Symulacja i analiza transformatorów: Kluczowe procesy wyzwania oraz najlepsze praktyki przy użyciu narzędzi elementów skończonych

1 Wprowadzenie

Niezależnie od używanej oprogramowania do analizy elementów skończonych (np. COMSOL, Infolytica lub Ansys) do symulacji transformatora - czy chodzi o pole elektryczne, magnetyczne, przepływowe, mechaniczne czy akustyczne - podstawowy proces jest w przybliżeniu taki sam. Prawdziwe zrozumienie kluczowych punktów każdego procesu to fundament sukcesu analizy symulacyjnej i niezawodności końcowych wyników.

2 Podstawowy proces symulacji

Naukowy i kompleksowy proces symulacji transformatora obejmuje siedem głównych etapów: 

3 Zrozumienie trudności

Transformator to statyczne urządzenie elektryczne, a z tej perspektywy związane z nim prace symulacyjne są stosunkowo proste, ponieważ obecność obracających się elementów znacznie zwiększa trudność większości symulacji. Niestety, transformator to także nieliniowe, zmiennoprzecinkowe urządzenie elektromechaniczne z silną sprzężeniem wielu pól fizycznych, co często sprawia, że symulacja transformatora jest znacznie trudniejsza, a nawet nierozwiązywalna.

Na przykład, symulacje pola temperatury transformatora oparte na analizie płynów często nie dają dokładnych i wiarygodnych rezultatów. Jednym z powodów jest to, że podstawowa teoria dynamiki płynów sama w sobie jest bardzo skomplikowana i nie utworzyła jeszcze jednolitej i stabilnej teorii. Z drugiej strony, symulacja pola temperatury transformatora wymaga dwustronnego silnego sprzężenia trzech pól: "pole magnetyczne - pole przepływu ciepła - pole płynu". Dla tak dużego modelu transformatora, rozwiązanie pojedynczego pola przepływu jest już wyzwaniem, a co dopiero mówić o super-sprzężeniu trzech pól.

Aby osiągnąć przełomy w kluczowych obszarach symulacji transformatorów, inżynierowie symulacji muszą, z jednej strony, głęboko zrozumieć teorie, projektowanie, produkcję i wiedzę testową dotyczące transformatorów, a z drugiej strony, być biegli w obsłudze oprogramowania symulacyjnego i zrozumieć jego podstawową naturę działania.

4 Kluczowe punkty procesu
4.1 Analiza problemu

Przed modelowaniem geometrycznym wymagana jest wstępna analiza problemu symulacji, aby ustalić odpowiedni model geometryczny i wybrać poprawne pole fizyczne. Na przykład, czy problem symulacji koncentruje się na jednym polu fizycznym, czy na silnie sprzężonych polach fizycznych?

4.2 Modelowanie geometryczne

Kompletność modelowania geometrycznego określa efektywność i postęp symulacji. W większości przypadków należy stworzyć uproszczony model geometryczny. Jednak, jeśli model geometryczny jest zbyt uproszczony, wyniki symulacji będą niedokładne i nie będą w stanie kierować pracami projektowymi. Wyraźnie, określenie, jak uproszczyć model geometryczny, wymaga głębokiego zrozumienia rozwiązywanego problemu. Na przykład, czy wystarczy 2D model geometryczny? Czy trzeba zbudować 3D model geometryczny? Nawet budując model 3D, które szczegóły można pominąć, a które trzeba zachować?

4.3 Przypisanie materiałów

Materiał może mieć dziesiątki parametrów fizycznych, ale tylko niektóre z nich są często wymagane do rozwiązania konkretnego problemu.

Przy przypisywaniu konkretnych parametrów materiałowych ich wartości muszą być dokładne; w przeciwnym razie, do wyników symulacji mogą zostać wprowadzone nieakceptowalne odchylenia.

Niektóre parametry właściwości materiałów zmieniają się w zależności od innych parametrów. Na przykład, w symulacjach ciepłoprzewodzenia transformatora, gęstość, ciepło właściwe i przewodność cieplna oleju transformatorowego zmieniają się wraz z temperaturą, a te relacje muszą być opisane za pomocą stosunkowo dokładnych funkcji.

4.4 Konfiguracja pola fizycznego

Dla wybranego pola fizycznego, konieczne jest zdefiniowanie niezbędnych warunków rozwiązywania, takich jak rządzące problemem równania fizyczne, wyrażenia pobudzeń, warunki początkowe, brzegowe i ograniczeniowe.

4.5 Generowanie siatki

Generowanie siatki jest prawdopodobnie kluczowym krokiem po modelowaniu geometrycznym. Teoretycznie, drobniejsze siatki dają bardziej dokładne wyniki. Jednak zbyt drobne siatki są niewykonalne, ponieważ znacznie zwiększają czas rozwiązywania.

Podstawowym zasadem generowania siatki jest odpowiednie połączenie grubych i drobnych siatek: dalsze细化翻译要求，以下是波兰语的完整翻译： ```html

1 Wprowadzenie

Niezależnie od używanego oprogramowania do analizy elementów skończonych (np. COMSOL, Infolytica, Ansys) do symulacji transformatora – czy chodzi o pole elektryczne, magnetyczne, przepływowe, mechaniczne czy akustyczne – podstawowy proces jest w przybliżeniu taki sam. Prawdziwe zrozumienie kluczowych punktów każdego procesu to fundament sukcesu analizy symulacyjnej i niezawodności końcowych wyników.

2 Podstawowy proces symulacji

Naukowy i kompleksowy proces symulacji transformatora obejmuje siedem głównych etapów: 

3 Zrozumienie trudności

Transformator to statyczne urządzenie elektryczne, a z tej perspektywy związane z nim prace symulacyjne są stosunkowo proste, ponieważ obecność obracających się elementów znacznie zwiększa trudność większości symulacji. Niestety, transformator to także nieliniowe, zmiennoprzecinkowe urządzenie elektromechaniczne z silnym sprzężeniem wielu pól fizycznych, co często sprawia, że symulacja transformatora jest znacznie trudniejsza, a nawet nierozwiązywalna.

Na przykład, symulacje pola temperatury transformatora oparte na analizie płynów często nie dają dokładnych i wiarygodnych rezultatów. Jednym z powodów jest to, że podstawowa teoria dynamiki płynów sama w sobie jest bardzo skomplikowana i nie utworzyła jeszcze jednolitej i stabilnej teorii. Z drugiej strony, symulacja pola temperatury transformatora wymaga dwustronnego silnego sprzężenia trzech pól: "pole magnetyczne – pole przepływu ciepła – pole płynu". Dla tak dużego modelu transformatora, rozwiązanie pojedynczego pola przepływu jest już wyzwaniem, a co dopiero mówić o nadmiernej sprzężeniu trzech pól.

Aby osiągnąć przełomy w kluczowych obszarach symulacji transformatorów, inżynierowie symulacji muszą, z jednej strony, głęboko zrozumieć teorie, projektowanie, produkcję i wiedzę testową dotyczące transformatorów, a z drugiej strony, być biegli w obsłudze oprogramowania symulacyjnego i zrozumieć jego podstawową naturę działania.

4 Kluczowe punkty procesu
4.1 Analiza problemu

Przed modelowaniem geometrycznym wymagana jest wstępna analiza problemu symulacji, aby ustalić odpowiedni model geometryczny i wybrać poprawne pole fizyczne. Na przykład, czy problem symulacji koncentruje się na jednym polu fizycznym, czy na silnie sprzężonych polach fizycznych?

4.2 Modelowanie geometryczne

Kompletność modelowania geometrycznego określa efektywność i postęp symulacji. W większości przypadków należy stworzyć uproszczony model geometryczny. Jednak, jeśli model geometryczny jest zbyt uproszczony, wyniki symulacji będą niedokładne i nie będą w stanie kierować pracami projektowymi. Wyraźnie, określenie, jak uproszczyć model geometryczny, wymaga głębokiego zrozumienia rozwiązywanego problemu. Na przykład, czy wystarczy 2D model geometryczny? Czy trzeba zbudować 3D model geometryczny? Nawet budując model 3D, które szczegóły można pominąć, a które trzeba zachować?

4.3 Przypisanie materiałów

Materiał może mieć dziesiątki parametrów fizycznych, ale tylko niektóre z nich są często wymagane do rozwiązania konkretnego problemu.

Przy przypisywaniu konkretnych parametrów materiałowych ich wartości muszą być dokładne; w przeciwnym razie, do wyników symulacji mogą zostać wprowadzone nieakceptowalne odchylenia.

Niektóre parametry właściwości materiałów zmieniają się w zależności od innych parametrów. Na przykład, w symulacjach ciepłoprzewodzenia transformatora, gęstość, ciepło właściwe i przewodność cieplna oleju transformatorowego zmieniają się wraz z temperaturą, a te relacje muszą być opisane za pomocą stosunkowo dokładnych funkcji.

4.4 Konfiguracja pola fizycznego

Dla wybranego pola fizycznego, konieczne jest zdefiniowanie niezbędnych warunków rozwiązywania, takich jak rządzące problemem równania fizyczne, wyrażenia pobudzeń, warunki początkowe, brzegowe i ograniczeniowe.

4.5 Generowanie siatki

Generowanie siatki jest prawdopodobnie kluczowym krokiem po modelowaniu geometrycznym. Teoretycznie, drobniejsze siatki dają bardziej dokładne wyniki. Jednak zbyt drobne siatki są niewykonalne, ponieważ znacznie zwiększają czas rozwiązywania.

Podstawowym zasłem generowania siatki jest odpowiednie połączenie grubych i drobnych siatek: dalsze wzmocnienie tam, gdzie jest potrzebne, a zgrubienie tam, gdzie to możliwe.

Ręczne generowanie siatki jest bardzo trudne i wymaga, aby inżynierowie symulacji mieli głębokie zrozumienie rozwiązywanego problemu.

Na szczęście, niektóre oprogramowania oferują funkcje automatycznego generowania siatki oparte na fizyce, które często upraszczają proces generowania siatki. Na przykład, funkcja automatycznego generowania siatki w module symulacji pola elektrycznego w COMSOL jest niezwykle potężna, umożliwiając szybkie generowanie siatki dla dużych modeli głównej izolacji transformatora z prędkością prawie 40 razy szybszą niż inne oprogramowanie.

Niestety, wbudowane funkcje automatycznego generowania siatki w oprogramowaniu są niewystarczające do rozwiązania niektórych problemów, ponieważ oprogramowanie ogólnego przeznaczenia nie jest w stanie identyfikować obszarów wymagających wzmocnienia siatki – na przykład w symulacjach pola przepływowego.

4.6 Rozwiązanie modelu

Istota rozwiązywania symulacji polega na rozwiązywaniu dużych dyskretnych układów równań. To wymaga, aby inżynierowie symulacji posiadali wiedzę z zakresu matematyki, takiej jak teoria macierzy i metody iteracji Newtona.

Niektóre oprogramowania rozwiązywania są automatycznie konfigurowane na podstawie problemu, bez dodatkowej interwencji inżyniera. Jednak, podobnie jak generowanie siatki, to nie jest powszechnie stosowane. Rozwiązanie zaawansowanych i złożonych problemów wymaga, aby inżynierowie indywidualnie konfigurowali ustawienia, aby zapewnić szybkie zbieżenie i dokładne wyniki.

4.7 Post-Processing wyników

Aby intuicyjnie przedstawić wyniki symulacji, uzyskane dane wymagają odpowiedniego post-processingu, takiego jak generowanie konturów pola elektrycznego, pola temperatury lub pola przepływowego.

Ponadto, niektóre kroki post-processingu wymagają, aby inżynierowie zastosowali profesjonalną wiedzę. Na przykład, większość oprogramowania do symulacji pola elektrycznego może tylko intuicyjnie wyświetlać wartość natężenia pola elektrycznego w każdym punkcie, ale określenie możliwości marginesu izolacji wymaga statystycznej analizy tych danych, aby wygenerować krzywe marginesu izolacji na podstawie sumarycznej siły pola.