Phân tích mô phỏng biến áp: Các quy trình chính thách thức và các phương pháp tốt nhất sử dụng công cụ phần tử hữu hạn

1 Giới thiệu

Dù sử dụng bất kỳ phần mềm phân tích phần tử hữu hạn nào (như COMSOL, Infolytica, hoặc Ansys) để phân tích mô phỏng biến áp - dù tập trung vào trường điện, từ trường, trường lưu lượng, trường cơ học, hay trường âm thanh - quy trình cơ bản đều tương tự nhau. Hiểu rõ các điểm quan trọng trong mỗi quy trình là nền tảng cho sự thành công của phân tích mô phỏng và độ tin cậy của kết quả cuối cùng.

2 Quy trình Mô phỏng Cơ bản

Một quy trình mô phỏng biến áp khoa học và hoàn chỉnh bao gồm bảy bước chính:

3 Hiểu về Khó khăn

Biến áp là một thiết bị điện tĩnh, và từ góc độ này, công việc mô phỏng liên quan đến nó tương đối đơn giản, vì sự hiện diện của các thành phần xoay sẽ làm tăng đáng kể độ khó của hầu hết các mô phỏng. Tuy nhiên, biến áp cũng là một thiết bị điện cơ phi tuyến, thay đổi theo thời gian với sự kết hợp mạnh mẽ của nhiều trường vật lý, điều này thường khiến mô phỏng biến áp trở nên khó khăn hơn nhiều và thậm chí không thể giải quyết được.

Ví dụ, các mô phỏng về trường nhiệt độ của biến áp dựa trên phân tích chất lỏng thường không mang lại kết quả chính xác và đáng tin cậy. Một lý do là lý thuyết cơ bản về động lực học chất lỏng rất phức tạp và chưa hình thành một lý thuyết thống nhất và ổn định. Mặt khác, mô phỏng trường nhiệt độ của biến áp yêu cầu sự kết hợp mạnh mẽ hai chiều của ba trường: "trường từ - trường truyền nhiệt - trường chất lỏng." Đối với mô hình biến áp lớn như vậy, giải quyết một trường lưu lượng đã là thách thức, huống hồ là sự kết hợp cực mạnh của ba trường.

Để đạt được những đột phá trong các lĩnh vực chính của mô phỏng biến áp, kỹ sư mô phỏng phải, mặt khác, có hiểu biết sâu sắc về lý thuyết, thiết kế, sản xuất, và kiến thức kiểm tra liên quan đến biến áp, và mặt khác, phải thành thạo cao trong việc vận hành phần mềm mô phỏng và hiểu bản chất hoạt động của nó.

4 Điểm quan trọng của Quy trình
4.1 Phân tích Vấn đề

Trước khi tạo mô hình hình học, cần phân tích sơ bộ vấn đề mô phỏng để thiết lập mô hình hình học phù hợp và chọn đúng trường vật lý. Ví dụ, vấn đề mô phỏng tập trung vào một trường vật lý duy nhất hay các trường vật lý kết hợp mạnh mẽ?

4.2 Tạo Mô hình Hình học

Tính đầy đủ của mô hình hình học quyết định hiệu suất và tiến trình của mô phỏng. Trong hầu hết các trường hợp, cần thiết lập một mô hình hình học được đơn giản hóa. Tuy nhiên, nếu mô hình hình học được đơn giản hóa quá mức, kết quả mô phỏng sẽ không chính xác và không thể hướng dẫn công việc thiết kế. Rõ ràng, xác định cách đơn giản hóa mô hình hình học đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về vấn đề đang được giải quyết. Ví dụ, liệu mô hình hình học 2D có đủ? Có cần xây dựng mô hình hình học 3D không? Ngay cả khi xây dựng mô hình 3D, chi tiết nào có thể bỏ qua và chi tiết nào phải giữ lại?

4.3 Gán Chất liệu

Một chất liệu có thể có hàng chục tham số vật lý, nhưng chỉ có một vài tham số thường được yêu cầu để giải quyết một vấn đề cụ thể.

Khi gán các tham số chất liệu cụ thể, giá trị của chúng phải chính xác; nếu không, có thể gây ra sai lệch không chấp nhận được trong kết quả mô phỏng.

Một số tham số tính chất chất liệu thay đổi theo các tham số khác. Ví dụ, trong mô phỏng nhiệt-chất lỏng của biến áp, mật độ, nhiệt dung riêng, và độ dẫn nhiệt của dầu biến áp thay đổi theo nhiệt độ, và các mối quan hệ này phải được mô tả bằng các hàm tương đối chính xác.

4.4 Thiết lập Trường Vật lý

Đối với trường vật lý đã chọn, cần định nghĩa các điều kiện giải quyết thiết yếu, chẳng hạn như phương trình vật lý chi phối vấn đề, biểu thức kích thích, điều kiện ban đầu, điều kiện biên, và điều kiện ràng buộc.

4.5 Tạo lưới

Tạo lưới có thể coi là bước cốt lõi sau khi tạo mô hình hình học. Lý thuyết, lưới mịn hơn mang lại kết quả chính xác hơn. Tuy nhiên, lưới quá mịn là không thực tế, vì nó làm tăng đáng kể thời gian giải quyết.

Nguyên tắc cơ bản của tạo lưới là kết hợp lưới thưa và lưới mịn một cách thích hợp: tinh chỉnh ở nơi cần thiết và thưa ở nơi có thể.

Tạo lưới thủ công rất thách thức và đòi hỏi kỹ sư mô phỏng phải có sự hiểu biết sâu sắc về vấn đề đang được giải quyết.

May mắn thay, một số phần mềm cung cấp chức năng tạo lưới tự động dựa trên vật lý, thường đơn giản hóa quá trình tạo lưới. Ví dụ, chức năng tạo lưới tự động của COMSOL cho các mô-đun mô phỏng trường điện cực kỳ mạnh mẽ, cho phép tạo lưới nhanh chóng cho mô hình cách điện chính của biến áp lớn với tốc độ gần gấp 40 lần so với phần mềm khác.

Tiếc thay, chức năng tạo lưới tự động tích hợp sẵn trong phần mềm không đủ để giải quyết một số vấn đề, vì phần mềm đa năng không thể nhận dạng các khu vực cần tinh chỉnh lưới - như trong mô phỏng trường lưu lượng.

4.6 Giải Mô hình

Bản chất của giải mô phỏng là giải các hệ phương trình rời rạc lớn. Điều này đòi hỏi kỹ sư mô phỏng phải có kiến thức về toán học liên quan, như lý thuyết ma trận và phương pháp lặp Newton.

Một số trình giải phần mềm được cấu hình tự động dựa trên vấn đề, không yêu cầu can thiệp thêm từ kỹ sư. Tuy nhiên, giống như tạo lưới, điều này không áp dụng cho tất cả. Giải các vấn đề tiên tiến và phức tạp đòi hỏi kỹ sư phải cấu hình cài đặt riêng lẻ để đảm bảo hội tụ nhanh chóng và kết quả chính xác.

4.7 Xử lý Kết quả Sau

Để trình bày trực quan kết quả mô phỏng, dữ liệu thu được cần xử lý sau phù hợp, chẳng hạn như tạo bản đồ đường đồng mức trường điện, bản đồ đường đồng mức trường nhiệt, hoặc bản đồ đường đồng mức trường lưu lượng.

Ngoài ra, một số bước xử lý sau yêu cầu kỹ sư áp dụng kiến thức chuyên môn. Ví dụ, phần lớn phần mềm mô phỏng trường điện chỉ có thể hiển thị trực quan độ lớn của cường độ điện trường tại mỗi điểm, nhưng để xác định tính khả thi của lề cách điện, cần phân tích thống kê dữ liệu này để tạo đường cong lề cách điện dựa trên tổng cộng cường độ điện trường.