Análisis de Simulación de Transformadores: Procesos Clave Desafíos y Mejores Prácticas Utilizando Herramientas de Elementos Finitos

1 Introducción

Ya sea utilizando cualquier software de análisis por elementos finitos (como COMSOL, Infolytica o Ansys) para el análisis de simulación de transformadores—ya se trate de centrarse en el campo eléctrico, el campo magnético, el campo de flujo, el campo mecánico o el campo acústico—el proceso básico es más o menos el mismo. Una verdadera comprensión de los puntos clave en cada proceso es la base para el éxito del análisis de simulación y la confiabilidad de los resultados finales.

2 Proceso Básico de Simulación

Un proceso de simulación de transformador científico y completo incluye siete pasos principales:

3 Comprensión de la Dificultad

Un transformador es un dispositivo eléctrico estático, y desde este punto de vista, su trabajo de simulación relacionado es relativamente simple, ya que la presencia de componentes rotativos aumentaría significativamente la dificultad de la mayoría de las simulaciones. Sin embargo, desafortunadamente, un transformador también es un dispositivo electromecánico no lineal, variable en el tiempo, con una fuerte acoplamiento de múltiples campos físicos, lo que a menudo hace que la simulación de transformadores sea mucho más difícil e incluso insostenible.

Por ejemplo, las simulaciones de campos de temperatura de transformadores basadas en el análisis de fluidos a menudo no logran producir resultados precisos y confiables. Una razón es que la teoría básica de la dinámica de fluidos en sí misma es altamente compleja y aún no ha formado una teoría unificada y estable. Por otro lado, la simulación de campos de temperatura de transformadores requiere un acoplamiento bidireccional fuerte de tres campos: "campo magnético—campo de transferencia de calor—campo de fluido". Para un modelo de transformador tan grande, resolver un solo campo de flujo ya es desafiante, y mucho menos el acoplamiento ultrafuerte de tres campos.

Para lograr avances en áreas clave de la simulación de transformadores, los ingenieros de simulación deben, por un lado, tener un profundo conocimiento de las teorías, diseño, fabricación y pruebas relacionadas con los transformadores, y, por otro lado, ser altamente competentes en la operación de software de simulación y entender la naturaleza intrínseca de su funcionamiento.

4 Puntos Clave del Proceso
4.1 Análisis del Problema

Antes de la modelización geométrica, se requiere un análisis preliminar del problema de simulación para establecer un modelo geométrico apropiado y seleccionar el campo físico correcto. Por ejemplo, ¿está el problema de simulación centrado en un solo campo físico o en campos físicos fuertemente acoplados?

4.2 Modelización Geométrica

La completitud de la modelización geométrica determina la eficiencia y el progreso de la simulación. En la mayoría de los casos, se necesita establecer un modelo geométrico simplificado. Sin embargo, si el modelo geométrico se simplifica demasiado, los resultados de la simulación serán inexactos y no podrán guiar el trabajo de diseño. Claramente, determinar cómo simplificar el modelo geométrico requiere una profunda comprensión del problema que se está resolviendo. Por ejemplo, ¿es suficiente un modelo geométrico 2D? ¿Es necesario construir un modelo geométrico 3D? Incluso al construir un modelo 3D, ¿cuáles detalles pueden omitirse y cuáles deben retenerse?

4.3 Asignación de Materiales

Un material puede tener docenas de parámetros físicos, pero solo se requieren algunos pocos para resolver un problema específico.

Al asignar parámetros de material específicos, sus valores deben ser precisos; de lo contrario, se pueden introducir desviaciones inaceptables en los resultados de la simulación.

Algunos parámetros de propiedades de material varían con otros parámetros. Por ejemplo, en las simulaciones térmicas de fluidos de transformadores, la densidad, la capacidad calorífica específica y la conductividad térmica del aceite del transformador cambian con la temperatura, y estas relaciones deben describirse mediante funciones relativamente precisas.

4.4 Configuración del Campo Físico

Para el campo físico seleccionado, es necesario definir condiciones de solución esenciales, como las ecuaciones físicas que rigen el problema, expresiones de excitaciones, condiciones iniciales, condiciones de borde y condiciones de restricción.

4.5 Generación de Malla

La generación de malla es, probablemente, el paso central después de la modelización geométrica. Teóricamente, mallas más finas producen resultados más precisos. Sin embargo, las mallas excesivamente finas son imprácticas, ya que aumentan significativamente el tiempo de resolución.

El principio básico de la generación de malla es combinar mallas gruesas y finas de manera adecuada: refinar donde sea necesario y coarsenar donde sea posible.

La generación manual de mallas es altamente desafiante y requiere que los ingenieros de simulación tengan una profunda comprensión del problema que se está resolviendo.

Afortunadamente, algunos software ofrecen funciones de generación automática de mallas basadas en física, que a menudo simplifican el proceso de generación de mallas. Por ejemplo, la función de generación automática de mallas de COMSOL para módulos de simulación de campo eléctrico es extremadamente poderosa, permitiendo una malla rápida de modelos de aislamiento principal de grandes transformadores a una velocidad casi 40 veces más rápida que otros software.

Desafortunadamente, las funciones de generación automática de mallas integradas en el software son insuficientes para resolver ciertos problemas, ya que el software general no puede identificar áreas que requieren refinamiento de malla, como en las simulaciones de campo de flujo.

4.6 Resolución del Modelo

La esencia de la resolución de simulación es la resolución de sistemas discretos de ecuaciones. Esto requiere que los ingenieros de simulación tengan conocimientos de matemáticas relevantes, como la teoría de matrices y los métodos de iteración de Newton.

Algunos solucionadores de software están configurados automáticamente según el problema, sin necesidad de intervención adicional del ingeniero. Sin embargo, al igual que en la generación de mallas, esto no es universalmente aplicable. La resolución de problemas avanzados y complejos requiere que los ingenieros configuren ajustes individualmente para garantizar una convergencia rápida y resultados precisos.

4.7 Postprocesamiento de Resultados

Para presentar los resultados de la simulación de manera intuitiva, los datos obtenidos necesitan un postprocesamiento apropiado, como la generación de mapas de contorno de campo eléctrico, mapas de contorno de campo de temperatura o mapas de contorno de campo de flujo.

Además, algunos pasos de postprocesamiento requieren que los ingenieros apliquen conocimientos profesionales. Por ejemplo, la mayoría de los software de simulación de campo eléctrico solo pueden mostrar de manera intuitiva la magnitud de la intensidad del campo eléctrico en cada punto, pero determinar la viabilidad del margen de aislamiento requiere un análisis estadístico de estos datos para generar curvas de margen de aislamiento basadas en la intensidad acumulativa del campo.