Transformator Simulatie Analyse: Belangrijke Processen Uitdagingen en Beste Praktijken met Behulp van Eindige Elementen Tools

1 Inleiding

Of u nu eindige-elementanalyse software gebruikt (zoals COMSOL, Infolytica of Ansys) voor transformatorsimulatie en -analyse, of u zich richt op elektrisch veld, magnetisch veld, stromingsveld, mechanisch veld of geluidsveld, het basisproces is ongeveer hetzelfde. Een diepgaand begrip van de kernpunten in elk proces is de grondslag voor het succes van de simulatieanalyse en de betrouwbaarheid van de uiteindelijke resultaten.

2 Basis simulatieproces

Een wetenschappelijk en volledig transformatorsimulatieproces omvat zeven belangrijke stappen:

3 Begrip van de moeilijkheden

Een transformator is een statisch elektrisch apparaat, en vanuit dit perspectief is het bijbehorende simulatiewerk relatief eenvoudig, omdat de aanwezigheid van draaiende onderdelen de moeilijkheidsgraad van de meeste simulaties aanzienlijk zou verhogen. Helaas is een transformator echter ook een niet-lineair, tijdsafhankelijk elektromechanisch apparaat met sterke koppeling van meerdere fysieke velden, wat vaak leidt tot veel moeilijkere en zelfs onoplosbare transformatorsimulaties.

Bijvoorbeeld, simulaties van transformatortemperatuurvelden op basis van stromingsanalyse leveren vaak geen nauwkeurige en betrouwbare resultaten op. Eén reden hiervoor is dat de basistheorie van stromingsmechanica zelf zeer complex is en nog geen unifieerde en stabiele theorie heeft gevormd. Aan de andere kant vereist de temperatuurveldsimulatie van transformators een tweerichtingkoppeling van drie velden: "magnetisch veld - warmteoverdrachtveld - stromingsveld." Voor zo'n groot transformatormodel is het al uitdagend om één stromingsveld op te lossen, laat staan de supersterke koppeling van drie velden.

Om doorbraken te realiseren in de kerngebieden van transformatorsimulatie moeten simulatieingenieurs enerzijds een diepgaande kennis hebben van de theorieën, ontwerp, fabricage en testkennis van transformators, en anderzijds zeer bedreven zijn in het gebruik van simulatiesoftware en het intrinsieke karakter ervan begrijpen.

4 Kernpunten van het proces
4.1 Probleemanalyse

Vóór geometrische modellering is een voorlopige analyse van het simulatieprobleem nodig om een passend geometrisch model op te stellen en het juiste fysieke veld te selecteren. Bijvoorbeeld, richt het simulatieprobleem zich op één fysiek veld of op sterk gekoppelde fysieke velden?

4.2 Geometrische modellering

De volledigheid van de geometrische modellering bepaalt de efficiëntie en voortgang van de simulatie. In de meeste gevallen moet een vereenvoudigd geometrisch model worden opgesteld. Echter, als het geometrisch model te sterk wordt vereenvoudigd, zullen de simulatieresultaten onnauwkeurig zijn en niet in staat zijn om het ontwerpwerk te begeleiden. Duidelijk is dat bepalen hoe het geometrisch model kan worden vereenvoudigd een diepgaand begrip van het opgeloste probleem vereist. Bijvoorbeeld, is een 2D geometrisch model voldoende? Is het nodig om een 3D geometrisch model op te bouwen? Zelfs wanneer een 3D model wordt opgebouwd, welke details kunnen worden weggelaten en welke moeten worden behouden?

4.3 Materiaaltoewijzing

Een materiaal kan tientallen fysische parameters hebben, maar slechts enkele daarvan zijn vaak vereist voor het oplossen van een specifiek probleem.

Wanneer specifieke materiaalparameters worden toegewezen, moeten hun waarden accuraat zijn; anders kunnen onaanvaardbare afwijkingen in de simulatieresultaten worden geïntroduceerd.

Sommige materialeigenschappen variëren met andere parameters. Bijvoorbeeld, in transformatorstroom-thermische simulaties veranderen de dichtheid, soortelijke warmtecapaciteit en warmtegeleidbaarheid van transformatorolie met de temperatuur, en deze relaties moeten worden beschreven met behulp van relatief nauwkeurige functies.

4.4 Fysiek veld instellen

Voor het geselecteerde fysieke veld is het nodig om essentiële oplossingsvoorwaarden te definiëren, zoals de fysische vergelijkingen die het probleem besturen, expressies van opwekkingen, beginvoorwaarden, randvoorwaarden en beperkingsvoorwaarden.

4.5 Rooster generatie

Rooster generatie is misschien wel de kernstap na geometrische modellering. Theoretisch gezien levert fijnere roosters nauwkeurigere resultaten op. Echter, te fijne roosters zijn niet praktisch, omdat ze de oplossingstijd aanzienlijk verlengen.

Het basisprincipe van rooster generatie is om grof en fijn rooster op gepaste wijze te combineren: verfijn waar nodig en vergrof waar mogelijk.

Handmatige rooster generatie is zeer uitdagend en vereist dat simulatieingenieurs een diepgaand begrip hebben van het opgeloste probleem.

Gelukkig biedt sommige software fysica-gebaseerde automatische rooster generatiefuncties, die vaak het rooster generatieproces vereenvoudigen. Bijvoorbeeld, de automatische rooster generatiefunctie van COMSOL voor elektrisch veldsimulatiemodules is uiterst krachtig, waardoor snelle rooster generatie van grote transformatormain isolatiemodellen mogelijk is, bijna 40 keer sneller dan andere software.

Helaas zijn de ingebouwde automatische rooster generatiefuncties van de software ontoereikend voor het oplossen van bepaalde problemen, omdat algemene software gebieden die rooster verfijning nodig hebben niet kan identificeren, zoals in stromingsveldsimulaties.

4.6 Model oplossen

De essentie van simulatie-oplossen is het oplossen van grote discrete vergelijkingssystemen. Dit vereist dat simulatieingenieurs kennis hebben van relevante wiskunde, zoals matrixtheorie en Newton-iteratiemethoden.

Sommige software-oplossers worden automatisch geconfigureerd op basis van het probleem, zonder extra interventie van de ingenieur. Echter, net als bij rooster generatie, is dit niet universeel toepasbaar. Het oplossen van geavanceerde en complexe problemen vereist dat ingenieurs individueel instellingen configureren om snelle convergentie en nauwkeurige resultaten te garanderen.

4.7 Resultaat post-verwerking

Om simulatieresultaten intuïtief weer te geven, moet de verkregen gegevens passend worden nagebewerkt, zoals het genereren van elektrisch veldcontourdiagrammen, temperatuurveldcontourdiagrammen of stromingsveldcontourdiagrammen.

Daarnaast vereisen sommige post-verwerkingsstappen dat ingenieurs professionele kennis toepassen. Bijvoorbeeld, de meeste elektrisch veldsimulatiesoftware kan alleen de magnitude van de elektrisch veldintensiteit op elk punt intuïtief weergeven, maar het bepalen van de haalbaarheid van de isolatiemarge vereist statistische analyse van deze gegevens om isolatiemargediagrammen te genereren op basis van cumulatieve veldsterkte.