پیڈ-ماؤنٹڈ ٹرانس فارمرز کے لئے ہیٹ مینجمنٹ ڈیزائن

واقعی کارکرد کے دوران، پڈ-ماؤنٹڈ ترانسفورمرز کو عام طور پر گرمی سے متعلق مسائل کا سامنا کرنا پڑتا ہے:

• ہائی-ٹمپ/ہائی-لوڈ ٹرپس: مستقل ہائی-ٹمپریچر، ہائی-لوڈ شرائط کے تحت ٹرپ کرنے کے لئے مائل ہوتے ہیں۔

• فن اور تھرماسٹیٹ کی فیلیوز: لمبے عرصے تک فن کا استعمال کرنے سے مال فنکشن ہوتی ہے، جس سے تھرماسٹیٹ نقصان پہنچاتی ہے اور گرم ہوا کے خارج ہونے کا راستہ روک دیتی ہے، جس سے کام کرتے ہوئے آپریشن میں خرابی پیدا ہوتی ہے۔

• فن کی براہ راست رکھنے کی مشکلات: فن کو کابینٹ کے اوپر رکھنے سے صرف بجلی کو بند کرنے کی مدد سے صرف مینٹیننس/ ریپلیسمنٹ کی ضرورت پڑتی ہے؛ یہ ترتیب گرمی کو بند کر دیتی ہے، جس سے اندر کی ٹمپریچر کو گرم کر دیا جاتا ہے۔

گرمی کو کم کرنے کو بہتر بنانے کے لئے، یہ مقالہ محدود عنصر تجزیہ کا استعمال کرتے ہوئے 3D ترانسفورمر ماڈل بناتا ہے۔ ٹمپریچر فیلڈ کے تقسیم کو نقشہ کرتے ہوئے، یہ گرمی کے اوور ہیٹنگ ہوٹ سپاٹس کو شناخت کرتا ہے اور کولنگ سسٹم کی ڈیزائن کو بہتر بناتا ہے۔

1. ٹمپریچر فیلڈ کی بنیادیں

ٹمپریچر فیلڈ کا وصف مکانی-زمانی ٹمپریچر کی تبدیلی کرتا ہے، جس میں گرمی کی پیداوار، منتقلی اور تقسیم کو محکم کیا گیا ہوتا ہے۔ پڈ-ماؤنٹڈ ترانسفورمرز کے لئے، گرمی کا مبدا کور، ونڈنگز وغیرہ میں ہوتا ہے۔ آپریشنل شرائط/مدتوں کے ذریعے گرمی کے منظر کو تبدیل کیا جاتا ہے، اور ملٹی-میڈیم تعاملات (کور، ونڈنگز، انسلیشن) نامساوی ٹمپریچر کی تقسیم کرتے ہیں۔

گرمی کا منتقلی کاندکشن (ڈومیننٹ، ونڈنگز/کورز سے گرمی کو گرمی کی رزین کے ذریعے ماحولی ہوا تک منتقل کرنے کا قائد) اور کنفیکشن کے ذریعے ہوتا ہے۔ کاندکشن کی شدت ٹمپریچر گریڈیئنز کے ساتھ متاثر ہوتی ہے—گرم حصوں سے گرمی کو ٹھنڈی رزین میں منتقل کرتی ہے، پھر بیرونی ہوا میں گم ہوتی ہے۔ گرمی کے فلکس کے حسابات کے لئے درج ذیل فارمولہ استعمال کیا جاتا ہے:

فارمولہ میں: q گرمی کے فلکس کثافت کی نمائندگی کرتا ہے;λ گرمی کی کنڈکٹیوٹی کی نمائندگی کرتا ہے; ∂t/∂x ٹمپریچر گریڈیئنٹ ہے، جو ڈسٹنس کے ساتھ ٹمپریچر کی تبدیلی کی شرح کو ظاہر کرتا ہے; n گرمی کے کنورژن کیفیسنٹ ہے۔ جب مختلف مقامات پر ٹمپریچر کی فرق ہوتی ہے تو گرمی کی اصل طور پر ٹمپریچر کو متعادل کرنے کے لئے گردش کرتی ہے، اور یہ ٹمپریچر کی متعادل حالت کو گرمی کا کنفیکشن کہا جاتا ہے۔ پڈ-ماؤنٹڈ ترانسفورمر کے آپریشن کے دوران، مختلف حصوں سے پیدا ہونے والی گرمی کو ہوا کے ساتھ رابطہ ہوتا ہے اور ان کے درمیان منتقل ہوتی ہے، جس سے ماحولی گیس کی ٹمپریچر میں تبدیلی پیدا ہوتی ہے۔ اس عمل کے دوران، گرمی کا منتقلی کنفیکشن کے ذریعے ہوتا ہے، جس کو درج ذیل فارمولہ سے ظاہر کیا جا سکتا ہے:

فارمولہ میں, h کنفیکشن گرمی کے منتقلی کیفیسنٹ ہے, t_f فلیوڈ کی ٹمپریچر کی نمائندگی کرتا ہے، اور t_w آبجیکٹ کی سطح کی ٹمپریچر کی نمائندگی کرتا ہے۔ جب آبجیکٹ کی ٹمپریچر مطلق صفر سے زیادہ ہوتی ہے تو گرمی کی ریڈییشن پیدا ہوتی ہے، عام طور پر گرمی کی ریڈییشن کہا جاتا ہے۔ باقی عوامل غیر متغیر رہنے کے ساتھ، آبجیکٹ کی ٹمپریچر کے بڑھنے کے ساتھ (ٹمپریچر کا ایک مسلسل بڑھتی ہوئی روند) آبجیکٹ کے درمیان پیدا ہونے والی ریڈییشن کی مقدار میں تبدیلی ہوتی ہے۔ پڈ-ماؤنٹڈ ترانسفورمر کے آپریشن کے دوران، ٹرانسفورمر خود کو گرمی کی ریڈییشن سے مستقیم رابطہ نہیں کرتا ہے؛ جب ٹرانسفورمر کی ٹمپریچر متعادل ہو جاتی ہے تو گرمی کی ریڈییشن کا فنکشن گرمی کی ریڈییشن کے ذریعے گرمی کو کم کرنے کو پورا کرتا ہے، اور اس عمل کو درج ذیل فارمولہ سے ظاہر کیا جا سکتا ہے:

فارمولہ میں, S ریڈییشن سطح کی مساحت کی نمائندگی کرتا ہے, T آبجیکٹ کی ٹھرمودائنیک ٹمپریچر ہے، اور σ ریڈییشن کیفیسنٹ ہے۔ پڈ-ماؤنٹڈ ترانسفورمرز کے کولنگ سسٹم کی ڈیزائن کے دوران، محدود عنصر تجزیہ (FEA) کا طریقہ اہم طور پر استعمال کیا جاتا ہے تاکہ گرمی کی متعادل معادلات کو قائم کیا جا سکے۔ حسابات کے ذریعے آبجیکٹ کے ہر نوڈ پر ٹمپریچر کا تعین کیا جا سکتا ہے۔ یہ خصوصی طور پر عملی طور پر کمیل کرنا مشکل ٹمپریچر پوائنٹس کے لئے مفید ہے، اوپٹیمل ہوٹ سپاٹ لوکیشن کو شناخت کرتا ہے، اور پھر کوپلنگ تجزیہ کرتا ہے۔ FEA کے ذریعے ٹمپریچر فیلڈ کو تحلیل کرنے کے بنیادی اصول درج ذیل ہیں:

• تین-بعدي طبیعی میدان کو ڈسکریٹائز کریں;

• ایلیمنٹ کے اندر کسی بھی نوڈ پر ٹمپریچر کی تبدیلی کو فنکشن کے ذریعے وضاحت کریں;

• ایلیمنٹ کے مساوات بنائیں;

• ایلیمنٹ کو ترتیب دیں اور نوڈس پر بیرونی ایکسائٹیشن لگائیں;

• ٹمپریچر فیلڈ کی سرحدی شرائط کو مد نظر رکھتے ہوئے مساوات کا حل کریں;

• ہر نوڈ پر ٹمپریچر کی اضافی کا حساب لگائیں;

• ٹمپریچر فیلڈ کی مساوات کے بنیاد پر ایلیمنٹ کی ٹمپریچر کی اضافی کو حاصل کریں۔

2 پڈ-ماؤنٹڈ ترانسفورمرز کا ماڈلنگ اور ٹمپریچر فیلڈ کا سیمیولیشن
2.1 محدود عنصر کا ماڈلنگ

جدول 1 میں اس مقالے میں منتخب کیے گئے پڈ-ماؤنٹڈ ترانسفورمر کے متعلقہ پیرامیٹرز کی فہرست دی گئی ہے۔ یہ پیرامیٹرز کی بنیاد پر محدود عنصر کا ماڈل تیار کیا گیا ہے۔ بعد میں، پڈ-ماؤنٹڈ ترانسفورمر کے ہائی-ولٹیج ونڈنگ، لو-ولٹیج ونڈنگ، اور آئرن کور کے لئے سادہ ماڈل تیار کیے گئے ہیں۔

ماڈل بنانے کے دوران، ہائی-ولٹیج ونڈنگ آؤٹلیٹ ٹرمینل کے جوڑوں کا کسی حد تک مضبوط ہونے کی وجہ سے، ان کو ابتدائی ڈیزائن مرحلے میں شامل نہیں کیا گیا ہے۔ سادگی کے لئے، آئرن کور کو ایک واحد ساخت کے طور پر ماڈل کیا گیا ہے، انٹر-لامینر گیپ کو نظرانداز کیا گیا ہے (یہ گیپ بلک سلیکون سٹیل کی خصوصیات کے ذریعے مواد کی کنڈکٹیوٹی کو مد نظر رکھتے ہوئے سنبھالے گئے ہیں)۔ ترانسفورمر کا 3D سیمیولیشن ماڈل فگر 1 میں دکھایا گیا ہے۔

گرمی کو کم کرنے کے لئے طبیعی کنفیکشن کے اثرات کو تجزیہ کرنے کے لئے، سیمیولیشن ماحول میں بیرونی ہوا کا ڈومین (5000mm×5000mm×3000mm کے ابعاد) شامل کیا گیا ہے، جس سے ترانسفورمر کے گرد ہوا کے فلاؤ کے مناظر کو حقیقی طور پر ماڈل کیا جا سکتا ہے۔

2.2 پڈ-ماؤنٹڈ ترانسفورمر کا انکلوژن ماڈل

ونڈنگز اور آئرن کور کو گرمی کے سرچن کے طور پر ماڈل کیا گیا ہے، ان کی گرمی کی پیداوار کی شرح کو ترانسفورمر ڈیزائن کے پیرامیٹرز کے بنیاد پر حساب کیا گیا ہے۔ ہوا کا ڈومین اوپر اور سائیڈز پر پریشر آؤٹلیٹس کے ساتھ کنفیگر کیا گیا ہے، جس کی ماحولی ٹمپریچر 300K پر ٹیکسٹ کی گئی ہے۔ سیمیولیشن کے دوران، رائلی نمبر کے بنیاد پر مناسب ٹربیولنس ماڈل کو منتخب کرتے ہوئے طبیعی کنفیکشن کے پیرامیٹرز کو حاصل کیا گیا ہے۔

انکلوژن کی جیومیٹری (فگر 2) اس کی پیچیدہ کمپوزیٹ ساخت کی وجہ سے سادہ کی گئی ہے۔ روف کی پرفوریٹڈ پینل کو نظرانداز کیا گیا ہے، پورا روف کو ایک مستقل ہوا کا ڈومین کے طور پر تصور کیا گیا ہے۔ ایونز کے نیچے کے ہوا کے آؤٹلیٹس پر پورس میڈیا رکھا گیا ہے تاکہ فلاؤ کی مزاحمت کو سیمیولیٹ کیا جا سکے۔ انکلوژن کے نیچے کے سپورٹ بیمز کے گرد ہوا کا ڈومین مربوط سمجھا گیا ہے۔ انکلوژن کے نیچے ایک اضافی 155mm-بلند ہوا کا لاير شامل کیا گیا ہے تاکہ فاؤنڈیشن کا گرمی کو کم کرنے پر اثر مد نظر رکھا جا سکے۔

تیار کیے گئے ماڈل میں، پری-سیٹ نیچے کے سوراخ، اوپر کے سوراخ، اور اوپر-نیچے کے سوراخ سبھی پورس میڈیا کے ہیں، جن کی معمولی مقدار 10 mm ہے (جیسے فگر 3 میں پیلا-سبز بلاک)، یوں میش پلیٹ کو سیمیولیٹ کیا گیا ہے۔ نیچے کے سوراخ کی سپیسیفیکیشن 1450 × 1200 mm² ہے، اور اوپر-نیچے کے سوراخ کی سپیسیفیکیشن 550 × 500 mm² ہے۔ ماڈل میں تین سوراخ اور ایپوکسی پلیٹ بھی شامل ہیں، اور سوراخ کو اصلی حالات کے مطابق کھلا یا بند رکھا جاتا ہے۔ عام طور پر، اگر فلور-ماؤنٹڈ طرز اختیار کیا جاتا ہے، تو اوپر کا سوراخ، ایپوکسی پلیٹ، اور اوپننگ 1 کھلا ہوتا ہے؛ اگر نیچے کا سوراخ والی طرز اختیار کی جاتی ہے، تو اوپر کا سوراخ، نیچے کا سوراخ، اور اوپننگ 1/2/3 سب کھلے ہوتے ہیں۔

2.3 ٹمپریچر فیلڈ کی تقسیم کا تجزیہ

اگلے، جیومیٹریک ماڈل کو مش کرتے ہوئے محدود عنصر کا ماڈل تیار کیا جاتا ہے۔ طبیعی کنفیکشن اور داخلی مش کے ماڈل کی اکائی کو یقینی بنائیں، اور انکلوژن کے سوراخ اور ہوا کے انٹرفیس کے درمیان مش کو بہتر بنائیں تاکہ حسابات کی صحت کو بہتر بنایا جا سکے۔ جیومیٹریک ماڈل کی بنیاد پر، محدود عنصر کا ماڈل 401,856 نوڈس اور 518,647 مش کے ساتھ ہے۔ پڈ-ماؤنٹڈ ترانسفورمر کے ماڈل کے کلیدی سیٹنگز:

• فلوئڈ-سٹرکچر انٹرفیس: ہوا کا انٹرفیس، گرمی کی تحفظ کے لئے نو-سلپ حالت۔

• آڈیابیٹک سرخیاں: روف کا اوپری حصہ، نیچے کے سپورٹ بیمز کے سائیڈز، اور بیرونی ہوا۔

• گرمی کے کنڈکٹنگ سرخیاں: انکلوژن کے سائیڈز (1mm-چوڑی سٹیل کی پلیٹ)، تمام انکلوژن کے دیوار (2mm-چوڑی سٹیل کی پلیٹ)، اوپر کے سوراخ کھلے ہیں اور نیچے کے سوراخ بند ہیں۔

محدود عنصر سافٹوئیر کا استعمال کرتے ہوئے، ٹمپریچر فیلڈ کا ماڈل ظاہر کرتا ہے: ترانسفورمر میں ونڈنگز کی ٹمپریچر سب سے زیادہ ہوتی ہے، پھر آئرن کور؛ ملحقہ ہوا کی ٹمپریچر بھی زیادہ ہوتی ہے، جب ہوا کی ٹمپریچر کی پریشر آؤٹلیٹ کے ساتھ ماحولی ٹمپریچر کے مطابق کم ہوجاتی ہے۔ آپریشن کے دوران، گرم ہوا کی توسیع سے گرم ہوا کا تکمیل ہوتا ہے اور ماحولی اور ڈکٹ کی ہوا کے درمیان تصادم ہوتا ہے (مستقل گرمی اور حجم کی اضافے کی وجہ سے)۔ ہوا کی ویسکوسٹی ڈکٹ کے فلاؤ اور فلاؤ فیلڈ کو متاثر کرتی ہے۔ گرم ہوا زمین کے قریب تیز ہوتی ہے اور دور ہوتے ہوئے کم ہوتی ہے؛ فلاؤ-سرخیاں کا رابطہ گرمی کا باونڈری لاير بناتا ہے، جس کی چوڑائی کی وجہ سے گرمی کے کنڈکشن کیفیسنٹ کم ہوتا ہے، گرمی اور ہوا کی ویسکوسٹی میں اضافہ ہوتا ہے اور فلاؤ کی رفتار کم ہوتی ہے۔ گرم ہوا ترانسفورمر کے اوپر ٹمپریچر کو تبدیل کرتی ہے، جس کی ٹمپریچر گرمی کی ریڈییشن کے تناسب میں ہوتی ہے۔

3 پڈ-ماؤنٹڈ ترانسفورمرز کی گرمی کو کم کرنے کی ڈیزائن
3.1 ماڈل کا تجزیہ

پڈ-ماؤنٹڈ ترانسفورمرز کو ایک اینکلوژن کے اندر ترتیب دیا گیا ہے جس کی سلامتی کی سطح زیادہ ہے۔ انکلوژن کے اندر ہوا کے آسان فلاؤ کو یقینی بنانے اور ترانسفورمر کی گرمی کو کم کرنے کی کارکردگی کو پورا کرنے کے لئے، ایکسیل فلو فن کی ضرورت ہوتی ہے تاکہ گرم ہوا کو ڈوائری کے اندر سے باہر کی طرف نکالا جا سکے۔ میں ہیں، اینکلوژن کے باہر ہیٹ سنک لگائے گئے ہیں تاکہ ہیٹ ایکسچینج کو حاصل کیا جا سکے۔ ہیٹ ایکسچینج کے ذریعے، ترانسفورمر کے اندر ہوا کا مسلسل سرکلیشن کیا جا سکتا ہے۔

پڈ-ماؤنٹڈ ترانسفورمرز کے آپریشن کے دوران، گرمی کا متبادل ونڈنگز اور آئرن کورز سے ہوتا ہے۔ اس لئے، ڈیزائن کو ان دونوں کمپوننٹس کی ہوا کے فلاؤ کی حالتوں پر توجہ مرکوز کرنی چاہئے اور گرمی کو کم کرنے کے ماڈل کو بنانے کے لئے متعلقہ عناصر کو ملایا جانا چاہئے۔