Anàlisi de simulació de transformadors: processos clau reptes i bones pràctiques utilitzant eines d'elements finits

1 Introducció

Sigui quin sigui el programari d'anàlisi per elements finits (com COMSOL, Infolytica o Ansys) que s'utilitzi per a la simulació i anàlisi de transformadors—fent-ne l'èmfasi en el camp elèctric, el camp magnètic, el camp de flux, el camp mecànic o el camp acústic—el procés bàsic és gairebé el mateix. Una comprensió real dels punts clau en cada procés és la base del èxit de l'anàlisi de simulació i la fiabilitat dels resultats finals.

2 Procés Bàsic de Simulació

Un procés de simulació científic i complet de transformadors inclou set passos principals:

3 Comprensió de la Dificultat

El transformador és un dispositiu elèctric estàtic, i des d'aquesta perspectiva, el seu treball de simulació associat és relativament simple, ja que la presència de components rotatius augmentaria significativament la dificultat de la majoria de les simulacions. Malauradament, però, el transformador també és un dispositiu electromecànic no lineal, variant amb el temps, amb una forta couplació de múltiples camps físics, el que sovint fa que la simulació del transformador sigui molt més difícil i fins i tot insuperable.

Per exemple, les simulacions del camp de temperatura dels transformadors basades en l'anàlisi de fluids sovint no produeixen resultats precisos i fiables. Un raonament és que la teoria bàsica de la dinàmica de fluids en si mateixa és extremadament complexa i encara no ha format una teoria unificada i estable. D'altra banda, la simulació del camp de temperatura dels transformadors requereix una couplació bidireccional forta de tres camps: "camp magnètic—camp de transferència de calor—camp de fluids". Per a un model de transformador tan gran, resoldre un sol camp de flux ja és un repte, i menys encara la couplació ultra-forta de tres camps.

Per aconseguir avanços en àrees clau de la simulació de transformadors, els enginyers de simulació han de tenir, d'una banda, una profunda comprensió de les teories, el disseny, la fabricació i el coneixement de proves relacionats amb els transformadors, i, d'altra banda, ser altament habilitats en l'operació de programari de simulació i comprendre la naturalesa intrínseca de la seva operació.

4 Punts Clau del Procés
4.1 Anàlisi del Problema

Abans de la modelització geomètrica, cal fer una anàlisi preliminar del problema de simulació per establir un model geomètric adequat i seleccionar el camp físic correcte. Per exemple, es centra el problema de simulació en un únic camp físic o en camps físics fortemente couplats?

4.2 Modelització Geomètrica

La completitud de la modelització geomètrica determina l'eficiència i el progrés de la simulació. En la majoria dels casos, cal establir un model geomètric simplificat. No obstant això, si el model geomètric és massa simplificat, els resultats de la simulació seran imprecisos i no podran orientar el treball de disseny. Es clar que determinar com simplificar el model geomètric requereix una profunda comprensió del problema a resoldre. Per exemple, és suficient un model geomètric 2D? És necessari construir un model geomètric 3D? Incluso en la construcció d'un model 3D, quins detalls es poden omplir i quins s'han de conservar?

4.3 Assignació de Materials

Un material pot tenir deuens de paràmetres físics, però només alguns són sovint necessaris per resoldre un problema específic.

Quan s'assignen paràmetres de material específics, els seus valors han de ser precisos; en cas contrari, es podrien introduir desviacions inacceptables en els resultats de la simulació.

Alguns paràmetres de propietats del material varien amb altres paràmetres. Per exemple, en les simulacions fluidotèrmiques dels transformadors, la densitat, la capacitat calorífica específica i la conductivitat tèrmica de l'oli del transformador canvien amb la temperatura, i aquestes relacions s'han de descriure mitjançant funcions relativament precises.

4.4 Configuració del Camp Físic

Per al camp físic seleccionat, cal definir les condicions de resolució essencials, com les equacions físiques que governen el problema, les expressions de les excitacions, les condicions inicials, les condicions de contorn i les condicions de restricció.

4.5 Generació de Malles

La generació de malles és probablement el pas central després de la modelització geomètrica. Teòricament, les malles més fines produeixen resultats més precisos. No obstant això, les malles excessivament fines són impractiques, ja que augmenten significativament el temps de resolució.

El principi bàsic de la generació de malles és combinar malles grogues i fines de manera apropiada: refinant on sigui necessari i allargant on sigui possible.

La generació manual de malles és extremadament complexa i requereix que els enginyers de simulació tinguin una profunda comprensió del problema a resoldre.

Afortunadament, alguns programaris oferixen funcions de generació automàtica de malles basades en la física, que sovint simplifiquen el procés de generació de malles. Per exemple, la funció de generació automàtica de malles de mòduls de simulació de camp elèctric de COMSOL és extremadament potent, permetent la mesura ràpida de models grans d'isolament principal de transformadors a una velocitat quasi 40 vegades més ràpida que altres programaris.

Malauradament, les funcions de generació automàtica de malles integrades en el programari no són suficients per resoldre certs problemes, ja que el programari genèric no pot identificar les àrees que requereixen un refinament de malla—com en les simulacions de camp de flux.

4.6 Resolució del Model

L'essència de la resolució de la simulació és resoldre sistemes d'equacions discretes grans. Això requereix que els enginyers de simulació tinguen coneixements de matemàtiques rellevants, com la teoria de matrius i els mètodes d'iteració de Newton.

Alguns solvers de programari estan configurats automàticament basant-se en el problema, sense necessitat d'intervenció addicional de l'enginyer. No obstant això, això no és universalment aplicable. La resolució de problemes avançats i complexes requereix que els enginyers configuren els paràmetres individualment per assegurar una convergència ràpida i resultats precisos.

4.7 Postprocessament dels Resultats

Per presentar els resultats de la simulació de manera intuïtiva, les dades obtingudes necessiten un postprocessament adequat, com generar gràfics de contorns de camp elèctric, gràfics de contorns de camp de temperatura o gràfics de contorns de camp de flux.

A més, alguns passos de postprocessament requereixen que els enginyers apliquin coneixements professionals. Per exemple, la majoria dels programaris de simulació de camp elèctric només poden mostrar de manera intuïtiva la magnitud de la intensitat del camp elèctric a cada punt, però determinar la viabilitat del marge d'isolament requereix una anàlisi estadística d'aquestes dades per generar corbes de marge d'isolament basades en la intensitat acumulativa del camp.