Analisis Simulasi Trafo: Proses Kunci Tantangan dan Praktik Terbaik Menggunakan Alat Elemen Hingga

1 Pendahuluan

Apakah menggunakan perangkat lunak analisis elemen hingga apa pun (seperti COMSOL, Infolytica, atau Ansys) untuk analisis simulasi transformator—apakah fokus pada medan listrik, medan magnetik, medan aliran, medan mekanik, atau medan akustik—proses dasarnya kurang lebih sama. Pemahaman yang benar terhadap poin-poin kunci dalam setiap proses adalah dasar bagi keberhasilan analisis simulasi dan keandalan hasil akhir.

2 Proses Simulasi Dasar

Proses simulasi transformator yang ilmiah dan lengkap mencakup tujuh langkah utama:

3 Pemahaman tentang Kesulitan

Transformator adalah perangkat listrik statis, dan dari sudut pandang ini, pekerjaan simulasi terkait relatif sederhana, karena keberadaan komponen berputar akan meningkatkan kesulitan sebagian besar simulasi secara signifikan. Namun, sayangnya, transformator juga merupakan perangkat elektromekanik nonlinier, bervariasi waktu, dengan keterkaitan kuat dari beberapa medan fisik, yang sering membuat simulasi transformator jauh lebih sulit dan bahkan tidak dapat diselesaikan.

Misalnya, simulasi medan suhu transformator berdasarkan analisis fluida sering gagal menghasilkan hasil yang akurat dan dapat diandalkan. Salah satu alasannya adalah teori dasar dinamika fluida sendiri sangat kompleks dan belum membentuk teori yang terpadu dan stabil. Di sisi lain, simulasi medan suhu transformator memerlukan keterkaitan kuat dua arah tiga medan: "medan magnetik—medan transfer panas—medan fluida." Untuk model transformator sebesar itu, menyelesaikan satu medan aliran saja sudah menantang, apalagi keterkaitan super kuat tiga medan.

Untuk mencapai terobosan di area kunci simulasi transformator, insinyur simulasi harus, di satu sisi, memiliki pemahaman mendalam tentang teori, desain, manufaktur, dan pengetahuan pengujian terkait transformator, dan di sisi lain, mahir dalam mengoperasikan perangkat lunak simulasi dan memahami sifat intrinsik operasinya.

4 Poin Kunci Proses
4.1 Analisis Masalah

Sebelum pemodelan geometris, diperlukan analisis awal terhadap masalah simulasi untuk menetapkan model geometris yang tepat dan memilih medan fisik yang benar. Misalnya, apakah masalah simulasi fokus pada satu medan fisik atau medan fisik yang terkait kuat?

4.2 Pemodelan Geometris

Kekompleksan pemodelan geometris menentukan efisiensi dan kemajuan simulasi. Dalam banyak kasus, diperlukan pembuatan model geometris yang disederhanakan. Namun, jika model geometris terlalu disederhanakan, hasil simulasi akan tidak akurat dan tidak dapat membimbing pekerjaan desain. Jelas, menentukan bagaimana menyederhanakan model geometris membutuhkan pemahaman mendalam tentang masalah yang diselesaikan. Misalnya, apakah model geometris 2D sudah cukup? Apakah perlu membangun model geometris 3D? Bahkan saat membangun model 3D, detail mana yang dapat dihilangkan dan mana yang harus dipertahankan?

4.3 Penugasan Material

Bahan mungkin memiliki puluhan parameter fisik, tetapi hanya beberapa yang sering diperlukan untuk menyelesaikan masalah tertentu.

Ketika menugaskan parameter material spesifik, nilai-nilainya harus akurat; jika tidak, deviasi yang tidak dapat diterima mungkin diperkenalkan ke dalam hasil simulasi.

Beberapa parameter sifat material bervariasi dengan parameter lain. Misalnya, dalam simulasi termal-fluida transformator, densitas, kapasitas panas spesifik, dan konduktivitas termal minyak transformator berubah dengan suhu, dan hubungan-hubungan ini harus digambarkan dengan fungsi yang relatif akurat.

4.4 Penyiapan Medan Fisik

Untuk medan fisik yang dipilih, diperlukan definisi kondisi penyelesaian penting, seperti persamaan fisik yang mengatur masalah, ekspresi eksitasi, kondisi awal, kondisi batas, dan kondisi kendala.

4.5 Pembuatan Mesh

Pembuatan mesh dapat dibilang langkah inti setelah pemodelan geometris. Secara teoritis, mesh yang lebih halus menghasilkan hasil yang lebih akurat. Namun, mesh yang terlalu halus tidak praktis, karena secara signifikan meningkatkan waktu penyelesaian.

Prinsip dasar pembuatan mesh adalah menggabungkan mesh kasar dan halus dengan tepat: merinci di mana diperlukan dan mengkasar di mana mungkin.

Pembuatan mesh manual sangat menantang dan memerlukan insinyur simulasi untuk memiliki pemahaman mendalam tentang masalah yang diselesaikan.

Untungnya, beberapa perangkat lunak menawarkan fungsi pembuatan mesh otomatis berbasis fisika, yang sering kali menyederhanakan proses pembuatan mesh. Misalnya, fungsi pembuatan mesh otomatis COMSOL untuk modul simulasi medan listrik sangat kuat, memungkinkan penyusunan mesh model isolasi utama transformator besar dengan kecepatan hampir 40 kali lebih cepat daripada perangkat lunak lainnya.

Sayangnya, fungsi pembuatan mesh otomatis yang terdapat dalam perangkat lunak tidak cukup untuk menyelesaikan beberapa masalah, karena perangkat lunak umum tidak dapat mengidentifikasi area yang memerlukan penjernihan mesh—misalnya, dalam simulasi medan aliran.

4.6 Penyelesaian Model

Esensi penyelesaian simulasi adalah menyelesaikan sistem persamaan diskrit yang besar. Ini memerlukan insinyur simulasi memiliki pengetahuan matematika terkait, seperti teori matriks dan metode iterasi Newton.

Beberapa solvers perangkat lunak dikonfigurasi secara otomatis berdasarkan masalah, tanpa intervensi tambahan dari insinyur. Namun, seperti pembuatan mesh, ini tidak berlaku secara universal. Menyelesaikan masalah canggih dan kompleks memerlukan insinyur untuk mengkonfigurasi pengaturan secara individual untuk memastikan konvergensi cepat dan hasil yang akurat.

4.7 Post-Processing Hasil

Untuk menyajikan hasil simulasi secara intuitif, data yang diperoleh perlu diproses pasca dengan tepat, seperti menghasilkan plot kontur medan listrik, plot kontur medan suhu, atau plot kontur medan aliran.

Selain itu, beberapa langkah post-processing memerlukan insinyur untuk menerapkan pengetahuan profesional. Misalnya, sebagian besar perangkat lunak simulasi medan listrik hanya dapat menampilkan magnitudo intensitas medan listrik di setiap titik secara intuitif, tetapi menentukan kelayakan margin isolasi memerlukan analisis statistik data tersebut untuk menghasilkan kurva margin isolasi berdasarkan kekuatan lapangan kumulatif.