Pad-Mounted Dönüştürücüler için Isı Yönetimi Tasarımı
Gerçek işletim sırasında, kumandaya monte dönüşümler tipik ısı ile ilgili sorunlarla karşı karşıya kalır:
Isı verimliliğini optimize etmek için bu makale sonlu eleman analizi kullanarak 3D bir dönüştürücü modeli oluşturur. Sıcaklık alanı dağılımlarını haritalayarak, aşırı ısınan noktaları belirler ve soğutma sistemi tasarımını geliştirir.
1. Sıcaklık Alanı Temelleri
Sıcaklık alanı, ısı üretiminin, aktarımının ve dağılımının sıkı bir şekilde bağlantılı olduğu uzaysal-zamansal sıcaklık değişimlerini tanımlar. Kumandaya monte dönüşümler için, ısı çekirdekler, bobinler vb. kaynaklarından ortaya çıkar. İşletim koşulları/süreleri ısı desenlerini değiştirir ve çok ortam etkileşimleri (çekirdekler, bobinler, yalıtım) eşit olmayan sıcaklık dağılımlarına neden olur.
Isı, iletkenlik (öncelikli, bobinler/çekirdeklerden ambalajlı reçineye ve dış hava ortamına doğru ısıyı yönlendirir) ve konveksiyon yoluyla aktarılır. Iletkenlik yoğunluğu sıcaklık gradyanlarıyla ilişkilidir - ısı, sıcak bileşenlerden daha soğuk reçineye ve ardından dış hava ortamına doğru hareket eder. Isı akışı hesaplamaları şöyledir:
Formülde: q, ısı akış yoğunluğunu temsil eder; λ, termal iletkenliği temsil eder; ∂t/∂x, mesafeyle değişen sıcaklık değişim hızını yansıtan sıcaklık gradyanıdır; n, ısı dönüşüm katsayısıdır. Farklı pozisyonlarda sıcaklık farkları olduğunda, ısı genellikle sıcaklığın dengesini sağlamak için dolaşır ve bu sıcaklık denge durumu konveksiyondur. Kumandaya monte dönüşümlerin işlemesi sırasında, çeşitli bölümler tarafından üretilen ısı hava ile temas eder ve arasında aktarılır, çevresindeki gazın sıcaklığını değiştirir. Bu süreçte, ısı aktarımı konveksiyon yoluyla gerçekleştirilir, bu da aşağıdaki formülle ifade edilebilir:
Formülde, h konveksiyonel ısı aktarım katsayısıdır, tf, akışkan sıcaklığıyı temsil eder ve tw, nesnenin yüzey sıcaklığını temsil eder. Bir nesnenin sıcaklığı mutlak sıfırdan yüksek olduğunda, radyant ısı oluşur, genellikle termal radyasyon olarak adlandırılır. Diğer faktörler sabit kalırken, nesneler arasındaki radyasyon miktarı, sıcaklık arttıkça (sıcaklık sürekli bir yukarı trend içindeyken) değişir. Kumandaya monte dönüşümlerin işlemesi sırasında, ekipman kendisi termal radyasyonla doğrudan temas etmez; dönüştürücünün sıcaklığı stabil hale geldiğinde, termal radyasyon işlevi termal radyasyon yoluyla ısı verimliliği sağlar ve bu süreç aşağıdaki formülle ifade edilebilir:
Formülde, S, radyasyon yüzey alanını, T, nesnenin termodinamik sıcaklığını ve σ, radyasyon sabitini temsil eder. Kumandaya monte dönüşümler için ısı verimliliği sistemini tasarlamakta, sonlu eleman analizi (FEA) yöntemi genellikle termal denge denklemleri oluşturmak için kullanılır. Hesaplamalar aracılığıyla, nesnenin her düğümündeki sıcaklık belirlenebilir. Bu, pratikte zor elde edilen sıcaklık noktalarını ölçmede, en iyi sıcak nokta yerlerini belirlemek ve ardından kombine analiz yapmak için özellikle faydalıdır. FEA kullanarak sıcaklık alanını çözme temel ilkeleri şöyledir:
Üç boyutlu fiziksel alanın ayrıklaştırılması;
Herhangi bir düğümün içindeki elementin sıcaklık değişimlerini tanımlayan fonksiyonları kullanma;
Element denklemlerini oluşturma;
Elementleri birleştirme ve düğümlerde dış uyarıcıları uygulama;
Sıcaklık alanı sınır koşullarını göz önünde bulundurarak denklemleri çözme;
Her düğümdeki sıcaklık artışını hesaplama;
Sıcaklık alanı denklemlerine dayanarak element sıcaklık artışını türetme.
2. Kumandaya Monte Dönüşümlerinin Modelleme ve Sıcaklık Alanı Simülasyonu
2.1 Sonlu Eleman Modelleme
Tablo 1, bu makalede seçilen kumandaya monte dönüşümün ilgili parametrelerini listeler. Bu parametrelere dayanarak sonlu eleman modeli oluşturulur. Daha sonra, kumandaya monte dönüşümün yüksek gerilim bobin, düşük gerilim bobin ve demir çekirdeği için basitleştirilmiş modeller oluşturulur.
Model oluşturma sırasında, yüksek gerilim bobinin çıkış terminal bağlantıları oldukça sağlam olduğundan, ilk tasarım aşamasında göz ardı edilir. Basitleştirme amacıyla, demir çekirdeği tek parça yapı olarak modellenir ve interlaminer boşluklar göz ardı edilir (bu boşluklar, malzeme iletkenliğini hesaba katmak için toplu silikon çeliğin özelliklerini kullanılarak ele alınır). Dönüşümün 3B simülasyon modeli Şekil 1'de gösterilmiştir.
Isı verimliliği üzerinde doğal konveksiyonun etkilerini analiz etmek için, simülasyon ortamına (5000mm×5000mm×3000mm boyutlarında) dış hava bölgesi eklenir, böylece dönüşüm etrafındaki hava akış desenlerini gerçekçi bir şekilde modelleme yapılır.
2.2 Kumandaya Monte Dönüşümün Kabini Modeli
Bobinler ve demir çekirdek ısı kaynakları olarak modellenir ve ısı üretim oranları dönüşüm tasarım parametrelerine dayanarak hesaplanır. Hava bölgesi, tepede basınç çıkışları ve altta ve yanlarda dağıtılmış girişlerle yapılandırılır, çevre sıcaklığı 300K olarak ayarlanır. Simülasyonlarda, Rayleigh sayısı temelinde uygun bir karışıklık modeli seçilerek doğal konveksiyon parametreleri elde edilir.
Kabini geometrisi (Şekil 2), karmaşık kompozit yapısı nedeniyle basitleştirilir. Tavanın delikli panelleri ihmal edilir, tüm tavan sürekli bir hava bölgesi olarak ele alınır. Çatı kenarındaki hava çıkışlarının altında poröz medya yerleştirilir, böylece akış direnci simüle edilir. Kabini alt destek kirişlerinin etrafındaki hava bölgesi bağlantılı olarak kabul edilir. Kabini altına ek bir 155mm yüksekliğinde hava tabakası eklenir, bu da temelin ısı verimliliği üzerindeki etkisini hesaba katar.
Oluşturulan modelde, önceden belirlenen alt delikler, üst delikler ve üst-alt delikler, 10 mm kalınlığında (Şekil 3'teki sarı-yeşil blok gibi) poröz medyaya aittir, bu da ağ plakasını simüle eder. Alt deliğin boyutu 1450 × 1200 mm², üst-alt deliklerin boyutu ise 550 × 500 mm²'dir. Modelde ayrıca üç açılan ve bir epoksi plaka belirlenir, ve açılanlar, gerçek duruma göre açık veya kapalı olarak belirlenir. Genellikle, zemin montajlı tip kullanıldığında, üst delik, epoksi plaka ve Açma 1 açık durumdadır; alt delikli tip kullanıldığında, üst delik, alt delik ve Açma 1/2/3 hepsi açık durumdadır.
2.3 Sıcaklık Alanı Dağılım Analizi
Sonra, geometrik modeli ağlandırmak suretiyle sonlu eleman modeli oluşturulur. Doğal konveksiyonun ve iç ağ modelinin birliğini sağlayın, kabini deliklerinde ve hava arayüzünde ağlamayı inceleyin, hesaplama doğruluğunu artırın. Geometrik modele dayanarak, sonlu eleman modeli 401.856 düğüm ve 518.647 ağlamadan oluşur. Kumandaya monte dönüşüm modeli için ana ayarlar:
Sonlu eleman yazılımı kullanarak, sıcaklık alanı modeli gösterir: Bobinler, dönüşümün en yüksek sıcaklığına sahiptir, ardından demir çekirdek gelir; bitişik hava sıcaklığı da yüksek olup, hava yükselirken azalır ve basınç çıkışında çevre sıcaklığı ile eşleşir. İşlem sırasında, sıcak hava genişlemesi, hava birikimine ve çevre hava ile kanal hava arasındaki çarpışmalara (sürekli ısıtma ve hacim artışı nedeniyle) neden olur. Hava viskozitesi, kanal akışını ve akış alanını etkiler. Sıcak hava, zemine yakın hızlanır ve uzaklaşınca yavaşlar; akış-alan teması, kalınlığı nedeniyle ısı aktarım katsayılarını azaltan termal sınır tabakası oluşturur, bu da sıcaklığı ve hava viskozitesini artırırken akış hızını azaltır. Sıcak hava, dönüşümün üzerindeki sıcaklığı değiştirir, sıcaklık termal radyasyonla orantılıdır.
3. Kumandaya Monte Dönüşümlerinin Isı Verimliliği Tasarımı
3.1 Model Analizi
Kumandaya monte dönüşümler, yüksek güvenlik seviyesine sahip kabiler içinde düzenlenir. Kabideki hava devrinin düzgün olması ve dönüşümün ısı verimliliğinin tam olarak kullanılabilmesi için, ekipmanın içinden sıcak hava atmak üzere aksiyal akışlı fanlar yapılandırılmalıdır. Ayrıca, kabini dışında ısı alıcılar kurulmalı, böylece ısı değişimi sağlanır. Isı değişimi aracılığıyla, dönüşümün içindeki hava devri sürekli olarak teşvik edilir.
Kumandaya monte dönüşümlerin işlemesi sırasında, ısı genellikle bobinler ve demir çekirdekler tarafından üretilir. Bu nedenle, tasarım bu iki bileşenin hava akış durumlarına odaklanmalıdır ve ısı verimliliği modelini oluşturmak için ilgili unsurları entegre etmelidir.
3.2 Model Parametrelerinin Belirlenmesi
Kumandaya monte dönüşümler için, iç hava parametreleri ve sıcaklık performans parametreleri arasındaki farklılıklar nispeten küçüktür. Silikon çelik levhaları seçerken, onların ısı dayanımı performansına öncelik verilmelidir. Ayrıca, bakır tel ile yalıtım reçinesi arasındaki sayısal oranı analiz ederek termal performans parametrelerini belirlemelidir.
3.3 Koşul Ayarlama
Kumandaya monte dönüşümün hava giriş ve çıkışındaki ortalama basınç, bir atmosferik presstür. Isı alıcının performansıyla birlikte, soğuk hava sıcaklığı girişi olarak kabul edilir ve sonlu eleman modeli oluşturulur, simetri düzlemi ve hava giriş-çıkış yönü tanımlanır.
3.4 Sonuç Analizi
Modeli oluşturduktan ve sınır koşullarını belirledikten sonra, hesaplamalar yapılır. Analiz, kumandaya monte dönüşümün hava çıkışının en sıcak noktasının olduğunu gösterir, sıcaklık 394.5K'ya (karşılık gelen sıcak nokta sıcaklığı 120.5℃) ulaşır. Demir çekirdeğin en sıcak noktası hava çıkışından uzaktadır ve hesaplanan sıcak nokta sıcaklığı 110℃'dir. Ayrıca, hava giriş ve çıkışlarına yakın olan noktaların ısı verimliliği düşük olur.
3.5 Hava Giriş ve Çıkış Analizi
Hava akış hızındaki değişiklikleri simüle edin: Eğer sıcak yüksek gerilim bobin hava çıkışı yakınına monte edilmişse ve hava çıkışı dik açılı bir yapıya sahipse, bu hava basınçını etkiler, kabideki havayı inceltecek ve ısı verimliliği için olumsuz olacaktır.
Bu temelde, hava çıkışı tasarımını optimize edin: Hava çıkışı yaklaşık 30cm yukarıya taşınır, yüksekliği aynı kalır ve aynı zamanda hava girişinin genişliğini (genellikle 10cm kadar azaltarak) azaltır, böylece kabini'nin toplam uzunluğu 20cm artar. Hesaplamalara göre, bu şema altında, bobinin sıcak nokta ve ortalama sıcaklığı önemli ölçüde azalır. Hava akış hız dağılımını analiz ederek, bobin hava akışının hava çıkışı ne zaman transfer edildiğinde 120° açıda olduğunu gösterir, bu da hava akışının pürüzsüz olduğunu gösterir.
3.6 Özet
Kumandaya monte dönüşümler, elektrik dağıtım sisteminde kritik bir rol oynar. İşlem sırasında üretilen büyük miktardaki ısı zamanında dağıtılamazsa, muhtemelen arızalara neden olur ve sistemin istikrarını tehdit eder. Tasarımcılar, kumandaya monte dönüşümlerin ısı verimliliği sorunlarını derinlemesine analiz etmelidir, sıcaklık alanı değişiklikleriyle birleştirerek, sonlu eleman yöntemi gibi bilimsel yöntemleri kullanarak ısı verimliliği modelleri oluşturmalı, ekipmanın ısı verimliliği sistemini optimize etmelidir ve genel ısı verimliliğini artırmalıdır.
