Simulace a analýza transformátorů: Klíčové procesy výzev a osvědčené postupy použitím nástrojů metody konečných prvků

1 Úvod

Ať už používáte jakýkoli software pro konečnou prvekovou analýzu (jako je COMSOL, Infolytica nebo Ansys) pro simulaci transformátorů – ať se jedná o elektromagnetické pole, magnetické pole, proudové pole, mechanické pole nebo zvukové pole – základní postup je v podstatě stejný. Skutečné pochopení klíčových bodů každého kroku je základem úspěšné simulace a spolehlivosti finálních výsledků.

2 Základní simulovaný proces

Vědecký a kompletní proces simulace transformátoru zahrnuje sedm hlavních kroků:

3 Pojetí obtížnosti

Transformátor je statické elektrické zařízení a z tohoto hlediska je související simulace relativně jednoduchá, protože přítomnost rotujících částí by značně ztěžila většinu simulací. Bohužel je transformátor také nelineárním, časově proměnným elektromechanickým zařízením s silnou vazbou mnoha fyzikálních polí, což často dělá simulaci transformátoru mnohem těžší a někdy i nerešitelnou.

Například simulace teplotních polí transformátorů založená na analýze tekutin často nedosahují přesných a spolehlivých výsledků. Jedním z důvodů je, že základní teorie dynamiky tekutin sama o sobě je velmi komplexní a dosud nebyla vytvořena unifikovaná a stabilní teorie. Na druhou stranu, simulace teplotního pole transformátoru vyžaduje bidirekční silnou vazbu tří polí: "magnetické pole – tepelné pole – pole tekutiny". Pro tak velký model transformátoru je již řešení jednoho pole proudění výzvou, natož pak ultra silná vazba tří polí.

Aby dosáhli průlomů v klíčových oblastech simulace transformátorů, musí inženýři simulace na jedné straně mít hluboké porozumění teoriím, designu, výrobě a testování transformátorů, a na druhé straně musí být vyspěle zkušení v operaci s simulačním softwarem a pochopit jeho vnitřní principy fungování.

4 Klíčové body procesu
4.1 Analýza problému

Před geometrickým modelováním je třeba provést předběžnou analýzu simulovaného problému, aby bylo možné vytvořit vhodný geometrický model a vybrat správné fyzikální pole. Například, zda je simulovaný problém zaměřen na jedno fyzikální pole, nebo na silně vázaná fyzikální pole?

4.2 Geometrické modelování

Úplnost geometrického modelování určuje efektivitu a pokrok simulace. Většinou je třeba vytvořit zjednodušený geometrický model. Pokud je geometrický model příliš zjednodušen, budou výsledky simulace nepřesné a nebudou schopny vést návrh. Je zřejmé, že rozhodnutí, jak zjednodušit geometrický model, vyžaduje hluboké porozumění řešenému problému. Například, je dostatečný 2D geometrický model? Je nutné vytvořit 3D geometrický model? I při vytváření 3D modelu, které detaily lze vynechat a které musí být zachovány?

4.3 Přiřazení materiálů

Materiál může mít desítky fyzikálních parametrů, ale pro řešení konkrétního problému jsou často potřebné jen pár z nich.

Při přiřazování specifických materiálových parametrů musí jejich hodnoty být přesné, jinak by mohly do výsledků simulace zavést nepřijatelné odchylky.

Některé materiálové vlastnosti se mění s dalšími parametry. Například v simulacích teplotního pole transformátoru se hustota, tepelná kapacita a tepelná vodivost transformátorového oleje mění s teplotou, a tyto vztahy je třeba popsat pomocí relativně přesných funkcí.

4.4 Nastavení fyzikálního pole

Pro vybrané fyzikální pole je třeba definovat zásadní řešení podmínky, jako jsou fyzikální rovnice, které řídí problém, výrazy excitací, počáteční podmínky, okrajové podmínky a omezující podmínky.

4.5 Generování sítě

Generování sítě je pravděpodobně klíčovým krokem po geometrickém modelování. Teoreticky vedou jemnější sítě k přesnějším výsledkům. Nicméně, příliš jemné sítě nejsou praktické, protože značně prodlužují dobu řešení.

Základní princip generování sítě spočívá v vhodném kombinování hrubých a jemných sítí: tam, kde je třeba, se síť zjemní, a tam, kde je to možné, se zhrubí.

Ruční generování sítě je velmi náročné a vyžaduje, aby inženýři simulace měli hluboké porozumění řešenému problému.

Naštěstí některý software nabízí funkce automatického generování sítě založené na fyzice, které často zjednodušují proces generování sítě. Například funkce automatického generování sítě modulu simulace elektrického pole v COMSOL je extrémně silná, umožňuje rychlé sítění velkých modelů hlavní izolace transformátoru rychlostí téměř 40krát rychlejší než jiný software.

Bohužel, vestavěné funkce automatického generování sítě softwaru nejsou pro řešení některých problémů dostatečné, protože univerzální software nemůže identifikovat oblasti, kde je třeba zjemnit síť, například v simulacích pole proudění.

4.6 Řešení modelu

Podstatou simulace je řešení velkých diskrétních rovnic. To vyžaduje, aby inženýři simulace měli znalosti relevantní matematiky, jako je teorie matic a metoda Newtonovy iterace.

Některé software řešiče jsou automaticky nakonfigurovány podle problému a nevyžadují žádnou dodatečnou intervenci inženýra. Nicméně, stejně jako u generování sítě, toto není univerzálně aplikovatelné. Řešení pokročilých a složitých problémů vyžaduje, aby inženýři individuálně nakonfigurovali nastavení, aby zajistili rychlou konvergenci a přesné výsledky.

4.7 Postprocessing výsledků

Aby byly výsledky simulace intuitivně prezentovány, je třeba získaná data vhodně zpracovat, například generováním konturové mapy elektrického pole, konturové mapy teplotního pole nebo konturové mapy pole proudění.

Kromě toho některé kroky postprocessingu vyžadují, aby inženýři použili odborné znalosti. Například většina software pro simulaci elektrického pole může pouze intuitivně zobrazit velikost intenzity elektrického pole v každém bodě, ale pro určení možnosti izolačního okraje je třeba statisticky analyzovat tato data a vygenerovat křivky izolačního okraje na základě kumulativní intenzity pole.