Конструкція системи термального управління для трансформаторів на підставі
Під час фактичної роботи, перетворювачі в шафі стикаються з типовими проблемами, пов'язаними з нагріванням:
Для оптимізації тепловідведення, ця робота використовує аналіз скінченних елементів для створення тривимірної моделі перетворювача. Відображаючи розподіл температурних полів, вона визначає перегріті зони та вдосконалює дизайн системи охолодження.
1. Основи температурного поля
Температурне поле описує просторово-часові варіації температури, де генерація, передача та розподіл тепла є тісно пов'язаними. Для перетворювачів в шафі, тепло виробляється в серцевинах, обмотках тощо. Умови та тривалість роботи змінюють патерни тепла, а взаємодія багатьох середовищ (серцевин, обмоток, ізоляції) створює нерівномірний розподіл температур.
Тепло передається через теплопровідність (домінуюча, яка переміщує тепло від обмоток/серцевин через ізоляційну смолу до оточуючого повітря) та конвекцію. Інтенсивність теплопровідності корелює з градієнтами температур — тепло переміщується від гарячих компонентів до холоднішої смоли, а потім розсіюється у зовнішнє повітря. Обчислення теплового потоку відбувається за формулою:
У формулі: q — це густота теплового потоку; λ — це коефіцієнт теплопровідності; ∂t/∂x — це градієнт температури, який відображає швидкість зміни температури з відстанню; n — це коефіцієнт перетворення тепла. Коли є різниця температур на різних позиціях, тепло в основному циркулює, щоб збалансувати температуру, і цей стан балансу температур називається тепловою конвекцією. Під час роботи перетворювача в шафі, тепло, виділене різними частинами, контактує з повітрям та передається між ними, викликаючи зміни температури оточуючого газу. У процесі передачі тепла досягається через теплову конвекцію, яка може бути виражена наступною формулою:
У формулі: h — це коефіцієнт теплової конвекції, tf — це температура рідини, а tw — це температура поверхні об'єкта. Коли температура об'єкта вища за абсолютний нуль, відбуватиметься теплове випромінювання, яке зазвичай називається тепловим випромінюванням. При інших невідмінних факторах, кількість випромінювання між об'єктами буде змінюватися зі зростанням температури (зі збереженням неперервного зростання). Під час роботи перетворювача в шафі, обладнання не має прямого контакту з тепловим випромінюванням; коли температура перетворювача стабілізується, його функція теплового випромінювання буде відводити тепло через теплове випромінювання, і цей процес можна виразити наступною формулою:
У формулі: S — це площа радіації, T — це термодинамічна температура об'єкта, а σ — це сталa радіації. При проектуванні системи тепловідведення для перетворювачів в шафі, головним чином використовується метод аналізу скінченних елементів (FEA) для встановлення рівнянь теплового рівноваги. Через обчислення можна визначити температуру кожного вузла об'єкта. Це особливо корисно для вимірювання точок температури, які важко отримати на практиці, визначення оптимальних точок перегріву, а потім проведення сполученого аналізу. Основні принципи розкладання температурного поля за допомогою FEA такі:
Дискретизація тривимірної фізичної області;
Використання функцій для опису варіацій температури в будь-якому вузлі елемента;
Створення рівнянь елементів;
Сборка елементів та застосування зовнішніх збуджень у вузлах;
Розв'язання рівнянь, враховуючи граничні умови температурного поля;
Обчислення підвищення температури в кожному вузлі;
Виведення підвищення температури елемента на основі рівнянь температурного поля.
2 Моделювання та симуляція температурного поля перетворювачів в шафі
2.1 Моделювання скінченних елементів
Таблиця 1 наводить відповідні параметри перетворювача в шафі, обраного в цій роботі. На основі цих параметрів будується модель скінченних елементів. Потім, створюються спрощені моделі для високовольтних обмоток, низьковольтних обмоток та серцевини перетворювача в шафі.
Під час побудови моделі, оскільки зварні з'єднання виходів високовольтних обмоток є достатньо міцними, вони не беруться до уваги на початковому етапі дизайну. Для спрощення, серцевина моделюється як монолітна структура, з ігноруванням міжлистових зазорів (ці зазори враховуються за допомогою властивостей масивної силиконової сталі, щоб врахувати провідність матеріалу). Тривимірна симуляційна модель перетворювача показана на рисунку 1.
Для аналізу впливу природної конвекції на тепловідведення, до симуляційного середовища додається зовнішня область повітря (з розмірами 5000 мм × 5000 мм × 3000 мм), що дозволяє реалістично моделювати патерни потоку повітря навколо перетворювача.
2.2 Модель шафи перетворювача в шафі
Обмотки та серцевина моделюються як джерела тепла, з їхньою продуктивністю генерації тепла, обчисленими на основі параметрів проектування перетворювача. Область повітря налаштовується з вихідними отворами на верху та входовими отворами, розподіленими вздовж нижньої та бічних сторін, зі збереженням температури оточення, встановленої на 300 К. Під час симуляцій, параметри природної конвекції виводяться шляхом вибору відповідної моделі турбулентності на основі числа Релея.
Геометрія шафи (рисунок 2) спрощена через її складну композитну структуру. Перфоровані панелі на даху ігноруються, обробляючи весь дах як неперервну область повітря. Пористі середовища розміщуються під даховими світанками, щоб моделювати опір потоку. Область повітря навколо нижніх опорних балок шафи розглядається як з'єднана. Додатковий 155-мм шар повітря додається під шафою, щоб врахувати вплив фундаменту на тепловідведення.
У встановленій моделі, передні нижні отвори, верхні отвори та верхні-нижні отвори належать до пористих середовищ, з товщиною 10 мм (наприклад, жовто-зелений блок на рисунку 3), таким чином моделюючи решітку. Розмір нижнього отвору становить 1450 × 1200 мм², а розмір верхніх-нижніх отворів становить 550 × 500 мм². Також в моделі встановлені три отвори та епоксидна плита, і стан відкриття або закриття визначається відповідно до реальних умов. Зазвичай, якщо використовується напівпідлоговий тип, верхній отвір, епоксидна плита та відкриття 1 знаходяться в відкритому стані; якщо використовується тип з нижніми отворами, верхній отвір, нижній отвір та відкриття 1/2/3 всі знаходяться в відкритому стані.
2.3 Аналіз розподілу температурного поля
Далі, будується модель скінченних елементів, розширення геометричної моделі. Забезпечте єдність природної конвекції та внутрішніх моделей сітки, та вдосконалюйте розширення сітки в отворах шафи та на межах повітря, щоб покращити точність обчислень. На основі геометричної моделі, модель скінченних елементів має 401,856 вузлів та 518,647 сіток. Основні налаштування для моделі перетворювача в шафі:
З використанням програмного забезпечення для скінченних елементів, модель температурного поля показує: Обмотки мають найвищу температуру у перетворювачі, за якими слідує серцевина; сусіднє повітря також має високу температуру, яка зменшується під час підйому повітря, поки не збігається з температурою оточуючого середовища на вихідному отворі. Під час роботи, розширення гарячого повітря призводить до його накопичення та зіткнень між оточуючим та каналовим повітрям (через постійне нагрівання та збільшення об'єму). В'язкість повітря впливає на потік у каналах та поле потоку. Гарячий повітря прискорюється біля землі та сповільнюється віддалено; контакт потоку-поверхні створює тепловий граничний шар, який, через свою товщину, зменшує коефіцієнти теплопередачі, збільшуючи температуру та в'язкість повітря, але зменшуючи швидкість потоку. Гарячий повітря змінює температуру над перетворювачем, з температурою, що пропорційна тепловому випромінюванню.
3 Проектування системи тепловідведення перетворювачів в шафі
3.1 Аналіз моделі
Перетворювачі в шафі розташовані всередині шаф з високим рівнем безпеки. Для забезпечення гладкого обігу повітря всередині шафи та максимального використання системи тепловідведення перетворювача, потрібно налаштувати осьові вентилятори для викиду гарячого повітря з внутрішньої частини обладнання. Одночасно, зовні шафи встановлюються радиатори для досягнення теплообміну. Через теплообмін можна сприяти постійному обігу повітря всередині перетворювача.
Під час роботи перетворювачів в шафі, тепло в основному генерується обмотками та серцевиною. Тому, дизайн повинен зосередитися на станах потоку повітря цих двох компонентів та інтегрувати відповідні елементи для побудови моделі тепловідведення.
3.2 Визначення параметрів моделі
Для перетворювачів в шафі, різниця між параметрами внутрішнього повітря та параметрами температурної продуктивності є досить невеликою. При виборі силиконової сталі, її теплостійкість повинна бути пріоритетною. Одночасно, аналізується числовий співвідношення медних дротів до ізоляційної смоли, щоб визначити теплові параметри продуктивності.
3.3 Налаштування умов
Середнє тиснення на вхідному та вихідному отворах перетворювача в шафі становить одну атмосферу. Разом з продуктивністю радиатора, температура холодного повітря використовується як вхідна умова для створення моделі скінченних елементів, і визначається симетрична площина та напрямок вхідного-вихідного повітря.
3.4 Аналіз результатів
Після створення моделі та встановлення граничних умов, проводяться обчислення. Аналіз показує, що вихідний отвір повітря перетворювача в шафі є найгарячішою точкою, з температурою, що досягає 394.5 К (що відповідає температурі гарячої точки 120.5 ℃). Найгарячіша точка серцевини знаходиться далеко від вихідного отвору, і обчислена температура гарячої точки становить 110 ℃. Крім того, позиції, близькі до вхідних та вихідних отворів, мають погану продуктивність тепловідведення.
3.5 Аналіз вхідного та вихідного повітря
Симулюється зміна швидкості потоку повітря: Якщо високовольтна обмотка розташована близько до вихідного отвору повітря, і вихідний отвір має прямокутну структуру, це вплине на тиск повітря, роблячи повітря всередині оболонки рідким і несприятливим для тепловідведення.
На основі цього, оптимізується дизайн вихідного отвору: Вихідний отвір піднімається приблизно на 30 см, зберігаючи висоту, і одночасно зменшується ширина вхідного отвору (основно на 10 см), так що загальна довжина шафи збільшується на 20 см. Після обчислення, за цим сценарієм, температура гарячої точки та середня температура обмотки значно зменшуються. Аналізуючи розподіл швидкості потоку повітря, потік повітря обмотки показує кут 120° при переході до вихідного отвору, що вказує на гладкий потік повітря.
3.6 Висновки
Перетворювачі в шафі грають ключову роль в системі розподілу електроенергії. Якщо велика кількість тепла, виділена під час роботи, не може бути своєчасно відведена, це може призвести до відмов та загрозити стабільності системи. Дизайнерам потрібно глибоко аналізувати проблеми тепловідведення перетворювачів в шафі, поєднувати зі змінами температурного поля, використовувати наукові методи, такі як метод скінченних елементів, для створення моделей тепловідведення, оптимізувати систему тепловідведення обладнання та підвищити загальну ефективність тепловідведення.
