Transformer Simulering Analyse: Nøkkelprosesser Utfordringer og Beste Praksis ved Bruk av Finite Element Verktøy

1 Introduksjon

Uansett om du bruker noen endelig elementanalyseprogramvare (som COMSOL, Infolytica eller Ansys) for transformator simulering og analyse - uansett om fokuset er på elektrisk felt, magnetisk felt, strømningsfelt, mekanisk felt eller akustisk felt - er den grunnleggende prosessen omtrent den samme. En virkelig forståelse av de viktigste punktene i hver prosess er grunnlaget for suksess med simuleringen og påliteligheten til de endelige resultatene.

2 Grunnleggende Simuleringsprosess

En vitenskapelig og komplett transformator simuleringsprosess inkluderer sju store trinn:

3 Forståelse av Vanskeligheter

En transformator er et statisk elektrisk enhet, og fra dette perspektivet er det relatert simuleringsarbeid relativt enkelt, da rotasjonskomponenter ville øke vanskeligheten av de fleste simuleringer betydelig. Uheldigvis er en transformator også et ikke-lineært, tidsvarierende elektromekanisk enhet med sterk kobling av flere fysiske felt, noe som ofte gjør transformator simulering mye vanskeligere og til og med uløselig.

For eksempel gir simuleringer av transformator temperaturfelt basert på flytanalysen ofte ikke nøyaktige og pålitelige resultater. Én grunn er at den grunnleggende teorien om flytdynamikk selv er høy grad av kompleksitet og har ikke formet en enhetlig og stabil teori ennå. På den andre siden, krever temperaturfelt simulering av transformatorer toveis sterk kobling av tre felt: "magnetisk felt - varmetransfer felt - flyt felt." For en slik stor transformatormodell, å løse et enkelt flytfelt er allerede utfordrende, la oss ikke snakke om ultra-sterk kobling av tre felt.

For å oppnå gjennombrudd i nøkkelpunkter av transformator simulering, må simuleringingeniører, på den ene siden, ha en dyp forståelse av transformatorrelaterte teorier, design, produksjon og test kunnskap, og på den andre siden, være svært dyktige i å operere simulering programvare og forstå dens innebygde natur.

4 Nøkkelpunkter i Prossessen
4.1 Problem Analyse

Før geometrisk modellering, kreves en foreløpig analyse av simulering problemet for å etablere en passende geometrisk modell og velge riktig fysisk felt. For eksempel, er simulering problemet fokusert på et enkelt fysisk felt eller sterkt koblet fysiske felt?

4.2 Geometrisk Modellering

Kompleksiteten av geometrisk modellering bestemmer effektiviteten og fremdriften av simuleringen. I de fleste tilfeller må en forenklet geometrisk modell etableres. Hvis den geometriske modellen blir overforenklet, vil simulering resultatene være unøyaktige og ikke kunne veilede designarbeidet. Klar, å bestemme hvordan man forenkler den geometriske modellen krever en dyp forståelse av problemet som løses. For eksempel, er en 2D geometrisk modell nok? Er det nødvendig å bygge en 3D geometrisk modell? Selv når man bygger en 3D modell, hvilke detaljer kan utelates, og hvilke må beholdes?

4.3 Materialetildeling

Et materiale kan ha dusinvis av fysiske parametre, men bare noen få er ofte nødvendige for å løse et spesifikt problem.

Når spesifikke materialeparametre tildeles, må verdiene deres være nøyaktige; ellers kan utilfredsstillende avvik innføres i simulering resultatene.

Noen materielegenskap parametre varierer med andre parametre. For eksempel, i transformator flyt-temperatur simulering, tetthet, spesifikk varmekapasitet og termisk ledningsevne av transformatorolje endrer seg med temperatur, og disse relasjonene må beskrives ved hjelp av relativt nøyaktige funksjoner.

4.4 Fysisk Feltoppsett

For det valgte fysiske feltet, må det defineres essensielle løsningsbetingelser, som fysiske ligninger som styrer problemet, uttrykk for opptøy, begynnelsesbetingelser, randbetingelser og begrensninger.

4.5 Rutenettgenerering

Rutenettgenerering er kanskje kjernen etter geometrisk modellering. Teoretisk sett gir finere rutenett mer nøyaktige resultater. Men for fine rutenett er upraktisk, da de øker løsetiden betydelig.

Den grunnleggende prinsippet for rutenettgenerering er å kombinere grove og fine rutenett på en passende måte: forfine der det er nødvendig, og grove der det er mulig.

Manuell rutenettgenerering er svært utfordrende og krever at simuleringingeniører har en dyp forståelse av problemet som løses.

Heldigvis tilbyr noen programvare fysikkbasert automatiske rutenettgenereringsfunksjoner, som ofte forenkler rutenettgenereringsprosessen. For eksempel, COMSOL's automatiske rutenettgenereringsfunksjon for elektrisk felt simulering moduler er ekstremt kraftig, som lar rask rutenetting av store transformator hovedisolering modeller med en hastighet nesten 40 ganger raskere enn annen programvare.

Uheldigvis er programvarens innebygde automatiske rutenettgenereringsfunksjoner utilstrekkelige for å løse visse problemer, da generell programvare ikke kan identifisere områder som trenger rutenettforfining - som i flyt felt simuleringer.

4.6 Modell Løsing

Kjernen av simulering løsing er løsning av store diskrete ligningssystemer. Dette krever at simuleringingeniører har kunnskap om relevant matematikk, som matristeori og Newton iterasjonsmetoder.

Noen programvare løsere er automatisk konfigurert basert på problemet, uten at ingeniøren trenger å intervenere ytterligere. Men som rutenettgenerering, er dette ikke universelt anvendelig. Løsning av avanserte og komplekse problemer krever at ingeniørene konfigurerer innstillinger individuelt for å sikre rask konvergens og nøyaktige resultater.

4.7 Resultat Post-behandling

For å presentere simulering resultater直观地展示仿真结果，需要对获得的数据进行适当的后处理，例如生成电场等值线图、温度场等值线图或流场等值线图。 此外，一些后处理步骤需要工程师应用专业知识。例如，大多数电场仿真软件只能直观地显示每个点的电场强度大小，但要确定绝缘裕度的可行性，需要对这些数据进行统计分析，以基于累积场强生成绝缘裕度曲线。 请注意，最后一段的翻译中包含了中文，这是不符合要求的。以下是正确的翻译：

For å presentere simulering resultater på en intuitiv måte, må de innhentede dataene behandles etterhvert, for eksempel ved å generere elektrisk felt konturlinjer, temperaturfelt konturlinjer eller strømningsfelt konturlinjer.

I tillegg krever noen etterbehandlingssteg at ingeniører bruker profesjonell kunnskap. For eksempel, kan de fleste elektrisk felt simulering programvare bare visuelt vise størrelsen på elektrisk felt intensitet på hvert punkt, men for å fastslå insulasjonsmarginens gjennomførlighet, må denne dataen analyseres statistisk for å generere insulasjonsmargin kurver basert på kumulativ feltstyrke.