Analyse de simulation des transformateurs : processus clés défis et meilleures pratiques utilisant les outils d'éléments finis

1 Introduction

Que l'on utilise un logiciel d'analyse par éléments finis (tel que COMSOL, Infolytica ou Ansys) pour la simulation et l'analyse des transformateurs - qu'il s'agisse de se concentrer sur le champ électrique, le champ magnétique, le champ de flux, le champ mécanique ou le champ acoustique - le processus de base est à peu près le même. Une compréhension réelle des points clés de chaque processus est la base du succès de l'analyse de simulation et de la fiabilité des résultats finaux.

2 Processus de simulation de base

Un processus de simulation de transformateur scientifique et complet comprend sept grandes étapes : 

3 Compréhension des difficultés

Un transformateur est un dispositif électrique statique, et sous cet angle, son travail de simulation associé est relativement simple, car la présence de composants rotatifs augmenterait considérablement la difficulté de la plupart des simulations. Malheureusement, cependant, un transformateur est également un dispositif électromécanique non linéaire, variant dans le temps, avec un couplage fort de plusieurs champs physiques, ce qui rend souvent la simulation des transformateurs beaucoup plus difficile et parfois insoluble.

Par exemple, les simulations des champs de température des transformateurs basées sur l'analyse des fluides échouent souvent à produire des résultats précis et fiables. L'une des raisons est que la théorie fondamentale de la dynamique des fluides est en soi très complexe et n'a pas encore formé une théorie unifiée et stable. D'autre part, la simulation du champ de température des transformateurs nécessite un couplage bidirectionnel fort de trois champs : "champ magnétique—champ de transfert de chaleur—champ de fluide". Pour un tel grand modèle de transformateur, résoudre un seul champ de flux est déjà un défi, sans parler du couplage ultra-fort de trois champs.

Pour réaliser des percées dans les domaines clés de la simulation des transformateurs, les ingénieurs de simulation doivent, d'une part, avoir une compréhension approfondie des théories, de la conception, de la fabrication et des connaissances de test liées aux transformateurs, et d'autre part, être hautement compétents dans l'utilisation des logiciels de simulation et comprendre la nature intrinsèque de leur fonctionnement.

4 Points clés du processus
4.1 Analyse du problème

Avant la modélisation géométrique, une analyse préliminaire du problème de simulation est nécessaire pour établir un modèle géométrique approprié et sélectionner le bon champ physique. Par exemple, le problème de simulation se concentre-t-il sur un seul champ physique ou sur des champs physiques fortement couplés ?

4.2 Modélisation géométrique

La complétude de la modélisation géométrique détermine l'efficacité et l'avancement de la simulation. Dans la plupart des cas, un modèle géométrique simplifié doit être établi. Cependant, si le modèle géométrique est trop simplifié, les résultats de la simulation seront inexactes et ne pourront pas guider le travail de conception. Il est clair que déterminer comment simplifier le modèle géométrique nécessite une compréhension profonde du problème à résoudre. Par exemple, un modèle géométrique 2D suffit-il ? Est-il nécessaire de construire un modèle géométrique 3D ? Même lors de la construction d'un modèle 3D, quels détails peuvent être omis et lesquels doivent être conservés ?

4.3 Attribution des matériaux

Un matériau peut avoir des dizaines de paramètres physiques, mais seuls quelques-uns sont souvent nécessaires pour résoudre un problème spécifique.

Lors de l'attribution de paramètres de matériau spécifiques, leurs valeurs doivent être précises ; sinon, des écarts inacceptables peuvent être introduits dans les résultats de la simulation.

Certains paramètres de propriétés de matériau varient en fonction d'autres paramètres. Par exemple, dans les simulations thermiques et fluidiques des transformateurs, la densité, la capacité thermique massique et la conductivité thermique de l'huile de transformateur varient avec la température, et ces relations doivent être décrites à l'aide de fonctions relativement précises.

4.4 Configuration du champ physique

Pour le champ physique sélectionné, il est nécessaire de définir les conditions de résolution essentielles, telles que les équations physiques qui régissent le problème, les expressions des excitations, les conditions initiales, les conditions aux limites et les conditions de contrainte.

4.5 Génération de maillage

La génération de maillage est probablement l'étape centrale après la modélisation géométrique. Théoriquement, des maillages plus fins produisent des résultats plus précis. Cependant, des maillages excessivement fins ne sont pas pratiques, car ils augmentent considérablement le temps de résolution.

Le principe de base de la génération de maillage est de combiner judicieusement des maillages grossiers et fins : raffiner là où c'est nécessaire et grossir là où c'est possible.

La génération manuelle de maillage est extrêmement difficile et nécessite que les ingénieurs de simulation aient une compréhension approfondie du problème à résoudre.

Heureusement, certains logiciels offrent des fonctions de génération de maillage automatique basées sur la physique, qui simplifient souvent le processus de génération de maillage. Par exemple, la fonction de génération de maillage automatique de COMSOL pour les modules de simulation de champ électrique est extrêmement puissante, permettant un maillage rapide de grands modèles d'isolation principale de transformateurs à une vitesse presque 40 fois plus rapide que celle d'autres logiciels.

Malheureusement, les fonctions de génération de maillage automatique intégrées dans les logiciels sont insuffisantes pour résoudre certains problèmes, car les logiciels génériques ne peuvent pas identifier les zones nécessitant un raffinement de maillage, comme dans les simulations de champ de flux.

4.6 Résolution du modèle

L'essence de la résolution de la simulation consiste à résoudre de grands systèmes d'équations discrètes. Cela nécessite que les ingénieurs de simulation aient des connaissances en mathématiques pertinentes, telles que la théorie des matrices et les méthodes d'itération de Newton.

Certains solveurs de logiciels sont configurés automatiquement en fonction du problème, sans intervention supplémentaire de l'ingénieur. Cependant, comme pour la génération de maillage, cela n'est pas universellement applicable. La résolution de problèmes avancés et complexes nécessite que les ingénieurs configurent individuellement les paramètres pour assurer une convergence rapide et des résultats précis.

4.7 Post-traitement des résultats

Pour présenter de manière intuitive les résultats de la simulation, les données obtenues ont besoin d'un post-traitement approprié, tel que la génération de tracés de contours de champ électrique, de tracés de contours de champ de température ou de tracés de contours de champ de flux.

De plus, certaines étapes de post-traitement nécessitent que les ingénieurs appliquent des connaissances professionnelles. Par exemple, la plupart des logiciels de simulation de champ électrique ne peuvent afficher de manière intuitive que l'intensité du champ électrique à chaque point, mais la détermination de la faisabilité de la marge d'isolation nécessite une analyse statistique de ces données pour générer des courbes de marge d'isolation basées sur la force cumulée du champ.