تصميم إدارة الحرارة لمحولات الصندوق الأرضي

خلال التشغيل الفعلي، تواجه المحولات المثبتة على قاعدة مشاكل متعلقة بالحرارة:

• رحلات الحرارة العالية/الحمل العالي: عرضة للانقطاع تحت ظروف الحرارة والحمل العالي المستمرة.

• فشل المراوح وأجهزة استشعار الحرارة: استخدام المراوح لفترات طويلة يسبب أعطالًا، مما يؤدي إلى تلف أجهزة استشعار الحرارة وحجب تصريف الهواء الساخن، مما يعطل التشغيل.

• وضع المراوح غير مناسب: تركيب المراوح على قمة الصندوق يتطلب صيانة أو استبدال مع إيقاف التشغيل. هذا التصميم أيضًا يحبس الحرارة، مما يرفع درجات الحرارة الداخلية إلى مستويات خطرة.

لتحسين تشتت الحرارة، يستخدم هذا البحث تحليل العناصر المحددة لبناء نموذج ثلاثي الأبعاد للمحول. من خلال رسم توزيعات المجال الحراري، يتم تحديد النقاط الحارة وتوضيح تصميم نظام التبريد.

1. أساسيات المجال الحراري

المجال الحراري يصف التغيرات المكانية الزمنية في درجة الحرارة، حيث تكون توليد الحرارة ونقلها وتوزيعها متصلة بشكل وثيق. بالنسبة للمحولات المثبتة على قاعدة، تتولد الحرارة من النوى واللفائف وغيرها. تؤثر شروط التشغيل والمدة على أنماط الحرارة، ويخلق التفاعل بين الوسائط المتعددة (النوى، اللفائف، العزل) توزيعات حرارية غير متساوية.

ينقل الحرارة عن طريق التوصيل (الأكثر أهمية، والذي يدفع الحرارة من اللفائف والنوى عبر الراتنج العازل إلى الهواء المحيط) والحمل الحراري. يرتبط كثافة التوصيل بدرجة الانحدار الحراري - الحرارة تنتقل من المكونات الساخنة إلى الراتنج الأبرد، ثم تتشتت في الهواء الخارجي. يمكن حساب تدفق الحرارة كما يلي:

في المعادلة: q يمثل كثافة تدفق الحرارة؛ λ تمثل الموصلية الحرارية؛ ∂t/∂x هو الانحدار الحراري، الذي يعكس معدل تغير درجة الحرارة مع المسافة؛ n هو معامل تحويل الحرارة. عندما يكون هناك فروق في درجات الحرارة في مواقع مختلفة، فإن الحرارة تدور بشكل أساسي لتحقيق التوازن الحراري، وهذا الحالة من التوازن الحراري هي الحمل الحراري. أثناء تشغيل المحول المثبت على قاعدة، تتلامس الحرارة التي يولدها الأجزاء المختلفة مع الهواء وتنقل بينهما، مما يسبب تغييرات في درجة حرارة الغاز المحيط. خلال هذه العملية، يتم تحقيق نقل الحرارة عن طريق الحمل الحراري، ويمكن التعبير عنه بالمعادلة التالية:

في المعادلة، h هو معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري، t_f يمثل درجة حرارة السائل، وt_w يمثل درجة حرارة سطح الجسم. عندما تكون درجة حرارة الجسم أعلى من الصفر المطلق، يتم إنتاج الإشعاع الحراري، عادة ما يُعرف بالإشعاع الحراري. مع بقاء العوامل الأخرى ثابتة، سيتغير كمية الإشعاع بين الأجسام مع ارتفاع درجة الحرارة (مع الحفاظ على اتجاه مستمر نحو الأعلى). أثناء تشغيل المحول المثبت على قاعدة، لا يأتي الجهاز نفسه في اتصال مباشر بالإشعاع الحراري. عندما تتم الاستقرار درجة حرارة المحول، تقوم وظيفة الإشعاع الحراري بتشتت الحرارة عبر الإشعاع الحراري، ويمكن التعبير عن هذه العملية بالمعادلة التالية:

في المعادلة، S يشير إلى مساحة السطح المرادي، T هي درجة الحرارة الديناميكية للجسم، وσ هي الثابت الإشعاعي. عند تصميم نظام تشتت الحرارة للمحولات المثبتة على قاعدة، يتم استخدام طريقة تحليل العناصر المحددة (FEA) بشكل أساسي لتأسيس معادلات التوازن الحراري. من خلال الحسابات، يمكن تحديد درجة الحرارة في كل نقطة من نقاط الجسم. هذا مفيد بشكل خاص لقياس نقاط الحرارة التي يصعب الحصول عليها في الواقع، والتعرف على أفضل مواقع النقاط الحارة، ومن ثم إجراء تحليل التكامل. المبادئ الأساسية لتفكيك المجال الحراري باستخدام FEA هي كالتالي:

• تقسيم المجال الفيزيائي ثلاثي الأبعاد؛

• استخدام الدوال لوصف التغيرات الحرارية في أي نقطة داخل العنصر؛

• إنشاء معادلات العناصر؛

• جمع العناصر وتطبيق التحريضات الخارجية على النقاط؛

• حل المعادلات مع مراعاة شروط حدود المجال الحراري؛

• حساب ارتفاع درجة الحرارة في كل نقطة؛

• اشتقاق ارتفاع درجة الحرارة للعنصر بناءً على معادلات المجال الحراري.

2. النمذجة ومحاكاة المجال الحراري للمحولات المثبتة على قاعدة
2.1 النمذجة عن طريق العناصر المحددة

توضح الجدول 1 المعلمات ذات الصلة بالمحول المثبت على قاعدة المختار في هذا البحث. يتم بناء نموذج عنصر محدد بناءً على هذه المعلمات. بعد ذلك، يتم إنشاء نماذج مبسطة لللفائف عالية الجهد واللفائف منخفضة الجهد والنواة الحديدية للمحول المثبت على قاعدة.

خلال بناء النموذج، بما أن اتصالات اللحام للأطراف الخرجية لللفائف عالية الجهد نسبيًا متينة، فهي لم تأخذ في الاعتبار في مرحلة التصميم الأولية. للتيسير، تم نمذجة النواة كهيكل واحد، مع تجاهل الفجوات بين الطبقات (وقد تم التعامل مع هذه الفجوات من خلال خصائص الصلب السيليكوني الكتلي لحساب موصلية المادة). يظهر نموذج المحاكاة ثلاثي الأبعاد للمحول في الشكل 1.

لتحليل آثار الحمل الحراري الطبيعي على تشتت الحرارة، تم إضافة مجال هواء خارجي (بأبعاد 5000 مم × 5000 مم × 3000 مم) إلى بيئة المحاكاة، مما يتيح نمذجة واقعية لأنماط تدفق الهواء حول المحول.

2.2 نموذج القفص للمحول المثبت على قاعدة

تم نمذجة اللفائف والنواة كمصادر حرارية، مع حساب معدلات توليد الحرارة بناءً على معلمات تصميم المحول. تم تكوين مجال الهواء بمخارج ضغط في الأعلى ومداخل موزعة على طول القاع والأجناب، مع ضبط درجة الحرارة المحيطة عند 300 كلفن. أثناء المحاكاة، يتم استخراج معلمات الحمل الحراري الطبيعي عن طريق اختيار نموذج اضطراب مناسب بناءً على عدد رايلي.

تم تبسيط هندسة القفص (الشكل 2) بسبب تركيبه المركب. تم تجاهل الألواح المثقبة على السقف، مع اعتبار السقف كمجال هواء مستمر. تم وضع وسائط مسامية عند مخارج الهواء تحت الأطراف لتوفير مقاومة التدفق. يعتبر مجال الهواء حول دعامات القاع المتصلة. تم إضافة طبقة هواء إضافية بارتفاع 155 مم تحت القفص لاعتبار تأثير الأساس على تشتت الحرارة.

في النموذج المنشأ، تنتمي الثقوب السفلية والعلوية والثقوب العليا والسفلية جميعًا إلى الوسائط المسامية، بسمك 10 مم (مثل الكتلة الصفراء-الخضراء في الشكل 3)، مما يحاكي لوحة الشبكة. المواصفات للثقب السفلي هي 1450 × 1200 مم²، والمواصفات للثقوب العليا والسفلية هي 550 × 500 مم². تم أيضًا تعيين ثلاثة فتحات ولوحة الايبوكسي في النموذج، ويتم تحديد حالة الفتحات بأنها مفتوحة أو مغلقة حسب الوضع الفعلي. عادةً، إذا تم تبني النوع الأرضي، فإن الثقب العلوي واللوحة الايبوكسي والفتحة 1 تكون في حالة مفتوحة. وإذا تم تبني النوع ذو الثقوب السفلية، فإن الثقوب العلوية والسفلية والفتحات 1/2/3 تكون جميعًا في حالة مفتوحة.

2.3 تحليل توزيع المجال الحراري

بعد ذلك، يتم بناء نموذج عنصر محدد بواسطة تقسيم النموذج الهندسي. تأكد من وحدة الحمل الحراري الطبيعي وأنماط الشبكة الداخلية، وقم بتعزيز التقسيم في ثقوب القفص وواجهات الهواء لتحسين دقة الحساب. بناءً على النموذج الهندسي، يحتوي النموذج عنصر المحدد على 401,856 نقطة و518,647 شبكة. الإعدادات الرئيسية لنموذج المحول المثبت على قاعدة:

• واجهة سائل-بنية: واجهة الهواء، حالة عدم الانزلاق لحفظ الحرارة.

• الأسطح العازلة: قمة السقف، جوانب دعامات القاع، والهواء الخارجي.

• الأسطح الموصلة للحرارة: جوانب القفص (لوحة فولاذية بسمك 1 مم)، جميع جدران القفص (لوحة فولاذية بسمك 2 مم)، مع الثقوب العلوية مفتوحة والثقوب السفلية مغلقة.

باستخدام برنامج العناصر المحددة، يظهر نموذج المجال الحراري: تمتلك اللفائف درجة حرارة أعلى في المحول، تليها النواة الحديدية. درجة حرارة الهواء المجاور عالية أيضًا، وتقل أثناء صعود الهواء حتى تتطابق مع درجة الحرارة المحيطة في مخرج الضغط. أثناء التشغيل، يتسبب توسع الهواء الساخن في تراكم الهواء واصطدام الهواء المحيط والهواء في القناة (بسبب التسخين المستمر وزيادة الحجم). يؤثر لزوجة الهواء على تدفق القناة والمجال التدفقي. يسرع الهواء الساخن بالقرب من الأرض ويتباطأ بعيدًا عنها. يتكون طبقة حدود حرارية عند اتصال تدفق الهواء بالسطح، والتي تقلل من معاملات نقل الحرارة وترفع درجة الحرارة ولزوجة الهواء بينما تقل سرعة التدفق. يغير الهواء الساخن درجة الحرارة فوق المحول، ومع زيادة درجة الحرارة يزيد الإشعاع الحراري.

3. تصميم تشتت الحرارة للمحولات المثبتة على قاعدة
3.1 تحليل النموذج

تتم ترتيب المحولات المثبتة على قاعدة داخل قفص بأمان عالٍ. لضمان تدفق الهواء السلس داخل القفص واستغلال أداء تشتت الحرارة للمحول، يجب تجهيز مراوح تدفق محوري لتصريف الهواء الساخن من الداخل. في الوقت نفسه، يتم تثبيت أجهزة تبادل الحرارة خارج القفص لتحقيق التبادل الحراري. من خلال التبادل الحراري، يمكن تعزيز الدورة المستمرة للهواء داخل المحول.

خلال تشغيل المحولات المثبتة على قاعدة، تتولد الحرارة بشكل أساسي من اللفائف والنواة الحديدية. لذلك، يحتاج التصميم إلى التركيز على حالات تدفق الهواء لهذه المكونين ودمج العناصر ذات الصلة لبناء نموذج تشتت الحرارة.

3.2 تحديد معلمات النموذج

بالنسبة للمحولات المثبتة على قاعدة، تكون الفروقات بين معلمات الهواء الداخلية ومعلمات الأداء الحراري صغيرة نسبيًا. عند اختيار صفائح الصلب السيليكوني، يجب أولوية أدائها الحراري. في الوقت نفسه، يتم تحليل نسبة الأسلاك النحاسية إلى الراتنج العازل لتحديد معلمات الأداء الحراري.

3.3 تحديد الظروف

يكون الضغط المتوسط عند مدخل ومخرج الهواء للمحول المثبت على قاعدة ضغط جوي واحد. مع الأخذ في الاعتبار أداء جهاز تبادل الحرارة، يتم اعتبار درجة حرارة الهواء البارد كشرط دخول لبناء نموذج عنصر محدد، ويتم تعريف مستوى التناظر وجهة مدخل ومخرج الهواء.

3.4 تحليل النتائج

بعد بناء النموذج وتعيين الشروط الحدية، يتم إجراء الحسابات. يظهر التحليل أن مخرج الهواء للمحول المثبت على قاعدة هو نقطة أكثر حرارة، مع درجة حرارة تبلغ 394.5 كلفن (وهي تعادل درجة حرارة نقطة ساخنة 120.5 درجة مئوية). نقطة النواة الحديدية الأكثر حرارة بعيدة عن مخرج الهواء، والدرجة الحرارية المحسوبة لنقطة الساخنة هي 110 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، تكون الأماكن القريبة من مداخل ومخارج الهواء ذات أداء تشتت حراري ضعيف.

3.5 تحليل مدخل ومخرج الهواء

قم بمحاكاة تغيير سرعة تدفق الهواء: إذا كانت اللفائف عالية الجهد الساخنة موجودة بالقرب من مخرج الهواء ومخرج الهواء له بنية زاوية قائمة، فسوف يؤثر ذلك على ضغط الهواء، مما يجعل الهواء داخل التغليف رقيقًا وغير ملائم لتشتت الحرارة.

بناءً على ذلك، قم بتحسين تصميم مخرج الهواء: انتقل بمخرج الهواء لأعلى حوالي 30 سم، مع الحفاظ على الارتفاع دون تغيير، وتخفيض عرض مدخل الهواء (بشكل أساسي بـ 10 سم)، بحيث يزداد طول القفص الكلي بـ 20 سم. بعد الحساب، تحت هذا المخطط، تنخفض درجة حرارة نقطة الساخنة والمتوسطة لللفائف بشكل كبير. من خلال تحليل توزيع سرعة المجال التدفقي للهواء، يظهر أن تدفق الهواء لللفائف يشكل زاوية 120 درجة عند التحويل إلى مخرج الهواء، مما يشير إلى أن تدفق الهواء سلس.

3.6 الملخص

تلعب المحولات المثبتة على قاعدة دورًا مهمًا في نظام توزيع الكهرباء. إذا لم يتم تشتت الحرارة الكبيرة التي تنتج أثناء التشغيل بشكل فعال، فمن المحتمل أن تسبب الأعطال وتهدد استقرار النظام. يحتاج المصممون إلى تحليل عميق لمشاكل تشتت الحرارة للمحولات المثبتة على قاعدة، ودمج تغيرات المجال الحراري، واستخدام طرق علمية مثل طريقة العناصر المحددة لبناء نماذج تشتت الحرارة، وتحسين نظام تشتت الحرارة للجهاز، وزيادة كفاءة تشتت الحرارة العامة.