуван физически полет?

4.2 Геометрично моделиране

Пълнотата на геометричното моделиране определя ефективността и напредъка на симулацията. В повечето случаи, е необходимо да се създаде опростен геометричен модел. Ако обаче геометричният модел е прекалено опростен, резултатите от симулацията ще бъдат неточни и няма да могат да насочат проектната работа. Очевидно, определянето как да се опрости геометричният модел изисква дълбоко разбиране на решавания проблем. Например, дали 2D геометричен модел е достатъчен? Дали е необходимо да се създаде 3D геометричен модел? Даже когато се строи 3D модел, кои детайли могат да бъдат пропуснати и кои трябва да бъдат запазени?

4.3 Назначаване на материали

Материал може да има десетки физически параметри, но само няколко често са необходими за решаване на конкретен проблем.

Когато се назначават конкретни параметри на материала, техните стойности трябва да са точни; в противен случай, в резултатите от симулацията може да бъдат въведени неприемливи отклонения.

Някои параметри на свойствата на материалите се изменят с други параметри. Например, в симулации на трансформаторите с флуид-термален анализ, плътността, специфичната топлоемкост и теплопроводимостта на трансформаторното масло се изменят с температурата, и тези отношения трябва да бъдат описани с相对较准确的翻译如下： ```html

1 Въведение

Без значение дали използвате софтуер за анализ с крайни елементи (например COMSOL, Infolytica или Ansys) за симулация и анализ на трансформатори – дали фокусирани сте върху електрическо поле, магнитно поле, поле на потока, механично поле или акустично поле – основният процес е приблизително един и същ. Настоящото разбиране на ключовите точки във всеки процес е основата за успеха на симулацията и надеждността на крайния резултат.

2 Основен процес на симулация

Научен и пълен процес на симулация на трансформатор включва седем големи стъпки: 

3 Разбиране на трудността

Трансформаторът е статичен електрически апарат и от тази гледна точка, свързаната с него симулационна работа е относително проста, тъй като наличието на въртящи се компоненти би значително увеличило трудността на повечето симулации. За съжаление обаче, трансформаторът е също нелинеен, временен електромеханичен апарат с силна куплуваност на много физически полета, което често прави симулацията на трансформатора много по-трудна и дори нерешима.

Например, симулациите на температурните полета на трансформаторите, базирани на анализа на потока, често не дават точни и надеждни резултати. Един от причините е, че основната теория на динамиката на флуидите сама по себе си е много сложна и все още не е формирана еднаедна и стабилна теория. От друга страна, симулацията на температурното поле на трансформаторите изисква двупосочна силна куплуваност на три полета: "магнитно поле – поле на прехода на топлина – поле на потока." За такава голяма модел на трансформатор, решаването на един единствен поток е вече предизвикателство, а още повече свръх силната куплуваност на трите полета.

За да постигнат промени в ключови области на симулацията на трансформаторите, инженерите по симулация трябва, от една страна, да имат дълбоко разбиране на теории, свързани с трансформаторите, дизайн, производство и знания за тестове, а от друга страна, да са високо умели в управлението на софтуера за симулация и да разбират вътрешната природа на неговата операция.

4 Ключови точки на процеса
4.1 Анализ на проблема

Преди геометричното моделиране, е необходим предварителен анализ на проблема на симулацията, за да се установи подходящ геометричен модел и да се изберат правилните физически полета. Например, дали проблемът на симулацията е фокусиран върху един единствен физически полет или силно куплуван физически полет?

4.2 Геометрично моделиране

Пълнотата на геометричното моделиране определя ефективността и напредъка на симулацията. В повечето случаи, е необходимо да се създаде опростен геометричен модел. Ако обаче геометричният модел е прекалено опростен, резултатите от симулацията ще бъдат неточни и няма да могат да насочат проектната работа. Очевидно, определянето как да се опрости геометричният модел изисква дълбоко разбиране на решавания проблем. Например, дали 2D геометричен модел е достатъчен? Дали е необходимо да се създаде 3D геометричен модел? Даже когато се строи 3D модел, кои детайли могат да бъдат пропуснати и кои трябва да бъдат запазени?

4.3 Назначаване на материали

Материал може да има десетки физически параметри, но само няколко често са необходими за решаване на конкретен проблем.

Когато се назначават конкретни параметри на материала, техните стойности трябва да са точни; в противен случай, в резултатите от симулацията може да бъдат въведени неприемливи отклонения.

Някои параметри на свойствата на материалите се изменят с други параметри. Например, в симулации на трансформаторите с флуид-термален анализ, плътността, специфичната топлоемкост и теплопроводимостта на трансформаторното масло се изменят с температурата, и тези отношения трябва да бъдат описани с относително точни функции.

4.4 Настройка на физическото поле

За избрания физически полет, е необходимо да се дефинират основни условия за решаване, такива като физически уравнения, които управляват проблема, изрази на возбуждения, начални условия, гранични условия и условия на ограничения.

4.5 Генериране на мрежа

Генерирането на мрежа е вероятно централната стъпка след геометричното моделиране. Теоретично, по-фини мрежи дават по-точни резултати. Но прекалено фини мрежи са непрактични, тъй като значително увеличават времето за решаване.

Основният принцип на генерирането на мрежа е да се комбинират по-груби и по-фини мрежи подходящо: да се изострят там, където е необходимо, и да се сгъстяват, където е възможно.

Ръчното генериране на мрежа е много трудно и изисква инженерите по симулация да имат дълбоко разбиране на решавания проблем.

За щастие, някои софтуери предлагат автоматично генериране на мрежа, основано на физика, което често опростява процеса на генериране на мрежа. Например, автоматичната функция за генериране на мрежа на COMSOL за модули за симулация на електрическо поле е изключително мощна, позволяваща бързо генериране на мрежа за големи модели на главна изолация на трансформатори със скорост почти 40 пъти по-висока от друг софтуер.

За съжаление, вградените функции за автоматично генериране на мрежа на софтуера не са достатъчни за решаване на някои проблеми, тъй като универсалният софтуер не може да идентифицира области, изискващи изостряне на мрежата – например, в симулации на поле на потока.

4.6 Решаване на модела

Същността на решаването на симулацията е решаването на големи дискретни системи от уравнения. Това изисква инженерите по симулация да имат знания по съответната математика, такава като теория на матриците и методи на Нютоновата итерация.

Някои решаващи модули на софтуер са автоматично конфигурирани въз основа на проблема, без допълнително вмешателство от инженера. Но, както и при генерирането на мрежа, това не е универсално приложимо. Решаването на напреднали и сложни проблеми изисква инженерите да конфигурират настройките индивидуално, за да осигурят бързо сходимост и точни резултати.

4.7 Обработка на резултатите

За да се представят интуитивно резултатите от симулацията, получените данни трябва да бъдат подложени на подходяща обработка, такава като генериране на контурни графики на електрическо поле, температурно поле или поле на потока.

Освен това, някои стъпки на обработване изискват инженерите да прилагат професионални знания. Например, повечето софтуери за симулация на електрическо поле могат да показват интуитивно големината на интензитета на електрическото поле във всяка точка, но определянето на възможността за изолационен марж изисква статистически анализ на тези данни, за да се генерират криви на изолационен марж въз основа на кумулативен интензитет на полето.