Análise de Simulação de Transformadores: Processos Chave Desafios e Práticas Recomendadas Utilizando Ferramentas de Elementos Finitos

1 Introdução

Seja qual for o software de análise por elementos finitos (como COMSOL, Infolytica ou Ansys) utilizado para a simulação e análise de transformadores — seja focando no campo elétrico, magnético, de fluxo, mecânico ou acústico —, o processo básico é, em geral, o mesmo. Uma compreensão verdadeira dos pontos-chave em cada processo é a base para o sucesso da análise de simulação e a confiabilidade dos resultados finais.

2 Processo Básico de Simulação

Um processo de simulação de transformador científico e completo inclui sete etapas principais:

3 Compreensão da Dificuldade

Um transformador é um dispositivo elétrico estático, e, sob essa perspectiva, seu trabalho de simulação relacionado é relativamente simples, pois a presença de componentes rotativos aumentaria significativamente a dificuldade da maioria das simulações. Infelizmente, no entanto, um transformador também é um dispositivo eletromecânico não linear, variável no tempo, com forte acoplamento de múltiplos campos físicos, o que frequentemente torna a simulação de transformadores muito mais difícil e, às vezes, insolúvel.

Por exemplo, as simulações de campos térmicos de transformadores baseadas na análise de fluidos muitas vezes não conseguem produzir resultados precisos e confiáveis. Uma razão é que a teoria básica da dinâmica de fluidos é altamente complexa e ainda não formou uma teoria unificada e estável. Por outro lado, a simulação do campo térmico de transformadores requer acoplamento bidirecional forte de três campos: "campo magnético — campo de transferência de calor — campo de fluido". Para um modelo de transformador tão grande, resolver um único campo de fluxo já é desafiador, quanto mais o acoplamento ultra-forte de três campos.

Para alcançar avanços em áreas-chave da simulação de transformadores, os engenheiros de simulação devem, por um lado, ter uma compreensão profunda das teorias, design, fabricação e conhecimentos de teste relacionados a transformadores, e, por outro lado, ser altamente proficiente no uso de software de simulação e entender a natureza intrínseca de sua operação.

4 Pontos-Chave do Processo
4.1 Análise do Problema

Antes da modelagem geométrica, é necessário realizar uma análise preliminar do problema de simulação para estabelecer um modelo geométrico apropriado e selecionar o campo físico correto. Por exemplo, o problema de simulação está focado em um único campo físico ou campos físicos fortemente acoplados?

4.2 Modelagem Geométrica

A completude da modelagem geométrica determina a eficiência e o progresso da simulação. Na maioria dos casos, é necessário estabelecer um modelo geométrico simplificado. No entanto, se o modelo geométrico for excessivamente simplificado, os resultados da simulação serão imprecisos e não poderão orientar o trabalho de design. Claramente, determinar como simplificar o modelo geométrico exige uma compreensão profunda do problema a ser resolvido. Por exemplo, um modelo geométrico 2D é suficiente? É necessário construir um modelo geométrico 3D? Mesmo ao construir um modelo 3D, quais detalhes podem ser omitidos e quais devem ser mantidos?

4.3 Atribuição de Materiais

Um material pode ter dezenas de parâmetros físicos, mas apenas alguns são frequentemente necessários para resolver um problema específico.

Ao atribuir parâmetros específicos de material, seus valores devem ser precisos; caso contrário, podem ser introduzidas desvios inaceitáveis nos resultados da simulação.

Alguns parâmetros de propriedades de materiais variam com outros parâmetros. Por exemplo, nas simulações de fluído-termais de transformadores, a densidade, a capacidade térmica específica e a condutividade térmica do óleo do transformador mudam com a temperatura, e essas relações devem ser descritas usando funções relativamente precisas.

4.4 Configuração do Campo Físico

Para o campo físico selecionado, é necessário definir condições essenciais de solução, como as equações físicas que governam o problema, expressões de excitações, condições iniciais, condições de contorno e condições de restrição.

4.5 Geração de Malha

A geração de malha é, possivelmente, a etapa central após a modelagem geométrica. Teoricamente, malhas mais finas produzem resultados mais precisos. No entanto, malhas excessivamente finas são impraticáveis, pois aumentam significativamente o tempo de solução.

O princípio básico da geração de malha é combinar malhas grossas e finas de forma apropriada: refinar onde necessário e coarsenizar onde possível.

A geração manual de malha é altamente desafiadora e requer que os engenheiros de simulação tenham uma compreensão profunda do problema a ser resolvido.

Felizmente, alguns softwares oferecem funções de geração automática de malha baseadas em física, que frequentemente simplificam o processo de geração de malha. Por exemplo, a função de geração automática de malha do módulo de simulação de campo elétrico do COMSOL é extremamente poderosa, permitindo a malhagem rápida de modelos de isolamento principal de grandes transformadores com uma velocidade cerca de 40 vezes mais rápida do que outros softwares.

Infelizmente, as funções de geração automática de malha embutidas no software são insuficientes para resolver certos problemas, pois o software genérico não pode identificar as áreas que requerem refinamento de malha — como nas simulações de campo de fluxo.

4.6 Resolução do Modelo

A essência da resolução de simulação é resolver grandes sistemas de equações discretas. Isso requer que os engenheiros de simulação tenham conhecimento de matemática relevante, como teoria de matrizes e métodos de iteração de Newton.

Alguns solucionadores de software são configurados automaticamente com base no problema, não exigindo intervenção adicional do engenheiro. No entanto, assim como a geração de malha, isso não é universalmente aplicável. A resolução de problemas avançados e complexos requer que os engenheiros configurem as configurações individualmente para garantir a convergência rápida e resultados precisos.

4.7 Pós-Processamento dos Resultados

Para apresentar os resultados da simulação de forma intuitiva, os dados obtidos precisam de pós-processamento apropriado, como a geração de mapas de contorno de campo elétrico, campos térmicos ou campos de fluxo.

Além disso, algumas etapas de pós-processamento exigem que os engenheiros apliquem conhecimentos profissionais. Por exemplo, a maioria dos softwares de simulação de campo elétrico só pode mostrar intuitivamente a magnitude da intensidade do campo elétrico em cada ponto, mas determinar a viabilidade da margem de isolamento requer uma análise estatística desses dados para gerar curvas de margem de isolamento com base na intensidade cumulativa do campo.