Simulacija transformatora: Ključni procesi izazovi i najbolje prakse korišćenja alata za metodu konacnih elemenata

1 Uvod

Bez obzira na korišćenje bilo kog softvera za analizu metodom konačnih elemenata (poput COMSOL-a, Infolytica ili Ansys) za simulaciju transformatora — bilo da se fokusira na električno polje, magnetsko polje, strujanje, mehaničko polje ili akustičko polje — osnovni postupak je približno isti. Stvarno razumevanje ključnih tačaka u svakom koraku predstavlja temelj uspeha simulacije i pouzdanosti konačnih rezultata.

2 Osnovni simulacioni postupak

Naučan i kompletni postupak simulacije transformatora uključuje sedam glavnih koraka: 

3 Razumevanje težine

Transformator je statički električki uređaj, i sa te perspektive, njegova povezana simulacija je relativno jednostavna, jer bi prisustvo rotirajućih komponenti značajno povećalo težinu većine simulacija. Nekasrećeno, međutim, transformator je takođe nelinearan, vremenski promenljiv elektromehanički uređaj sa snažnom koplingom više fizičkih polja, što često čini simulaciju transformatora mnogo težom i čak nerješivom.

Na primer, simulacije temperaturnih polja transformatora bazirane na analizi fluida često ne daju tačne i pouzdane rezultate. Jedan razlog je to što je osnovna teorija dinamike fluida sama po sebi izuzetno složena i još uvek nije formirala unificiranu i stabilnu teoriju. Sa druge strane, simulacija temperaturnih polja transformatora zahteva dvosmernu snažnu kopling tri polja: "magnetsko polje—polje prenosa toplote—polje fluida." Za takav veliki model transformatora, rešavanje samo strujanja je već izazov, a ne govorimo o ultra-snažnoj koplingu tri polja.

Da bi dostigli napredak u ključnim oblastima simulacije transformatora, inženjeri simulacije moraju, sa jedne strane, duboko razumeti teorije vezane za transformatore, dizajn, proizvodnju i ispitivanje, a sa druge strane, biti visoko stručni u upotrebi simulacionog softvera i razumeti intrinsku prirodu njegovog funkcionisanja.

4 Ključne tačke postupka
4.1 Analiza problema

Pre geometrijskog modelovanja potrebna je prethodna analiza simulacionog problema kako bi se utvrdio odgovarajući geometrijski model i izabrano pravilno fizičko polje. Na primer, da li se simulacioni problem fokusira na jedno fizičko polje ili snažno koplinga fizičkih polja?

4.2 Geometrijsko modelovanje

Kompletnost geometrijskog modelovanja određuje efikasnost i napredak simulacije. U većini slučajeva, potrebno je izgraditi pojednostavljeni geometrijski model. Međutim, ako je geometrijski model previše pojednostavljen, rezultati simulacije će biti netočni i neće moći da upravljaju radom na dizajnu. Jasno, određivanje kako da se pojednostavi geometrijski model zahteva duboko razumevanje rešavanog problema. Na primer, da li je dovoljan 2D geometrijski model? Da li je potrebno izgraditi 3D geometrijski model? Čak i kada se gradi 3D model, koji detalji mogu da budu izostavljeni, a koji moraju da budu zadržani?

4.3 Dodela materijala

Materijal može imati desetine fizičkih parametara, ali samo nekoliko je često potrebno za rešavanje specifičnog problema.

Kada se dodele specifični materijalni parametri, njihove vrednosti moraju da budu tačne; u suprotnom, neprimaljivi odstupaji mogu da se uvedu u rezultate simulacije.

Neki materijalni parametri variraju u zavisnosti od drugih parametara. Na primer, u simulaciji fluid-termodinamike transformatora, gustina, specificna toplota i toplotna provodljivost transformatorskog ulja menjaju se sa temperaturom, i ovi odnosi moraju da budu opisani pomoću relativno tačnih funkcija.

4.4 Postavljanje fizičkog polja

Za izabrano fizičko polje, potrebno je definisati ključne uslove rešavanja, poput fizičkih jednačina koje upravljaju problemom, izraza za pobude, početnih uslova, granicnih uslova i ograničenja.

4.5 Generisanje mreže

Generisanje mreže je verovatno ključni korak nakon geometrijskog modelovanja. Teoretski, finije mreže daju tačnije rezultate. Međutim, prefinjene mreže su nepraktične, jer značajno povećavaju vreme rešavanja.

Osnovni princip generisanja mreže je kombinacija grubih i finih mreža: fino tamo gde je potrebno i grubo tamo gde je moguće.

Rucno generisanje mreže je izuzetno izazovno i zahteva da inženjeri simulacije imaju duboko razumevanje rešavanog problema.

Srećom, neki softveri nude funkcije automatskog generisanja mreže bazirane na fizici, koje često pojednostavljaju proces generisanja mreže. Na primer, funkcija automatskog generisanja mreže za module simulacije električnog polja u COMSOL-u je izuzetno moćna, omogućavajući brzo generisanje mreže za velike modele glavne izolacije transformatora brzinom gotovo 40 puta bržom od drugog softvera.

Nekasrećeno, ugrađene funkcije automatskog generisanja mreže u softveru nisu dovoljne za rešavanje određenih problema, jer opšte namenjeni softveri ne mogu da identifikuju područja gde je potrebno fino generisanje mreže — kao što je u simulacijama strujanja.

4.6 Rešavanje modela

Suština rešavanja simulacije jeste rešavanje velikih diskretnih sistema jednačina. To zahteva da inženjeri simulacije imaju znanje relevantne matematike, poput teorije matrica i Newtonovih iterativnih metoda.

Neki solveri softvera su automatski konfigurisani u zavisnosti od problema, bez dodatnog intervencije inženjera. Međutim, kao i kod generisanja mreže, to nije univerzalno primenjivo. Rešavanje naprednih i složenih problema zahteva da inženjeri individualno konfigurišu postavke kako bi se osigurala brza konvergencija i tačni rezultati.

4.7 Postprocesiranje rezultata

Da bi se intuitivno prezentirali rezultati simulacije, dobijeni podaci trebaju odgovarajuće postprocesiranje, kao što je generisanje konturskih crteža električnog polja, konturskih crteža temperaturnog polja ili konturskih crteža polja strujanja.

Uz to, neki koraci postprocesiranja zahtevaju da inženjeri primene profesionalno znanje. Na primer, većina softvera za simulaciju električnog polja može samo intuitivno prikazati intenzitet električnog polja u svakoj tački, ali da bi se utvrdila mogućnost izolacionog margina, potrebna je statistička analiza ovih podataka kako bi se generisale krive izolacionog margina na osnovu kumulativne jakosti polja.