Análise de Simulación de Transformadores: Procesos Clave Desafíos e Mejores Prácticas Usando Ferramentas de Elementos Finitos

1 Introdución

Sexa que se use calquera software de análise de elementos finitos (como COMSOL, Infolytica ou Ansys) para a simulación e análise de transformadores—sexease que se centre no campo eléctrico, no campo magnético, no campo de fluxo, no campo mecánico ou no campo acústico—o proceso básico é aproximadamente o mesmo. Unha comprensión real dos puntos clave en cada proceso é a base para o éxito da análise de simulación e a fiabilidade dos resultados finais.

2 Proceso Básico de Simulación

Un proceso de simulación científicamente completo e para transformadores inclúe sete pasos principais:

3 Comprensión da Dificultade

O transformador é un dispositivo eléctrico estático, e dende esta perspectiva, o seu traballo de simulación relacionado é relativamente simple, xa que a presenza de compoñentes rotatorios aumentaría significativamente a dificultade da maioría das simulacións. Desafortunadamente, no entanto, o transformador tamén é un dispositivo electromecánico non linear, variante no tempo, con forte acoplamento de múltiples campos físicos, o que frecuentemente fai que a simulación de transformadores sexa moito máis difícil e incluso insoluible.

Por exemplo, as simulacións de campos de temperatura de transformadores baseadas na análise de fluídos a miúdo non producen resultados precisos e fiables. Unha razón é que a teoría básica da dinámica de fluídos é altamente complexa e aínda non formou unha teoría unificada e estable. Por outro lado, a simulación do campo de temperatura de transformadores require un acoplamento bidireccional forte de tres campos: "campo magnético—campo de transferencia de calor—campo de fluídos". Para un modelo de transformador tan grande, resolver un único campo de fluídos xa é desafiante, sen falar do superacoplamento de tres campos.

Para lograr avances en áreas clave da simulación de transformadores, os enxeñeiros de simulación deben, por unha banda, ter unha profunda comprensión das teorías, do deseño, da fabricación e do coñecemento de probas relacionados con transformadores, e, por outra banda, ser altamente competentes na operación de software de simulación e entender a natureza intrínseca da súa operación.

4 Puntos Clave do Proceso
4.1 Análise do Problema

Antes da modelización xeométrica, é necesario realizar unha análise preliminar do problema de simulación para establecer un modelo xeométrico apropiado e seleccionar o campo físico correcto. Por exemplo, ¿está centrado o problema de simulación nun só campo físico ou en campos físicos fortemente acoplados?

4.2 Modelización Xeométrica

A completude da modelización xeométrica determina a eficiencia e o progreso da simulación. En moitas ocasións, é necesario estabelecer un modelo xeométrico simplificado. No entanto, se o modelo xeométrico está excesivamente simplificado, os resultados da simulación non serán precisos e non poderán orientar o traballo de deseño. Está claro que determinar como simplificar o modelo xeométrico require unha profunda comprensión do problema a resolver. Por exemplo, ¿é suficiente un modelo xeométrico 2D? ¿É necesario construír un modelo xeométrico 3D? Incluso ao construír un modelo 3D, ¿qué detalles poden omitirse e que deben retense?

4.3 Asignación de Materiais

Un material pode ter dúas docenas de parámetros físicos, pero soamente algúns son necesarios para resolver un problema específico.

Ao asignar parámetros específicos de material, os seus valores deben ser precisos; de lo contrario, pódense introducir desvíos inaceptables nos resultados da simulación.

Algunhas propiedades de material varían con outros parámetros. Por exemplo, nas simulacións térmicas de fluidos de transformadores, a densidade, a capacidade calorífica específica e a conductividade térmica do aceite de transformador cambian con a temperatura, e estas relacións deben describirse usando funcións relativamente precisas.

4.4 Configuración do Campo Físico

Para o campo físico seleccionado, é necesario definir as condicións esenciais de resolución, como as ecuacións físicas que rixen o problema, as expresións de excitación, as condicións iniciais, as condicións de fronteira e as condicións de restricción.

4.5 Xeración de Malha

A xeración de malha é, quizais, o paso central despois da modelización xeométrica. Teoricamente, as mallas máis finas producen resultados máis precisos. No entanto, as mallas excesivamente finas non son prácticas, xa que aumentan significativamente o tempo de resolución.

O principio básico da xeración de malha é combinar adecuadamente mallas groseras e finas: refinar onde é necesario e coarsen onde é posible.

A xeración manual de malhas é altamente desafiante e require que os enxeñeiros de simulación teñan unha profunda comprensión do problema a resolver.

Afortunadamente, algun software ofrece funcións automáticas de xeración de malhas baseadas en física, que a miúdo simplifican o proceso de xeración de malhas. Por exemplo, a función de xeración automática de malhas de COMSOL para módulos de simulación de campo eléctrico é extremadamente potente, permitindo a xeración rápida de modelos de aislamento principal de grandes transformadores a unha velocidade case 40 veces máis rápida que outros software.

Desafortunadamente, as funcións automáticas de xeración de malhas integradas no software non son suficientes para resolver certos problemas, xa que o software xeral non pode identificar as áreas que requiren refinamento de malha, como nas simulacións de campo de fluxo.

4.6 Resolución do Modelo

A esencia da resolución de simulación é resolver sistemas discretos de ecuacións grandes. Isto require que os enxeñeiros de simulación teñan coñecementos de matemáticas relevantes, como a teoría de matrices e os métodos de iteración de Newton.

Algun solucionadores de software están configurados automaticamente baseándose no problema, sen requiren intervención adicional do enxeñeiro. No entanto, como a xeración de malhas, isto non é universalmente aplicable. A resolución de problemas avanzados e complexos require que os enxeñeiros configuren as opcións individualmente para asegurar unha converxencia rápida e resultados precisos.

4.7 Posprocesado de Resultados

Para presentar intuitivamente os resultados da simulación, os datos obtidos requiren un posprocesado adecuado, como a xeración de mapas de contorno de campo eléctrico, mapas de contorno de campo de temperatura ou mapas de contorno de campo de fluxo.

Ademais, algúns pasos de posprocesado requiren que os enxeñeiros apliquen coñecementos profesionais. Por exemplo, a maioría dos software de simulación de campo eléctrico só pode mostrar intuitivamente a magnitude da intensidade do campo eléctrico en cada punto, pero determinar a viabilidade do margen de aislamento require unha análise estatística destes datos para xerar curvas de margen de aislamento baseadas na intensidade acumulativa do campo.