Σχεδιασμός Θερμικής Διαχείρισης για Μετατροπείς με Βάση Πλαϊνή Σύνδεση

Κατά την πραγματική λειτουργία, οι μετασχηματιστές σε κιβωτιό ενδέχεται να αντιμετωπίσουν τυπικά θερμοκρασιακά προβλήματα:

• Τρίψεις υψηλής θερμοκρασίας/υψηλής φορτίας: Διατρέχουν τον κίνδυνο τρίψεων υπό συνεχείς συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής φορτίας.

• Αποτυχίες ανεμιστήρων και θερμοστάτων: Η μακροχρόνια χρήση ανεμιστήρων προκαλεί αποτυχίες, βλάπτοντας τους θερμοστάτες και εμποδίζοντας την αποβολή ζεστού αέρα, διαταράσσοντας τη λειτουργία.

• Κακή θέση ανεμιστήρων: Η τοποθέτηση ανεμιστήρων στο κάτω μέρος του κιβωτίου αναγκάζει σε απορρυθμισμό για συντήρηση/αντικατάσταση. Αυτή η διάταξη επίσης κρατά τη θερμότητα, αυξάνοντας την εσωτερική θερμοκρασία σε επίπεδα που ενδέχεται να προκαλέσουν καύσωμα.

Για τη βελτίωση της θερμοκρασιακής διάθεσης, αυτό το έγγραφο χρησιμοποιεί ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων για τη δημιουργία ενός 3D μοντέλου μετασχηματιστή. Με την απεικόνιση των κατανομών του θερμοκρασιακού πεδίου, αναγνωρίζει τα σημεία υψηλής θερμοκρασίας και βελτιώνει το σχεδιασμό του συστήματος ψύξης.

1. Βασικές Εννοιές του Θερμοκρασιακού Πεδίου

Το θερμοκρασιακό πεδίο περιγράφει τις χωροχρονικές μεταβολές της θερμοκρασίας, με την παραγωγή, μεταφορά και κατανομή θερμότητας να είναι στενά συνδεδεμένες. Για τους μετασχηματιστές σε κιβωτιό, η θερμότητα προέρχεται από τα πυρήνες, τα πλεξίδια κλπ. Οι συνθήκες λειτουργίας/διάρκειας αλλάζουν τους προφίλ θερμότητας, και οι πολυμέσεις διαδραστικότητες (πυρήνες, πλεξίδια, μεσαία) δημιουργούν ανομοιογενείς κατανομές θερμοκρασίας.

Η μεταφορά θερμότητας γίνεται μέσω της συνεκτικότητας (πρωτεύουσα, που προωθεί τη θερμότητα από τα πλεξίδια/πυρήνες μέσω της απομονωτικής ρεσίνης στον εξωτερικό αέρα) και της συντονικής. Η ένταση της συνεκτικότητας σχετίζεται με τα διαφορετικά θερμοκρασιακά στάδια - η θερμότητα μετακινείται από τα ζεστά συστατικά στην ψυχρότερη ρεσίνη, και στη συνέχεια διαθέτεται στον εξωτερικό αέρα. Οι υπολογισμοί της θερμικής ροής ακολουθούν:

Στη συνάρτηση: q αντιπροσωπεύει την πυκνότητα θερμικής ροής;λ αντιπροσωπεύει την θερμολαμβανκότητα; ∂t/∂x είναι το θερμοκρασιακό στάδιο, που αντικατοπτρίζει τον ρυθμό μεταβολής της θερμοκρασίας με την απόσταση; n είναι ο συντελεστής μετατροπής θερμότητας. Όταν υπάρχουν διαφορές θερμοκρασίας σε διαφορετικές θέσεις, η θερμότητα κυκλοφορεί για να εξισορροπήσει τη θερμοκρασία, και αυτή η κατάσταση ισορροπίας θερμοκρασίας είναι η συντονική. Κατά τη λειτουργία ενός μετασχηματιστή σε κιβωτιό, η θερμότητα που παράγεται από διάφορα μέρη θα έρθει σε επαφή με τον αέρα και θα μεταφερθεί μεταξύ τους, προκαλώντας αλλαγές στη θερμοκρασία του περιβαλλοντικού αέρα. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, η μεταφορά θερμότητας επιτυγχάνεται μέσω της συντονικής, η οποία μπορεί να εκφραστεί με την εξής συνάρτηση:

Στη συνάρτηση, h είναι ο συντελεστής συντονικής μεταφοράς θερμότητας, t_f αντιπροσωπεύει τη θερμοκρασία του ρευστού, και t_w αντιπροσωπεύει τη θερμοκρασία της επιφάνειας του αντικειμένου. Όταν η θερμοκρασία ενός αντικειμένου είναι υψηλότερη από το απόλυτο μηδέν, παράγεται θερμοδυναμική ακτινοβολία, συνήθως ονομαζόμενη θερμική ακτινοβολία. Με άλλα παράμετρα να παραμένουν αμετάβλητα, η ποσότητα ακτινοβολίας που παράγεται μεταξύ αντικειμένων θα αλλάξει ως της θερμοκρασίας (με τη θερμοκρασία να διατηρεί συνεχή αύξηση). Κατά τη λειτουργία ενός μετασχηματιστή σε κιβωτιό, το εξοπλισμός δεν έρχεται σε άμεση επαφή με θερμική ακτινοβολία. Όταν η θερμοκρασία του μετασχηματιστή σταθεροποιηθεί, η λειτουργία της θερμικής ακτινοβολίας θα επιτύχει την θερμοκρασιακή διάθεση μέσω της θερμικής ακτινοβολίας, και αυτή η διαδικασία μπορεί να εκφραστεί με την εξής συνάρτηση:

Στη συνάρτηση, S δηλώνει την επιφάνεια ακτινοβολίας, T είναι η θερμοδυναμική θερμοκρασία του αντικειμένου, και σ είναι η σταθερά ακτινοβολίας. Κατά τη σχεδίαση του συστήματος ψύξης για τους μετασχηματιστές σε κιβωτιό, κυρίως χρησιμοποιείται η μέθοδος ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (FEA) για την εγκαθίδρυση ισορροπιακών εξισώσεων θερμότητας. Μέσω υπολογισμών, μπορεί να καθοριστεί η θερμοκρασία σε κάθε κόμβο του αντικειμένου. Αυτό είναι ειδικά χρήσιμο για τη μέτρηση θερμοκρασιακών σημείων που είναι δύσκολο να αποκτηθούν στην πράξη, την αναγνώριση βέλτιστων σημείων υψηλής θερμοκρασίας, και στη συνέχεια την εκτελούμενη συνδεδεμένη ανάλυση. Οι βασικές αρχές της ανάλυσης του θερμοκρασιακού πεδίου με FEA είναι οι εξής:

• Διακριτοποίηση του τρισδιάστατου φυσικού πεδίου;

• Χρήση συναρτήσεων για την περιγραφή των μεταβολών θερμοκρασίας σε οποιοδήποτε κόμβο μέσα στο στοιχείο;

• Κατασκευή εξισώσεων στοιχείων;

• Συναρμολόγηση των στοιχείων και εφαρμογή εξωτερικών ενεργειών στους κόμβους;

• Επίλυση των εξισώσεων λαμβάνοντας υπόψη τις συνθήκες θερμοκρασιακών ορίων;

• Υπολογισμός της αύξησης θερμοκρασίας σε κάθε κόμβο;

• Εξαγωγή της αύξησης θερμοκρασίας των στοιχείων με βάση τις εξισώσεις του θερμοκρασιακού πεδίου.

2. Μοντελοποίηση και Σιμουλάτσια Θερμοκρασιακού Πεδίου των Μετασχηματιστών σε Κιβωτιό
2.1 Μοντελοποίηση Πεπερασμένων Στοιχείων

Ο Πίνακας 1 απαριθμεί τους σχετικούς παράμετρους του μετασχηματιστή σε κιβωτιό που επιλέχθηκε σε αυτό το έγγραφο. Στη συνέχεια, βασιζόμενοι σε αυτούς τους παράμετρους, κατασκευάζονται περιστασιακά μοντέλα για την υψηλής τάσης πλεξίδα, την χαμηλής τάσης πλεξίδα και τον πυρήνα του μετασχηματιστή σε κιβωτιό.

Κατά τη διάρκεια της κατασκευής του μοντέλου, επειδή οι συνδέσεις συγκόλλησης των τερματικών εξόδου της υψηλής τάσης είναι σχετικά σταθερές, δεν λαμβάνονται υπόψη στην αρχική φάση σχεδιασμού. Για απλοποίηση, ο πυρήνας μοντελοποιείται ως μονολιθικός κατασκευή, με τις διαστάσεις μεταξύ των στρωμάτων να αγνοούνται (αυτές οι διαστάσεις αντιμετωπίζονται μέσω των ιδιοτήτων του συνόλου του σιδήρου για να ληφθεί υπόψη η συμπεριφορά της διαγωνιστικότητας του υλικού). Το 3D σιμουλάτσιο μοντέλου του μετασχηματιστή εμφανίζεται στο Σχήμα 1.

Για την ανάλυση των επιπτώσεων της φυσικής συντονικής στην θερμοκρασιακή διάθεση, προστίθεται ένα εξωτερικό πεδίο αέρα (με διαστάσεις 5000mm×5000mm×3000mm) στο περιβάλλον σιμουλάτσιο, επιτρέποντας την ρεαλιστική μοντελοποίηση των προτύπων ροής αέρα γύρω από τον μετασχηματιστή.

2.2 Μοντέλο Κιβωτίου Μετασχηματιστή σε Κιβωτιό

Τα πλεξίδια και ο πυρήνας μοντελοποιούνται ως πηγές θερμότητας, με τους ρυθμούς παραγωγής θερμότητας να υπολογίζονται με βάση τους παράμετρους σχεδιασμού του μετασχηματιστή. Το πεδίο αέρα ρυθμίζεται με εξόδους πίεσης στο κάτω μέρος και εισόδους κατανεμημένους κατά μήκος του κάτω και των πλευρών, διατηρώντας μια περιβαλλοντική θερμοκρασία ορισμένη στα 300K. Κατά τη διάρκεια των σιμουλάτσιων, οι παράμετροι φυσικής συντονικής προέρχονται από την επιλογή ενός κατάλληλου τυφλού μοντέλου με βάση τον αριθμό Rayleigh.

Η γεωμετρία του κιβωτίου (Σχήμα 2) απλοποιείται λόγω της πολύπλοκης συνδυασμένης δομής. Οι περφορημένες πάνελς του ταβάνιου αγνοούνται, θεωρώντας τον ολόκληρο τον ταβάνι ως συνεχή πεδίο αέρα. Τοποθετούνται πορώδη μέσα στους εξόδους αέρα κάτω από τον ταβάνι για την προσομοίωση της αντίστασης ροής. Το πεδίο αέρα γύρω από τους κάτω στηριγμούς του κιβωτίου θεωρείται συνδεδεμένο. Προστίθεται ένα επιπλέον στρώμα αέρα ύψους 155mm κάτω από το κιβωτίο για τη λήψη υπόψη της επίδρασης της θεμελίωσης στην θερμοκρασιακή διάθεση.

Στο εγκαθεστημένο μοντέλο, τα προκαθορισμένα κενά στο κάτω μέρος, τα κενά στο κάτω μέρος, και τα κενά στο κάτω μέρος ανήκουν όλα σε πορώδη μέσα, με πάχος 10 mm (όπως το κίτρινο-πράσινο μπλοκ στο Σχήμα 3), έτσι προσομοιώνοντας την πλάκα πλέγματος. Το προσδιορισμένο μέγεθος του κενού στο κάτω μέρος είναι 1450 × 1200 mm², και το προσδιορισμένο μέγεθος των κενών στο κάτω μ