Transformer Simulation Analyse: Nøgleprocesser Udfordringer og Bedste Praksisser ved Brug af Finite Element Værktøjer

1 Introduktion

Uanset om man bruger et endeligt elementanalyseprogram (som COMSOL, Infolytica eller Ansys) til transformer-simulering og -analyse – uanset om fokus er på elektriske felter, magnetiske felter, strømningsfelter, mekaniske felter eller akustiske felter – er den grundlæggende proces stort set den samme. En reel forståelse af de vigtigste punkter i hvert trin er grundlaget for en vellykket simulering og pålideligheden af de endelige resultater.

2 Grundlæggende Simuleringsproces

En videnskabelig og komplet transformer-simuleringsproces inkluderer syv større trin:

3 Forståelse af Sværheder

En transformer er en statisk elektrisk enhed, og set fra dette perspektiv er den relaterede simuleringsarbejde relativt enkelt, da tilstedeværelsen af roterende komponenter ville øge sværheden af de fleste simulationer betydeligt. Uheldigvis er en transformer også en ikke-lineær, tidsvarierende elektromekanisk enhed med stærk kobling mellem flere fysiske felter, hvilket ofte gør transformer-simulation meget mere svær og endda uløselig.

For eksempel resultere ofte simulationer af transformer-temperaturfelter baseret på strømning-analyse i utilstrækkelige og upålidelige resultater. Én årsag er, at den grundlæggende teori for strømning-dynamik er højst kompleks og har endnu ikke dannet en enet og stabil teori. På den anden side kræver temperaturefelt-simulering af transformatorer en tovejs stærk kobling af tre felter: "magnetfelt–varmetransferfelt–strømningsfelt." For et så stort transformer-model, er løsningen af et enkelt strømningsfelt allerede udfordrende, lad alene den ultra-stærke kobling af tre felter.

For at opnå gennembrud i nøgleområder inden for transformer-simulering, skal simuleringsteknikere på den ene side have en dyb forståelse af transformer-relaterede teorier, design, produktion og testviden, og på den anden side være højt kvalificerede i at operere simulering-software og forstå dens intrinske arbejdsmåde.

4 Nøglepunkter i Processen
4.1 Problem Analyse

Før geometrisk modellering, er der behov for en foreløbig analyse af simuleringsspørgsmålet for at etablere en passende geometrisk model og vælge det korrekte fysisk felt. For eksempel, fokuserer simuleringsspørgsmålet på et enkelt fysisk felt eller stærkt koblet fysiske felter?

4.2 Geometrisk Modellering

Kompletheden af geometrisk modellering bestemmer effektiviteten og fremskridtet i simuleringen. I de fleste tilfælde skal en forenklet geometrisk model oprettes. Hvis den geometriske model dog er overfor simplificeret, vil simuleringens resultater være upræcise og ikke kunne vejlede designarbejdet. Det er klart, at at fastlægge, hvordan man forenkler den geometriske model, kræver en dyb forståelse af problemet, der løses. For eksempel, er en 2D geometrisk model nok? Er det nødvendigt at opbygge en 3D geometrisk model? Selv når man bygger en 3D model, hvilke detaljer kan udelades, og hvilke skal bevares?

4.3 Materialetilskrivning

Et materiale kan have flere fysiske parametre, men kun få er ofte nødvendige for at løse et specifikt problem.

Når man tilskriver specifikke materialeparametre, skal deres værdier være præcise; ellers kan uacceptabelt store afvigelser blive introduceret i simuleringens resultater.

Nogle materialeegenskabsparametre varierer med andre parametre. For eksempel, i transformer-strømning-varme-simulationer, ændrer transformerolie's densitet, specifik varmekapacitet og termisk ledningsfærdighed sig med temperaturen, og disse relationer skal beskrives ved hjælp af relativt præcise funktioner.

4.4 Opsætning af Fysisk Felt

For det valgte fysiske felt, er det nødvendigt at definere essentielle løsningsbetingelser, som de fysiske ligninger, der styrer problemet, udtryk for opspænding, startbetingelser, randbetingelser og begrænsningsbetingelser.

4.5 Generering af Gitter

Generering af gitter er måske det kerne-trin efter geometrisk modellering. Teoretisk set giver finere gitter mere præcise resultater. Imidlertid er for fine gitter uproblematisk, da de betydeligt øger løsnings-tiden.

Den grundlæggende princip for gittergenerering er at kombinere groft og fint gitter passende: forfin ansat, hvor det er nødvendigt, og forgrub, hvor det er muligt.

Manuel gittergenerering er højst udfordrende og kræver, at simuleringsteknikere har en dyb forståelse af problemet, der løses.

Heldigvis tilbyder nogle software fysik-baseret automatisk gittergenerering, som ofte forenkler gittergenereringsprocessen. For eksempel, er COMSOL's automatiske gittergenereringsfunktion for elektriske felt-simuleringsmoduler yderst kraftfuld, og gør det muligt at hurtigt generere gitter for store transformer-hovedisolationsmodeller næsten 40 gange hurtigere end andet software.

Desværre er softwarens indbyggede automatiske gittergenereringsfunktioner utilstrækkelige til at løse visse problemer, da almene software ikke kan identificere områder, der kræver gitterforfining – som i strømningsfelt-simulationer.

4.6 Model Løsning

Essensen af simulering-løsning er løsning af store diskrete ligningssystemer. Dette kræver, at simuleringsteknikere har viden om relevante matematik, som matrix-teori og Newton-iterationsmetoder.

Nogle software-løsere er automatisk konfigureret baseret på problemet, og kræver ingen yderligere intervention fra teknikeren. Dog er dette ikke universelt anvendeligt. Løsning af avancerede og komplekse problemer kræver, at teknikere konfigurerer indstillinger individuelt for at sikre hurtig konvergens og præcise resultater.

4.7 Resultat Post-Behandling

For at præsentere simuleringens resultater直观地展示模拟结果，需要对获得的数据进行适当的后处理，例如生成电场等高线图、温度场等高线图或流场等高线图。 此外，一些后处理步骤需要工程师应用专业知识。例如，大多数电场模拟软件只能直观地显示每个点的电场强度大小，但确定绝缘裕度的可行性需要对该数据进行统计分析，以基于累积场强生成绝缘裕度曲线。 请注意，最后一段中文部分在原文中并未出现，可能是误输入。以下是该段落的丹麦语翻译：

For at præsentere simuleringens resultater intuitivt, skal de opnåede data undergå passende post-behandling, såsom generering af elektriske feltkonturplots, temperaturfeltkonturplots eller strømningsfeltkonturplots.

Derudover kræver nogle post-behandlingssteg, at ingeniørerne anvender fagkundskab. For eksempel kan de fleste elektriske felt-simuleringssoftware kun直观地展示每个点的电场强度大小，但确定绝缘裕度的可行性需要对该数据进行统计分析，以基于累积场强生成绝缘裕度曲线。 请注意，这段文字在原文中并未出现，可能是误输入。以下是该段落的丹麦语翻译：

Derudover kræver nogle post-behandlingssteg, at ingeniørerne anvender fagkundskab. For eksempel kan de fleste elektriske felt-simuleringssoftware kun intuitive vise størrelsen af elektriske feltintensiteter på hvert punkt, men for at fastslå bekvemmeligheden af isolationsmargin kræves statistisk analyse af denne data for at generere isolationsmargin-kurver baseret på akkumuleret feltstyrke.