Дизајн за управување со топлина за трансформатори монтирани на под
Во време на реална работа, трансформатори во куќа се соочуваат со типични проблеми поврзани со топлината:
За оптимизација на дисипацијата на топлината, овој труд користи анализата на коначни елементи за да се изгради тродимензионален модел на трансформатор. Кретајќи се од мапирањето на распределбата на температурското поле, тоа ги идентификува точките на прекумерно загревање и го префинира дизајнот на системот за хладење.
1. Основи на температурското поле
Температурското поле ги опишува просторно-времинските варијации на температурата, со генерирање, пренос и распределба на топлината тесно поврзани. За трансформаторите во куќа, топлината потекнува од јадрата, обмотките итн. Условите на работа/продолжителноста на работа ги менуваат образците на топлината, а многомедиумските интеракции (јадра, обмотки, изолација) создаваат неравномерни распределби на температурата.
Преносот на топлината се осуштествува преку проводна (доминантна, што го пренесува топлината од обмотките/јадрата през изолативна смола до околната воздух) и конвекција. Интензитетот на проводната топлина е поврзан со температурските градиенти - топлината се движи од горешите компоненти до похладната смола, а потоа се дисипира во надворешниот воздух. Пресметките на топлинскиот поток следат:
Во формулата: q претставува густината на топлинскиот поток; λ претставува проводната способност на топлината; ∂t/∂x е температурскиот градиент, кој го одразува брзината на промена на температурата со должина; n е коефициентот на превод на топлина. Кога има разлика во температурата на различни позиции, главно се циркулира топлина за балансирање на температурата, и тоа е стање на баланс на температурата наречено конвекција. Во време на работа на трансформаторот во куќа, топлината генерирана од различни делови ќе дојде во контакт со воздухот и ќе се пренесе помеѓу нив, причинувајќи промени во температурата на околниот гас. Во овој процес, преносот на топлината се постигнува преку конвекција, што може да се изрази со следнава формула:
Во формулата, h е коефициентот на конвективен пренос на топлина, tf претставува температурата на флуидот, а tw претставува температурата на површината на предметот. Кога температурата на предметот е повисока од абсолютната нула, ќе се генерира радијативна топлина, обично наречена теплна радијација. Со други фактори непроменети, количината на радијацијата генерирана помеѓу предметите ќе се промени како температурата се зголемува (со температурата која одржува непрекинато нагорен тренд). Во време на работа на трансформаторот во куќа, опремата сама по себе не доаѓа во директен контакт со теплна радијација; кога температурата на трансформаторот се стабилизира, неговата функција на теплна радијација ќе постигне дисипација на топлината преку теплна радијација, и овој процес може да се изрази со следнава формула:
Во формулата, S означува површината на радијација, T е термодинамичката температура на предметот, а σ е константата на радијација. При дизајнирањето на системот за дисипација на топлината за трансформаторите во куќа, првенствено се користи методот на анализата на коначни елементи (FEA) за да се изградат равнобедрени равенки на топлината. Навистина, преку пресметки, може да се определи температурата на секој чвор на предметот. Ова е особено корисно за мерење на точки на температура кои се тешко достапни во практика, идентификација на оптимални локации на точките на загревање, а потоа и спроведување на куплова анализа. Основните принципи на декомпозиција на температурското поле со FEA се следниве:
Дискретизирајте тридимензионалната физичка област;
Користете функции за да опишете варијациите на температурата на било кој чвор внатрешно во елементот;
Изградете равенки на елементите;
Соберете елементите и применете спојни возбуди на чворовите;
Решете ја равенката со разгледување на границите на температурското поле;
Пресметајте го зголемувањето на температурата на секој чвор;
Извлечете го зголемувањето на температурата на елементот според равенките на температурското поле.
2 Моделирање и симулација на температурското поле на трансформаторите во куќа
2.1 Моделирање на коначни елементи
Табела 1 наведува релевантните параметри на трансформаторот во куќа избран во овој труд. Се изградува модел на коначни елементи според овие параметри. Подоцна, се изградуваат поедноставни модели за високонапонската обмотка, низконапонската обмотка и железниот јадро на трансформаторот во куќа.
Во време на изградба на моделот, бидејќи сварните врски на излезните терминали на високонапонската обмотка се релативно тврди, тие не се земаат предвид во почетната фаза на дизајнот. За поедноставување, железниот јадро се моделира како целостен конструкт, игнорирајќи ја промежутната раздалица (овие раздалици се обработуваат со користење на својствата на масивната силициумска стална страва за да се пресмета проводната способност на материјалот). Тродимензионалниот симулационен модел на трансформаторот е прикажан на Слика 1.
За да се анализираат ефектите на природната конвекција на дисипацијата на топлината, се додава екстерна воздухна област (со димензии од 5000mm×5000mm×3000mm) во симулационата средина, што овозможува реалистична моделирање на образците на протокот на воздух околу трансформаторот.
2.2 Обвивачки модел на трансформаторот во куќа
Обмотките и железниот јадро се моделираат како извори на топлина, со нивната стапка на генерирање на топлина пресметана според параметрите на дизајнот на трансформаторот. Воздухната област е конфигурирана со притисни излези на врвот и притисни влезови распределени по дното и страните, задржувајќи ја температурата на околината на 300K. Во време на симулации, параметрите на природната конвекција се изведени со избор на соодветна турбулентна модель според бројот на Рејли.
Геометријата на обвивачката (Слика 2) е поедноставена поради нејзината комплексна композитна структура. Перфорираните панели на покривот се игнорираат, третајќи го целокупниот покрив како континуирана воздухна област. Порозни медиуми се поставени на воздухните излези под карнизите за да се симулираат отпорите на протокот. Воздухната област околу долните поддршни балки на обвивачката се смета за поврзана. Додатен слој на воздух од 155 мм се додава под обвивачката за да се учести врзбодот на основата на дисипацијата на топлината.
Во изградениот модел, претходно поставените днишни отвори, врвни отвори и горни-долните отвори се дел од порозни медиуми, со дефинирана дебелина од 10 mm (како жолто-зелен блок на Слика 3), за да се симулира мрежеста плоча. Спецификацијата на днишниот отвор е 1450 × 1200 мм², а спецификацијата на горни-долните отвори е 550 × 500 мм². Во моделот се додаваат три отвори и епоксидна плоча, и отворите се определуваат да се отворени или затворени според реалната ситуација. Обично, ако се применува наполнет тип, врвниот отвор, епоксидната плоча и Отвор 1 се отворени; ако се применува тип со днишни отвори, врвниот отвор, днишниот отвор и Отворите 1/2/3 се сите отворени.
2.3 Анализа на распределбата на температурското поле
Следно, се изградува модел на коначни елементи со мрежење на геометрискиот модел. Обезбедете јединство на природната конвекција и внатрешните модели на мрежа, и поедноставете го мрежењето на отворите на обвивачката и воздухните интерфејси за подобрување на точноста на пресметката. Според геометрискиот модел, моделот на коначни елементи има 401,856 чворови и 518,647 мрежи. Клучни поставувања за моделот на трансформаторот во куќа:
Користејќи софтвер за коначни елементи, моделот на температурското поле покажува: Обмотките имаат највисока температура во трансформаторот, следени од железниот јадро; соседната температура на воздухот исто така е висока, намалувајќи се при повеќе повеќе нагоре до температурата на околината на притисниот излез. Во време на работа, експанзијата на горещиот воздух предизвикува накопување на воздух и сукоби меѓу воздухот на околината и воздухот во каналот (поради непрекинато загревање и зголемување на волуменот). Вискозитетот на воздухот влијае на протокот во каналот и полето на протокот. Горещиот воздух се забрзува блиску до земјата и се забавува далече; контактот на протокот со површината формира термичен границен слој, кој, поради неговата дебелина, го намалува коефициентот на пренос на топлина, го зголемува температурата и вискозитетот на воздухот, додека го намалува брзината на протокот. Горещиот воздух го менува температурата над трансформаторот, со температурата пропорционална на теплната радијација.
3 Дизајн на дисипацијата на топлината за трансформаторите во куќа
3.1 Анализа на моделот
Трансформаторите во куќа се организирани во обвивачки со висок степен на сигурност. За да се обезбеди гладок проток на воздух во обвивачката и да се исполнат капацитетите за дисипација на топлината на трансформаторот, потребни се аксијални вентилатори за да се изведе горещиот воздух од внатрешноста на опремата. Исто така, радијатори се инсталираат надвор од обвивачката за да се постигне размена на топлина. Преку размената на топлина, може да се стимулира непрекинатиот проток на воздух во трансформаторот.
Во време на работа на трансформаторите во куќа, топлината веќе е генерирана од обмотките и железниот јадро. Затоа, дизајнот треба да се фокусира на состојбата на протокот на воздух за овие два компонента и да ги интегрира релевантните елементи за изградба на моделот за дисипација на топлината.
3.2 Определување на параметрите на моделот
За трансформаторите во куќа, разликите помеѓу параметрите на воздухот вонатре и параметрите на температурската перформанца се релативно малечки. При изборот на плати од силициумска стал, нивната перформанца на отпор на топлината треба да се даде првенство. Исто така, се анализира числовата пропорција на медни жици и изолативна смола за да се одредат термичките параметри на перформанца.
3.3 Поставување на услови
Средната притисната вредност на влезот и излезот на воздухот на трансформаторот во куќа е една атмосфера. Комбинирано со перформансата на радијаторот, температурата на холодниот воздух се зема како услов за влез за да се изгради модел на коначни елементи, и се дефинира симетриска рамнина и насока на влез-излез на воздух.
3.4 Анализа на резултатите
После изградба на моделот и поставување на гранични услови, се извршуваат пресметки. Анализата покажува дека излезот на воздухот на трансформаторот во куќа е најтоплиот точка, со температура што достигнува 394.5K (соодветно на температура на топлиот момент од 120.5°C). Најтоплиот момент на железниот јадро е далеку од излезот на воздухот, и пресметаната температура на топлиот момент е 110°C. Поради тоа, местата блиску до влезовите и излезите на воздух имаат лоша перформанца на дисипација на топлината.
3.5 Анализа на влезот и излезот на воздух
Симулирајте промената на брзината на протокот на воздух: Ако високонапонската обмотка е поставена блиску до излезот на воздухот и излезот на воздухот има правоаголна структура, тоа ќе влијае на притисната вредност, правејќи го воздухот во капсулатата реток и неповољен за дисипација на топлината.
На база на тоа, оптимизирајте дизајнот на излезот на воздух: Излезот на воздухот се поместува нагоре околу 30 см, додека висината останува непроменета, и истовремено се намалува ширината на влезот на воздух (првенствено се намалува за 10 см), така што целосната должина на обвивачката се зголемува за 20 см. По пресметка, под овој план, температурата на топлиот момент и просечната температура на обмотката значително се намалуваат. Анализирајќи го распределбата на брзината на полето на протокот на воздух, протокот на воздух на обмотката покажува агол од 120° кога се пренесува до излезот на воздух, што указува дека протокот на воздух е гладок.
3.6 Заклучок
Трансформаторите во куќа играат важна улога во системот за дистрибуција на електрична енергија. Ако големата количина на топлина генерирана во време на работа не може да се дисипира во време, тоа е веројатно да предизвика повреди и да запризора стабилноста на системот. Дизајнерите треба да ги анализираат проблемите со дисипацијата на топлината на трансформаторите во куќа, да се комбинираат со промените на температурското поле, да се користат научни методи како што е методот на коначни елементи за да се изградат модели за дисипација на топлината, да се оптимизира системот за дисипација на топлината на опремата и да се подобри целосната ефикасност на дисипацијата на топлината.
