Analisi della Simulazione del Trasformatore: Processi Chiave Sfide e Best Practice Utilizzando Strumenti di Elementi Finiti

1 Introduzione

Che si utilizzi qualsiasi software di analisi agli elementi finiti (come COMSOL, Infolytica o Ansys) per l'analisi di simulazione dei trasformatori - che si focalizzi sul campo elettrico, magnetico, di flusso, meccanico o acustico - il processo di base è pressoché lo stesso. Una comprensione reale dei punti chiave in ogni processo è la base per il successo dell'analisi di simulazione e la affidabilità dei risultati finali.

2 Processo di Simulazione di Base

Un processo di simulazione scientifico e completo del trasformatore include sette passaggi principali:

3 Comprensione della Difficoltà

Un trasformatore è un dispositivo elettrico statico e da questo punto di vista, il lavoro di simulazione correlato è relativamente semplice, poiché la presenza di componenti rotanti aumenterebbe significativamente la difficoltà di molte simulazioni. Sfortunatamente, tuttavia, un trasformatore è anche un dispositivo elettromeccanico non lineare, variabile nel tempo, con una forte accoppiatura di più campi fisici, il che spesso rende la simulazione del trasformatore molto più difficile e persino insolubile.

Ad esempio, le simulazioni dei campi termici dei trasformatori basate sull'analisi fluidodinamica spesso non producono risultati accurati e affidabili. Un motivo è che la teoria fondamentale della fluidodinamica stessa è altamente complessa e non ha ancora formato una teoria unificata e stabile. D'altra parte, la simulazione del campo termico dei trasformatori richiede un'accoppiatura bidirezionale forte tra tre campi: "campo magnetico - campo di trasferimento di calore - campo fluido". Per un modello di trasformatore così grande, risolvere un singolo campo di flusso è già sfidante, figuriamoci l'ultra-accoppiatura forte di tre campi.

Per ottenere progressi in aree chiave della simulazione dei trasformatori, gli ingegneri di simulazione devono, da un lato, avere una profonda comprensione delle teorie, progettazione, fabbricazione e test dei trasformatori, e dall'altro, essere altamente competenti nell'uso di software di simulazione e comprendere la natura intrinseca del loro funzionamento.

4 Punti Chiave del Processo
4.1 Analisi del Problema

Prima della modellazione geometrica, è necessaria un'analisi preliminare del problema di simulazione per stabilire un modello geometrico appropriato e selezionare il campo fisico corretto. Ad esempio, il problema di simulazione si concentra su un singolo campo fisico o su campi fisici fortemente accoppiati?

4.2 Modellazione Geometrica

La completezza della modellazione geometrica determina l'efficienza e il progresso della simulazione. In molti casi, è necessario stabilire un modello geometrico semplificato. Tuttavia, se il modello geometrico è eccessivamente semplificato, i risultati della simulazione saranno inesatti e non potranno guidare il lavoro di progettazione. È chiaro che determinare come semplificare il modello geometrico richiede una profonda comprensione del problema da risolvere. Ad esempio, è sufficiente un modello geometrico 2D? È necessario costruire un modello geometrico 3D? Anche quando si costruisce un modello 3D, quali dettagli possono essere omessi e quali devono essere mantenuti?

4.3 Assegnazione dei Materiali

Un materiale può avere decine di parametri fisici, ma solo alcuni sono spesso necessari per risolvere un problema specifico.

Quando si assegnano parametri materiali specifici, i loro valori devono essere accurati; altrimenti, potrebbero essere introdotte deviazioni inaccettabili nei risultati della simulazione.

Alcuni parametri di proprietà dei materiali variano con altri parametri. Ad esempio, nelle simulazioni fluido-termiche dei trasformatori, la densità, la capacità termica specifica e la conduttività termica dell'olio del trasformatore cambiano con la temperatura, e queste relazioni devono essere descritte utilizzando funzioni relativamente accurate.

4.4 Configurazione del Campo Fisico

Per il campo fisico selezionato, è necessario definire le condizioni essenziali di soluzione, come le equazioni fisiche che governano il problema, le espressioni delle eccitazioni, le condizioni iniziali, le condizioni al contorno e le condizioni di vincolo.

4.5 Generazione della Reticella

La generazione della reticella è argomentabilmente il passaggio centrale dopo la modellazione geometrica. Teoricamente, reticelle più fine producono risultati più accurati. Tuttavia, reticelle eccessivamente fine non sono pratiche, poiché aumentano significativamente il tempo di soluzione.

Il principio fondamentale della generazione della reticella è combinare opportunamente reticelle grosse e fine: raffinare dove necessario e approssimare dove possibile.

La generazione manuale della reticella è altamente impegnativa e richiede agli ingegneri di simulazione una profonda comprensione del problema da risolvere.

Fortunatamente, alcuni software offrono funzioni di generazione automatica della reticella basate sulla fisica, che spesso semplificano il processo di generazione della reticella. Ad esempio, la funzione di generazione automatica della reticella di COMSOL per i moduli di simulazione del campo elettrico è estremamente potente, consentendo la meshing rapida di grandi modelli di isolamento principale dei trasformatori a una velocità quasi 40 volte superiore ad altri software.

Sfortunatamente, le funzioni di generazione automatica della reticella integrate nel software non sono sufficienti per risolvere certi problemi, poiché il software generico non può identificare le aree che richiedono la raffinazione della reticella, ad esempio nelle simulazioni del campo di flusso.

4.6 Risoluzione del Modello

L'essenza della risoluzione della simulazione è la risoluzione di grandi sistemi di equazioni discrete. Ciò richiede agli ingegneri di simulazione di avere conoscenze di matematica pertinente, come la teoria delle matrici e i metodi di iterazione di Newton.

Alcuni risolutori di software sono configurati automaticamente in base al problema, senza richiedere interventi aggiuntivi da parte dell'ingegnere. Tuttavia, come nella generazione della reticella, ciò non è universalmente applicabile. La risoluzione di problemi avanzati e complessi richiede agli ingegneri di configurare le impostazioni individualmente per garantire una convergenza rapida e risultati accurati.

4.7 Post-Elaborazione dei Risultati

Per presentare intuitivamente i risultati della simulazione, i dati ottenuti necessitano di un'adeguata post-elaborazione, come la generazione di mappe di contorno del campo elettrico, mappe di contorno del campo termico o mappe di contorno del campo di flusso.

Inoltre, alcuni passaggi di post-elaborazione richiedono agli ingegneri di applicare conoscenze professionali. Ad esempio, la maggior parte dei software di simulazione del campo elettrico può visualizzare intuitivamente solo la magnitudine dell'intensità del campo elettrico in ogni punto, ma per determinare la fattibilità del margine di isolamento è necessaria un'analisi statistica di questi dati per generare curve del margine di isolamento basate sulla forza cumulativa del campo.