Transformatoru simulācijas analīze: Galvenie procesi, izaicinājumi un labākās prakses, izmantojot galveno elementu rīkus

1 Ievads

Neskatoties uz to, vai tiek izmantota kāda īpaša galvenā elementu analīzes programma (piemēram, COMSOL, Infolytica vai Ansys) transformatoru simulācijas analīzei — vai tā būtu elektriskā lauka, magnētiskā lauka, plūsmas lauka, mehāniskā lauka vai akustiskā lauka fokuss — pamatprocesi ir gandrīz vienādi. Patiesa izpratne par katra procesa galvenajiem punktiem ir simulators analīzes veiksmes un beigu rezultātu uzticamības pamats.

2 Pamata simulatora process

Zinātniska un pilnīga transformatoru simulatora process ietver septiņus galvenos soļus:

3 Grūtību izpratne

Transformators ir stāvējošs elektrotehniskais ierīce, un no šī skatu punkta, saistītā simulatora darbs ir salīdzinoši vienkāršs, jo rotējošo komponentu klātbūtne bieži vien lielā mērā palielinātu daudzu simulatoru grūtību līmeni. Diemžēl, transformators ir arī nelineāra, laika atkarīga elektromehāniskā ierīce ar vairāku fizisko lauku stipru savstarpējo saistību, kas bieži padara transformatoru simulatoru daudz grūtāku un pat neizsolējamu.

Piemēram, transformatoru temperatūras lauka simulatori, balstoties uz plūsmas analīzi, bieži nevar nodrošināt precīzus un uzticamus rezultātus. Viens iemesls tam ir tāds, ka plūsmas dinamikas pamatteorija pašā sastāvā ir ļoti sarežģīta un nav veidojusies vienota un stabila teorija. Otrādi, transformatoru temperatūras lauka simulatori prasa trīs laukus "magnētiskais lauks—siltums pārnese—plūsmas lauks" divvirziena stipru savstarpējo saistību. Tādai lielai transformatora modelei, kā šī, jau viena plūsmas lauka risināšana ir izaicinājums, nekalpojot par runāmu trim laukiem ultrastiprai savstarpējai saistībai.

Lai panāktu pārsteigumus transformatoru simulatora galvenajos aspektos, simulatora inženieri, no vienas puses, jāsaprot transformatoru saistītās teorijas, dizaina, ražošanas un testēšanas zināšanas, bet no otras puses, jābūt augsti apmierinoši spējīgiem strādāt ar simulatora programmatūru un saprast tās darbības būtību.

4 Procesa galvenie punkti
4.1 Problemas analīze

Pirms ģeometriskā modeļa izveides, nepieciešama problēmas prelimināra analīze, lai izveidotu piemērotu ģeometrisku modeli un izvēlas pareizo fizisko lauku. Piemēram, vai simulatora problēma koncentrējas uz vienu fizisko lauku vai stipri saistītiem fiziskajiem laukiem?

4.2 Ģeometriskais modelis

Ģeometriskā modeļa pilnīgums nosaka simulatora efektivitāti un progresu. Parasti jāizveido vienkāršojts ģeometriskais modelis. Tomēr, ja ģeometriskais modelis ir pārāk vienkāršots, simulatora rezultāti būs neprecīzi un nevarēs vadīt dizainu. Skaidrs, ka, lai noteiktu, kā vienkāršot ģeometriskā modeļa, nepieciešama dziļa problēmas izpratne. Piemēram, vai 2D ģeometriskais modelis ir pietiekams? Vai ir nepieciešams izveidot 3D ģeometriskā modeli? Pat izveidojot 3D modeli, kādas detaļas var izlaist un kuras jāsaglabā?

4.3 Materiālu piešķiršana

Materiālam var būt desmitiem fiziskajiem parametriem, bet tikai daži no tiem parasti tiek nepieciešami konkrētas problēmas risināšanai.

Kad tiek piešķirti specifiski materiāla parametri, to vērtības jābūt precīzām; pretējā gadījumā simulatora rezultātos var radīties nepieņemami novirzējumi.

Daži materiāla īpašības parametri mainās ar citiem parametriem. Piemēram, transformatoru plūsmas-temperatūras simulatoros, transformatora eļļas blīvums, specifiskā siltuma kapacitāte un siltuma lejuvedība maina ar temperatūru, un šīs attiecības jāapraksta ar salīdzinoši precīzām funkcijām.

4.4 Fizisko lauku iestatīšana

Izvēlētajam fiziskajam laukam jādefinē būtiskas risināšanas nosacījumi, piemēram, problēmas valdošie fiziskie vienādojumi, izsaucēju izteiksmes, sākotnējie nosacījumi, robežnosacījumi un ierobežojumu nosacījumi.

4.5 Šķeltuvju izveide

Šķeltuvju izveide drīzāk ir pamatprocesa solis pēc ģeometriskā modeļa. Teorētiski, jemakākas šķeltuvju sniedz precīzākus rezultātus. Tomēr, pārāk jemakākas šķeltuvju ir nepraktiskas, jo tās nozīmīgi palielina risināšanas laiku.

Šķeltuvju izveides pamatprincips ir adekvāti kombinēt jemakākas un retākas šķeltuvju: pielāgot, kur nepieciešams, un pazemināt, kad iespējams.

Manuāla šķeltuvju izveide ir ļoti grūta un prasa, lai simulatora inženieri labi saprotu problēmu, ko risina.

Laimei, dažas programmatūras piedāvā fizikas balstītas automātiskas šķeltuvju izveides funkcijas, kas bieži vien vienkāršo šķeltuvju izveidi. Piemēram, COMSOL elektriskā lauka simulatora moduļu automātiskā šķeltuvju izveides funkcija ir ļoti spēcīga, ļaujot ātri izveidot lielu transformatora galvenā izolācijas modeli aptuveni 40 reizes ātrāk nekā citas programmatūras.

Diemžēl, programmatūras iebūvētās automātiskās šķeltuvju izveides funkcijas dažām problēmām nav pietiekamas, jo vispārējas programmatūras nevar identificēt telpas, kurām ir nepieciešamas jemakākas šķeltuvju, piemēram, plūsmas lauka simulatoros.

4.6 Modeļa risināšana

Simulatora risināšanas būtība ir lielu diskretu vienādojumu sistēmu risināšana. Tas prasa, lai simulatora inženieri būtu apmierinoši spējīgi matemātikas zināšanās, piemēram, matricu teorijā un Niutona iterāciju metodes.

Dažas programmatūras risinātāji ir automātiski konfigurēti atkarībā no problēmas, nepieciešams nekāda papildu iejaukšanās no inženiera puses. Tomēr, tāpat kā šķeltuvju izveide, tas nav universāli piemērojams. Izmantojot augstu un sarežģītu problēmu risināšanu, inženieriem jākonfigurē iestatījumi individuāli, lai nodrošinātu ātru konverģenci un precīzus rezultātus.

4.7 Rezultātu pēcastrāde

Lai intuītīvi prezentētu simulatora rezultātus, iegūto datu nepieciešama piemērotā pēcastrāde, piemēram, elektriskā lauka kontūras zīmēšana, temperatūras lauka kontūras zīmēšana vai plūsmas lauka kontūras zīmēšana.

Turklāt, dažas pēcastrādes soļi prasa, lai inženieri izmantotu profesionālas zināšanas. Piemēram, daudzas elektriskā lauka simulatora programmatūras var tikai intuītīvi parādīt elektriskā lauka intensitātes lielumu katrā punktā, bet izolācijas margines izpildāmības noteikšanai nepieciešama šo datu statistiskā analīze, lai izveidotu izolācijas margines krāsas, balstoties uz kumulātīvo lauka stiprumu.