Simulacija preobrazov: Ključni postopki izzivi in najboljše prakse z uporabo orodij za končne elemente

1 Uvod

Če uporabljate katero koli programsko opremo za analizo končnih elementov (na primer COMSOL, Infolytica ali Ansys) za simulacijsko analizo transformatorjev – ne glede na to, ali se osredotočate na električno polje, magnetno polje, tokovno polje, mehansko polje ali akustično polje – osnovni postopek je približno enak. Resnično razumevanje ključnih točk v vsakem koraku je temelj uspešne simulacijske analize in zanesljivosti končnih rezultatov.

2 Osnovni simulacijski postopek

Znanstven in popoln postopek simulacije transformatorja vključuje sedem velikih korakov:

3 Razumevanje težav

Transformator je statično električno napravo, in iz tega vidika je njegova povezana simulacijska dela relativno preprosta, saj bi prisotnost vrtečih se delov znatno povečala težavnost večine simulacij. Žal pa je transformator tudi nelinearna, časovno odvisna elektromehanska naprava z močno kopljanjem več fizikalnih polj, kar pogosto naredi simulacijo transformatorja veliko težjo in celo nerazrešljivo.

Na primer, simulacije temperaturnih polj transformatorjev, ki temeljijo na analizi tekočin, pogosto ne prinašajo natančnih in zanesljivih rezultatov. Eden razlogov je, da je osnovna teorija dinamike tekočin sama po sebi zelo kompleksna in še ni oblikovala enotne in stabilne teorije. Na drugi strani zahteva simulacija temperaturnih polj transformatorjev dvosmerno močno kopljanje treh polj: "magnetno polje – polje prenosa toplote – polje tekočin." Za tako velik model transformatorja reševanje le enega polja tekočin je že izziv, oziroma pa ultra-močno kopljanje treh polj.

Za dosego skokov v ključnih področjih simulacije transformatorjev morajo simulacijski inženirji na eni strani imeti globoko razumevanje teorij, znanja o dizajnu, proizvodnji in testiranju, povezanih s transformatorji, na drugi strani pa morajo biti zelo znanstveni pri delu z programsko opremo za simulacije in razumeti njeno bistveno naravo.

4 Ključne točke postopka
4.1 Analiza problema

Pred geometrijskim modeliranjem je potrebna predhodna analiza simulacijskega problema, da bi se ustanovil ustrezni geometrijski model in izbralo pravilno fizikalno polje. Na primer, ali se simulacijski problem osredotoča na eno fizikalno polje ali na močno kopljena fizikalna polja?

4.2 Geometrijsko modeliranje

Popolnost geometrijskega modeliranja določa učinkovitost in napredek simulacije. V večini primerov je potrebno ustanoviti poenostavljeni geometrijski model. Če pa je geometrijski model preveč poenostavljen, bodo simulacijski rezultati netočni in ne bodo mogli usmerjati dizajnerskega dela. Jasno, določitev, kako poenostaviti geometrijski model, zahteva globoko razumevanje reševanega problema. Na primer, ali je dovolj 2D geometrijski model? Ali je potrebno zgraditi 3D geometrijski model? Tudi ko gradimo 3D model, katere podrobnosti lahko izpustimo in katere moramo ohraniti?

4.3 Dodelitev materialov

Material lahko ima desetine fizikalnih parametrov, vendar jih za reševanje specifičnega problema pogosto potrebujemo le nekaj.

Pri dodeljevanju specifičnih materialnih parametrov morajo biti njihove vrednosti natančne; sicer bi se v simulacijske rezultate lahko uvedle neprihodljive odstopanja.

Nekateri materialni lastnosti se spreminjajo z drugimi parametri. Na primer, v simulacijah tekočinsko-toplota transformatorjev se gostota, specifična toplota in toplotna prevodnost transformatorskega olja spreminjajo s temperaturo, in te relacije je potrebno opisati z relativno natančnimi funkcijami.

4.4 Nastavitev fizikalnega polja

Za izbrano fizikalno polje je potrebno definirati ključne reševalne pogoje, kot so fizikalne enačbe, ki urejajo problem, izrazi za vzbuđenja, začetni pogoji, robni pogoji in pogoji omejitve.

4.5 Generiranje mreže

Generiranje mreže je verjetno ključni korak po geometrijskem modeliranju. Teoretično prinašajo finjše mreže natančnejše rezultate. Vendar so prefinjene mreže nepraktične, saj znatno povečajo čas reševanja.

Osnovni načel generiranja mreže je ustrezno kombiniranje grobe in fine mreže: tam, kjer je potrebno, izpopolniti, in tam, kjer je mogoče, poenostaviti.

Rokovanje z ročnim generiranjem mreže je zelo izzivalno in zahteva, da imajo simulacijski inženirji globoko razumevanje reševanega problema.

K sreči, nekatera programska oprema ponuja funkcije avtomatskega generiranja mreže, temelječe na fiziki, ki pogosto poenostavijo postopek generiranja mreže. Na primer, funkcija avtomatskega generiranja mreže za module simulacije električnega polja v COMSOL je zelo močna, omogoča hitro mreženje velikih modelov glavne izolacije transformatorjev z hitrostjo, ki je skoraj 40-krat hitreja od druge programske opreme.

Žal pa so funkcije avtomatskega generiranja mreže, vgrajene v programsko opremo, za reševanje določenih problemov nedostatne, saj splošna programska oprema ne more prepoznati območij, kjer je potrebno izpopolniti mrežo – na primer v simulacijah tokovnih polj.

4.6 Reševanje modela

Suščina simulacijskega reševanja je reševanje velikih diskretnih sistemov enačb. To zahteva, da imajo simulacijski inženirji znanje o relevantni matematiki, kot so teorija matrik in Newtonovi iterativni metodi.

Nekateri reševalci programske opreme so samodejno konfigurirani glede na problem in ne zahtevajo dodatnega posredovanja inženirja. Vendar, kot pri generiranju mreže, to ni univerzalno veljavno. Reševanje naprednih in kompleksnih problemov zahteva, da inženirji posebej konfigurirajo nastavitve, da zagotovijo hitro konvergenco in natančne rezultate.

4.7 Postobdelava rezultatov

Za intuicijno prikaz simulacijskih rezultatov je potrebno, da pridobljene podatke ustrezno postobdelamo, na primer z generiranjem konturnih slik električnega polja, konturnih slik temperaturnega polja ali konturnih slik tokovnega polja.

Dodatno, nekateri koraki postobdelave zahtevajo, da inženirji uporabijo strokovno znanje. Na primer, večina programske opreme za simulacijo električnega polja lahko le intuicijno prikaže velikost intenzitete električnega polja v vsaki točki, vendar določanje možnosti izolacijskega margina zahteva statistično analizo teh podatkov za generiranje krivulj izolacijskega margina na podlagi kumulativne intenzitete polja.