Симуляция и анализ трансформаторов: ключевые процессы проблемы и лучшие практики с использованием инструментов метода конечных элементов

1 Введение

Независимо от того, используется ли любое программное обеспечение для анализа методом конечных элементов (например, COMSOL, Infolytica или Ansys) для симуляционного анализа трансформатора — будь то фокус на электрическом поле, магнитном поле, потоковом поле, механическом поле или акустическом поле — основной процесс в целом одинаков. Настоящее понимание ключевых моментов каждого процесса является основой для успешности симуляционного анализа и надежности окончательных результатов.

2 Основной процесс симуляции

Научный и полный процесс симуляции трансформатора включает семь основных этапов: 

3 Понимание сложностей

Трансформатор — это статическое электрическое устройство, и с этой точки зрения, связанная с ним симуляционная работа относительно проста, так как наличие вращающихся компонентов значительно увеличивало бы сложность большинства симуляций. Однако, к сожалению, трансформатор также является нелинейным, временно изменяющимся электромеханическим устройством с сильной связью нескольких физических полей, что часто делает симуляцию трансформатора намного более сложной и даже неразрешимой.

Например, симуляции температурных полей трансформатора на основе анализа жидкости часто не дают точных и надежных результатов. Одна из причин заключается в том, что базовая теория гидродинамики сама по себе очень сложна и еще не сформировала единую и стабильную теорию. С другой стороны, симуляция температурного поля трансформатора требует двунаправленной сильной связи трех полей: "магнитное поле — поле теплопередачи — поле жидкости". Для такой крупной модели трансформатора решение одного только потокового поля уже является сложной задачей, не говоря уже о сверхсильной связи трех полей.

Чтобы достичь прорывов в ключевых областях симуляции трансформаторов, инженеры-симуляторы должны, с одной стороны, глубоко понимать теории, связанные с трансформаторами, проектирование, производство и испытания, а с другой стороны, быть высоко компетентными в использовании программного обеспечения для симуляции и понимании его внутренней природы.

4 Ключевые моменты процесса
4.1 Анализ проблемы

Перед геометрическим моделированием требуется предварительный анализ симуляционной проблемы для создания соответствующей геометрической модели и выбора правильного физического поля. Например, сфокусирована ли симуляционная проблема на одном физическом поле или на сильно связанных физических полях?

4.2 Геометрическое моделирование

Полнота геометрического моделирования определяет эффективность и прогресс симуляции. В большинстве случаев необходимо создать упрощенную геометрическую модель. Однако, если геометрическая модель чрезмерно упрощена, результаты симуляции будут неточными и не смогут руководить проектными работами. Очевидно, что определение того, как упростить геометрическую модель, требует глубокого понимания решаемой проблемы. Например, достаточно ли 2D геометрической модели? Необходимо ли создать 3D геометрическую модель? Даже при создании 3D модели, какие детали можно опустить, а какие необходимо сохранить?

4.3 Назначение материала

Материал может иметь десятки физических параметров, но для решения конкретной задачи часто требуются лишь несколько.

При назначении конкретных параметров материала их значения должны быть точными; в противном случае, в результаты симуляции могут быть внесены неприемлемые отклонения.

Некоторые параметры свойств материала меняются в зависимости от других параметров. Например, в симуляциях жидкостно-тепловых режимов трансформаторов плотность, удельная теплоемкость и теплопроводность трансформаторного масла изменяются с температурой, и эти отношения должны быть описаны с помощью относительно точных функций.

4.4 Настройка физического поля

Для выбранного физического поля необходимо определить необходимые условия решения, такие как физические уравнения, управляющие проблемой, выражения возбуждений, начальные условия, граничные условия и условия ограничения.

4.5 Генерация сетки

Генерация сетки, пожалуй, является ключевым шагом после геометрического моделирования. Теоретически, более мелкие сетки дают более точные результаты. Однако, чрезмерно мелкие сетки непрактичны, так как они значительно увеличивают время решения.

Основной принцип генерации сетки состоит в том, чтобы правильно сочетать грубые и мелкие сетки: уточнять там, где это необходимо, и упрощать, где это возможно.

Ручная генерация сетки является очень сложной задачей и требует, чтобы инженеры-симуляторы глубоко понимали решаемую проблему.

К счастью, некоторые программы предлагают функции автоматической генерации сетки на основе физики, которые часто упрощают процесс генерации сетки. Например, функция автоматической генерации сетки модулей симуляции электрического поля COMSOL чрезвычайно мощна, позволяя быстро размешивать большие модели основной изоляции трансформаторов со скоростью почти в 40 раз быстрее, чем другие программы.

К сожалению, встроенные функции автоматической генерации сетки программного обеспечения недостаточны для решения некоторых проблем, так как универсальное программное обеспечение не может определить области, требующие уточнения сетки, например, в симуляциях потоковых полей.

4.6 Решение модели

Суть симуляционного решения заключается в решении больших дискретных систем уравнений. Это требует от инженеров-симуляторов знания соответствующей математики, такой как теория матриц и методы итераций Ньютона.

Некоторые солверы программного обеспечения автоматически настраиваются на основе проблемы, не требуя дополнительного вмешательства инженера. Однако, как и генерация сетки, это не всегда применимо. Решение продвинутых и сложных задач требует, чтобы инженеры настраивали параметры индивидуально, чтобы обеспечить быструю сходимость и точные результаты.

4.7 Постобработка результатов

Для наглядного представления результатов симуляции полученные данные нуждаются в соответствующей постобработке, такой как создание контурных карт электрического поля, контурных карт температурного поля или контурных карт потокового поля.

Кроме того, некоторые шаги постобработки требуют от инженеров применения профессиональных знаний. Например, большинство программного обеспечения для симуляции электрического поля может только наглядно показывать величину напряженности электрического поля в каждой точке, но определение возможности изоляционного запаса требует статистического анализа этих данных для генерации кривых изоляционного запаса на основе суммарной напряженности поля.