변압기 시뮬레이션 분석: 유한 요소 도구를 사용한 주요 프로세스, 도전 과제 및 최선의 방법

1 소개

변압기 시뮬레이션 분석을 위해 어떤 유한 요소 분석 소프트웨어(예: COMSOL, Infolytica, Ansys)를 사용하든 전기장, 자기장, 유동장, 기계장, 음향장에 집중하든 기본적인 과정은 거의 동일합니다. 각 과정의 핵심 포인트를 진정으로 이해하는 것이 시뮬레이션 분석의 성공과 최종 결과의 신뢰성의 기초입니다.

2 기본 시뮬레이션 과정

과학적이고 완전한 변압기 시뮬레이션 과정은 일곱 가지 주요 단계로 구성됩니다:

3 어려움의 이해

변압기는 정지된 전기 장치이며, 이 관점에서 보면 관련 시뮬레이션 작업은 상대적으로 간단합니다. 회전 부품이 있으면 대부분의 시뮬레이션의 난이도가 크게 증가하기 때문입니다. 그러나 불행히도, 변압기는 비선형적이고 시간에 따라 변하는 전자기 장치이며 여러 물리장이 강하게 결합되어 있어 변압기 시뮬레이션을 매우 어렵게 만들고 심지어 해결할 수 없는 경우도 있습니다.

예를 들어, 유체 분석을 기반으로 한 변압기 온도장 시뮬레이션은 종종 정확하고 신뢰할 수 있는 결과를 얻지 못합니다. 그 이유 중 하나는 유체 역학의 기본 이론 자체가 매우 복잡하고 아직 통합되고 안정적인 이론을 형성하지 않았기 때문입니다. 다른 한편으로, 변압기의 온도장 시뮬레이션은 "자기장-열전달장-유동장"의 세 가지 장의 양방향 강력한 결합이 필요합니다. 이러한 대형 변압기 모델에서 단일 유동장을 해결하는 것조차도 이미 어려운데, 세 가지 장의 초강력 결합은 더욱 어려워집니다.

변압기 시뮬레이션의 주요 영역에서 돌파구를 찾기 위해서는 시뮬레이션 엔지니어는 한편으로 변압기 관련 이론, 설계, 제조, 테스트 지식을 깊이 이해해야 하고, 다른 한편으로는 시뮬레이션 소프트웨어를 숙련적으로 조작하고 그 작동의 본질을 이해해야 합니다.

4 과정의 핵심 포인트
4.1 문제 분석

기하학적 모델링 전에 시뮬레이션 문제에 대한 예비 분석이 필요하여 적절한 기하학적 모델을 설정하고 올바른 물리장을 선택해야 합니다. 예를 들어, 시뮬레이션 문제가 단일 물리장에 집중되는지 또는 강하게 결합된 물리장에 집중되는지 여부를 결정해야 합니다.

4.2 기하학적 모델링

기하학적 모델링의 완전성은 시뮬레이션의 효율성과 진행 상황을 결정합니다. 대부분의 경우, 간소화된 기하학적 모델을 설정해야 합니다. 그러나 기하학적 모델이 지나치게 간소화되면 시뮬레이션 결과가 정확하지 않고 설계 작업을 지시할 수 없습니다. 분명히, 기하학적 모델을 어떻게 간소화할지 결정하는 것은 해결하려는 문제에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 예를 들어, 2D 기하학적 모델이 충분한가? 3D 기하학적 모델을 구축해야 하는가? 심지어 3D 모델을 구축할 때에도 어떤 세부 사항을 생략할 수 있고 어떤 것을 유지해야 하는지를 결정해야 합니다.

4.3 재료 할당

재료는 수십 개의 물리적 매개변수를 가질 수 있지만, 특정 문제를 해결하기 위해 필요한 매개변수는 몇 개뿐입니다.

특정 재료 매개변수를 할당할 때 그 값은 정확해야 합니다. 그렇지 않으면 시뮬레이션 결과에 받아들일 수 없는 편차가 발생할 수 있습니다.

일부 재료 특성 매개변수는 다른 매개변수에 따라 달라집니다. 예를 들어, 변압기 유체-열 시뮬레이션에서 변압기 오일의 밀도, 비열, 열전도율은 온도에 따라 변화하며, 이러한 관계는 비교적 정확한 함수를 사용하여 설명해야 합니다.

4.4 물리장 설정

선택한 물리장에 대해 문제를 지배하는 물리 방정식, 자극의 표현, 초기 조건, 경계 조건, 제약 조건 등의 필수적인 해결 조건을 정의해야 합니다.

4.5 메쉬 생성

메쉬 생성은 기하학적 모델링 후 핵심 단계라고 할 수 있습니다. 이론적으로 더 미세한 메쉬는 더 정확한 결과를 가져옵니다. 그러나 너무 미세한 메쉬는 실제 적용이 어려우며, 해결 시간을 크게 늘립니다.

메쉬 생성의 기본 원칙은 적절하게 굵고 가는 메쉬를 조합하는 것입니다: 필요한 부분은 세밀하게, 가능한 부분은 거칠게.

수동 메쉬 생성은 매우 어려우며, 시뮬레이션 엔지니어가 해결하려는 문제에 대한 깊은 이해가 필요합니다.

다행히 일부 소프트웨어는 물리 기반의 자동 메쉬 생성 기능을 제공하여 메쉬 생성 과정을 단순화합니다. 예를 들어, COMSOL의 전기장 시뮬레이션 모듈의 자동 메쉬 생성 기능은 매우 강력하여 다른 소프트웨어보다 거의 40배 빠르게 대형 변압기 주 절연 모델의 빠른 메싱이 가능합니다.

불행히도, 소프트웨어 내장 자동 메쉬 생성 기능은 특정 문제를 해결하기에는 충분하지 않습니다. 일반적인 소프트웨어는 메쉬 세분화가 필요한 영역을 식별할 수 없기 때문입니다. 예를 들어, 유동장 시뮬레이션의 경우.

4.6 모델 해결

시뮬레이션 해결의 본질은 대규모 이산 방정식 시스템을 해결하는 것입니다. 이를 위해서는 시뮬레이션 엔지니어가 행렬 이론이나 뉴턴 반복법 등 관련 수학 지식이 필요합니다.

일부 소프트웨어 솔버는 문제에 따라 자동으로 구성되므로 엔지니어의 추가 개입이 필요하지 않습니다. 그러나 메쉬 생성과 마찬가지로 이것은 모든 경우에 적용되지 않습니다. 고급이고 복잡한 문제를 해결하려면 엔지니어가 개별적으로 설정을 구성하여 빠른 수렴과 정확한 결과를 보장해야 합니다.

4.7 결과 후처리

시뮬레이션 결과를 직관적으로 표시하려면 얻은 데이터를 적절한 후처리가 필요합니다. 예를 들어, 전기장 등고선 도표, 온도장 등고선 도표, 유동장 등고선 도표를 생성합니다.

또한, 일부 후처리 단계는 엔지니어가 전문 지식을 적용해야 합니다. 예를 들어, 대부분의 전기장 시뮬레이션 소프트웨어는 각 점에서의 전기장 강도 크기를 직관적으로 표시할 수 있지만, 절연 여유의 타당성을 결정하려면 이 데이터의 통계 분석을 통해 누적 전기장 강도를 기반으로 절연 여유 곡선을 생성해야 합니다.