Tranzformátor-szimuláció elemzése: Fő folyamatok kihívások és legjobb gyakorlatok véges elemes eszközökkel

1 Bevezetés

Bármilyen véges elemes elemzési szoftvert (például COMSOL, Infolytica, vagy Ansys) használunk a transzformátor-szimulációhoz – legyen az elektromos mező, mágneses mező, áramlásmező, mechanikai mező, vagy akusztikus mező – az alapjellegű folyamat nagyjából ugyanaz. A folyamat minden lépésének megértése a szimuláció sikerének és a végleges eredmények megbízhatóságának alapja.

2 Alapvető szimulációs folyamat

Egy tudományos és teljes transzformátor-szimulációs folyamat hét fő lépést tartalmaz:

3 A nehézségek megértése

A transzformátor egy statikus elektromos eszköz, és ebből a szempontból a vele kapcsolatos szimulációs munka relatíve egyszerű, mivel a forgó részek jelenléte jelentősen növelné a legtöbb szimuláció nehézségét. Sajnos, a transzformátor egy nemlineáris, időben változó elektromechanikai eszköz is, amely több fizikai mező erős kölcsönhatását jelenti, ami gyakran sokkal nehezebbé, vagy akár megoldhatatlanná is teszi a transzformátor-szimulációt.

Például, a transzformátor-hőmérsékletmező szimulációi, amelyek folyadékanalízis alapján történnek, gyakran nem adják a pontos és megbízható eredményeket. Egy oka, hogy a folyadékmechanika alapja maga is rendkívül összetett, és még nem kialakult egy unifikált és stabil elmélet. Másrészről, a transzformátorok hőmérsékletmezőjének szimulációja három mező, "mágneses mező – hőátadási mező – folyadékmező" bidirekt erős kölcsönhatását igényli. Ilyen nagy transzformátor-modell esetén már egyetlen folyadékmező megoldása is kihívást jelent, nem beszélve a három mező ultra-erős kölcsönhatásáról.

A transzformátor-szimuláció kulcsterületeinek áttöréséhez a szimulációs mérnököknek, egyfelől, mély megértésükre van szükség a transzformátorokkal kapcsolatos elméletekről, tervezésről, gyártásról és tesztelésről, másfelől, a szimulációs szoftverekkel való magas szintű kezelésre és a belső működésük megértésére.

4 A folyamat kulcspontjai
4.1 A probléma elemzése

A geometriai modellezés előtt előzetes elemzésre van szükség a szimulációs problémára, hogy megfelelő geometriai modellt állíthassunk fel, és választhassunk a helyes fizikai mezőt. Például, a szimulációs probléma egyetlen fizikai mezőre, vagy erősen kölcsönható fizikai mezőkre összpontosít?

4.2 Geometriai modellezés

A geometriai modellezés teljessége határozza a szimuláció hatékonyságát és haladását. A legtöbb esetben egyszerűsített geometriai modellt kell készíteni. Ha a geometriai modell túlságosan egyszerűsített, a szimulációs eredmények pontatlanok lesznek, és nem képesek lesznek iránymutatást adni a tervezéshez. Nyilvánvaló, hogy a geometriai modell egyszerűsítésének módjának meghatározása a megoldandó probléma mély megértését igényli. Például, elég-e egy 2D geometriai modell? Szükség van-e 3D geometriai modell készítésére? Még 3D modell esetén is, mely részleteket lehet elhanyagolni, és melyeket meg kell tartani?

4.3 Anyagok hozzárendelése

Egy anyagnak több tíz fizikai paramétere lehet, de csak néhány szükséges a konkrét probléma megoldásához.

Az anyagparaméterek pontos értékei szükségesek, különben elfogadhatatlan eltérések jelenhetnek meg a szimulációs eredményekben.

Néhány anyagtulajdonság-paraméter más paraméterektől függ. Például, a transzformátor folyadék-hőmérsékleti szimulációiban a transzformátorolaj sűrűsége, specifikus hőkapacitása és hővezetőképessége a hőmérséklettel változik, és ezek a viszonyok relatíve pontos függvényekkel leírhatók.

4.4 Fizikai mező beállítása

A kiválasztott fizikai mező esetén szükségesek a problémát irányító alapvető megoldási feltételek, mint például a fizikai egyenletek, az excitációk kifejezései, a kezdeti feltételek, a peremfeltételek és a korlátozó feltételek.

4.5 Háló generálása

A háló generálása a geometriai modellezés után talán a legfontosabb lépés. Elméletileg, a finomabb hálók pontosabb eredményeket adnak. Azonban túlságosan finom hálók gyakorlatilag alkalmatlanok, mert jelentősen növelik a megoldási időt.

A háló generálás alapelve, hogy megfelelően kombináljuk a vastag és finom hálókat: ahol szükséges, finomítsunk, ahol lehetséges, vastagítsunk.

A kézi háló generálás nagyon kihívást jelent, és a szimulációs mérnököknek mély megértésükre van szükség a megoldandó problémára.

Szerencsére, néhány szoftver fizikai alapú automatikus hálógeneráló funkciókkal rendelkezik, amelyek gyakran egyszerűsítik a háló generálási folyamatot. Például, a COMSOL elektromos mező-szimulációs moduljának automatikus hálógeneráló funkciója rendkívül erős, és lehetővé teszi a nagy transzformátor fő izolációs modelljének gyors hálózatát, majdnem 40-szer gyorsabban, mint más szoftverek.

Sajnálatos módon, a szoftver beépített automatikus hálógeneráló funkciói bizonyos problémák megoldásához nem elegendőek, mert a szabványos szoftverek nem tudják felismerni a háló finomítását igénylő területeket – például, a folyadékmező-szimulációk esetén.

4.6 Modell megoldása

A szimuláció megoldásának lényege, hogy nagy diszkrét egyenletrendszereket oldjon meg. Ez a szimulációs mérnököknek matematikai ismereteit, például a mátrixelméletet és Newton-iterációs módszereket igényli.

Néhány szoftver megoldója automatikusan beállítva van a problémához, anélkül, hogy a mérnöknek további beavatkozásra lenne szüksége. Ugyanakkor, mint a háló generálás, ez nem mindig alkalmazható. Fejlett és összetett problémák megoldásához a mérnököknek személyre szabott beállításokat kell konfigurálniuk, hogy biztosítsák a gyors konvergenciát és a pontos eredményeket.

4.7 Eredmények poszt-feldolgozása

A szimulációs eredmények intuitív bemutatásához a szerezett adatok megfelelő poszt-feldolgozásra szorulnak, például elektromos mező kontúr-térképek, hőmérsékletmező kontúr-térképek, vagy folyadékmező kontúr-térképek generálására.

Ezenkívül, néhány poszt-feldolgozási lépésben a mérnököknek szakmai ismereteket kell alkalmazniuk. Például, a legtöbb elektromos mező-szimulációs szoftver csak intuitívan jeleníti meg az elektromos intenzitás mértékét minden ponton, de az izolációs margó megfelelőségének meghatározása szükséges a statisztikai elemzésre, hogy kumulatív mezőerő alapján generálja az izolációs margó görbéit.