تحلیل شبیهسازی ترانسفورماتور: فرآیندهای کلیدی، چالشها و بهترین شیوهها با استفاده از ابزارهای المان محدود
1 مقدمه
چه از نرمافزارهای تحلیل المان محدود (مانند COMSOL، Infolytica یا Ansys) برای شبیهسازی ترانسفورماتور استفاده کنیم و چه روی زمینههای الکتریکی، مغناطیسی، جریان، مکانیکی یا صوتی تمرکز داشته باشیم، فرآیند اساسی به طور تقریبی مشابه است. درک واقعی نقاط کلیدی در هر مرحله پایهای برای موفقیت تحلیل شبیهسازی و قابل اعتماد بودن نتایج نهایی است.
2 فرآیند شبیهسازی اساسی
یک فرآیند شبیهسازی ترانسفورماتور علمی و کامل شامل هفت مرحله اصلی است:
3 درک سختیها
ترانسفورماتور یک دستگاه الکتریکی ثابت است و از این نظر، کار شبیهسازی مربوط به آن نسبتاً ساده است، زیرا وجود اجزای چرخان سختی بیشتری را به بیشتر شبیهسازیها میافزاید. البته متاسفانه، ترانسفورماتور همچنین یک دستگاه الکترومکانیکی غیرخطی، متغیر با زمان با تراکم قوی چندین زمینه فیزیکی است که اغلب شبیهسازی ترانسفورماتور را بسیار سختتر و حتی غیرقابل حل میکند.
به عنوان مثال، شبیهسازیهای میدان دما ترانسفورماتور بر اساس تحلیل سیالات اغلب نمیتوانند نتایج دقیق و قابل اعتمادی را به دست آورند. یکی از دلایل این است که نظریه اساسی دینامیک سیالات خود به شدت پیچیده است و هنوز یک نظریه یکپارچه و پایدار تشکیل نداده است. از طرف دیگر، شبیهسازی میدان دما ترانسفورماتور نیازمند تراکم قوی دوطرفه سه زمینه است: "میدان مغناطیسی-میدان انتقال حرارت-میدان سیال." برای چنین مدل ترانسفورماتور بزرگی، حل یک میدان جریان فقط چالشبرانگیز است، فراموش کنید که تراکم فوقالعاده قوی سه زمینه را حل کنیم.
برای دستیابی به پیشرفتهای کلیدی در حوزههای مهم شبیهسازی ترانسفورماتور، مهندسان شبیهسازی باید از یک سو، دانش عمیقی از نظریات، طراحی، تولید و آزمونهای مرتبط با ترانسفورماتور داشته باشند و از سوی دیگر، مسلط به عملیات نرمافزارهای شبیهسازی باشند و ماهیت ذاتی عملکرد آنها را درک کنند.
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 صحیح میدان فیزیکی است. به عنوان مثال، آیا مسئله شبیهسازی روی یک میدان فیزیکی واحد یا میدانهای فیزیکی تراکمیافته تمرکز دارد؟
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. با این حال، اگر مدل هندسی بیش از حد سادهشده باشد، نتایج شبیهسازی دقیق نخواهد بود و قادر به راهنمایی کار طراحی نخواهد بود. واضح است که تعیین اینکه چگونه مدل هندسی را ساده کنیم، نیازمند درک عمیقی از مسئله است. به عنوان مثال، آیا یک مدل هندسی دو بعدی کافی است؟ آیا لازم است یک مدل هندسی سهبعدی بسازیم؟ حتی وقتی یک مدل سهبعدی میسازیم، کدام جزئیات میتوانند حذف شوند و کدامها باید حفظ شوند؟
4.3 اختصاص مواد
یک ماده ممکن است دهها پارامتر فیزیکی داشته باشد، اما فقط چند تا از آنها برای حل یک مسئله خاص مورد نیاز است.
هنگام اختصاص پارامترهای ماده خاص، مقادیر آنها باید دقیق باشند؛ در غیر این صورت، انحرافات غیرقابل قبولی ممکن است به نتایج شبیهسازی اضافه شوند.
برخی از پارامترهای خصوصیات ماده با پارامترهای دیگر تغییر میکنند. به عنوان مثال، در شبیهسازیهای سیال-حرارتی ترانسفورماتور، چگالی، ظرفیت گرمایی و هدایت حرارتی روغن ترانسفورماتور با دما تغییر میکنند 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 را تعریف کنیم، مانند معادلات فیزیکی حاکم بر مسئله، عبارات تحریکها، شرایط اولیه، شرایط مرزی و شرایط محدودیت.
4.5 تولید شبکه
تولید شبکه میتواند مرحله اصلی پس از مدلسازی هندسی باشد. نظریا، شبکههای ریزتر نتایج دقیقتری را به دست میآورند. با این حال، شبکههای بسیار ریز عملی نیستند، زیرا زمان حل را به طرز قابل توجهی افزایش میدهند.
اصل اساسی تولید شبکه ترکیب مناسب شبکههای درشت و ریز است: جایی که لازم است ریز کنید و جایی که ممکن است درشت کنید.
تولید شبکه دستی بسیار چالشبرانگیز است و نیازمند درک عمیقی از مسئله توسط مهندسان شبیهسازی است.
خوشبختانه، برخی از نرمافزارها توابع تولید شبکه خودکار مبتنی بر فیزیک را ارائه میدهند که اغلب فرآیند تولید شبکه را ساده میکنند. به عنوان مثال، تابع تولید شبکه خودکار COMSOL برای ماژولهای شبیهسازی میدان الکتریکی بسیار قدرتمند است و قادر به شبکهبندی سریع مدلهای عایق اصلی ترانسفورماتورهای بزرگ با سرعتی تقریباً ۴۰ برابر سریعتر از نرمافزارهای دیگر است.
متاسفانه، توابع تولید شبکه خودکار داخلی نرمافزار برای حل برخی از 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
جوهره حل شبیهسازی حل سیستمهای معادلات گسسته بزرگ است. این نیازمند داشتن دانش مربوط به ریاضیات مانند نظریه ماتریس و روشهای تکرار نیوتن است.
برخی از حلکنندههای نرمافزاری به طور خودکار بر اساس مسئله پیکربندی میشوند و نیازی به مداخله اضافی از سوی مهندس ندارند. با این حال، مانند تولید شبکه، این به طور کلی قابل اعمال نیست. حل مسائل پیشرفته و پیچیده نیازمند پیکربندی جداگانه توسط مهندسان برای اطمینان از همگرایی سریع و نتایج دقیق است.
4.7 پردازش پسازحل
برای ارائه مستقیم نتایج شبیهسازی، دادههای به دست آمده نیاز به پردازش مناسب دارند، مانند ایجاد نمودارهای میدان الکتریکی، نمودارهای میدان دما یا نمودارهای میدان جریان.
علاوه بر این، برخی از مراحل پردازش پسازحل نیازمند اعمال دانش تخصصی توسط مهندسان است. به عنوان مثال، اکثر نرمافزارهای شبیهسازی میدان الکتریکی فقط قادر به نمایش مستقیم مقدار شدت میدان الکتریکی در هر نقطه هستند، اما تعیین امکانپذیری حاشیه عایق نیازمند تحلیل آماری این دادهها برای ایجاد نمودارهای حاشیه عایق بر اساس میدان تجمعی است.
