การจำลองและวิเคราะห์หม้อแปลงไฟฟ้า: กระบวนการหลัก ความท้าทาย และแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดโดยใช้เครื่องมือแบบจำลององค์ประกอบจำกัด

1 บทนำ

ไม่ว่าจะใช้ซอฟต์แวร์การวิเคราะห์โดยใช้วิธีการเชิงเส้นโค้งจำกัด (เช่น COMSOL, Infolytica, หรือ Ansys) เพื่อจำลองและวิเคราะห์หม้อแปลงไฟฟ้า—ไม่ว่าจะเน้นที่สนามไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก สนามไหล สนามกลไก หรือสนามเสียง—กระบวนการพื้นฐานก็มักจะคล้ายคลึงกัน การเข้าใจจุดสำคัญในแต่ละขั้นตอนเป็นรากฐานของความสำเร็จในการวิเคราะห์จำลองและการได้ผลลัพธ์สุดท้ายที่เชื่อถือได้

2 กระบวนการจำลองพื้นฐาน

กระบวนการจำลองหม้อแปลงไฟฟ้าที่เป็นวิทยาศาสตร์และสมบูรณ์ประกอบด้วยเจ็ดขั้นตอนหลัก:

3 การทำความเข้าใจความยากลำบาก

หม้อแปลงไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ไม่มีการเคลื่อนไหว และจากมุมมองนี้ งานจำลองที่เกี่ยวข้องค่อนข้างง่าย เนื่องจากหากมีส่วนที่หมุนจะเพิ่มความยากของการจำลองส่วนใหญ่มาก อย่างไรก็ตาม หม้อแปลงไฟฟ้ายังเป็นอุปกรณ์อิเล็กโตร-กลไกที่ไม่เชิงเส้น มีการเปลี่ยนแปลงตามเวลา และมีการเชื่อมโยงระหว่างสนามกายภาพหลายชนิดอย่างแข็งแกร่ง ซึ่งทำให้การจำลองหม้อแปลงไฟฟ้ามักจะยากมาก หรือบางครั้งอาจไม่สามารถแก้ไขได้

ตัวอย่างเช่น การจำลองสนามอุณหภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้าโดยใช้วิเคราะห์ทางของเหลวมักจะไม่ได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำและเชื่อถือได้ สาเหตุหนึ่งคือ ทฤษฎีพื้นฐานของพลศาสตร์ของเหลวนั้นมีความซับซ้อนมาก และยังไม่ได้รับการสร้างเป็นทฤษฎีที่รวมกันและมั่นคง ในขณะเดียวกัน การจำลองสนามอุณหภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้าต้องการการเชื่อมโยงแบบสองทางระหว่างสามสนาม: "สนามแม่เหล็ก—สนามการถ่ายเทความร้อน—สนามของเหลว" สำหรับโมเดลหม้อแปลงขนาดใหญ่ การแก้ไขสนามของเหลวเพียงสนามเดียวนั้นยากพอแล้ว ยิ่งไปกว่านั้นคือการเชื่อมโยงระหว่างสามสนามที่แข็งแกร่งมาก

เพื่อให้บรรลุความก้าวหน้าในประเด็นสำคัญของการจำลองหม้อแปลงไฟฟ้า วิศวกรจำลองจำเป็นต้องมีความเข้าใจลึกซึ้งในทฤษฎีการออกแบบ การผลิต และการทดสอบที่เกี่ยวข้องกับหม้อแปลงไฟฟ้า และในขณะเดียวกันต้องมีความชำนาญในการใช้ซอฟต์แวร์จำลองและการเข้าใจธรรมชาติภายในของการทำงานของซอฟต์แวร์

4 จุดสำคัญของกระบวนการ
4.1 การวิเคราะห์ปัญหา

ก่อนการสร้างแบบจำลองเรขาคณิต จะต้องทำการวิเคราะห์เบื้องต้นเกี่ยวกับปัญหาการจำลอง เพื่อกำหนดแบบจำลองเรขาคณิตที่เหมาะสมและเลือกสนามกายภาพที่ถูกต้อง ตัวอย่างเช่น ปัญหาการจำลองนั้นเน้นที่สนามกายภาพเดียวหรือสนามกายภาพที่เชื่อมโยงอย่างแข็งแกร่ง?

4.2 การสร้างแบบจำลองเรขาคณิต

ความสมบูรณ์ของการสร้างแบบจำลองเรขาคณิตกำหนดประสิทธิภาพและความคืบหน้าของการจำลอง ในส่วนใหญ่ จำเป็นต้องสร้างแบบจำลองเรขาคณิตที่ลดรูป แต่หากแบบจำลองเรขาคณิตถูกลดรูปมากเกินไป ผลลัพธ์จากการจำลองจะไม่แม่นยำและไม่สามารถช่วยในการออกแบบได้ ชัดเจนว่า การกำหนดวิธีการลดรูปแบบจำลองเรขาคณิตต้องการความเข้าใจลึกซึ้งในปัญหาที่กำลังแก้ไข ตัวอย่างเช่น แบบจำลองเรขาคณิตสองมิติเพียงพอหรือไม่? จำเป็นต้องสร้างแบบจำลองเรขาคณิตสามมิติหรือไม่? แม้กระทั่งเมื่อสร้างแบบจำลองสามมิติ รายละเอียดใดที่สามารถละไว้ได้และรายละเอียดใดที่ต้องคงไว้?

4.3 การมอบหมายวัสดุ

วัสดุอาจมีพารามิเตอร์ทางกายภาพหลายสิบรายการ แต่สำหรับการแก้ปัญหาเฉพาะๆ อาจต้องการเพียงไม่กี่รายการเท่านั้น

เมื่อมอบหมายพารามิเตอร์วัสดุเฉพาะ ค่าของพารามิเตอร์เหล่านี้ต้องแม่นยำ ไม่เช่นนั้นอาจทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับไม่ได้ในผลลัพธ์จากการจำลอง

พารามิเตอร์คุณสมบัติของวัสดุบางอย่างเปลี่ยนแปลงตามพารามิเตอร์อื่นๆ ตัวอย่างเช่น ในการจำลองสนามของเหลวและอุณหภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้า ความหนาแน่น ความจุความร้อน และความนำความร้อนของน้ำมันหม้อแปลงเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ และความสัมพันธ์เหล่านี้ต้องถูกอธิบายด้วยฟังก์ชันที่แม่นยำ

4.4 การตั้งค่าสนามกายภาพ

สำหรับสนามกายภาพที่เลือก จำเป็นต้องกำหนดเงื่อนไขการแก้ปัญหาที่จำเป็น เช่น สมการกายภาพที่ควบคุมปัญหา การแสดงออกของแรงกระตุ้น เงื่อนไขเริ่มต้น เงื่อนไขขอบเขต และเงื่อนไขจำกัด

4.5 การสร้างตาข่าย

การสร้างตาข่ายอาจถือเป็นขั้นตอนหลักหลังจากการสร้างแบบจำลองเรขาคณิต ทฤษฎีแล้ว ตาข่ายที่ละเอียดจะให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำมากขึ้น แต่ตาข่ายที่ละเอียดเกินไปไม่เป็นไปได้ เนื่องจากจะเพิ่มเวลาในการแก้ปัญหาอย่างมาก

หลักการพื้นฐานของการสร้างตาข่ายคือการผสมผสานระหว่างตาข่ายหยาบและตาข่ายละเอียดอย่างเหมาะสม: ปรับให้ละเอียดที่จำเป็นและทำให้หยาบในที่ที่เป็นไปได้

การสร้างตาข่ายด้วยตนเองมีความท้าทายมาก และต้องการให้วิศวกรจำลองมีความเข้าใจลึกซึ้งในปัญหาที่กำลังแก้ไข

โชคดีที่ซอฟต์แวร์บางตัวมีฟังก์ชันการสร้างตาข่ายอัตโนมัติบนพื้นฐานของฟิสิกส์ ซึ่งมักจะทำให้กระบวนการสร้างตาข่ายง่ายขึ้น ตัวอย่างเช่น ฟังก์ชันการสร้างตาข่ายอัตโนมัติของ COMSOL สำหรับโมดูลการจำลองสนามไฟฟ้ามีประสิทธิภาพมาก ทำให้สามารถสร้างตาข่ายสำหรับโมเดลฉนวนหลักของหม้อแปลงขนาดใหญ่ได้อย่างรวดเร็ว ด้วยความเร็วที่เร็วกว่าซอฟต์แวร์อื่นๆ ประมาณ 40 เท่า

อย่างไรก็ตาม ฟังก์ชันการสร้างตาข่ายอัตโนมัติที่มาพร้อมกับซอฟต์แวร์ไม่เพียงพอสำหรับการแก้ปัญหาบางอย่าง เนื่องจากซอฟต์แวร์ทั่วไปไม่สามารถระบุพื้นที่ที่ต้องการตาข่ายที่ละเอียด เช่น ในการจำลองสนามของเหลว

4.6 การแก้ปัญหาโมเดล

สาระสำคัญของการแก้ปัญหาการจำลองคือการแก้ระบบสมการที่แบ่งเป็นส่วนๆ นี่ต้องการให้วิศวกรจำลองมีความรู้ทางคณิตศาสตร์ที่เกี่ยวข้อง เช่น ทฤษฎีเมทริกซ์และวิธีการวนซ้ำแบบนิวตัน

โปรแกรมแก้ปัญหาของซอฟต์แวร์บางตัวถูกกำหนดการตั้งค่าอัตโนมัติตามปัญหา ไม่ต้องการการแทรกแซงเพิ่มเติมจากวิศวกร แต่อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ได้ใช้ได้กับทุกกรณี การแก้ปัญหาที่ซับซ้อนและขั้นสูงต้องการให้วิศวกรกำหนดการตั้งค่าแยกต่างหากเพื่อให้การลู่เข้าเป็นไปอย่างรวดเร็วและได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำ

4.7 การประมวลผลผลลัพธ์หลังจากแก้ปัญหา

เพื่อให้การแสดงผลลัพธ์จากการจำลองเป็นไปอย่างชัดเจน ข้อมูลที่ได้รับต้องได้รับการประมวลผลหลังจากแก้ปัญหาอย่างเหมาะสม เช่น การสร้างแผนที่ความหนาแน่นของสนามไฟฟ้า แผนที่ความหนาแน่นของสนามอุณหภูมิ หรือแผนที่ความหนาแน่นของสนามของเหลว

นอกจากนี้ ขั้นตอนการประมวลผลหลังจากแก้ปัญหาบางอย่างต้องการให้วิศวกรมีความรู้ทางวิชาชีพ เช่น ซอฟต์แวร์การจำลองสนามไฟฟ้าส่วนใหญ่สามารถแสดงความเข้มของสนามไฟฟ้าที่แต่ละจุดได้อย่างชัดเจน แต่การกำหนดความเป็นไปได้ของระยะห่างฉนวนต้องการการวิเคราะห์สถิติของข้อมูลนี้เพื่อสร้างเส้นโค้งระยะห่างฉนวนตามความเข้มสะสมของสนาม