Návrh řešení pro termické řízení pro stojanové transformátory
Během skutečného provozu čelí vložené transformátory typickým tepelným problémům:
Pro optimalizaci odvodu tepla tento článek používá metodu konečných prvků k vytvoření 3D modelu transformátoru. Mapováním distribuce teplotních polí identifikuje místní horké body a zdokonaluje návrh chladicího systému.
1. Základy teplotního pole
Teplotní pole popisuje prostorové a časové změny teplot, s tvorbou, přenosem a distribucí tepla úzce spojené. Pro vložené transformátory původ tepla je v jádrech, vinutích atd. Provozní podmínky a doby trvání mění vzory tepla, a interakce více médií (jádra, vinuta, izolace) vytvářejí nerovnoměrné distribuce teplot.
Přenos tepla probíhá převážně vedením (od vinutí/jádra skrz izolační pryskyřici do okolního vzduchu) a konvekcí. Intenzita vedení souvisí s teplotními gradienty – teplo se pohybuje od horkých komponent k chladnější pryskyřici, která se pak rozpouští do vnějšího vzduchu. Výpočet tepelného toku následuje:
V rovnici: q reprezentuje hustotu tepelného toku; λ reprezentuje tepelnou vodivost; ∂t/∂x je teplotní gradient, odrážející rychlost změny teploty s vzdáleností; n je koeficient převodu tepla. Když jsou na různých pozicích rozdíly teplot, teplo hlavně cirkuluje, aby vyrovnalo teplotu, a tento stav vyrovnání teploty je tepelná konvekce. Během provozu vloženého transformátoru se teplo generované různými částmi setká s vzduchem a mezi nimi dochází k přenosu, což způsobuje změny teploty okolního plynu. Během tohoto procesu se přenos tepla dosahuje tepelnou konvekcí, která se dá vyjádřit následující rovnicí:
V rovnici, h je koeficient tepelné konvekce, tf reprezentuje teplotu tekutiny a tw reprezentuje teplotu povrchu objektu. Když je teplota objektu vyšší než absolutní nula, vznikne radiální teplo, obvykle nazývané tepelné záření. S jinými faktory nezměněnými, množství záření mezi objekty se mění s rostoucí teplotou (s teplotou, která se neustále zvyšuje). Během provozu vloženého transformátoru samotná zařízení nepřicházejí do přímého kontaktu s tepelným zářením; když se teplota transformátoru stabilizuje, jeho funkce tepelného záření dosáhne odvodu tepla tepelným zářením, a tento proces lze vyjádřit následující rovnicí:
V rovnici, S označuje plochu záření, T je termodynamická teplota objektu a σ je konstanta záření. Při návrhu chladicího systému pro vložené transformátory se primárně používá metoda konečných prvků (FEA) k vytvoření rovnic tepelné rovnováhy. Skrze výpočty lze určit teplotu každého uzlu objektu. To je zejména užitečné pro měření teplotních bodů, které jsou v praxi obtížné získat, identifikaci optimálních míst horkých bodů a provedení kouplovací analýzy. Klíčové principy dekompozice teplotního pole pomocí FEA jsou následující:
Diskretizace třírozměrného fyzikálního prostoru;
Použití funkcí k popisu změn teploty v libovolném uzlu prvku;
Sestavení rovnic prvků;
Sestavení prvků a aplikace externích excitací v uzlech;
Řešení rovnic s ohledem na okrajové podmínky teplotního pole;
Výpočet teplotního stoupání v každém uzlu;
Odvození teplotního stoupání prvků na základě rovnic teplotního pole.
2 Modelování a simulace teplotního pole vložených transformátorů
2.1 Modelování metodou konečných prvků
Tabulka 1 uvádí relevantní parametry vloženého transformátoru vybraného v tomto článku. Na základě těchto parametrů je sestaven model konečných prvků. Následně jsou pro vysokonapěťové vinutí, níkonapěťové vinutí a železné jádro vloženého transformátoru založeny zjednodušené modely.
Během sestavování modelu, protože spoje vysokonapěťového vinutí jsou relativně pevné, nejsou brány v úvahu v počáteční fázi návrhu. Pro zjednodušení je železné jádro modelováno jako monolitická struktura, s mezilehlými mezery ignorovány (tyto mezery jsou řešeny prostřednictvím vlastností hromadného silikonového oceli, které berou v úvahu vodivost materiálu). 3D simulační model transformátoru je znázorněn na obrázku 1.
Pro analýzu vlivu přirozené konvekce na odvod tepla je do simulačního prostředí přidána externí vzduchová doména (s rozměry 5000mm×5000mm×3000mm), umožňující realistické modelování vzduchových proudů kolem transformátoru.
2.2 Model obálky vloženého transformátoru
Vinutí a železné jádro jsou modelovány jako zdroje tepla, s jejich tepelnou produkci vypočtenou na základě parametrů návrhu transformátoru. Vzduchová doména je konfigurována s výfukovými otvory nahoře a vstupy rozprostřenými podél spodní a boční části, udržující okolní teplotu nastavenou na 300K. Během simulací jsou parametry přirozené konvekce odvozeny výběrem vhodného modelu turbulence na základě Rayleighova čísla.
Geometrie obálky (Obrázek 2) je zjednodušena kvůli své složité kompozitní struktuře. Perforované panely na střeše jsou ignorovány, celá střecha je považována za kontinuální vzduchovou doménu. Poroživé médium je umístěno pod okapy k simulaci odporu proti proudění. Vzduchová doména kolem spodních nosných tyčí obálky je považována za propojenou. Dodatečná 155 mm vysoká vzduchová vrstva je přidána pod obálku, aby se zohlednil vliv základny na odvod tepla.
V založeném modelu patří přednastavené spodní díry, horní díry a horní-dolní díry k poroživému médiu, s tloušťkou 10 mm (jako žlutě-zelený blok na Obrázku 3), tak simulují mřížovou desku. Specifikace spodní díry je 1450 × 1200 mm² a specifikace horní-dolní díry je 550 × 500 mm². V modelu jsou také nastaveny tři otvory a epoxidová deska, a otvory jsou určeny být v otevřeném nebo zavřeném stavu podle skutečné situace. Obecně, pokud je použit typ s montáží na podlahu, horní díra, epoxidová deska a Otvorem 1 jsou v otevřeném stavu; pokud je použit typ s dírou ve spodí, horní díra, spodní díra a Otvory 1/2/3 jsou všechny v otevřeném stavu.
2.3 Analýza distribuce teplotního pole
Následně je sestaven model konečných prvků síťováním geometrického modelu. Zajistěte jednotu přirozené konvekce a interní síťové modely, a zjemněte síťování u otvorů obálky a vzduchových rozhraní pro zlepšení přesnosti výpočtů. Na základě geometrického modelu má model konečných prvků 401 856 uzlů a 518 647 sítí. Klíčové nastavení pro model vloženého transformátoru:
Pomocí softwaru pro konečné prvky ukazuje model teplotního pole: Vinutí má nejvyšší teplotu v transformátoru, následováno železným jádrem; sousední vzduch má také vysokou teplotu, která klesá během stoupání vzduchu až dosáhne okolní teploty u výfukového otvoru. Během provozu expanze horkého vzduchu způsobuje akumulaci vzduchu a kolize mezi okolním a kanálovým vzduchem (kvůli neustálému ohřevu a zvětšení objemu). Viskozita vzduchu ovlivňuje proudění v kanálu a proudové pole. Horký vzduch se zrychluje blízko země a zpomaluje pryč; styk proudového pole s povrchem vytváří tepelnou hraniční vrstvu, která kvůli své tloušťce snižuje koeficienty přenosu tepla, zvyšuje teplotu a viskozitu vzduchu a snižuje rychlost proudění. Horký vzduch mění teplotu nad transformátorem, s teplotou úměrnou tepelnému záření.
3 Návrh odvodu tepla vložených transformátorů
3.1 Analýza modelu
Vložené transformátory jsou umístěny uvnitř obálek s vysokou bezpečnostní úrovní. Aby bylo zajištěno hladké oběhové kolo vzduchu uvnitř obálky a plně využito tepelného odvodu transformátoru, je třeba nakonfigurovat axiální proudové ventilátory pro uvolnění horkého vzduchu z vnitřku zařízení. Současně jsou uvnitř obálky instalovány tepelné čidlo, aby byl dosažen tepelný výměn. Přes tepelný výměn může být podporován neustálý oběh vzduchu uvnitř transformátoru.
Během provozu vložených transformátorů je teplo hlavně generováno vinutími a železným jádrem. Proto musí návrh zaměřit na stavy proudění vzduchu těchto dvou komponent a integrovat příslušné prvky pro sestavení modelu tepelného odvodu.
3.2 Určení parametrů modelu
Pro vložené transformátory jsou rozdíly mezi parametry vnitřního vzduchu a parametry tepelného výkonu relativně malé. Při výběru silikonových plechů by měla být prioritou jejich tepelná odolnost. Současně je analyzováno číslové poměr měděných drátů k izolační pryskyřici, aby byly určeny tepelné výkonné parametry.
3.3 Nastavení podmínek
Průměrný tlak na vstupu a výstupu vzduchu vloženého transformátoru je jedno atmosférické tlak. Spolu s výkonem tepelného čidlo je teplota studeného vzduchu brána jako vstupní podmínka pro sestavení modelu konečných prvků, a symetrická rovina a směr vstupu-výstupu vzduchu jsou definovány.
3.4 Analýza výsledků
Po sestavení modelu a nastavení okrajových podmínek jsou provedeny výpočty. Analýza ukazuje, že výfukový otvor vloženého transformátoru je nejteplejším místem, s teplotou dosahující 394,5K (což odpovídá horkému bodu 120,5°C). Nejteplejší bod železného jádra je vzdálen od výfukového otvoru, a vypočtená teplota horkého bodu je 110°C. Navíc místa blízko vstupů a výstupů vzduchu mají špatný tepelný odvod.
3.5 Analýza vstupu a výstupu vzduchu
Simulace změny rychlosti proudění vzduchu: Pokud je horké vysokonapěťové vinutí postaveno blízko výfukovému otvoru a výfukový otvor má pravoúhlou strukturu, ovlivní to tlak vzduchu, což způsobí tenkost vzduchu uvnitř obálky a je nevýhodné pro tepelný odvod.
Na základě toho je optimalizován návrh výfukového otvoru: Výfukový otvor je posunut nahoru o přibližně 30 cm, výška zůstává nezměněná, a současně se zmenší šířka vstupu vzduchu (především o 10 cm), takže celková délka obálky se zvětší o 20 cm. Po výpočtu, podle tohoto schématu, teplota horkého bodu a průměrná teplota vinutí výrazně klesnou. Analýza distribuce rychlosti proudového pole ukazuje, že proud vzduchu v vinutí ukazuje 120° úhel při přenosu k výfukovému otvoru, což naznačuje, že proud vzduchu je hladký.
3.6 Shrnutí
Vložené transformátory hrají klíčovou roli v systému distribuce elektrické energie. Pokud velké množství tepla generované během provozu nelze včas odvést, je pravděpodobné, že dojde k selhání a ohrožení stability systému. Návrháři potřebují hluboce analyzovat problémy s tepelným odvodem vložených transformátorů, kombinovat s změnami teplotního pole, používat vědecké metody, jako je metoda konečných prvků, k sestavení modelů tepelného odvodu, optimalizovat tepelný odvod zařízení a zlepšit celkovou efektivitu tepelného odvodu.
