Analisis Simulasi Transformator: Proses Utama Tantangan dan Amalan Terbaik Menggunakan Alat Elemen Hingga

1 Pengenalan

Sama ada menggunakan perisian analisis unsur terhingga (seperti COMSOL, Infolytica, atau Ansys) untuk analisis simulasi transformator—sama ada fokus pada medan elektrik, medan magnet, medan aliran, medan mekanikal, atau medan akustik—proses asasnya adalah lebih kurang sama. Pemahaman yang benar tentang titik-titik penting dalam setiap proses adalah asas bagi kejayaan analisis simulasi dan kebolehpercayaan hasil akhir.

2 Proses Simulasi Asas

Proses simulasi transformator yang saintifik dan lengkap merangkumi tujuh langkah utama:

3 Pemahaman Kesukaran

Transformator adalah peranti elektrik statik, dan dari sudut pandangan ini, kerja simulasi berkaitan relatif mudah, kerana kehadiran komponen berputar akan meningkatkan kesukaran kebanyakan simulasi secara signifikan. Namun, sayangnya, transformator juga merupakan peranti elektromekanikal tak linear, bervariasi mengikut masa dengan penghubungan kuat beberapa medan fizikal, yang sering menjadikan simulasi transformator jauh lebih sukar dan bahkan tidak dapat diselesaikan.

Sebagai contoh, simulasi medan suhu transformator berdasarkan analisis aliran cecair sering gagal memberikan hasil yang tepat dan boleh dipercayai. Salah satu sebabnya adalah teori dinamik bendalir sendiri sangat kompleks dan belum membentuk teori yang bersatu dan stabil. Di sisi lain, simulasi medan suhu transformator memerlukan penghubungan kuat dua hala tiga medan: "medan magnet—medan pemindahan haba—medan aliran." Untuk model transformator besar seperti ini, menyelesaikan satu medan aliran sahaja sudah mencabar, apatah lagi penghubungan kuat tiga medan.

Untuk mencapai penembusan di bidang-bidang kunci simulasi transformator, jurutera simulasi mesti, di satu pihak, mempunyai pemahaman mendalam tentang teori, reka bentuk, pembuatan, dan pengetahuan ujian berkaitan transformator, dan di pihak lain, mahir dalam mengendalikan perisian simulasi dan memahami sifat intrinsik operasinya.

4 Titik-Titik Penting Proses
4.1 Analisis Masalah

Sebelum pemodelan geometri, diperlukan analisis awal masalah simulasi untuk menetapkan model geometri yang sesuai dan memilih medan fizikal yang betul. Sebagai contoh, adakah masalah simulasi fokus pada satu medan fizikal atau medan fizikal yang berhubungan kuat?

4.2 Pemodelan Geometri

Kekompleksan pemodelan geometri menentukan kecekapan dan kemajuan simulasi. Dalam kebanyakan kes, perlu dibina model geometri yang disederhanakan. Walau bagaimanapun, jika model geometri terlalu disederhanakan, hasil simulasi akan tidak tepat dan tidak dapat membimbing kerja reka bentuk. Jelas, menentukan cara menyederhanakan model geometri memerlukan pemahaman mendalam tentang masalah yang diselesaikan. Sebagai contoh, adakah model geometri 2D cukup? Adakah perlu membina model geometri 3D? Walaupun ketika membina model 3D, detail mana yang boleh diabaikan dan mana yang mesti dipertahankan?

4.3 Penugasan Bahan

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

Apabila menugaskan parameter bahan tertentu, nilai-nilainya mesti tepat; sebaliknya, penyimpangan yang tidak dapat diterima mungkin diperkenalkan ke dalam hasil simulasi.

Beberapa parameter sifat bahan berubah mengikut parameter lain. Sebagai contoh, dalam simulasi termal fluida transformator, ketumpatan, haba spesifik, dan konduktiviti termal minyak transformator berubah mengikut suhu, dan hubungan ini mesti digambarkan dengan fungsi yang agak tepat.

4.4 Penyiapan Medan Fizikal

Untuk medan fizikal yang dipilih, perlu menentukan syarat-syarat penyelesaian penting, seperti persamaan fizikal yang mengatur masalah, ungkapan eksitasi, syarat awal, syarat sempadan, dan syarat kawalan.

4.5 Pembuatan Mesh

Pembuatan mesh boleh dikatakan sebagai langkah inti selepas pemodelan geometri. Secara teori, mesh yang lebih halus menghasilkan hasil yang lebih tepat. Walau bagaimanapun, mesh yang terlalu halus tidak praktikal, kerana ia meningkatkan masa penyelesaian secara signifikan.

Prinsip asas pembuatan mesh adalah menggabungkan mesh kasar dan halus dengan tepat: haluskan di tempat yang perlu dan kasarkan di tempat yang mungkin.

Pembuatan mesh manual sangat mencabar dan memerlukan jurutera simulasi mempunyai pemahaman mendalam tentang masalah yang diselesaikan.

Beruntungnya, beberapa perisian menawarkan fungsi pembuatan mesh automatik berdasarkan fizik, yang sering memudahkan proses pembuatan mesh. Sebagai contoh, fungsi pembuatan mesh automatik modul simulasi medan elektrik COMSOL sangat kuat, membolehkan pembuatan mesh model insulasi utama transformator yang besar dengan kelajuan hampir 40 kali lebih cepat daripada perisian lain.

Namun, fungsi pembuatan mesh automatik bawaan perisian tidak mencukupi untuk menyelesaikan beberapa masalah, kerana perisian umum tidak dapat mengenal pasti kawasan yang memerlukan mesh halus—seperti dalam simulasi medan aliran.

4.6 Penyelesaian Model

Esensi penyelesaian simulasi adalah menyelesaikan sistem persamaan diskret yang besar. Ini memerlukan jurutera simulasi mempunyai pengetahuan matematik yang berkaitan, seperti teori matriks dan kaedah iterasi Newton.

Beberapa penyelesai perisian dikonfigurasikan secara automatik berdasarkan masalah, tanpa intervensi tambahan dari jurutera. Walau bagaimanapun, seperti pembuatan mesh, ini tidak seragam. Menyelesaikan masalah lanjutan dan kompleks memerlukan jurutera untuk mengkonfigurasi setelan secara individu untuk memastikan penumpuan cepat dan hasil yang tepat.

4.7 Pemrosesan Hasil Selepas Penyelesaian

Untuk memaparkan hasil simulasi secara intuitif, data yang diperoleh perlu diproses selepas penyelesaian, seperti menghasilkan plot kontur medan elektrik, plot kontur medan suhu, atau plot kontur medan aliran.

Selain itu, beberapa langkah pemrosesan selepas penyelesaian memerlukan jurutera menerapkan pengetahuan profesional. Sebagai contoh, kebanyakan perisian simulasi medan elektrik hanya dapat memaparkan magnitud intensiti medan elektrik di setiap titik secara intuitif, tetapi menentukan kelayakan margin insulasi memerlukan analisis statistik data tersebut untuk menghasilkan kurva margin insulasi berdasarkan kekuatan medan kumulatif.