Трансформаторска симулација и анализа: Клучни процеси предизвици и најдобри практики со користење на алатки за коначни елементи

1 Вовед

Без разлика дали се користи софтвер за анализ на коначни елементи (како на пример COMSOL, Infolytica или Ansys) за симулација и анализа на трансформаторот - дали се фокусира на електрично поле, магнетно поле, поле на течење, механичко поле или акустичко поле - основниот процес е приближно ист. Настояната разбирање на клучните точки во секој процес е основа за успешна симулација и надежност на финалните резултати.

2 Основен процес на симулација

Научен и комплетен процес на симулација на трансформатор вклучува седум големи чекори:

3 Разбирање на тековината

Трансформаторот е статичко електрично уред, и од тоа гледиште, неговата симулација е релативно едноставна, бидејќи присуството на ротирачки компоненти значително ја зголемува тековината на повеќето симулации. Невообичаено, обачно, трансформаторот е нелинеарно, временско-променливо електромеханичко уред со силна двосмерна врска на повеќе физички полиња, што често го прави симулацијата на трансформаторот многу поголема и често нерешлива.

На пример, симулациите на температурните полиња на трансформаторите базирани на анализа на течење често не даваат точни и надежни резултати. Еден од причините е дека основната теорија на динамиката на течењето сама по себе е многу комплексна и до сега не е формирана една унифицирана и стабилна теорија. Од друга страна, симулацијата на температурното поле на трансформаторите бара силна двосмерна врска на три полиња: "магнетно поле - поле на пренос на топлина - поле на течење." За таков голем модел на трансформатор, решавањето на едно само поле на течење е веќе предизвик, камо што да се зборува за силна врска на три полиња.

За да се постигнат промени во клучните области на симулацијата на трансформаторот, инженерите за симулација мораат, от една страна, да имаат длабоко разбирање на теоријата, дизајн, производство и знание за испитување на трансформаторите, а од друга страна, да бидат високо преподнесени во операцијата на софтверот за симулација и да го разберат природниот начин на негово функционирање.

4 Клучни точки на процесот
4.1 Анализа на проблемот

Претходно треба да се направи анализа на проблемот на симулацијата пред геометриски моделирање, за да се изгради соодветен геометриски модел и да се избере точното физичко поле. На пример, дали проблемот на симулацијата е фокусиран на едно единствено физичко поле или на силно сврзано физичко поле?

4.2 Геометриско моделирање

Комплетноста на геометриското моделирање одредува ефикасноста и напредокот на симулацијата. Во повеќето случаи, треба да се изгради опростен геометриски модел. Меѓутоа, ако геометрискиот модел е прекумерно опростен, резултатите од симулацијата ќе бидат неточни и нема да можат да го насокаат работата на дизајн. Јасно, определувањето како да се опрости геометрискиот модел бара длабоко разбирање на проблемот. На пример, дали е доволен 2D геометриски модел? Дали е потребно да се изгради 3D геометриски модел? Дури и кога се гради 3D модел, кои детали можат да се изостават и кои мораат да се задржат?

4.3 Доделување на материјал

Материјалот може да има десетици физички параметри, но само неколку од нив често се потребни за решавање на конкретен проблем.

При доделување на специфични параметри на материјалот, нивните вредности мораат да бидат точни; во спротивно, може да се внесат неприфатливи девијации во резултатите од симулацијата.

Некои параметри на својства на материјалот се менуваат со други параметри. На пример, во симулациите на трансформаторот со течење-топлина, густината, специфичната топлинска капацитет и теплото проводливост на трансформаторската масло се менуваат со температурата, и овие односи мораат да се опишат со относно точни функции.

4.4 Поставување на физичко поле

За избраниот физички поле, потребно е да се дефинираат суштински услови за решавање, како што се физичките равенки кои го регулираат проблемот, изрази на екситации, почетни услови, границни услови и ограничувања.

4.5 Генерирање на мрежа

Генерирањето на мрежа е можеби клучниот чекор после геометриско моделирање. Теоретски, помала мрежа дава повеќе точни резултати. Меѓутоа, премала мрежа е непрактична, бидејќи значително го зголемува времето за решавање.

Основниот принцип на генерирање на мрежа е да се комбинираат груба и фина мрежа соодветно: да се прецизира таму каде што е потребно и да се загруби таму каде што е можно.

Ручното генерирање на мрежа е многу предизвик, и бара инженерите за симулација да имаат длабоко разбирање на проблемот.

Среќно, некои софтвери понудуваат автоматско генерирање на мрежа базирано на физика, што често ја овозможува поедноставна работа на генерирање на мрежа. На пример, автоматската функција на генерирање на мрежа на COMSOL за модули на симулација на електрично поле е многу моќна, што овозможува брзо генерирање на мрежа на големите модели на главната изолација на трансформаторот со брзина околу 40 пати побрза од друг софтвер.

Невообичаено, вградените автоматски функции на генерирање на мрежа на софтверот не се доволни за решавање на одредени проблеми, бидејќи општиот софтвер не може да ги идентификува областите кои бараат прецизирање на мрежата - како на пример, во симулациите на поле на течење.

4.6 Решавање на моделот

Есенцијално, решавањето на симулацијата е решавање на големи дискретни системи на равенки. Ова бара инженерите за симулација да имаат знаење за соодветна математика, како што се теоријата на матриците и методот на Нютонова итерација.

Некои софтверски решавачи се автоматски конфигурираат според проблемот, без дополнителна интервенција од страна на инженерите. Меѓутоа, како и генерирањето на мрежа, ова не е универзално применливо. Решавањето на напредни и комплексни проблеми бара инженерите да ги конфигурираат подесувките индивидуално за да се осигура брзо конвергирање и точни резултати.

4.7 Пост-процесирање на резултатите

За интуитивно претставување на резултатите од симулацијата, добиените податоци треба да се одговараат со одговарајућо пост-процесирање, како што се генерирање на контурни дијаграми на електрично поле, дијаграми на температурно поле, или дијаграми на поле на течење.

Освен тоа, некои чекори на пост-процесирање бараат инженерите да применат професионално знаење. На пример, повеќето софтвери за симулација на електрично поле можат само интуитивно да прикажат големината на интензитетот на електричното поле на секое место, но за да се одреди феазибилитета на маргиналната изолација, потребно е да се направи статистичка анализа на овие податоци за да се генерираат криви на маргинална изолација според кумулативната јачина на полето.