Ανάλυση Σιμουλασίας Μετατροπέα: Κύριες Διαδικασίες Προκλήσεις και Καλύτερες Πρακτικές με τη Χρήση Εργαλείων Πεπερασμένων Στοιχείων

1 Εισαγωγή

Είτε χρησιμοποιείτε λογισμικό ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (όπως το COMSOL, Infolytica ή Ansys) για την προσομοίωση μετατροπέα—είτε εστιάζετε στο ηλεκτρικό πεδίο, το μαγνητικό πεδίο, το ρευστοδυναμικό πεδίο, το μηχανικό πεδίο ή το ακουστικό πεδίο—ο βασικός διαδικαστικός τρόπος είναι περίπου ο ίδιος. Η πραγματική κατανόηση των κλειδιών σημείων σε κάθε διαδικασία είναι η βάση για την επιτυχία της προσομοίωσης και την αξιοπιστία των τελικών αποτελεσμάτων.

2 Βασική Διαδικασία Προσομοίωσης

Μια επιστημονική και ολοκληρωμένη διαδικασία προσομοίωσης μετατροπέα περιλαμβάνει επτά μεγάλα βήματα: 

3 Κατανόηση της Δυσκολίας

Ο μετατροπέας είναι ένα στατικό ηλεκτρικό σύστημα, και από αυτή την άποψη, η σχετική προσομοίωση είναι σχετικά απλή, καθώς η παρουσία περιστρεφόμενων συστατικών θα αυξάνει σημαντικά τη δυσκολία των περισσότερων προσομοιώσεων. Δυστυχώς, όμως, ο μετατροπέας είναι επίσης ένα μη-γραμμικό, χρονικά μεταβαλλόμενο ηλεκτρομηχανικό σύστημα με ισχυρή συνδυασμό πολλαπλών φυσικών πεδίων, το οποίο συχνά καθιστά την προσομοίωση του μετατροπέα πολύ πιο δύσκολη και ακόμη και ανυπόλυτη.

Για παράδειγμα, οι προσομοιώσεις του θερμοκρασιακού πεδίου του μετατροπέα με βάση την ανάλυση ρευστών συχνά αποτυγχάνουν να παράγουν ακριβή και αξιόπιστα αποτελέσματα. Μία από τις λόγοι είναι ότι η βασική θεωρία της ρευστοδυναμικής είναι από μόνη της πολύ περίπλοκη και δεν έχει δημιουργήσει μια ενιαία και σταθερή θεωρία. Από την άλλη, η προσομοίωση του θερμοκρασιακού πεδίου του μετατροπέα απαιτεί δίδυμη ισχυρή συνδυασμό τριών πεδίων: "μαγνητικό πεδίο—πεδίο μεταφοράς θερμότητας—ρευστοδυναμικό πεδίο." Για τέτοια μεγάλα μοντέλα μετατροπέα, η επίλυση ενός μόνου ρευστοδυναμικού πεδίου είναι ήδη πρόκληση, ας μην μιλήσουμε για τον υπερ-ισχυρό συνδυασμό τριών πεδίων.

Για να επιτευχθούν πρόοδοι σε κλειδίους τομείς της προσομοίωσης του μετατροπέα, οι μηχανικοί προσομοίωσης πρέπει, από τη μια πλευρά, να έχουν βαθιά κατανόηση των θεωριών, της σχεδίασης, της κατασκευής και της δοκιμής που σχετίζονται με τον μετατροπέα, και, από την άλλη, να είναι υψηλά εξειδικευμένοι στη λειτουργία του λογισμικού προσομοίωσης και να κατανοούν την ουσία της λειτουργίας του.

4 Κλειδιά της Διαδικασίας
4.1 Ανάλυση Προβλήματος

Πριν τη γεωμετρική μοντελοποίηση, απαιτείται προκαταρκτική ανάλυση του προβλήματος προσομοίωσης για να δημιουργηθεί ένα κατάλληλο γεωμετρικό μοντέλο και να επιλεγεί το σωστό φυσικό πεδίο. Για παράδειγμα, εστιάζει το πρόβλημα προσομοίωσης σε ένα μόνο φυσικό πεδίο ή σε ισχυρά συνδεδεμένα φυσικά πεδία?

4.2 Γεωμετρική Μοντελοποίηση

Η πληρότητα της γεωμετρικής μοντελοποίησης καθορίζει την αποτελεσματικότητα και την πρόοδο της προσομοίωσης. Σε περισσότερες περιπτώσεις, χρειάζεται να δημιουργηθεί ένα περιορισμένο γεωμετρικό μοντέλο. Ωστόσο, αν το γεωμετρικό μοντέλο είναι υπερβολικά περιορισμένο, τα αποτελέσματα της προσομοίωσης θα είναι ακριβή και δεν θα μπορούν να οδηγήσουν τη διαδικασία σχεδίασης. Σαφώς, η απόφαση πώς να περιοριστεί το γεωμετρικό μοντέλο απαιτεί βαθιά κατανόηση του προβλήματος. Για παράδειγμα, είναι επαρκές ένα 2D γεωμετρικό μοντέλο; Είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί ένα 3D γεωμετρικό μοντέλο; Ακόμη και όταν δημιουργείται ένα 3D μοντέλο, ποιες λεπτομέρειες μπορούν να παραλειφθούν και ποιες πρέπει να διατηρηθούν;

4.3 Ανάθεση Υλικών

Ένα υλικό μπορεί να έχει δεκάδες φυσικά παράμετρα, αλλά μόνο μερικά είναι συχνά απαραίτητα για την επίλυση ενός συγκεκριμένου προβλήματος.

Όταν ανατίθενται συγκεκριμένοι παράμετροι υλικών, τα τιμές τους πρέπει να είναι ακριβείς· διαφορετικά, μπορεί να εισαχθεί αποδεκτή απόκλιση στα αποτελέσματα της προσομοίωσης.

Κάποιες ιδιότητες υλικών μεταβάλλονται με άλλους παράμετρους. Για παράδειγμα, στις προσομοιώσεις ρευστο-θερμικών μετατροπέων, η πυκνότητα, η θερμική ικανότητα και η θερμοαναχωρητικότητα του ελαίωντος μετατροπέα αλλάζουν με τη θερμοκρασία, και αυτές οι σχέσεις πρέπει να περιγραφούν με σχετικά ακριβείς συναρτήσεις.

4.4 Ρύθμιση Φυσικού Πεδίου

Για το επιλεγμένο φυσικό πεδίο, είναι απαραίτητο να οριστούν οι βασικές συνθήκες επίλυσης, όπως οι φυσικές εξισώσεις που κυριαρχούν στο πρόβλημα, οι εκφράσεις των ενεργοποιήσεων, οι αρχικές συνθήκες, οι συνοριακές συνθήκες και οι περιορισμοί.

4.5 Δημιουργία Πλέγματος

Η δημιουργία πλέγματος είναι πιθανόν ο πυρήνας της διαδικασίας μετά τη γεωμετρική μοντελοποίηση. Θεωρητικά, τα πιο λεπτά πλέγματα παράγουν πιο ακριβή αποτελέσματα. Ωστόσο, υπερβολικά λεπτά πλέγματα είναι μη πρακτικά, καθώς αυξάνουν σημαντικά τον χρόνο επίλυσης.

Η βασική αρχή της δημιουργίας πλέγματος είναι να συνδυάζεται κατάλληλα τα λεπτά και τα παχύτερα πλέγματα: να ακριβεύεται όπου απαιτείται και να απλοποιείται όπου είναι δυνατόν.

Η χειροκίνητη δημιουργία πλέγματος είναι εξαιρετικά δύσκολη και απαιτεί από τους μηχανικούς προσομοίωσης να έχουν βαθιά κατανόηση του προβλήματος που λύνουν.

Ευτυχώς, κάποιο λογισμικό προσφέρει αυτόματες λειτουργίες δημιουργίας πλέγματος με βάση τη φυσική, οι οποίες συχνά απλοποιούν τη διαδικασία δημιουργίας πλέγματος. Για παράδειγμα, η αυτόματη λειτουργία δημιουργίας πλέγματος του COMSOL για τα μόντουλα προσομοίωσης ηλεκτρικού πεδίου είναι εξαιρετικά ισχυρή, επιτρέποντας την ταχεία δημιουργία πλέγματος για μεγάλα μοντέλα κυρίως εξασφαλισμένης τάσης μετατροπέα με ταχύτητα σχεδόν 40 φορές ταχύτερη από άλλα λογισμικά.

Δυστυχώς, οι αυτόματες λειτουργίες δημιουργίας πλέγματος που είναι ενσωματωμένες στο λογισμικό είναι ανεπαρκείς για την επίλυση κάποιων προβλημάτων, καθώς τα γενικότυπα λογισμικά δεν μπορούν να αναγνωρίσουν τις περιοχές που απαιτούν ακρίβεια στη δημιουργία πλέγματος—όπως στις προσομοιώσεις ρευστοδυναμικών πεδίων.

4.6 Επίλυση Μοντέλου

Η ουσία της επίλυσης προσομοίωσης είναι η επίλυση μεγάλων διακριτών συστημάτων εξισώσεων. Αυτό απαιτεί από τους μηχανικούς προσομοίωσης να έχουν γνώση σχετικών μαθηματικών, όπως η θεωρία των πινάκων και τα μέθοδα Newton.

Κάποιοι λύτες λογισμικού είναι αυτόματα ρυθμισμένοι με βάση το πρόβλημα, χωρίς να απαιτείται επιπλέον παρέμβαση από τον μηχανικό. Ωστόσο, όπως και η δημιουργία πλέγματος, αυτό δεν ισχύει γενικά. Η επίλυση προηγμένων και πολύπλοκων προβλημάτων απαιτεί τους μηχανικούς να ρυθμίζουν ξεχωριστά τις ρυθμίσεις για να εξασφαλίσουν ταχεία σύγκλιση και ακριβή αποτελέσματα.

4.7 Μεταπερατική Επεξεργασία Αποτελεσμάτων

Για την έμμεση παρουσίαση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης, τα αποκτηθέντα δεδομένα χρειάζονται κατάλληλη μεταπερατική επεξεργασία, όπως η δημιουργία διαγραμμάτων ηλεκτρικού πεδίου, διαγραμμάτων θερμοκρασιακού πεδίου ή διαγραμμάτων ρευστοδυναμικού πεδίου.

Επιπλέον, κάποιες μεταπερατικές επεξεργασίες απαιτούν τους μηχανικούς να εφαρμόσουν επαγγελματικές γνώσεις. Για παράδειγμα, το περισσότερο λογισμικό προσομοίωσης ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να παρουσιάσει ευθέως την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου σε κάθε σημείο, αλλά η αξιολόγηση της εφικτότητας της εξασφαλισμένης τάσης απαιτεί στατιστική ανάλυση αυτών των δεδομένων για τη δημιουργία καμπύλων εξασφαλισμένης τάσης με βάση την συσσωρευμένη ένταση του πεδίου.