Muunnin simulaatioanalyysi: Avaintoimet haasteet ja parhaat käytännöt äärellisten elementtien työkaluilla

1 Johdanto

Olipa kyseessä mikä tahansa elementtianalyysiohjelmisto (kuten COMSOL, Infolytica tai Ansys) muuntajan simulointiin ja analyysiin – olipa painopiste sähkökentän, magneettikentän, virtauskentän, mekaanisen kentän tai akustisen kentän suhteen – perusprosessi on melko samankaltainen. Jokaisen prosessin avaintekijöiden todellinen ymmärrys on simulaatioanalyysin onnistumisen ja lopputulosten luotettavuuden perusta.

2 Perussimulaatioprosessi

Tieteellinen ja täydellinen muuntajan simulaatioprosessi sisältää seitsemän pääasiallista vaihetta:

3 Vaikeuksien ymmärtäminen

Muuntaja on staattinen sähkölaite, ja tästä näkökulmasta sen liittyvät simulaatiotyöt ovat suhteellisen yksinkertaisia, sillä pyörimiselementtien olemassaolo lisäisi huomattavasti useimpien simulaatioiden vaikeutta. Valitettavasti muuntaja on myös epälineaarinen, aikamuuuttuva elektromekaaninen laite, jossa on voimakasta monien fysikaalisten kenttien kahdenvälistä kytkentää, mikä usein tekee muuntajan simulaation paljon vaikeammaksi ja jopa ratkaisemattomaksi.

Esimerkiksi muuntajan lämpötilakenttien simulaatiot, jotka perustuvat virtausanalyysiin, eivät usein tuota tarkkoja ja luotettavia tuloksia. Yksi syy on se, että virtaustekniikan perusteoria itse asiassa on erittäin monimutkainen eikä ole vielä muodostanut yhtenäistä ja vakaita teorioita. Toisaalta muuntajan lämpötilakentän simulaatio vaatii kolmen kentän "magneettikenttä – lämpösiirtokenttä – virtauskenttä" kahdenvälistä vahvaa kytkentää. Tällaiselle isolle muuntajalle yhden virtauskentän ratkaiseminen on jo haastavaa, sanoinkuin kolmen kentän erittäin vahvan kytkennyksen.

Tärkeiden alueiden läpimurtojen saavuttamiseksi muuntajan simulaatiossa simulaatiotekniikan asiantuntijoiden on toisaalta ymmärrettävä syvällisesti muuntajiin liittyviä teorioita, suunnittelua, valmistusta ja testausta, ja toisaalta heidän on oltava erittäin taitavia simulaatioohjelmien käytössä ja ymmärtää niiden toiminnan luonne.

4 Prosessin avainkohdat
4.1 Ongelman analysointi

Geometrisen mallinnuksen ennen tarvitaan esianalyysi simulaatiotehtävälle, jotta voidaan määrittää sopiva geometrinen malli ja valita oikea fysikaalinen kenttä. Esimerkiksi keskitytäänkö simulaatiotehtävä yhteen fysikaaliseen kenttään vai vahvasti kytkettyihin fysikaalisiin kenttiin?

4.2 Geometrinen mallinnus

Geometrisen mallinnuksen täydellisyys määrittelee simulaation tehokkuuden ja etenemisen. Useissa tapauksissa on luotava yksinkertaistettu geometrinen malli. Jos geometrinen malli on kuitenkin liian yksinkertainen, simulaation tulokset eivät ole tarkkoja eivätkä pysty ohjaamaan suunnittelutyötä. Ilmeisesti yksinkertaistetun geometrisen mallin määrittely edellyttää syvällistä ymmärrystä ratkaistavasta ongelmasta. Esimerkiksi riittääkö 2D-geometrinen malli? Onko 3D-geometrinen malli tarpeen? Jopa 3D-mallin luomisessakin on pääteltävä, mitkä yksityiskohdat voidaan jättää pois ja mitkä on säilytettävä?

4.3 Materiaalin määrittäminen

Materiaalilla voi olla kymmeniä fysikaalisia parametreja, mutta usein vain muutama niistä on tarpeellinen tietylle ongelmalle.

Kun määritellään tiettyjä materiaaliparametreja, niiden arvojen on oltava tarkkoja; muuten simulaation tuloksiin saattaa aiheutua hyväksyttäviä poikkeamia.

Joillekin materiaalitekstuuri-parametreille arvot vaihtelevat muiden parametrien mukaan. Esimerkiksi muuntajan virtaus-lämpösimulaatioissa muuntajöljyn tiheyden, ominaislämpökapasiteetin ja lämmönsiirtokertoimen arvot muuttuvat lämpötilan mukaan, ja nämä suhteet on kuvattava suhteellisen tarkoilla funktioilla.

4.4 Fysikaalisen kentän määrittäminen

Valitulle fysikaaliselle kentälle on määriteltävä olennaiset ratkaisuehdot, kuten ongelmaa hallitsevat fysikaaliset yhtälöt, itsenäisyydet, alkuehdot, rajaehdot ja rajoitusehdot.

4.5 Verkon luominen

Verkon luominen on melko keskeinen askel geometrisen mallinnuksen jälkeen. Teoreettisesti hienommat verkot tuovat tarkempia tuloksia. Kuitenkin liian hienot verkot eivät ole käytännöllisiä, sillä ne lisäävät merkittävästi ratkaisuaikaa.

Verkon luonnin perusperiaate on yhdistää karut ja hienot verkot asianmukaisesti: tarkenna, missä tarvitaan, ja karista, missä mahdollista.

Manuaalinen verkon luonti on erittäin haastavaa ja vaatii simulaatioteknologiilta syvällistä ymmärrystä ratkaistavasta ongelmasta.

Onneksi jotkut ohjelmistot tarjoavat fysiikkaan perustuvia automaattisia verkon luontitoimintoja, jotka usein yksinkertaistavat verkon luontiprosessia. Esimerkiksi COMSOL:n sähkökenttäsimulaatiomoduulin automaattinen verkon luontitoiminto on erittäin tehokas, mikä mahdollistaa suuren muuntajan pääeristyksen nopean verkon luonnin noin 40 kertaa nopeammin kuin muissa ohjelmistoissa.

Valitettavasti ohjelmiston sisäiset automaattiset verkon luontitoiminnot eivät riitä joissakin ongelmissa, koska yleistävät ohjelmistot eivät pysty tunnistamaan alueita, joilla tarvitaan verkosta tarkentamista – kuten virtauskentän simulaatioissa.

4.6 Mallin ratkaiseminen

Simulaation ratkaisun olemus on suuria diskreettejä yhtälöryhmien ratkaisemista. Tämä vaatii simulaatioteknologiilta osaamista matematiikasta, kuten matriisiteoriasta ja Newtonin iterointimenetelmästä.

Jotkut ohjelmistojen ratkaisijat määritellään automaattisesti ongelman perusteella, eivätkä tekniikan asiantuntijoiden tarvitse puuttua asiaan. Kuitenkaan, kuten verkon luonnissa, tämä ei ole yleispätevä. Edistyneiden ja monimutkaisten ongelmien ratkaiseminen vaatii tekniikan asiantuntijoiden määrittämään asetuksia yksilöllisesti, jotta varmistetaan nopea suppeneminen ja tarkat tulokset.

4.7 Tulosten jälkikäsittely

Simulaation tulosten havainnollistamiseksi saatujen tietojen on käsiteltävä asianmukaisesti, kuten sähkökentän, lämpötilakentän tai virtauskentän kontuurikaavioiden luomiseksi.

Lisäksi jotkut jälkikäsittelyvaiheet vaativat tekniikan asiantuntijoiden soveltavan ammattitaitoa. Esimerkiksi useimmat sähkökenttäsimulaatioohjelmistot voivat havainnollistaa sähkökentän intensiteetin suuruuden jokaista pistettä kohden, mutta eristysmarginaalin toteuttavuuden määrittäminen vaatii tämän datan tilastollista analysointia eristysmarginaali-kaavion luomiseksi kumulatiivisen kentän voiman perusteella.