Transformersimulation: Schlüsselprozesse Herausforderungen und Best Practices mit Finite-Elemente-Tools

1 Einführung

Ob bei der Verwendung von Finite-Elemente-Analyse-Software (wie COMSOL, Infolytica oder Ansys) für die Simulation von Transformatoren – ob der Fokus auf dem elektrischen Feld, magnetischen Feld, Strömungsfeld, mechanischem Feld oder Schallfeld liegt – der grundlegende Prozess ist in etwa derselbe. Ein tiefes Verständnis der Schlüsselpunkte in jedem Prozess ist die Grundlage für den Erfolg der Simulationsanalyse und die Zuverlässigkeit der endgültigen Ergebnisse.

2 Grundlegender Simulationsprozess

Ein wissenschaftlich vollständiger Transformator-Simulationsprozess umfasst sieben Hauptschritte:

3 Verständnis der Schwierigkeiten

Ein Transformator ist ein statisches elektrisches Gerät, und aus dieser Perspektive ist die zugehörige Simulationsarbeit relativ einfach, da sich die Anwesenheit rotierender Komponenten die Schwierigkeit der meisten Simulationen erheblich erhöhen würde. Leider ist ein Transformator jedoch auch ein nichtlinearer, zeitabhängiger elektromechanischer Apparat mit starker Kopplung mehrerer physikalischer Felder, was die Transformatorsimulation oft viel schwieriger und sogar unlösbar macht.

Zum Beispiel liefern Simulationen des Temperaturfelds von Transformatoren basierend auf Strömungsanalysen oft keine genauen und zuverlässigen Ergebnisse. Einer der Gründe dafür ist, dass die Grundtheorie der Strömungsmechanik selbst äußerst komplex ist und noch keine einheitliche und stabile Theorie gebildet hat. Andererseits erfordert die Temperaturfeldsimulation von Transformatoren eine bidirektionale starke Kopplung von drei Feldern: "magnetisches Feld – Wärmeübertragungsfeld – Strömungsfeld". Für solch ein großes Transformator-Modell ist bereits die Lösung eines einzelnen Strömungsfeldes herausfordernd, geschweige denn die ultra-starke Kopplung von drei Feldern.

Um Fortschritte in den Schlüsselbereichen der Transformatorsimulation zu erzielen, müssen Simulationsingenieure einerseits ein tiefes Verständnis der transformatorbezogenen Theorien, Design, Fertigung und Prüfungswissen haben und andererseits hochgradig geübt sein im Umgang mit Simulationssoftware und das intrinsische Wesen ihrer Funktionsweise verstehen.

4 Schlüsselpunkte des Prozesses
4.1 Problemanalyse

Vor der geometrischen Modellierung ist eine vorläufige Analyse des Simulationsproblems erforderlich, um ein passendes geometrisches Modell zu erstellen und das korrekte physikalische Feld auszuwählen. Zum Beispiel, konzentriert sich das Simulationsproblem auf ein einzelnes physikalisches Feld oder stark gekoppelte physikalische Felder?

4.2 Geometrische Modellierung

Die Vollständigkeit der geometrischen Modellierung bestimmt die Effizienz und den Fortschritt der Simulation. In den meisten Fällen muss ein vereinfachtes geometrisches Modell erstellt werden. Wenn das geometrische Modell jedoch übermäßig vereinfacht wird, sind die Simulationsergebnisse ungenau und können die Entwurfsarbeit nicht leiten. Offensichtlich erfordert es, wie das geometrische Modell zu vereinfachen, ein tiefes Verständnis des gelösten Problems. Zum Beispiel, reicht ein 2D-geometrisches Modell aus? Ist es notwendig, ein 3D-geometrisches Modell zu erstellen? Selbst wenn ein 3D-Modell erstellt wird, welche Details können weggelassen und welche müssen beibehalten werden?

4.3 Materialzuweisung

Ein Material kann Dutzende physikalischer Parameter haben, aber nur wenige davon sind oft für die Lösung eines bestimmten Problems erforderlich.

Bei der Zuweisung spezifischer Materialparameter müssen deren Werte genau sein; andernfalls können inakzeptable Abweichungen in die Simulationsergebnisse eingeführt werden.

Einige Materialparameter variieren abhängig von anderen Parametern. Beispielsweise ändern sich in der Fluid-Wärmesimulation von Transformatoren die Dichte, die spezifische Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit des Transformatoröls mit der Temperatur, und diese Beziehungen müssen mit relativ genauen Funktionen beschrieben werden.

4.4 Physikalisches Feld einrichten

Für das ausgewählte physikalische Feld müssen wesentliche Lösungsbedingungen definiert werden, wie die physikalischen Gleichungen, die das Problem regieren, Ausdrücke der Erregungen, Anfangsbedingungen, Randbedingungen und Nebenbedingungen.

4.5 Netzgenerierung

Die Netzgenerierung ist nach der geometrischen Modellierung wahrscheinlich der Kernschritt. Theoretisch führen feinere Netze zu präziseren Ergebnissen. Allerdings sind übermäßig feine Netze nicht praktikabel, da sie die Lösungszeit erheblich erhöhen.

Das grundlegende Prinzip der Netzgenerierung besteht darin, grobe und feine Netze angemessen zu kombinieren: dort verfeinern, wo nötig, und dort vergröbern, wo möglich.

Die manuelle Netzgenerierung ist sehr herausfordernd und erfordert, dass Simulationsingenieure ein tiefes Verständnis des gelösten Problems haben.

Glücklicherweise bieten einige Softwarelösungen physikbasierte automatische Netzgenerierungsfunktionen, die den Netzgenerierungsprozess oft vereinfachen. Zum Beispiel ist die automatische Netzgenerierungsfunktion von COMSOL für elektrische Feldsimulationsmodule extrem leistungsfähig und ermöglicht eine schnelle Netzgenerierung großer Transformator-Hauptisolationsmodelle, die fast 40-mal schneller als andere Software arbeitet.

Leider sind die eingebauten automatischen Netzgenerierungsfunktionen der Software für bestimmte Probleme nicht ausreichend, da allgemeine Software Bereiche, die eine Netzverfeinerung erfordern – wie in Strömungsfeldsimulationen – nicht identifizieren kann.

4.6 Modelllösung

Das Wesen der Simulationslösung besteht darin, große diskrete Gleichungssysteme zu lösen. Dies erfordert, dass Simulationsingenieure Kenntnisse der relevanten Mathematik, wie Matrixtheorie und Newton-Iterationsmethoden, haben.

Einige Softwarelöser sind automatisch basierend auf dem Problem konfiguriert und erfordern keine zusätzliche Intervention durch den Ingenieur. Allerdings ist dies nicht allgemein anwendbar. Das Lösen fortgeschrittener und komplexer Probleme erfordert, dass Ingenieure die Einstellungen individuell konfigurieren, um eine schnelle Konvergenz und genaue Ergebnisse sicherzustellen.

4.7 Ergebnispostprocessing

Um die Simulationsergebnisse intuitiv darzustellen, müssen die erhaltenen Daten entsprechend postprozessiert werden, wie zum Beispiel die Erstellung von Elektrisches-Feld-Konturlinien, Temperaturfeld-Konturlinien oder Strömungsfeld-Konturlinien.

Darüber hinaus erfordern einige Postprocessing-Schritte, dass Ingenieure Fachwissen anwenden. Zum Beispiel können die meisten elektrischen Feldsimulationssoftware nur die Größenordnung der elektrischen Feldstärke an jedem Punkt intuitiv darstellen, aber die Bestimmung der Machbarkeit der Isolationsreserve erfordert eine statistische Analyse dieser Daten, um Isolationsreservelinien basierend auf kumulativer Feldstärke zu generieren.