د ترانسفورمر سیمولاسیون ته ارزونه: پروسېسونه، چالنې او بهرنۍ پراکسیسونه د محدود عناصرو اوزارو په کارولو سره

1 مقدمه

چه از نرم‌افزارهای تحلیل المان محدود (مانند COMSOL، Infolytica یا Ansys) برای شبیه‌سازی ترانسفورماتور استفاده شود و چه تمرکز بر روی میدان الکتریکی، مغناطیسی، جریان، مکانیکی یا صوتی باشد، فرآیند پایه به طور تقریبی مشابه است. درک واقعی از نقاط کلیدی هر فرآیند پایه‌ای برای موفقیت تحلیل شبیه‌سازی و قابلیت اطمینان نتایج نهایی است.

2 فرآیند شبیه‌سازی پایه

یک فرآیند شبیه‌سازی ترانسفورماتور علمی و کامل شامل هفت مرحله اصلی است:

3 درک سختی‌ها

ترانسفورماتور یک دستگاه الکتریکی ثابت است و از این جهت، کارهای شبیه‌سازی مربوط به آن نسبتاً ساده است زیرا وجود قطعات چرخان موجب افزایش قابل توجه سختی بیشتر شبیه‌سازی‌ها می‌شود. البته متاسفانه، ترانسفورماتور یک دستگاه الکترومکانیکی غیرخطی و متغیر با زمان با کوپل قوی چندین میدان فیزیکی است که اغلب موجب می‌شود شبیه‌سازی ترانسفورماتور بسیار سخت‌تر و حتی غیرقابل حل شود.

به عنوان مثال، شبیه‌سازی میدان دماهای ترانسفورماتور بر اساس تحلیل سیالات اغلب نمی‌تواند نتایج دقیق و قابل اعتماد را ارائه دهد. یکی از دلایل این است که نظریه پایه دینامیک سیالات خود بسیار پیچیده است و هنوز یک نظریه متحد و پایدار تشکیل نداده است. از طرف دیگر، شبیه‌سازی میدان دماهای ترانسفورماتور نیازمند کوپل دوطرفه قوی سه میدان "میدان مغناطیسی-میدان انتقال حرارت-میدان سیال" است. برای چنین مدل ترانسفورماتور بزرگی، حل یک میدان جریان به تنهایی چالش‌برانگیز است، بی‌نهایت کوپل قوی سه میدان.

برای دستاوردهای مهم در حوزه‌های کلیدی شبیه‌سازی ترانسفورماتور، مهندسان شبیه‌سازی باید از یک سو، دانش عمیقی از نظریه‌های مرتبط با ترانسفورماتور، طراحی، ساخت و آزمون داشته باشند و از سوی دیگر، مسلط به عملیات نرم‌افزارهای شبیه‌سازی و درک ذاتی عملکرد آنها باشند.

4 نقاط کلیدی فرآیند
4.1 تحلیل مسئله

قبل از مدل‌سازی هندسی، نیاز به تحلیل اولیه مسئله شبیه‌سازی برای ایجاد یک مدل هندسی مناسب و انتخاب میدان فیزیکی صحیح است. به عنوان مثال، آیا مسئله شبیه‌سازی بر روی یک میدان فیزیکی واحد تمرکز دارد یا میدان‌های فیزیکی کوپل قوی؟

4.2 مدل‌سازی هندسی

کامل بودن مدل‌سازی هندسی تعیین‌کننده کارایی و پیشرفت شبیه‌سازی است. در اکثر موارد، نیاز به ایجاد یک مدل هندسی ساده‌شده است. اما اگر مدل هندسی بیش از حد ساده شود، نتایج شبیه‌سازی دقیق نخواهد بود و قادر به هدایت کار طراحی نخواهد بود. واضح است که تعیین نحوه ساده‌سازی مدل هندسی نیازمند درک عمیق از مسئله‌ای است که حل می‌شود. به عنوان مثال، آیا یک مدل هندسی 2 بعدی کافی است؟ آیا لازم است یک مدل هندسی 3 بعدی ساخته شود؟ حتی وقتی که یک مدل 3 بعدی ساخته می‌شود، کدام جزئیات می‌توانند حذف شوند و کدام جزئیات باید حفظ شوند؟

4.3 اختصاص مواد

یک ماده ممکن است ده‌ها پارامتر فیزیکی داشته باشد، اما فقط چندی از آنها معمولاً برای حل یک مسئله خاص لازم است.

هنگام اختصاص پارامترهای ماده خاص، مقادیر آنها باید دقیق باشند؛ در غیر این صورت، انحرافات قابل قبولی ممکن است به نتایج شبیه‌سازی وارد شود.

برخی از پارامترهای خصوصیات ماده با پارامترهای دیگر متفاوت است. به عنوان مثال، در شبیه‌سازی‌های سیال-حرارتی ترانسفورماتور، چگالی، ظرفیت گرمایی و هدایت حرارتی روغن ترانسفورماتور با دمای تغییر می‌کند و این روابط باید با استفاده از توابع نسبتاً دقیق توصیف شوند.

4.4 تنظیم میدان فیزیکی

برای میدان فیزیکی انتخاب شده، لازم است شرایط حل ضروری مانند معادلات فیزیکی حاکم بر مسئله، عبارات تحریک‌ها، شرایط اولیه، شرایط مرزی و شرایط محدودیت تعریف شوند.

4.5 تولید شبکه

تولید شبکه می‌تواند به طور قابل توجهی مرحله اصلی پس از مدل‌سازی هندسی باشد. نظریاً، شبکه‌های ریزتر نتایج دقیق‌تری ارائه می‌دهند. اما شبکه‌های بسیار ریز عملی نیستند، زیرا زمان حل را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهند.

اصل اساسی تولید شبکه ترکیب مناسب شبکه‌های درشت و ریز است: در جاهایی که لازم است ریز کنید و در جاهایی که ممکن است درشت کنید.

تولید شبکه دستی بسیار چالش‌برانگیز است و نیازمند درک عمیق مهندسان شبیه‌سازی از مسئله‌ای است که حل می‌شود.

خوشبختانه، برخی از نرم‌افزارها توابع تولید شبکه خودکار مبتنی بر فیزیک ارائه می‌دهند که غالباً فرآیند تولید شبکه را ساده می‌کنند. به عنوان مثال، تابع تولید شبکه خودکار ماژول‌های شبیه‌سازی میدان الکتریکی COMSOL بسیار قدرتمند است و مدل‌های عایق اصلی ترانسفورماتور بزرگ را با سرعت تقریباً 40 برابر سریع‌تر از نرم‌افزارهای دیگر مش شدن می‌کند.

متاسفانه، توابع تولید شبکه خودکار داخلی نرم‌افزار برای حل برخی مسائل کافی نیستند، زیرا نرم‌افزارهای عمومی نمی‌توانند مناطقی که نیاز به ریز کردن شبکه دارند را شناسایی کنند-مانند شبیه‌سازی‌های میدان جریان.

4.6 حل مدل

Bản chất حل شبیه‌سازی حل سیستم‌های معادلات گسسته بزرگ است. این نیازمند داشتن دانش مربوط به ریاضیات مانند نظریه ماتریس و روش‌های تکرار نیوتن توسط مهندسان شبیه‌سازی است.

بعضی از حل‌کننده‌های نرم‌افزار به صورت خودکار بر اساس مسئله تنظیم می‌شوند و نیازی به مداخله اضافی از سوی مهندس ندارند. اما مانند تولید شبکه، این کار به طور کلی قابل اعمال نیست. حل مسائل پیشرفته و پیچیده نیازمند تنظیمات جداگانه توسط مهندسان برای تضمین همگرایی سریع و نتایج دقیق است.

4.7 پس‌پردازش نتایج

برای ارائه مستقیم نتایج شبیه‌سازی، داده‌های به دست آمده نیاز به پس‌پردازش مناسب دارند، مانند تولید نقشه‌های کانتور میدان الکتریکی، میدان دما یا میدان جریان.

علاوه بر این، برخی مراحل پس‌پردازش نیازمند استفاده مهندسان از دانش حرفه‌ای هستند. به عنوان مثال، اکثر نرم‌افزارهای شبیه‌سازی میدان الکتریکی فقط قادر به نمایش مستقیم شدت میدان الکتریکی در هر نقطه هستند، اما تعیین امکان‌پذیری حاشیه عایق نیازمند تجزیه و تحلیل آماری این داده‌ها برای تولید منحنی‌های حاشیه عایق بر اساس میدان کمونولاتیو است.