Siltu pārvaldības dizains IEE-Business pad-mountētiem transformatoriem

Reālajā darbībā padeļu transformatoriem jāsaskaras ar tipiskiem siltuma saistītiem problēmām:

• Augstas temperatūras/augstās slodzes trieciens: Bieži notiek triecieni ilgstošu augstās temperatūras un augstās slodzes apstākļos.

• Ventilatoru un termostātu kļūdas: Ilgstoša ventilatoru izmantošana rada defektus, kaitējot termostātiem un bloķējot karstu gaisa izplūšanu, traucējot darbībai.

• Slikti uzstādīti ventilatori: Ja ventilatori ir uzstādīti virs kabinetes, tos jāaizslēdz, lai veiktu remontu/vai nomainītu; šāda izvietojuma dēļ tālāk tiek saglabāts siltums, paaugstinot iekšējo temperatūru līdz bumbu riska līmenim.

Lai optimizētu siltuma izdalīšanos, šajā rakstā tiek izmantota galveno elementu analīze, lai izveidotu 3D transformatora modeli. Tālāk, kartējot temperatūras lauka sadalījumu, tā identificē pārsildītās vietas un uzlabo dzesēšanas sistēmas dizainu.

1. Temperatūras lauka pamati

Temperatūras lauks apraksta telpisku-temporālu temperatūras mainību, kur siltuma ģenerēšana, pārnesa un sadalījums ir cieši savienoti. Padeļu transformatoriem siltums rodas kodolu, vijaņu utt. Darbības apstākļi/daudzums maina siltuma modeli, un daudzas vidēs (koduoli, vijaņi, izolācija) radīto interakciju rezultātā izveidojas nevienmērīgs temperatūras sadalījums.

Siltums pārvietojas caur vedīšanu (dominējošs, pārnesot siltumu no vijaņu/koduolu caur izolējošu smaržu uz apkārtējo gaisu) un konvekciju. Vedes intensitāte ir saistīta ar temperatūras gradientu—siltums pārvietojas no karstākajām detalēm uz saldāko smaržu, tad izplūst uz ārējo gaisu. Siltuma plūsmas aprēķini seko:

Formulā: q attēlo siltuma plūsmas blīvumu;λ attēlo termisko vedamību; ∂t/∂x ir temperatūras gradients, atspoguļojot temperatūras maiņas ātrumu attiecībā pret attālumu; n ir siltuma pārveidošanas koeficients. Kad dažādos punktos ir temperatūras atšķirības, siltums galvenokārt cirkulē, lai nodrošinātu temperatūras līdzsvaru, un šis līdzsvars ir siltuma konvekcija. Padeļu transformatora darbības laikā dažādu daļu radītais siltums nonāk kontakta ar gaisu un starp tiem notiek pārnese, mainot apkārtēja gāzes temperatūru. Šajā procesā siltuma pārnešana tiek sasniegta caur siltuma konvekciju, kas var tikt izteikta ar šādu formulu:

Formulā, h ir konvekcijas siltuma pārnešanas koeficients, t_f attēlo šķidruma temperatūru, un t_w attēlo objekta virsmas temperatūru. Ja objekta temperatūra ir augstāka par absolūto nulles temperatūru, tiks radīts siltuma starojums, parasti saukts par siltuma radiāciju. Nemainot citus faktorus, starojuma daudzums starp objektiem mainīsies, kā pieaug temperatūra (ar temperatūru, kas turpina pieaugt). Padeļu transformatora darbības laikā aprīkojums pašā nav tieši saistīts ar siltuma radiāciju; kad transformatora temperatūra stabilizējas, tā siltuma radiācijas funkcija sasniegs siltuma izdalīšanu caur siltuma radiāciju, un šis process var tikt izteikts ar šādu formulu:

Formulā, S attēlo starojuma virsmas laukumu, T ir objekta termodynamiskā temperatūra, un σ ir starojuma konstante. Padeļu transformatoru siltuma izdalīšanas sistēmas dizainā galvenokārt tiek izmantota galveno elementu analīze (FEA) metode, lai izveidotu termiskas līdzsvara vienādojumus. Aprēķinos var noteikt katras objekta mezglā esošo temperatūru. Tas ir īpaši noderīgi, lai mērītu praksē grūti iegūtus temperatūras punktus, identificētu optimālas karstās vietas, un pēc tam veiktu savstarpēju analīzi. Galvenie principi, kā izmantojot FEA, sadalīt temperatūras lauku, ir šādi:

• Diskretizējiet trīsdimensiju fizisko domēnu;

• Izmantojiet funkcijas, lai aprakstītu temperatūras maiņas jebkurā mezglā elementā;

• Konstruējiet elementa vienādojumus;

• Apkopojiet elementus un piemērojiet ārējus spriegumus mezglās;

• Atrisiniet vienādojumus, ņemot vērā temperatūras lauka robežas nosacījumus;

• Aprēķiniet temperatūras pieaugumu katrā mezglā;

• Izveidojiet elementa temperatūras pieaugumu, balstoties uz temperatūras lauka vienādojumiem.

2 Modelēšana un temperatūras lauka simulācija padeļu transformatoriem
2.1 Galveno elementu modelēšana

Tabula 1 saraksta šajā rakstā izvēlētā padeļu transformatora saistītos parametrus. Galveno elementu modelis tiek izveidots, balstoties uz šiem parametriem. Tālāk tiek izveidoti vienkāršoti modeļi padeļu transformatora augstsprieguma vijaņiem, zemsprieguma vijaņiem un kodolu.

Modeļa izveidošanas laikā, jo augstsprieguma vijaņu izlaiduma termināļu savienojumi ir saldzeni, tos neņem vērā sākotnējā dizaina fāzē. Lai vienkāršotu, kodols tiek modelēts kā monolīta struktūra, ignorējot stāvstarpes spraugas (kas tiek risinātas, izmantojot masīva silīcijastāļa īpašības, lai ņemtu vērā materiāla vedamību). Transformatora 3D simulācijas modelis ir parādīts Attēlā 1.

Lai analizētu dabiskās konvekcijas ietekmi uz siltuma izdalīšanos, simulācijas videi tiek pievienots ārējs gaisa domēns (ar dimensijām 5000mm×5000mm×3000mm), kas ļauj realističi modelēt gaisa plūsmu transformatora apkārt.

2.2 Padeļu transformatora korpuss

Vijaņi un kodols tiek modelēti kā siltuma avoti, to siltuma ģenerēšanas ātrumi tiek aprēķināti, balstoties uz transformatora dizaina parametriem. Gaisa domēns tiek konfigurēts ar spiediena izlaidumu augšpusē un ieplūdes izvietotas pa apakšu un malas, uzturējot apkārtējo temperatūru 300K. Simulācijas laikā dabiskās konvekcijas parametri tiek iegūti, izvēloties atbilstošu turbulences modeli, balstoties uz Rayleigh numuru.

Korpuss (Attēls 2) tiek vienkāršots, ņemot vērā tā sarežģīto kompozīto struktūru. Jumta perforetās paneļi tiek ignorēti, visu jumtu uztverot kā nepārtrauktu gaisa domēnu. Porejam medijiem tiek novietoti zem eaves gaisa izlaidumos, lai simulators plūsmas pretestību. Gaisa domēns ap korpusa apakšējos atbalstītājos tiek uzskatīts par savienoto. Korpusu apakšā tiek pievienots papildu 155 mm augsts gaisa slānis, lai ņemtu vērā fundamenta ietekmi uz siltuma izdalīšanos.

Izveidotajā modelī iepriekš noteiktie apakšējie caurumi, augšējie caurumi un augšējie/apakšējie caurumi pieder pie porejam medija, ar biezumu 10 mm (piemēram, dzeltena-zaļais kvadrāts Attēlā 3), tādējādi simulators režģa plāksni. Apakšējo caurumu specifikācija ir 1450 × 1200 mm², un augšējie/apakšējie caurumi ir 550 × 500 mm². Modeļā tiek iestatīti arī trīs caurumi un epoksidplatne, un caurumi tiek noteikti kā atvērti vai aizvērti, atkarībā no reālās situācijas. Parasti, ja tiek izvēlēts apakšējais tips, augšējais caurums, epoksidplatne un Caurums 1 tiek atvērti; ja tiek izvēlēts apakšējais caurums, augšējais caurums, apakšējais caurums un Caurumi 1/2/3 tiek atvērti.

2.3 Temperatūras lauka sadalījuma analīze

Nākamais, galveno elementu modelis tiek izveidots, tīklinot ģeometriskā modeli. Pārliecinieties, ka dabiskā konvekcija un iekšējais tīkls ir vienoti, un uzlabojiet tīkla precizitāti korpuss caurumiem un gaisa saskares vietās. Balstoties uz ģeometriskā modeli, galveno elementu modelis satur 401,856 mezglus un 518,647 tīklus. Galvenie padeļu transformatora modela iestatījumi:

• Šķīduma-struktūras saskaņotājs: Gaisa saskare, bez slīdēšanas stāvoklis, lai saglabātu siltumu.

• Adiabātiskās virsmas: Jumta augšdaļa, apakšējo atbalstītāju malas un ārējais gaisa domēns.

• Siltuma pārnosejošas virsmas: Korpuss sienas (1 mm biezums staļstipas plāksne), visi korpuss sienas (2 mm biezums staļstipas plāksne), ar augšējiem caurumiem atvērtiem un apakšējiem caurumiem aizvērtiem.

Izmantojot galveno elementu programmatūru, temperatūras lauka modelis parāda: transformatorā vijaņi ir ar visaugstāko temperatūru, tālāk seko kodols; tuvākā gaisa temperatūra arī ir augsta, samazinoties gaisa paceltās temperatūras laikā līdz spiediena izlaiduma apkārtējai temperatūrai. Darbības laikā karsts gaisa izplešanās rada gaisa akumulāciju un saskari starp apkārtējo un kanālu gaisu (tālāk, ar nepārtrauktu sildīšanos un tilpumu palielināšanos). Gaisa viskozitāte ietekmē kanālu plūsmu un plūsmas lauku. Karsts gaisa paātrinās tuvāk zemei un palēninās attālinās; gaisa plūsmas un virsmas kontaktā formas termiskā robežslānis, kas, tā biezums, samazina siltuma pārneses koeficientus, palielinot temperatūru un gaisa viskozitāti, samazinot plūsmas ātrumu. Karsts gaisa maina temperatūru padeļu transformatora virsū, ar temperatūru, kas proporcionāla siltuma radiācijai.

3 Padeļu transformatoru siltuma izdalīšanas dizains
3.1 Modela analīze

Padeļu transformatori ir izvietoti korpusses ar augstu drošības līmeni. Lai nodrošinātu labu gaisa cirkulāciju korpuss un pilnībā izmantotu transformatora siltuma izdalīšanas spēju, ir jākonfigurē assveida ventilatori, lai izplūstu karstu gaisu no aprīkojuma iekšpuses. Tāpat korpuss ārpusē tiek ieviesti siltuma izdalītāji, lai sasniegtu siltuma apmaiņu. Caar siltuma apmaiņu, var veicināt gaisa nepārtrauktu cirkulāciju transformatora iekšpuses.

Padeļu transformatoru darbības laikā siltums galvenokārt tiek radīts vijaņos un kodolos. Tāpēc dizainā ir jāpievēršas šo divu komponentu gaisa plūsmas stāvoklim un integrēt atbilstošos elementus, lai izveidotu siltuma izdalīšanas modeli.

3.2 Modela parametru noteikšana

Padeļu transformatoriem iekšējie gaisa parametri un temperatūras veiktspējas parametri ir salīdzinoši mazi. Izvēloties silīcijastāļa plāksnes, prioritāti jādod to siltuma noturības veiktspējai. Tāpat tiek analizēts vaļa drātes un izolējošā smarža skaitliskais attiecība, lai noteiktu termiskās veiktspējas parametrus.

3.3 Stāvokļa iestatīšana

Padeļu transformatora gaisa ieplūdes un izplūdes vidējais spiediens ir viena atmosfēras spiediens. Savienojot ar siltuma izdalītāja veiktspēju, aukstā gaisa temperatūra tiek ņemta kā ieplūdes nosacījums, lai izveidotu galveno elementu modeli, un tiek definēta simetrija plakne un gaisa ieplūdes-izplūdes virzieni.

3.4 Rezultātu analīze

Pēc modeļa izveidošanas un robežnosacījumu iestatīšanas, tiek veikti aprēķini. Analīze parāda, ka padeļu transformatora gaisa izplūdes vieta ir viskarstākā vieta, ar temperatūru, kas sasniedz 394.5K (atbilstoši karstākā punkta temperatūrai 120.5℃). Kodola viskarstākā vieta atrodas tālu no gaisa izplūdes vietas, un aprēķinātā karstākā punkta temperatūra ir 110℃. Turklāt pozīcijas, kas tuvu gaisa ieplūdes un izplūdes vietām, ir ar sliktāku siltuma izdalīšanas veiktspēju.

3.5 Gaisa ieplūdes un izplūdes analīze

Simulējiet gaisa plūsmas ātruma maiņu: Ja karstais augstsprieguma vijaņu ir uzstādīts tuvu gaisa izplūdes vietai un gaisa izplūdes vieta ir ar taisnstūra struktūru, tas ietekmēs gaisa spiedienu, padarot korpuss iekšējo gaisu retāku un neierobežojošu siltuma izdalīšanai.

Balstoties uz šo, optimizējiet gaisa izplūdes vietas dizainu: Pārvietojiet gaisa izplūdes vietu aptuveni 30 cm augšup, nemainot augstumu, un vienlaikus samaziniet gaisa ieplūdes platumu (galvenokārt samazinot par 10 cm), lai kopējais korpuss garums palielinātos par 20 cm. Pēc aprēķina, šajā shēmā, vijaņu karstākā punkta un vidējā temperatūra samazinās būtiski. Analizējot gaisa plūsmas lauka ātruma sadalījumu, vijaņu gaisa plūsma rāda 120° leņķi, pārvietojoties uz gaisa izplūdes vietu, kas norāda, ka gaisa plūsma ir vienmērīga.

3.6 Kopsavilkums

Padeļu transformatori spēlē lielu lomu elektrosapgādes sistēmā. Ja operācijas laikā radītais liels siltuma daudzums netiek laikus izdalīts, tas var izraisīt kļūdas un apdraudēt sistēmas stabilitāti. Dizaineriem ir jāanalizē padeļu transformatoru siltuma izdalīšanas problēmas, apvienojot to ar temperatūras lauka maiņu, izmantojot zinātniskas metodes, piemēram, galveno elementu metodi, lai izveidotu siltuma izdalīšanas modeļus, optimizētu aprīkojuma siltuma izdalīšanas sistēmu un uzlabotu kopējo siltuma izdalīšanas efektivitāti.