Simulacija i analiza transformatora: Ključni procesi izazovi i najbolje prakse korištenjem alata za metodu konačnih elemenata

1 Uvod

Bez obzira na korištenje bilo kojeg softvera za analizu metodom konačnih elemenata (poput COMSOL-a, Infolytica ili Ansys) za simulacijsku analizu transformatora - bilo da se fokusira na električno polje, magnetsko polje, strujno polje, mehaničko polje ili akustičko polje - osnovni postupak je otprilike isti. Prava razumijevanja ključnih točaka u svakom procesu su temelj uspjeha simulacijske analize i pouzdanosti konačnih rezultata.

2 Osnovni simulacijski postupak

Znanstveni i kompletni postupak simulacije transformatora uključuje sedam glavnih koraka: 

3 Razumijevanje težine

Transformator je statički električki uređaj, i s tog stajališta, njegova povezana simulacijska radnja je relativno jednostavna, jer bi prisutnost rotirajućih komponenti značajno povećala težinu većine simulacija. Nažalost, međutim, transformator je također nelinearni, vremenski varijabilni elektromehanički uređaj s jakom kopulacijom više fizičkih polja, što često čini simulaciju transformatora mnogo težom, čak i nerješivom.

Na primjer, simulacije temperature polja transformatora temeljene na analizi fluida često ne daju točne i pouzdane rezultate. Jedan razlog je da je osnovna teorija dinamike fluida sama po sebi vrlo složena i još nije formirala unificiranu i stabilnu teoriju. S druge strane, simulacija temperature polja transformatora zahtijeva dvosmjernu jaku kopulaciju tri polja: "magnetsko polje—polje prenosa topline—strujno polje." Za takav veliki model transformatora, rješavanje samo strujnog polja je već izazov, a kamoli ultra-jaka kopulacija tri polja.

Da bi se postigli napredak u ključnim područjima simulacije transformatora, inženjeri simulacije moraju, s jedne strane, duboko razumjeti teorije, dizajn, proizvodnju i ispitivanje vezane uz transformatore, a s druge strane, biti visoko iskusni u upotrebi simulacijskog softvera i razumjeti intrinsičnu prirodu njegovog rada.

4 Ključne točke postupka
4.1 Analiza problema

Prije geometrijskog modeliranja potrebna je predviđena analiza simulacijskog problema kako bi se utvrdio odgovarajući geometrijski model i odabrano pravilno fizičko polje. Na primjer, je li simulacijski problem fokusiran na jedno fizičko polje ili na jake kopulirane fizičke polja?

4.2 Geometrijsko modeliranje

Potpunost geometrijskog modeliranja određuje učinkovitost i napredak simulacije. U većini slučajeva, potrebno je stvoriti pojednostavljeni geometrijski model. Međutim, ako je geometrijski model previše pojednostavljen, rezultati simulacije neće biti točni i neće moći upravljati projektantskim radom. Jasno, odluka o tome kako pojednostaviti geometrijski model zahtijeva duboko razumijevanje rješavanog problema. Na primjer, je li dovoljan 2D geometrijski model? Je li potrebno izgraditi 3D geometrijski model? Čak i kada se gradi 3D model, koje detalje se mogu izostaviti, a koje moraju ostati?

4.3 Dodeljivanje materijala

Materijal može imati desetke fizičkih parametara, ali samo nekoliko ih je često potrebno za rješavanje specifičnog problema.

Kada se dodele specifični parametri materijala, njihove vrijednosti moraju biti točne; inače, u rezultate simulacije može se unijeti neprihvatljiva odstupanja.

Neki parametri svojstva materijala variraju s drugim parametrima. Na primjer, u simulacijama fluid-temperature transformatora, gustoća, specifična toplinska kapacitet i toplotna provodljivost transformatorskog ulja mijenjaju se s temperaturom, i ove relacije moraju biti opisane relativno točnim funkcijama.

4.4 Postavljanje fizičkog polja

Za odabrano fizičko polje, potrebno je definirati ključne uvjete rješavanja, poput fizičkih jednadžbi koje upravljaju problemom, izraza pobude, početnih uvjeta, granicnih uvjeta i ograničenja.

4.5 Generiranje mreže

Generiranje mreže može se smatrati ključnim korakom nakon geometrijskog modeliranja. Teoretski, finije mreže daju točnije rezultate. Međutim, prefinjene mreže nisu praktične, jer značajno povećavaju vrijeme rješavanja.

Osnovni princip generiranja mreže jest kombinacija grubih i finih mreža: fino tamo gdje je potrebno, a grubo tamo gdje je moguće.

Ručno generiranje mreže je izuzetno izazovno i zahtijeva da inženjeri simulacije imaju duboko razumijevanje rješavanog problema.

Na sreću, neki softveri nude funkcije automatskog generiranja mreže temeljene na fizici, što često pojednostavljuje proces generiranja mreže. Na primjer, funkcija automatskog generiranja mreže za module simulacije električnog polja u COMSOL-u je izuzetno moćna, omogućujući brzo mrežiranje velikih modela glavne izolacije transformatora brzinom skoro 40 puta brže od drugog softvera.

Nažalost, ugrađene funkcije automatskog generiranja mreže u softveru nisu dovoljne za rješavanje određenih problema, jer općeniti softver ne može prepoznati područja za fino mrežiranje, poput simulacija strujnog polja.

4.6 Rješavanje modela

Suština simulacijskog rješavanja jest rješavanje velikih diskretnih sustava jednadžbi. To zahtijeva da inženjeri simulacije imaju znanje relevantne matematike, poput teorije matrica i Newtonove metode iteracije.

Neki rješivači u softveru automatski se konfiguriraju na temelju problema, bez dodatnog umetnutka inženjera. Međutim, kao i kod generiranja mreže, to nije univerzalno primjenjivo. Rješavanje naprednih i složenih problema zahtijeva da inženjeri individualno konfiguriraju postavke kako bi se osigurala brza konvergencija i točni rezultati.

4.7 Post-procesiranje rezultata

Da bi se intuitivno prezentirali rezultati simulacije, dobiveni podaci trebaju odgovarajuće post-procesiranje, poput generiranja konturnih crteža električnog polja, konturnih crteža temperatura ili konturnih crteža strujnog polja.

Dodatno, neki koraci post-procesiranja zahtijevaju da inženjeri primijene profesionalno znanje. Na primjer, većina softvera za simulaciju električnog polja može samo intuitivno prikazati magnitudu intenziteta električnog polja u svakoj točki, ali za određivanje mogućnosti izolacijskog margina potrebna je statistička analiza ovih podataka kako bi se generirale krive izolacijskog margina na temelju kumulativne jakosti polja.