Pagsasimula ng Transformer: Mga Pangunahing Proseso Hamon at Pinakamahusay na Patakaran Gamit ang mga Kasangkapan sa Finite Element

1 Pagkakakilanlan

Kahit anong software para sa pag-aanalisa ng finite element (tulad ng COMSOL, Infolytica, o Ansys) ang gamitin para sa pagsasimula ng analisis ng transformer—kahit na nakatuon sa electric field, magnetic field, flow field, mechanical field, o acoustic field—ang pangunahing proseso ay halos pare-pareho. Ang tunay na pag-unawa sa mga mahahalagang punto sa bawat proseso ang pundasyon para sa tagumpay ng simulasyon at kapani-paniwalang resulta sa huli.

2 Pangunahing Proseso ng Simulasyon

Ang siyentipiko at kumpletong proseso ng simulasyon ng transformer ay may pitong pangunahing hakbang:

3 Paggamit ng Kagipitan

Ang isang transformer ay isang statikong elektrikal na aparato, at mula sa perspektibong ito, ang mga kaugnay na gawain ng simulasyon nito ay relatibong simple, dahil ang presensya ng mga komponenteng nag-rotate ay lubhang lumalago sa kagipitan ng karamihan sa mga simulasyon. Sa kasamaang palad, ang isang transformer ay isang nonlinear, time-varying electromechanical device na may malakas na coupling ng maraming pisikal na field, na kadalasang gumagawa ng simulasyon ng transformer na mas mahirap at kahit hindi solvable.

Halimbawa, ang mga simulasyon ng temperature fields ng transformer batay sa analisis ng fluid ay kadalasang hindi nagbibigay ng tama at mapagkakatiwalaang resulta. Isa sa mga dahilan ay ang basic theory ng fluid dynamics mismo ay napakalaki at hindi pa nabuo ang iisang unified at stable na teorya. Sa ibang banda, ang simulasyon ng temperature field ng transformer ay nangangailangan ng bidirectional strong coupling ng tatlong field: "magnetic field—heat transfer field—fluid field." Para sa ganitong malaking modelo ng transformer, ang pag-solve ng isang flow field ay medyo mahirap, huwag na mag-isip sa ultra-strong coupling ng tatlong field.

Upang makamit ang mga paglabas sa mga mahahalagang lugar ng simulasyon ng transformer, ang mga simulation engineer ay kailangang, sa isa na bahagi, may malalim na pag-unawa sa mga teorya, disenyo, paggawa, at kaalaman sa testing na kaugnay ng transformer, at sa ibang bahagi, maabilidad na gumamit ng software para sa simulasyon at unawain ang intrinsikong naturaleza ng operasyon nito.

4 Mahahalagang Puntos ng Proseso
4.1 Analisis ng Problema

Bago ang geometric modeling, kinakailangan ang isang prelimenaryong analisis ng problema ng simulasyon upang itayo ang tamang geometric model at pumili ng tama na physical field. Halimbawa, nakatuon ba ang problema ng simulasyon sa isang solo na physical field o strongly coupled na physical fields?

4.2 Geometric Modeling

Ang kumpletud ng geometric modeling ang nagdedetermina ng epektividad at progreso ng simulasyon. Sa karamihan ng mga kaso, kailangang itayo ang isang simplified na geometric model. Gayunpaman, kung sobrang simplified ang geometric model, ang mga resulta ng simulasyon ay hindi tama at hindi makapagbibigay ng gabay sa trabaho sa disenyo. Malinaw, ang pagdedetermina kung paano simplifyin ang geometric model ay nangangailangan ng malalim na pag-unawa sa problema na isinasagawa. Halimbawa, sapat ba ang 2D geometric model? Kailangan ba itayo ang 3D geometric model? Kahit na sa pagtatayo ng 3D model, alin ang mga detalye na maaaring ilihis at alin ang dapat ipanatili?

4.3 Material Assignment

Ang isang materyal ay maaaring may daang-daan na pisikal na parameter, ngunit kadalasang kailangan lamang ang ilan para sa pag-solve ng tiyak na problema.

Kapag in-assign ang tiyak na material parameters, ang kanilang mga halaga ay kailangang tama; kung hindi, maaaring mag-ambag ng hindi tanggap na pagbabago sa mga resulta ng simulasyon.

Ang ilang mga parameter ng katangian ng materyal ay nagbabago depende sa iba pang mga parameter. Halimbawa, sa fluid-thermal simulations ng transformer, ang density, specific heat capacity, at thermal conductivity ng transformer oil ay nagbabago depende sa temperatura, at ang mga relasyon na ito ay kailangang ilarawan gamit ang mas tama na mga function.

4.4 Setup ng Physical Field

Para sa napiling physical field, kinakailangan ang pagtakda ng mahahalagang kondisyon para sa solving, tulad ng physical equations na nag-govern sa problema, expressions ng excitations, initial conditions, boundary conditions, at constraint conditions.

4.5 Mesh Generation

Ang mesh generation ay maaaring ang core step pagkatapos ng geometric modeling. Teoretikal, mas fine ang mesh ay nagbibigay ng mas tama na resulta. Ngunit, ang sobrang fine na mesh ay hindi praktikal, dahil ito ay lubhang lumalago sa solving time.

Ang basic principle ng mesh generation ay ang tamang pag-combine ng coarse at fine meshes: refine kung kailangan at coarsen kung posible.

Ang manual na mesh generation ay napakahirap at nangangailangan ng malalim na pag-unawa ng simulation engineers sa problema na isinasagawa.

Narito, ang ilang software ay nagbibigay ng physics-based automatic mesh generation functions, na kadalasang simplifies ang proseso ng mesh generation. Halimbawa, ang automatic mesh generation function ng COMSOL para sa electric field simulation modules ay napakapangangatwiran, na nagbibigay ng mabilis na meshing ng malaking modelo ng main insulation ng transformer na halos 40 beses mas mabilis kaysa sa ibang software.

Sa kasamaang palad, ang built-in automatic mesh generation functions ng software ay hindi sapat para sa pag-solve ng ilang mga problema, dahil ang general-purpose software ay hindi makakilala sa mga lugar na nangangailangan ng mesh refinement—tulad ng sa flow field simulations.

4.6 Model Solving

Ang esensiya ng simulation solving ay ang pag-solve ng malalaking discrete equation systems. Ito ay nangangailangan ng kaalaman ng simulation engineers sa mathematics, tulad ng matrix theory at Newton iteration methods.

Ang ilang software solvers ay awtomatikong nakonfigure batay sa problema, na walang karagdagang interbensyon mula sa engineer. Gayunpaman, tulad ng mesh generation, ito ay hindi universal na applicable. Ang solving ng advanced at complex na mga problema ay nangangailangan ng engineers na konfigure ang settings individualmente upang siguruhin ang mabilis na convergence at tama na resulta.

4.7 Result Post-Processing

Upang intuitively ipakita ang mga resulta ng simulasyon, ang nakuha na data ay kailangang angkop na post-process, tulad ng pag-generate ng contour plots ng electric field, temperature field, o flow field.

Karagdagan pa, ang ilang mga hakbang ng post-processing ay nangangailangan ng engineers na mag-apply ng professional na kaalaman. Halimbawa, ang karamihan sa mga electric field simulation software ay maaari lamang intuitively ipakita ang magnitude ng electric field intensity sa bawat point, ngunit ang pagtukoy sa feasibility ng insulation margin ay nangangailangan ng statistical analysis ng data na ito upang bumuo ng insulation margin curves batay sa cumulative field strength.