पैड-माउंटेड ट्रांसफार्मर के लिए थर्मल मैनेजमेंट डिजाइन

वास्तविक संचालन के दौरान, पैड-माउंटेड ट्रांसफार्मरों को गर्मी से संबंधित सामान्य समस्याओं का सामना करना पड़ता है:

• उच्च-ताप/उच्च-भार ट्रिप: लगातार उच्च-ताप, उच्च-भार की स्थितियों में ट्रिप होने की संभावना बढ़ जाती है।

• पंखे और थर्मोस्टैट की विफलता: लंबे समय तक पंखे का उपयोग करने से असंचालन होता है, थर्मोस्टैट को नुकसान पहुंचाता है और गर्म हवा का निकास रोकता है, संचालन को विघटित करता है।

• पंखों की खराब स्थापना: पंखों को कैबिनेट के शीर्ष पर स्थापित करने से शक्ति-बंद रखरखाव/प्रतिस्थापन की आवश्यकता होती है; यह व्यवस्था गर्मी को फंसाती है, भीतरी तापमान को जलने के जोखिम तक बढ़ा देती है।

गर्मी के विसर्जन को अनुकूलित करने के लिए, इस पेपर में सीमित तत्व विश्लेषण का उपयोग करके एक 3D ट्रांसफार्मर मॉडल बनाया गया है। तापमान क्षेत्र वितरणों के मानचित्रण द्वारा, यह अतितापित होने वाले स्थानों की पहचान करता है और शीतलन प्रणाली की डिजाइन को सुधारता है।

1. तापमान क्षेत्र की बुनियादी संकल्पनाएं

एक तापमान क्षेत्र स्थान-समय तापमान भिन्नताओं का वर्णन करता है, जिसमें ताप उत्पादन, स्थानांतरण और वितरण ऊंची ग्रेडियेंट से जुड़े होते हैं। पैड-माउंटेड ट्रांसफार्मरों के लिए, ताप आंतरिक भागों, वायुओं, आदि में उत्पन्न होता है। संचालन की स्थितियाँ/अवधि ताप पैटर्न को बदलती हैं, और बहु-माध्यम की प्रतिक्रियाओं (आंतरिक भाग, वायु, छिद्र) असमान तापमान वितरण बनाती हैं।

ताप संचालित और वायु द्वारा वितरित होता है (प्रमुख, वायु और आंतरिक भागों से गुजरता है)। संचालन की तीव्रता तापमान ग्रेडियेंट से संबंधित होती है-ताप गर्म घटकों से ठंडे रेजिन तक चलता है, फिर बाहरी हवा में विसर्जित होता है। ताप फ्लक्स की गणना इस प्रकार की जाती है:

सूत्र में: q ताप फ्लक्स घनत्व का प्रतिनिधित्व करता है;λ तापीय चालकता का प्रतिनिधित्व करता है; ∂t/∂x तापमान ग्रेडियेंट है, जो दूरी के साथ तापमान के परिवर्तन की दर को दर्शाता है; n ताप रूपांतरण गुणांक है। जब विभिन्न स्थानों पर तापमान का अंतर होता है, तो ताप वितरण को संतुलित करने के लिए प्रवाहित होता है, और यह तापमान संतुलन की स्थिति ताप संचालन है। पैड-माउंटेड ट्रांसफार्मर के संचालन के दौरान, विभिन्न भागों द्वारा उत्पन्न ताप हवा के साथ संपर्क में आता है और उनके बीच स्थानांतरित होता है, जिससे आसपास की गैस का तापमान बदल जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान, ताप संचालन को निम्न सूत्र द्वारा व्यक्त किया जा सकता है:

सूत्र में, h ताप संचालन गुणांक है, t_f द्रव का तापमान दर्शाता है, और t_w वस्तु की सतह का तापमान दर्शाता है। जब वस्तु का तापमान निरपेक्ष शून्य से अधिक होता है, तो तापीय विकिरण उत्पन्न होता है, जिसे आमतौर पर तापीय विकिरण कहा जाता है। अन्य कारकों को नियंत्रित रखते हुए, वस्तुओं के बीच उत्पन्न विकिरण की मात्रा तापमान के बढ़ने के साथ बदलती है (तापमान का एक लगातार बढ़ता हुआ रुख)। पैड-माउंटेड ट्रांसफार्मर के संचालन के दौरान, उपकरण स्वयं तापीय विकिरण से सीधे संपर्क में नहीं आता; जब ट्रांसफार्मर का तापमान स्थिर हो जाता है, तो इसका तापीय विकिरण फंक्शन तापीय विकिरण के माध्यम से ताप विसर्जन प्राप्त करता है, और यह प्रक्रिया निम्न सूत्र द्वारा व्यक्त की जा सकती है:

सूत्र में, S विकिरण सतह का क्षेत्रफल दर्शाता है, T वस्तु का थर्मोडायनामिक तापमान है, और σ विकिरण स्थिरांक है। पैड-माउंटेड ट्रांसफार्मरों के लिए ताप विसर्जन प्रणाली की डिजाइन करते समय, सीमित तत्व विश्लेषण (FEA) विधि का मुख्य रूप से उपयोग किया जाता है ताकि थर्मल संतुलन समीकरणों को स्थापित किया जा सके। गणनाओं के माध्यम से, वस्तु के प्रत्येक नोड पर तापमान का निर्धारण किया जा सकता है। यह विशेष रूप से वास्तविक जीवन में प्राप्त करना कठिन तापमान बिंदुओं को मापने, ऑप्टिमल हॉटस्पॉट स्थानों की पहचान करने, और फिर कप्लिंग विश्लेषण करने के लिए उपयोगी है। FEA का उपयोग करके तापमान क्षेत्र को विघटित करने के मुख्य सिद्धांत निम्नलिखित हैं:

• त्रि-आयामी भौतिक क्षेत्र को डिस्क्रेटाइज़ करें;

• फंक्शन का उपयोग करके तत्व के भीतर किसी भी नोड पर तापमान के परिवर्तनों का वर्णन करें;

• तत्व समीकरणों का निर्माण करें;

• तत्वों को एकत्रित करें और नोडों पर बाहरी उत्तेजनाओं को लागू करें;

• तापमान क्षेत्र की सीमा शर्तों को ध्यान में रखते हुए समीकरणों का समाधान करें;

• प्रत्येक नोड पर तापमान की वृद्धि की गणना करें;

• तापमान क्षेत्र समीकरणों के आधार पर तत्व की तापमान वृद्धि की गणना करें।

2 पैड-माउंटेड ट्रांसफार्मरों का मॉडलिंग और तापमान क्षेत्र सिमुलेशन
2.1 सीमित तत्व मॉडलिंग

टेबल 1 में इस पेपर में चुने गए पैड-माउंटेड ट्रांसफार्मर के संबंधित पैरामीटरों की सूची दी गई है। इन पैरामीटरों के आधार पर एक सीमित तत्व मॉडल बनाया गया है। इसके बाद, पैड-माउंटेड ट्रांसफार्मर के उच्च-वोल्टेज वायु, निम्न-वोल्टेज वायु, और लोह आंतरिक भाग के लिए सरलीकृत मॉडल बनाए गए हैं।

मॉडल निर्माण के दौरान, उच्च-वोल्टेज वायु निकास टर्मिनल के लिए लगाए गए वेल्डिंग कनेक्शन अपेक्षाकृत मजबूत होते हैं, इसलिए वे प्रारंभिक डिजाइन चरण में ध्यान में नहीं लिए जाते हैं। सरलीकरण के लिए, लोह आंतरिक भाग को एक एकल संरचना के रूप में मॉडल किया जाता है, जिसमें इंटर-लैमिनर गैप नजरअंदाज किए जाते हैं (ये गैप बक मैग्नेटिक स्टील के गुणों के माध्यम से संबंधित विद्युत चालकता को ध्यान में रखते हुए संबोधित किए जाते हैं)। ट्रांसफार्मर का 3D सिमुलेशन मॉडल आकृति 1 में दिखाया गया है।

स्वाभाविक संचालन के प्रभावों का विश्लेषण करने के लिए, सिमुलेशन वातावरण में एक बाहरी हवा का क्षेत्र (5000mm×5000mm×3000mm के आयामों के साथ) जोड़ा गया है, जिससे ट्रांसफार्मर के आसपास की हवा की प्रवाह की वास्तविक मॉडलिंग संभव होती है।

2.2 पैड-माउंटेड ट्रांसफार्मर का एन्क्लोजर मॉडल

वायु और लोह आंतरिक भाग को ताप स्रोत के रूप में मॉडल किया गया है, जिनकी ताप उत्पादन दर ट्रांसफार्मर डिजाइन पैरामीटरों के आधार पर गणना की गई है। हवा के क्षेत्र में शीर्ष पर दबाव निकास और निचले और दक्षिण भागों पर वितरित दबाव प्रवेश द्वार शामिल हैं, जो वातावरण के तापमान 300K पर सेट होते हैं। सिमुलेशन के दौरान, स्वाभाविक संचालन पैरामीटरों को रेलियी संख्या के आधार पर एक उपयुक्त टर्बुलेंस मॉडल चुनकर प्राप्त किया जाता है।

एन्क्लोजर की ज्यामिति (आकृति 2) इसकी जटिल भागों के कारण सरलीकृत की गई है। छत के छेददार पैनलों को नजरअंदाज किया गया है, और पूरी छत को एक लगातार हवा का क्षेत्र माना गया है। छत के निचले हिस्से पर हवा के निकास के लिए छेददार मीडिया रखे गए हैं ताकि प्रवाह प्रतिरोध का सिमुलेशन किया जा सके। एन्क्लोजर के निचले समर्थन बीमों के चारों ओर का हवा का क्षेत्र एक दूसरे से जुड़ा माना गया है। एन्क्लोजर के नीचे 155mm ऊंचा एक अतिरिक्त हवा का स्तर जोड़ा गया है ताकि फाउंडेशन का ताप विसर्जन पर प्रभाव ध्यान में रखा जा सके।

स्थापित मॉडल में, पूर्व-सेट निचले छेद, शीर्ष छेद, और ऊपर-नीचे के छेद सभी छेददार मीडिया के अंतर्गत आते हैं, जिनकी मोटाई 10 mm है (जैसे आकृति 3 में पीला-हरा ब्लॉक), इस प्रकार जाली प्लेट का सिमुलेशन किया जाता है। निचले छेद का आकार 1450 × 1200 mm² है, और ऊपर-नीचे के छेदों का आकार 550 × 500 mm² है। मॉडल में तीन छेद और एक एपोक्सी प्लेट भी सेट किए गए हैं, और छेदों की स्थिति वास्तविक स्थिति के आधार पर खुला या बंद निर्धारित की जाती है। आमतौर पर, यदि फ्लोर-माउंटेड प्रकार अपनाया जाता है, तो शीर्ष छेद, एपोक्सी प्लेट, और छेद 1 खुले रहते हैं; यदि निचले छेद वाला प्रकार अपनाया जाता है, तो शीर्ष छेद, निचला छेद, और छेद 1/2/3 सभी खुले रहते हैं।

2.3 तापमान क्षेत्र वितरण विश्लेषण

इसके बाद, ज्यामितिक मॉडल को जालीबद्ध करके एक सीमित तत्व मॉडल बनाया गया है। स्वाभाविक संचालन और आंतरिक जाली मॉडलों की एकता सुनिश्चित करें, और एन्क्लोजर के छेदों और हवा के इंटरफेस पर जाली को विस्तारित करें ताकि गणना की सटीकता में सुधार किया जा सके। ज्यामितिक मॉडल के आधार पर, सीमित तत्व मॉडल में 401,856 नोड और 518,647 जाली हैं। पैड-माउंटेड ट्रांसफार्मर मॉडल के लिए महत्वपूर्ण सेटिंग्स:

टिप