گرمايي چينش براي ترانسفورماتورهاي پادمونت شده

در عملیات واقعی، ترانسفورماترهای مونتاژ شده روی پد با مشکلات مرتبط با گرمایش مواجه می‌شوند:

• قطع کار در دمای بالا/بار بالا: میل به قطع کار در شرایط دمای بالا و بار زیاد.

• خرابی فن و ترموستات: استفاده طولانی مدت از فن باعث خرابی می‌شود، ترموستات را آسیب می‌رساند و دفع هوای گرم را مسدود می‌کند، عملیات را مختل می‌کند.

• قرار گرفتن ضعیف فن: نصب فن‌ها در بالای کابینت باعث می‌شود که نگهداری و جایگزینی آن‌ها در حالت خاموش شدن لازم باشد؛ این طرح همچنین حرارت را محبوس می‌کند و دمای داخلی را به سطح خطرناک می‌برد.

برای بهینه‌سازی تản حرارت، این مقاله از تحلیل المان محدود برای ساخت مدل سه‌بعدی ترانسفورماتور استفاده می‌کند. با نقشه‌برداری توزیع میدان دما، نقاط گرم شدن را شناسایی می‌کند و طراحی سیستم خنک‌سازی را بهبود می‌بخشد.

1. مبانی میدان دما

میدان دما تغییرات دمایی فضایی-زمانی را توصیف می‌کند، با تولید گرما، انتقال و توزیع گرما به طور محکم متصل است. برای ترانسفورماترهای مونتاژ شده روی پد، گرما از هسته‌ها، پیچش‌ها و غیره ناشی می‌شود. شرایط و مدت عملیات الگوهای گرمایی را تغییر می‌دهند و تعاملات چند ماده‌ای (هسته‌ها، پیچش‌ها، عایق) توزیع‌های دمایی نامتعادل ایجاد می‌کنند.

گرما از طریق هدایت ( غالب و محرک انتقال گرما از پیچش‌ها/هسته‌ها از طریق رزین عایق به هوای محیط) و تقارن منتقل می‌شود. شدت هدایت با گرادیان‌های دمایی مرتبط است - گرما از قطعات گرم به رزین سردتر حرکت می‌کند، سپس به هوای خارجی تشعشع می‌یابد. محاسبات شار گرما به صورت زیر است:

در فرمول: q نشان‌دهنده چگالی شار گرما است;λ نشان‌دهنده هدایت حرارتی است; ∂t/∂x  گرادیان دما را نشان می‌دهد که نرخ تغییر دما با فاصله را منعکس می‌کند; n  ضریب تبدیل گرما است. وقتی در موقعیت‌های مختلف تفاوت‌های دمایی وجود دارد، گرما به طور اصلی برای متعادل کردن دما می‌چرخد و این حالت تعادل دمایی تقارن نامیده می‌شود. در طول عملیات یک ترانسفورماتور مونتاژ شده روی پد، گرما تولید شده توسط بخش‌های مختلف با هوا تماس می‌گیرد و بین آن‌ها منتقل می‌شود، که باعث تغییر در دمای گاز اطراف می‌شود. در این فرآیند، انتقال گرما از طریق تقارن انجام می‌شود که می‌تواند با فرمول زیر بیان شود:

در فرمول, h ضریب انتقال گرما تقارنی است, t_f نشان‌دهنده دمای مایع است و t_w نشان‌دهنده دمای سطح اجسام است. وقتی دمای یک شیء بالاتر از صفر مطلق است، گرما تابشی تولید می‌شود، معمولاً به عنوان تابش گرمایی شناخته می‌شود. با ثابت ماندن سایر عوامل، مقدار تابش تولید شده بین اجسام با افزایش دما (با حفظ روند صعودی دما) تغییر می‌کند. در طول عملیات یک ترانسفورماتور مونتاژ شده روی پد، تجهیزات خود به طور مستقیم با تابش گرمایی تماس نمی‌گیرند؛ وقتی دمای ترانسفورماتور ثابت می‌شود، عملکرد تابش گرمایی آن از طریق تابش گرمایی ت sàn حرارت می‌کند و این فرآیند می‌تواند با فرمول زیر بیان شود:

در فرمول, S مساحت سطح تابش را نشان می‌دهد, T دمای ترمودینامیکی شیء است و σ ثابت تابش است. در طراحی سیستم خنک‌سازی ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد، روش تحلیل المان محدود (FEA) به طور اصلی برای ایجاد معادلات تعادل گرمایی استفاده می‌شود. از طریق محاسبات، دمای هر گره از شیء تعیین می‌شود. این به ویژه برای اندازه‌گیری نقاط دمایی که در عمل دست‌یافتنی نیستند، شناسایی مکان‌های بهینه نقاط گرم و سپس تحلیل جفت‌شده مفید است. اصول اساسی تجزیه میدان دما با استفاده از FEA به شرح زیر است:

• گسسته‌سازی دامنه فیزیکی سه‌بعدی;

• استفاده از توابع برای توصیف تغییرات دما در هر گره درون عنصر;

• ساخت معادلات عنصر;

• جمع‌آوری عناصر و اعمال تحریکات خارجی در گره‌ها;

• حل معادلات با در نظر گرفتن شرایط مرزی میدان دما;

• محاسبه افزایش دما در هر گره;

• مشتق‌گیری افزایش دمای عنصر بر اساس معادلات میدان دما.

2 مدل‌سازی و شبیه‌سازی میدان دما ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد
2.1 مدل‌سازی المان محدود

جدول 1 پارامترهای مربوط به ترانسفورماتور مونتاژ شده روی پد انتخاب شده در این مقاله را فهرست می‌کند. یک مدل المان محدود بر اساس این پارامترها ساخته می‌شود. سپس، مدل‌های ساده‌شده برای پیچش فشار بالا، پیچش فشار پایین و هسته آهن ترانسفورماتور مونتاژ شده روی پد ایجاد می‌شوند.

در طول ساخت مدل، چون اتصالات جوش‌خورده ترمینال‌های خروجی پیچش فشار بالا نسبتاً محکم هستند، آن‌ها در مرحله طراحی اولیه در نظر گرفته نمی‌شوند. برای ساده‌سازی، هسته آهن به عنوان یک ساختار یکپارچه مدل‌سازی می‌شود، با نادیده گرفتن فواصل بین لایه‌ها (این فواصل با استفاده از ویژگی‌های فولاد سیلیسیک به عنوان رسانایی ماده در نظر گرفته می‌شوند). مدل شبیه‌سازی سه‌بعدی ترانسفورماتور در شکل 1 نشان داده شده است.

برای تحلیل تأثیرات تقارن طبیعی بر ت sàn حرارت، یک دامنه هوا خارجی (با ابعاد 5000mm×5000mm×3000mm) به محیط شبیه‌سازی اضافه می‌شود، که مدل‌سازی واقعی الگوهای جریان هوا در اطراف ترانسفورماتور را ممکن می‌سازد.

2.2 مدل پوشش ترانسفورماتور مونتاژ شده روی پد

پیچش‌ها و هسته آهن به عنوان منابع گرما مدل‌سازی می‌شوند، با نرخ تولید گرما آن‌ها بر اساس پارامترهای طراحی ترانسفورماتور محاسبه می‌شود. دامنه هوا با دهانه‌های فشاری در بالا و دهانه‌های ورودی در پایین و اطراف تنظیم می‌شود، با دمای محیطی در 300K. در طول شبیه‌سازی‌ها، پارامترهای تقارن طبیعی با انتخاب یک مدل آشفتگی مناسب بر اساس عدد رایلی بدست می‌آیند.

هندسه پوشش (شکل 2) به دلیل ساختار مرکب پیچیده آن ساده‌سازی می‌شود. پانل‌های سوراخ‌دار سقف نادیده گرفته می‌شوند و کل سقف به عنوان یک دامنه هوا پیوسته در نظر گرفته می‌شود. رسانه‌های متخلخل در دهانه‌های هوا تحت کناره‌ها قرار می‌گیرند تا مقاومت جریان را شبیه‌سازی کنند. دامنه هوا در اطراف ستون‌های پشتیبانی پایین پوشش به عنوان متصل در نظر گرفته می‌شود. یک لایه هوا 155mm بلند در زیر پوشش اضافه می‌شود تا تأثیر پایه بر ت sàn حرارت را در نظر بگیرد.

در مدل ایجاد شده، دهانه‌های پیش‌فرض پایین، دهانه‌های بالا و دهانه‌های بالا-پایین همه به رسانه‌های متخلخل تعلق دارند، با ضخامت 10 mm (مانند بلوک زرد-سبز در شکل 3)، بنابراین صفحه مشی را شبیه‌سازی می‌کنند. مشخصات دهانه پایین 1450 × 1200 mm² است و مشخصات دهانه‌های بالا-پایین 550 × 500 mm² است. سه دهانه و یک صفحه اپوکسی نیز در مدل تنظیم شده‌اند و دهانه‌ها به طوری تعیین می‌شوند که در حالت باز یا بسته باشند بر اساس وضعیت واقعی. به طور کلی، اگر نوع پایه‌ای اتخاذ شود، دهانه بالا، صفحه اپوکسی و دهانه 1 در حالت باز هستند؛ اگر نوع دارای دهانه پایین اتخاذ شود، دهانه بالا، دهانه پایین و دهانه‌های 1/2/3 همه در حالت باز هستند.

2.3 تحلیل توزیع میدان دما

سپس، یک مدل المان محدود با شبکه‌بندی مدل هندسی ساخته می‌شود. اطمینان حاصل کنید که یکپارچگی تقارن طبیعی و مدل‌های شبکه‌بندی داخلی وجود دارد و شبکه‌بندی را در دهانه‌های پوشش و رابط‌های هوا دقیق‌تر کنید تا دقت محاسبات را بهبود بخشید. بر اساس مدل هندسی، مدل المان محدود 401,856 گره و 518,647 شبکه دارد. تنظیمات کلیدی مدل ترانسفورماتور مونتاژ شده روی پد:

• رابط سیال-ساختار: رابط هوا، حالت بدون لیز برای حفظ گرما.

• سطح‌های عایق: بالای سقف، طرفین ستون‌های پشتیبانی پایین و هوا خارجی.

• سطح‌های رسانای گرما: طرفین پوشش (صفحه فولادی 1mm ضخامت)، تمام دیواره‌های پوشش (صفحه فولادی 2mm ضخامت)، با دهانه‌های بالا باز و دهانه‌های پایین بسته.

با استفاده از نرم‌افزار المان محدود، مدل میدان دما نشان می‌دهد: پیچش‌ها دمای بالاترین در ترانسفورماتور را دارند، دنباله‌روی هسته آهن؛ دمای هوا مجاور نیز بالا است و در طول بالا رفتن هوا کاهش می‌یابد تا در دهانه فشاری با دمای محیطی مطابقت کند. در طول عملیات، انبساط هوا گرم باعث تجمع هوا و برخورد بین هوا محیطی و هوا در مجرای می‌شود (به دلیل گرم شدن مداوم و افزایش حجم). ویسکوزیته هوا تأثیر بر جریان در مجرا و میدان جریان دارد. هوا گرم نزدیک زمین سرعت می‌گیرد و دور می‌شود؛ تماس جریان-سطح یک لایه مرزی گرمایی را تشکیل می‌دهد که با ضخامت آن، ضریب انتقال گرما کاهش می‌یابد، دمای هوا و ویسکوزیته را افزایش می‌دهد و سرعت جریان را کاهش می‌دهد. هوا گرم دمای بالای ترانسفورماتور را تغییر می‌دهد، با دمای متناسب با تابش گرمایی.

3 طراحی ت sàn حرارت ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد
3.1 تحلیل مدل

ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد در پوشش‌هایی با سطح ایمنی بالا قرار داده می‌شوند. برای اطمینان از جریان هوا صاف در داخل پوشش و بهره‌گیری کامل از عملکرد ت sàn حرارت ترانسفورماتور، باید مراوح جریان محوری برای دفع هوا گرم از داخل تجهیزات تنظیم شوند. همزمان، رادیاتورهای خنک‌کننده خارج از پوشش نصب می‌شوند تا تبادل گرما را انجام دهند. از طریق تبادل گرما، گردش مداوم هوا در داخل ترانسفورماتور ترویج می‌یابد.

در طول عملیات ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد، گرما به طور اصلی توسط پیچش‌ها و هسته آهن تولید می‌شود. بنابراین، طراحی باید بر حالت‌های جریان هوا این دو مولفه تمرکز کند و عناصر مربوطه را برای ساخت مدل ت sàn حرارت یکپارچه کند.

3.2 تعیین پارامترهای مدل

برای ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد، تفاوت‌های بین پارامترهای هوا داخلی و پارامترهای عملکرد دمایی نسبتاً کم هستند. در انتخاب ورق‌های فولاد سیلیسیک، عملکرد مقاومت در برابر گرما باید اولویت داده شود. همزمان، نسبت عددی سیم‌های مس به رزین عایق تجزیه و تحلیل شده تا پارامترهای عملکرد گرمایی تعیین شوند.

3.3 تنظیم شرایط

فشار متوسط در دهانه‌های ورودی و خروجی هوا ترانسفورماتور مونتاژ شده روی پد یک فشار جوی است. با توجه به عملکرد رادیاتور خنک‌کننده، دمای هوا سرد به عنوان شرایط ورودی در نظر گرفته می‌شود و صفحه تقارن و جهت ورودی-خروجی هوا تعریف می‌شود.

3.4 تحلیل نتایج

پس از ساخت مدل و تنظیم شرایط مرزی، محاسبات انجام می‌شوند. تحلیل نشان می‌دهد که دهانه خروجی هوا ترانسفورماتور مونتاژ شده روی پد نقطه گرم‌ترین است، با دمای 394.5K (معادل دمای نقطه گرم 120.5℃). نقطه گرم‌ترین هسته آهن دور از دهانه خروجی هوا است و دمای نقطه گرم محاسبه شده 110℃ است. علاوه بر این، مکان‌های نزدیک به دهانه‌های ورودی و خروجی عملکرد ت sàn حرارت ضعیفی دارند.

3.5 تحلیل هوا ورودی و خروجی

شبیه‌سازی تغییر سرعت جریان هوا: اگر پیچش فشار بالا گرم در نزدیکی دهانه خروجی و دهانه خروجی ساختار قائمه داشته باشد، تأثیرات فشار هوا را می‌گذارد، باعث می‌شود که هوا در داخل پوشش نازک شود و برای ت sàn حرارت مساعد نباشد.

بر اساس این، طراحی دهانه خروجی بهینه‌سازی می‌شود: دهانه خروجی حدود 30cm به بالا حرکت می‌کند، ارتفاع تغییر نمی‌کند و همزمان عرض دهانه ورودی (عمدتاً 10cm) کاهش می‌یابد، به طوری که طول کل پوشش 20cm افزایش می‌یابد. پس از محاسبه، در این طرح، دمای نقطه گرم و میانگین دمای پیچش به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. تحلیل توزیع سرعت میدان جریان هوا، نشان می‌دهد که جریان هوا پیچش با زاویه 120° به دهانه خروجی منتقل می‌شود، که نشان‌دهنده جریان هوا صاف است.

3.6 خلاصه

ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد نقش مهمی در سیستم توزیع برق دارند. اگر مقدار زیادی گرما تولید شده در طول عملیات به طور به موقع ت sàn نشود، ممکن است باعث خرابی شود و پایداری سیستم را تهدید کند. طراحان باید مشکلات ت sàn حرارت ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد را به طور عمیق تحلیل کنند، با تغییرات میدان دما ترکیب کنند، از روش‌های علمی مانند روش المان محدود برای ساخت مدل‌های ت sàn حرارت استفاده کنند، سیستم ت sàn حرارت تجهیزات را بهینه‌سازی کنند و کارایی کلی ت sàn حرارت را بهبود بخشند.