Methodenartikel

Vergleichende Studie zur Simulation des Temperaturanstiegs in der Ringhaupteinheit

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DOI:

10.3791/66643

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5. Juli 2024

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1College of Mechanical and Electrical Engineering, Wenzhou University, 2Institute of Laser and Optoelectronic Intelligent Manufacturing, Wenzhou University, 3Wecome Intelligent Manufacturing Co., Ltd., 4College of Mechanical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieser Artikel befasst sich mit dem Problem des Temperaturanstiegs der Ringhaupteinheit, indem ein vereinfachtes Modell erstellt und eine vergleichende Analyse in zwei Temperaturfeldlösungsmodulen durchgeführt wird.

Zusammenfassung

Die Ring-Main-Unit (RMU) ist ein kritisches Gerät in Stromverteilungssystemen, die zum Anschließen und Verteilen von Elektrizität verwendet werden. Aufgrund des kompakten internen Aufbaus und der hohen Strombelastung sind jedoch Probleme mit der Wärmeableitung besonders ausgeprägt. Um dieses Problem anzugehen, schlägt diese Studie ein vereinfachtes RMU-Modell vor, das Finite-Elemente-Simulationsmethoden verwendet, um die ohmschen Verluste von Leitern unter realen Betriebsbedingungen genau zu lösen und ohmsche Verlustdaten für verschiedene Komponenten zu erhalten. Dies ist die erste eingehende Untersuchung des Problems des Temperaturanstiegs der RMU mit einem so umfassenden Ansatz. Anschließend wurde das Temperaturfeld mit zwei verschiedenen Temperaturfeldanalysemodulen gelöst, mit einem detaillierten Vergleich und einer detaillierten Analyse der Simulationsergebnisse, um Ähnlichkeiten, Unterschiede und Trends in der Temperaturverteilung zu identifizieren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Temperaturfeldlösungsmodell, das die konvektive Wärmeübertragung berücksichtigt, genauer ist und sich an den tatsächlichen Betriebsbedingungen orientiert. Diese Forschung bietet einen innovativen Ansatz und praktische Lösungen für das Design und die Optimierung von RMUs. Zukünftige Forschungsarbeiten können multiphysikalische Kopplungsanalysemethoden weiter erforschen, um strukturelle Design- und obligatorische Validierungsprobleme für Hoch- und Ultrahochspannungs-RMUs und andere elektrische Geräte zu lösen und so wichtige Erkenntnisse für das technische Design zu liefern.

Einleitung

Die Ringhaupteinheit ist eine Gruppe von Hochspannungsschaltanlagen, die in einem Stahlmetallgehäuse montiert sind oder aus einer montierten Ringnetznetzeinheit für elektrische Geräte bestehen. Die Gesamtstruktur des Lastschalters und des leitenden Stromkreises besteht aus dem leitenden Stromkreis, der eine Reihe von Komponenten umfasst, die den Hauptkern der Ringeinheit bilden. Aufgrund ihrer kompakten internen Struktur steht die Ringhaupteinheit jedoch vor Herausforderungen bei der Wärmeableitung. Dies kann bei längerem Betrieb in Umgebungen mit hohen Temperaturen zu thermischer Verformung und Alterung führen. Diese Probleme beeinträchtigen nicht nur die Lebensdauer des Geräts, sondern auch seine isolierenden Eigenschaften und stellen ein Sicherheitsrisiko dar. Insbesondere Geräteschäden und Elektrounfälle werden wahrscheinlicher, was ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt.

In verschiedenen Forschungsbereichen haben Wissenschaftler eine Reihe von Studien zum Temperaturanstieg von Freileitungsschaltanlagen durchgeführt und verschiedene Faktoren analysiert, die die Temperaturverteilung beeinflussen1. In Polykrati et al.2 wird ein mathematisches Modell zur Abschätzung des Temperaturanstiegs von Komponenten, die während eines Kurzschlussfehlers im Verteilnetz installiert sind, vorgestellt. Das Modell wurde auf die gängigen Trennschalter des Netzwerks angewendet, und die Eigenschaften der Ergebnisse wurden entsprechend den verschiedenen Formen des asymmetrischen Teils der Kurzschlussstromwellenform und dem Anfangswert der Kurzschluss-Gleichstromkomponente aufgetragen. Guan et al. hingegen haben den Kontaktwiderstand und die elektromagnetische Abstoßung berücksichtigt, indem sie eine äquivalente Kontaktbrücke zur Simulation der Kontaktgrenzfläche gebaut und das elektromagnetisch-thermische Kopplungsfeld- und Temperaturanstiegsexperiment weiter analysiert3. Darüber hinaus untersuchten die Forscher die Temperaturfeld- und thermische Spannungsverteilung der dynamischen und statischen Kontakte im Inneren der Ringhaupteinheit durch Finite-Elemente-Simulation, die eine Grundlage für die Untersuchung der Lebensdauer von Leistungsschalternlieferte 4. Schließlich haben sich Mueller et al. auf die geometrischen Eigenschaften von Kühlkörpern konzentriert und die Auswirkungen der Materialauswahl, der Gesamtoberfläche, der Temperaturgleichmäßigkeit und der maximalen Oberflächentemperatur auf die thermische Leistungbewertet 5. Diese Studien liefern wertvolle Erkenntnisse und Methoden, um die Leistung und Zuverlässigkeit von Schaltanlagen zu verbessern, den Temperaturanstieg zu reduzieren und die Lebensdauer der Geräte zu verlängern. Wang et al. schlugen ein MiNET Deep Learning Model (MDLM) in der UPIOT-Umgebung vor, um die Fehlerdiagnose von elektrischen Ringschränken zu erkennen, das mit einer Identifikationsgenauigkeit von 99,1 % validiert wurde, was deutlich höher ist als die anderer Methoden6. Lei et al. untersuchten das thermische Verhalten einer GIS-Stromschiene im stationären Zustand mit der Analysemethode der magnetofluid-thermischen Kopplung und optimierten dadurch den Leiter- und Tankdurchmesser auf der Grundlage der Ergebnisse der Temperaturanstiegssimulation7. Ouerdani et al. verwendeten das RMU-Temperaturanstiegssimulationsmodell, um den Temperaturanstieg an kritischen Stellen im Inneren zu bestimmen und damit die Dauer der maximalen Überlastung für die Komponenten innerhalb der RMU entsprechend festzulegen8. Zheng et al. beschrieben eine konventionelle rechteckige Stromschiene in einem Modell einer Hochstromschaltanlage, indem sie ein zweidimensionales Modell erstellten und die Finite-Elemente-Methode (FEM) für die Berechnung elektromagnetischer Felder anwandten. Es ermöglichte ihnen, die Verteilung der Stromdichte und der Verlustleistung des Busleiters zu ermitteln. Eine unregelmäßige Stromschiene wurde unter Berücksichtigung der Auswirkungen des Proximity-Effekts und des Skin-Effekts entwickelt. Dieses unregelmäßige Stromschienendesign verbesserte die Leistung der herkömmlichen rechteckigen Stromschiene9.

Was den Aspekt der Verwendung der Icepak-Simulation betrifft, so führten Wang et al. eine Temperaturanstiegssimulation durch Wirbelfeld-, Luftströmungsfeld- und Temperaturfeldtheorien durch und fanden heraus, dass der Temperaturanstieg der Ringhaupteinheit unter natürlicher Konvektion gravierender war. Sie reduzierten erfolgreich den Temperaturanstieg, indem sie eine forcierte Luftkühlung hinzufügten und die interne Kontaktstruktur10 verbesserten. Zhu et al.11 verwendeten das Icepak, um ein thermisches Modell zu simulieren, um den Einfluss des Vorhandenseins von thermischen Durchkontaktierungen auf der Leiterplatte und des Vorhandenseins von Kühlkörpern auf die Temperatur der Leistungsbauelemente zu vergleichen. Abschließend wird die theoretische Analyse mit den Simulationsergebnissen verglichen, um die Richtigkeit der theoretischen Analyse zu überprüfen. Mao et al.12 untersuchten die Temperatur- und interne Luftströmungsverteilung unter sommerlichen Betriebsbedingungen durch thermische Simulation auf Basis der CAE-Software in der icepak-Simulation. Das Problem, wie die Kühleffizienz verbessert und der Temperaturanstieg mehrerer versilberter Kontakte kontrolliert werden kann, ist gegeben, und die in der Simulation erfassten Temperatur- und internen Luftströmungskonturen legen die Grundlage für die Gestaltung des Kühlschemas für die sechs versilberten Kontakte, die in der Dichtungseinheit montiert sind. Umgekehrt werden bei der Verwendung eines stationären thermischen Moduls Zhang13 Modellierungsmethoden zur Lösung des thermischen Netzwerks einer Hochdruckdurchführung unter Verwendung eines alternativen transienten Verfahrens diskutiert. Die Test- und Simulationsergebnisse stimmen gut mit dem thermischen stationären und transienten Zustand der Buchse überein. Die transienten Ergebnisse werden dann verwendet, um die Überlastfähigkeit der Buchse zu bewerten. Vaimann et al.14 entwickelten und analysierten ein analytisches thermisches Modell eines Synchronreluktanzmotors zur Vorhersage der Temperatur seiner verschiedenen Komponenten und des eingestellten thermischen Gesamtparameternetzwerks.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Forschung an elektrischen Geräten wie Ringleitungseinheiten sind herkömmliche Temperaturanstiegstests und Produktionsmethoden relativ ineffizient. Durch den Einsatz der Finite-Elemente-Technologie in Kombination mit Offline-Tests werden daher nicht nur die Probleme der Designkosten gelöst, sondern es können zeitnah Anpassungen und Optimierungen an realen Problemen auf der Grundlage von Simulationen vorgenommen werden. Basierend auf den oben genannten Forschungsfortschritten wird die Verwendung von ANSYS Icepak und stationärer thermischer Kopplung für vergleichende Analysen selten erwähnt. Daher beschreibt das Protokoll die Mechanismusforschung von finiten Elementen, verwendet numerische und morphologische Kombinationen, um ein Simulationsmodell für den Temperaturanstieg der Finite Elemente für das Gehäuse zu erstellen, und diskutiert das Simulationsmodell für den Temperaturanstieg der finiten Elemente auf der Grundlage der Ergebnisse der beiden analytischen Module, indem die Ergebnisse der beiden Simulationsmodule verglichen werden. Durch den Vergleich zwischen den beiden Simulationsmodulen erhalten wir die Eigenschaften des Temperaturanstiegstrends der Ringhaupteinheit und finden die am besten geeignete Methode, um die notwendige Grundlage und Forschungsideen für eine Strategie zur Abschwächung des Temperaturanstiegs der Ringleitungseinheit bereitzustellen.

Protokoll

1. Modell

HINWEIS: Aufgrund der komplexen Struktur der Ring-Haupteinheit (Abbildung 1A) wurde eine Online-Konstruktionssoftware gewählt, um die Bedienung der Ring-Haupteinheit zu vereinfachen.

  1. Vereinfachung der Modellierung
    1. Vereinfachen Sie das Modell teilweise, indem Sie den Airbox-Abschnitt der RMU beibehalten, während andere Komponenten wie Isolierwellen, Befestigungsschrauben, Muttern, Dichtungskomponenten und Druckstützhalterungen entfernt oder vereinfacht werden. Die vereinfachte Version ist in (Abbildung 1B) dargestellt.
      1. Um die Ringhaupteinheit vom Typ 630A zu vereinfachen, entfernen Sie die isolierte Welle, die den Leistungsschalterraum mit dem Instrumentenkasten verbindet, sowie viele feste Schrauben und Muttern. Nehmen Sie die Dichtungsteile und die Druckhaltehalterung heraus und verbinden Sie die statischen Kontakte des isolierten statischen Strahls mit der unteren Abzweigsammelschiene unter der Prämisse, dass der gesamte Aufbau den gleichen Leitungsstrom hat und nur der Vakuum-Leistungsschalter, die Befestigungsplatte des Leistungsschalters und die statischen Kontakte und der Vakuum-Leistungsschalter erhalten bleiben.
      2. Behalten Sie nur den Vakuumschutzschalter, die Befestigungsplatte für den Leistungsschalter, den statischen Kontakt und die Blockierplatte des Vakuumschutzschalters bei. Entfernen Sie insgesamt Schrauben und Dichtungen aus dem Modell, füllen Sie die Löcher nach dem Entfernen der Schrauben mit Volumenkörpern, reduzieren Sie die Anzahl der Netzteile, und optimieren Sie die unregelmäßigen Formen der Teile. Entfernen Sie Instrumente für den Schaltschrankbetrieb, Montageplatten, Halterungen und andere Bedienungsteile, wie z. B. Instrumentenkästen, die keinen Einfluss auf den Simulationsprozess des Temperaturanstiegs haben.
      3. Das Entfernen der isolierten Gehäuse einiger Komponenten kann bei der Simulation vernachlässigt werden, da sie nur einen geringen Einfluss auf die Simulationsergebnisse haben. Darüber hinaus werden sie durch Erdungsschalter, die sich nicht auf die Nutzung des Geräts während des normalen Betriebs auswirken, entfernt und der Schalter bleibt für die Simulation frei.
    2. Um einen Abschnitt zu löschen, wählen Sie ihn einfach aus und klicken Sie auf die Option Löschen .

2. Wirbelfeld-Lösung

  1. Einstellungen für die Vorverarbeitung
    HINWEIS: Die Wirbelstromfeldemulation ist die Grundlage für die Durchführung der Temperaturfeldlösung, die die anschließende Analyse der gelösten Wärmequelle als Belastung des Temperaturfeldes erfordert.
    1. In der Gerätedokumentation für das Ringleitungsgerät und in den entsprechenden Handbüchern finden Sie Informationen zu den physikalischen Eigenschaften und Parametern der einzelnen Komponenten des Ringnetzteils. Legen Sie die physikalischen Attribute und Parameter der Komponenten der Ringhaupteinheit in Maxwell auf der Grundlage der erhaltenen Informationen fest, wie in Tabelle 1 beschrieben.
    2. Stellen Sie den Wirbelstrom auf 630 A mit einer Frequenz von 50 Hz ein. Wählen Sie in der Maxwell-Software Eine Seite des oberen und unteren ausgehenden Arms, geben Sie das Erregermodul ein und stellen Sie die Stromstärke auf 630 A ein. Wählen Sie im Abschnitt Lösungseinstellungen eine Frequenz von 50 Hz aus.
      HINWEIS: Im leitenden Stromkreis eines Ringnetzteils wird der Weg, der von allen Komponenten vom oberen Auslassarm zum unteren Auslassarm gebildet wird, als Phasenfolge bezeichnet. Daher sind in dieser Arbeit die Phasen A, B und C von links nach rechts angeordnet.
    3. Die Materialparameter der Komponenten der Ringhaupteinheit sind in Tabelle 2 dargestellt.
    4. Leiten Sie den Strom durch die abgehenden Leitungsarme, flexiblen Anschlüsse, Stromschienen, Leistungsschalter, Stromschienen für statische Kontakte und Abzweigsammelschienen für jede Phase. Ziel ist es, einen Strompfad zu realisieren, der es den Komponenten ermöglicht, die Last zu vervollständigen.
    5. Nutzen Sie die adaptive Vernetzung von Maxwell, um die Rastersteuerung für das Modell zu vervollständigen. Verwenden Sie die adaptive Netzpartitionierungsmethode Maxwell für größere Komponenten und die lokale Netzverfeinerung für kleinere interne Komponenten.
      HINWEIS: Maxwell kann die Rastergenauigkeit während des Lösungsprozesses kontinuierlich verbessern, sodass Sie nicht mehr auf Netzoperationen klicken müssen, um zusätzliche Netzpartitionierungen zu erhalten.
    6. Legen Sie die Schrittweite der Lösung fest. Klicken Sie im Modellbaum auf Analyse , öffnen Sie die Einstellungen für den Lösungsschritt, und legen Sie die maximale Anzahl der Durchgänge auf 10 fest. Behalten Sie die Standardwerte bei, ohne Änderungen vorzunehmen.
  2. Prinzip der Wirbelstromfeldberechnung15,16.
    1. Verwenden Sie die erste Gleichung von Maxwell, die die Wirkung der Ladung auf die Erzeugung eines elektrischen Feldes17 beschreibt.
      figure-protocol-1(1)
      wobei ρ die Ladungsdichte darstellt; ε0 stellt die Dielektrizitätskonstante des Vakuums dar.
    2. Verwenden Sie die zweite Gleichung von Maxwell, die die Beziehung zwischen einem sich ändernden Magnetfeld und einem elektrischen Feld und die Wirkung eines Magnetfeldes auf die Bewegung einer Ladung beschreibt.
      figure-protocol-2(2)
      wobei figure-protocol-3 die Magnetfeldstärke darstellt. Diese Gleichung beschreibt, dass ein variierendes Magnetfeld ein elektrisches Wirbelfeld erzeugt, d.h. der Spin des elektrischen Wirbelfeldes ist gleich dem Minus der Änderungsrate des Magnetfeldes mit der Zeit.
    3. Verwenden Sie die dritte Gleichung von Maxwell, die die Wirkung der magnetischen Ladung auf die Erzeugung eines Magnetfeldes beschreibt.
      figure-protocol-4(3)
      Diese Gleichung beschreibt das von einer magnetischen Ladung erzeugte Magnetfeld als passiv, d.h. es gibt keine Monopole im Magnetfeld.
    4. Verwenden Sie die vierte Gleichung von Maxwell, die die Beziehung zwischen einem variierenden elektrischen Feld und einem Magnetfeld und die Wirkung eines elektrischen Stroms auf ein Magnetfeld beschreibt.
      figure-protocol-5(4)
      wobei figure-protocol-6 die Stromdichte und μ0 die Vakuumdurchlässigkeit darstellt. Diese Gleichung beschreibt, dass ein variierendes elektrisches Feld ein Wirbelmagnetfeld erzeugt, d.h. der Spin des Wirbelmagnetfeldes ist gleich der Summe aus der Stromdichte und der Änderungsrate des elektrischen Feldes mit der Zeit.
    5. Verwenden Sie auf der Grundlage der obigen Gleichungen das Maxwell 3D-Modul mit Wirbelstromlöser, um den ohmschen Verlust zu lösen, der durch den leitenden Schaltkreis in der RMU erzeugt wird, der eine Wärmequelle für die anschließende thermische Simulationsanalyse darstellt. Sein mathematischer Ausdruck wird mit18 angegeben
      figure-protocol-7(5)
      wobei σ die Leitfähigkeit des leitenden Schleifenmaterials bezeichnet; J ist die Stromdichte in der Schleife.
  3. Berechnungsergebnisse
    1. Klicken Sie in der Benutzeroberfläche auf die Option Maxwell 3D und öffnen Sie die Validierungsprüfung, um alle Einstellungen auf Fehler zu überprüfen. Wenn keine Fehler angezeigt werden, klicken Sie auf Alle analysieren , um den Lösungsvorgang zu starten.
    2. Verwenden Sie den Nachbearbeitungsrechner von Maxwell, um die ohmschen Verluste im Wirbelstromfeld der Ringhaupteinheit zu berechnen und darzustellen, wie in Tabelle 3 gezeigt.

3. Temperaturfeld-Lösung

HINWEIS: Unterteilen Sie das Temperaturfeld zu Vergleichszwecken in Icepak und stationäre Wärme. Richten Sie jedes Gerät separat ein, und lösen Sie es, um eine vergleichende Analyse zu erhalten.

  1. Aufbau des Icepak-Modells
    1. Legen Sie die Materialeigenschaften wie folgt fest: Kennzeichnen Sie alle Volumenmaterialien der Schaltkreise als Cu-rein, mit Oberflächen mit Cu-polierter Oberfläche. Wählen Sie für die Plattenkomponenten das Material Aluminium6061-T6 mit einer Oberflächenbeschichtung aus Paint-AL-Oberfläche mit einem Emissionsgrad von 0,35. Einzelheiten finden Sie in Tabelle 4 . Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die ausgewählte Komponente, klicken Sie auf Bearbeiten , und wechseln Sie dann zu Eigenschaften , um das Material sowohl für die Fläche als auch für das Volumenmaterial festzulegen.
    2. Wählen Sie das Modell aus und klicken Sie im Menü Bearbeiten auf Festlegen , dann wählen Sie Multilevel-Vernetzungsebene , um die Netzeinstellungen anzupassen. Legen Sie den externen Schrank auf eine Netzebene von 2 und alle Berandungen auf eine Netzebene von 2 fest. Legen Sie für alle anderen Komponenten die Netzebene auf 3 fest. Öffnen Sie abschließend das Mesh-Steuerelement und klicken Sie auf Generieren , um das Mesh zu erstellen.
    3. Um die Genauigkeit und Effizienz der Simulation unabhängig von der Netzgröße zu gewährleisten, ist eine Validierung der Netzunabhängigkeit erforderlich. Importieren Sie das geometrische Modell des Temperaturfeldgehäuses, das mit der Bemessungssoftware für die Vernetzung erstellt wurde.
    4. Wie in Abbildung 2 dargestellt, sind die Polarisationskurven der vier Gittersätze gut ausgerichtet. Bei einer Arbeitsspannung von 0,5 V betragen die Stromdichten für die vier Gittersätze 2,357 A/cm2, 2,358 A/cm2, 2,356 A/cm2 bzw. 2,454 A/cm2, wobei der Fehler zwischen der maximalen und der Stromdichte weniger als 1 % beträgt. Um Effizienz und Genauigkeit in Einklang zu bringen, bestimmen Sie die Rastergröße, die 987924 wird.
  2. Einrichtung der Lösung
    1. Legen Sie die Richtungen der Lösungsdomäne Schrank auf Öffnung fest.
    2. Wählen Sie in der Software Problemschritt aus. Überprüfen Sie unter Basic Parameters (Grundparameter) das Modell der Boden-zu-Oberfläche-Strahlung, wählen Sie die Option Nullgleichung für das turbulente Strömungsregime, wählen Sie die Option Gravity (Schwerkraft ) für Natural Convection (Natürliche Konvektion) und stellen Sie die Umgebungstemperatur auf 20 °C ein.
    3. Wählen Sie in den Dateieinstellungen die Option Volumetrische Wärmeverluste für EM-Mapping und wählen Sie Alle angezeigten Objekte aus, um die Verlusteinstellungen abzuschließen.
  3. Berechnung des Temperaturfeldes
    1. Wenden Sie in icepak drei Haupterhaltungsgleichungen für Energie an: Massenerhaltungsgleichung, Impulserhaltungsgleichung und Energieerhaltungsgleichung. Verwenden Sie insbesondere die Impulserhaltungsgleichung, die wie folgt lautet19:
      figure-protocol-8(6)
      Energiespar-Gleichung:
      figure-protocol-9(7)
      Gleichungen zur Massenerhaltung:
      figure-protocol-10(8)
      Energieübertragungsgleichung für die Wärmeübertragung aus einer festen Wärmequelle:
      figure-protocol-11(9)
      ρ stellt die Dichte des Fluids dar; v steht für den Strömungsgeschwindigkeitsvektor; T steht für die Temperatur; p ist der Druck; τ ist die viskose Kraft auf der Oberfläche des Mikrometaboliten; κ ist der Wärmedurchgangskoeffizient; Shist die Wärmequelle des Körpers; h ist die spezifische Enthalpie der Flüssigkeit und F ist die Körperkraft des Mikrometaboliten.
      HINWEIS: Die Ergebnisse der Temperaturfeldberechnungen sind in Abbildung 3A und Abbildung 4A dargestellt.
  4. Aufbau eines stationären thermischen Modells
    1. Pflegen Sie die Materialeigenschaften gemäß Tabelle 3 in den Materialeinstellungen. Generieren Sie die ohmschen Verluste, die sich aus der Wirbelstromfeldsimulationsanalyse im Steady State Thermal-Modul ergeben, indem Sie auf Thermische Lasterzeugung klicken.
    2. Klicken Sie auf den Wert für die konvektive Temperatur und stellen Sie ihn auf 20 °C ein, wobei ein konvektiver Koeffizient von 5 (W/m²°C) auf die Innenwände des Schranks, der Komponenten und des externen Schranks angewendet wird. Übernehmen Sie die Einstellungen und generieren Sie. Stellen Sie die Ausgabe so ein, dass sie nach Temperatur berechnet wird, indem Sie auf Berechnen > Ausgabeergebnisse klicken.
      HINWEIS: Das Haupttemperaturfeld, das die Gleichungen in der stationären thermischen Temperaturfeldberechnung 20,21,22 regelt, wird normalerweise aus dem Gesetz der Wärmeleitung (Fouriersches Gesetz der Wärmeleitung) abgeleitet. Im eindimensionalen Fall kann die Wärmeübertragungsgleichung des Temperaturfeldes als20 ausgedrückt werden:
      figure-protocol-12(10)
      In dieser Gleichung steht T für die Temperatur im Inneren des Objekts, t für die Zeit, x für die Raumkoordinaten und α für die Wärmeleitfähigkeit. Diese Gleichung beschreibt die Variation der Temperatur in Bezug auf Zeit und Raum, wobei die rechte Seite die Beziehung zwischen Wärmeleitgeschwindigkeit und Temperaturgradient ausdrückt. In einem allgemeineren dreidimensionalen Szenario kann die Wärmeleitungsgleichung für das Temperaturfeld in folgender Form ausgedrückt werden:
      figure-protocol-13(11)
      ρ steht für die Dichte des Objekts, c ist die spezifische Wärmekapazität, K ist die Wärmeleitfähigkeit und Q ist der Wärmequellenterm innerhalb des Volumens. Diese Gleichung beschreibt die Variation des Temperaturfeldes, die durch die Wärmeleitung, die Wärmequellen und die thermische Kapazität beeinflusst wird.
    3. Die Ergebnisse der Berechnung des Temperaturfelds sind in Abbildung 3 dargestellt. Vergleichen Sie die in Tabelle 5 und Tabelle 6 zusammengefassten Temperaturwerte.

Ergebnisse

Basierend auf den Daten in Tabelle 3 lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen: Die Gesamtverluste für die Phasen A, B und C sind relativ ähnlich. Konkret betragen die Gesamtverluste für Phase A 16,063 W/m³, Phase B 16,12 W/m³ und Phase C 19,57 W/m³. Die Stellen mit höheren Verlusten können an den Verbindungen verschiedener Komponenten liegen. Dies liegt vor allem daran, dass an diesen Verbindungsstellen typischerweise Übergangswiderstand und Leiterwiderstand vorhanden sind. Wenn Strom durch diese Verbindungen fließt, wird erhebliche Wärme erzeugt, was zu einem Temperaturanstieg und höheren Verlusten in diesen Bereichen führt.

Die oberen und unteren Abgänge der Ringhaupteinheit tragen einige Einbußen, insbesondere beim Tragen der Hauptlast. Die Verluste in den ausgehenden Armen der drei Phasen sind in etwa gleich. Dies liegt daran, dass dieser Teil des Stroms relativ konzentriert ist und aufgrund der regelmäßigen Form der Widerstandswert klein ist. Daher sind die Verluste in diesen Teilen ungefähr gleich.

Die Verluste in der Abzweigsammelschiene sind relativ hoch, was vor allem auf die zahlreichen Biegungen und das Vorhandensein von Winkeln zurückzuführen ist. Der meiste Strom konzentriert sich im Kurvenbereich und in der Nähe der Ecken. Abgesehen von der Sektion des Vakuumschutzschalters sind auch die Verluste im Kupferrohrteil der Sammelschiene mit insgesamt 22,32 W/m³ relativ hoch, was 40 % der gesamten ohmschen Verluste der drei Phasen ausmacht. Die Verluste im statischen Kontaktteil sind im Vergleich zu den Gesamtverlusten relativ gering.

Andere Komponenten, wie z. B. die feste Platte des Leistungsschalters, der Leitblech des Leistungsschalters und die Außenhülle der Ringhaupteinheit, weisen geringere Verluste auf. Da sie nicht direkt an der Last beteiligt sind, werden ihre Verluste hauptsächlich durch die internen Komponenten durch Leitung erzeugt, was zu geringeren Verlustwerten führt. In Nachberechnungen sind die Verluste dieser Komponenten nicht besonders detailliert. Zusammenfassend wurden die Hauptmerkmale der Verlustverteilung skizziert, die wertvolle Erkenntnisse für die weitere Designoptimierung liefern.

Durch die Kombination der Ergebnisse aus Abbildung 3 und Abbildung 4 mit Tabelle 5 und Tabelle 6 wurde ein gründlicher Vergleich der Ergebnisse der Temperaturfeldlösung zwischen den Icepak- und Steady-State-Thermal-Modulen durchgeführt. Im Analyseprozess wurden Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen den beiden Modulen festgestellt.

Im Temperaturbereich von 20-31,24 °C, wie in Abbildung 2A gezeigt, konzentrieren sich die Bereiche mit höheren Temperaturen in den Bereichen, in denen das RMU-Gehäuse mit den internen Komponenten in Kontakt kommt. Der Hauptgrund dafür ist, dass diese Kontaktbereiche typischerweise als kritische Pfade für die Wärmeleitung dienen. Während des Betriebs erzeugen die internen Komponenten Wärme, die durch die Kontaktflächen mit guter Wärmeleitfähigkeit an das Gehäuse geleitet wird und dadurch einen Temperaturanstieg in diesen Bereichen bewirkt. Diese Bereiche umfassen die Kontaktpunkte des oberen ausgehenden Leitungsarms und die Abschnitte des unteren ausgehenden Leitungsarms, die mit seiner nahen Schale in Kontakt stehen, mit einem Temperaturbereich von etwa 24 bis 27 °C. Im Vergleich zu Abbildung 3B ist der Erwärmungsbereich der Schalen in beiden Fällen in etwa gleich, und die Temperaturänderungen breiten sich von den Hotspots in die kühleren Bereiche aus. Bei der Untersuchung von Abbildung 4A,B sind die Gesamttemperaturtrends in beiden Fällen ebenfalls annähernd ähnlich. Die Hauptquelle für den Temperaturanstieg ist die Wärmeleitung durch den unteren ausgehenden Leitungsarm, der durch die Innenleiter verläuft und vom oberen ausgehenden Leitungsarm abgeführt wird. Der Erwärmungstrend konzentriert sich auf Bereiche in der Nähe des unteren abgehenden Leitungsarms, einschließlich der Abzweigsammelschienen jeder Phase und der angeschlossenen Stützschienen. Darüber hinaus ergibt sich aus der Beobachtung der Temperaturverteilung in den internen Schaltkreisen in Abbildung 4, unabhängig davon, ob Icepak oder das stationäre Wärmemodul zur Lösung verwendet wird, dass die Gesamttemperatur von Phase B durchweg höher ist als die der beiden anderen Phasen. Dies deutet hauptsächlich darauf hin, dass Phase B während des Lastvorgangs nicht nur die durch den Strom dieser Phase erzeugte Wärme trägt, sondern dass aufgrund der zu kompakten internen Struktur der RMU die von jeder Phase erzeugte Wärme nicht sofort abgeführt werden kann. Aufgrund des Wärmeaustauschs bleibt die Temperatur von Phase B unabhängig vom verwendeten Solver höher als die beiden anderen Phasen. Auch die allgemeinen Temperaturtrends weisen ein hohes Maß an Ähnlichkeit auf, wobei der Haupttemperaturanstieg auf die Wärmeleitung durch den unteren abgehenden Leitungsarm und die Wärmeableitung durch den oberen abgehenden Leitungsarm zurückzuführen ist. Dieser Trend scheint zwischen den beiden Modulen sehr konsistent zu sein. Darüber hinaus sind die Positionen der Hotspots in den Temperaturverteilungskarten beider Module sehr konsistent. Insbesondere im Abschnitt der Abzweigsammelschiene in Phase C zeigen beide Solver die gleiche höchste Temperatur und die Unterschiede sind nahezu vernachlässigbar. Dies bedeutet, dass unabhängig vom verwendeten Solver die genaue Identifizierung der heißesten Temperaturpositionen für das Wärmemanagement der RMU von entscheidender Bedeutung ist.

Zweitens ist aus der Tabelle ersichtlich, dass derselbe Strom den gleichen Verlust erzeugt, aber der Temperaturwert jeder Phasenkomponente in Tabelle 6 ist im Allgemeinen niedriger als der in Tabelle 5; Zum Beispiel ist der Temperaturwert des Abzweigbusses im Hot-Spot-Bereich der gesamten RMU mit 30,91 °C die höchste Temperatur in Tabelle 6 , und auf der anderen Seite beträgt die höchste Temperatur des Abzweigbusses in Tabelle 5 31,24 °C. Der Grund dafür ist die Lösungslogik von Icepak: Die RMU als Wärmequelle wird weiterhin Wärme austauschen und Wärme abführen, und wenn ein Fluid als Medium für die Wärmeübertragung eingestellt wird, wird die Temperatur im Lösungsbereich allmählich durch das Medium abgegeben, was zu einem Temperaturabfall führt. Das stationäre Wärmemodul legt weniger Wert auf die Wärmekonvektion mit der Umgebungsluft und konzentriert sich stattdessen auf eine wärmeleitende Lösung. Im Vergleich zu Modellen, die Konvektion berücksichtigen, führt dieser Ansatz zu einer weniger umfassenden Temperaturfeldlösung. In Gebieten, in denen die Temperaturen höher sind, treten die Hot Spots daher stärker auf. Bei der Prüfung des tatsächlichen Temperaturanstiegs wird bei der Wärmeübertragung neben den Eigenschaften des Modells selbst auch der Einfluss des Wärmeableitungsmediums wie Luft usw. auf die Gesamttemperatur berücksichtigt. In Kombination mit den praktischen Anforderungen und experimentellen Betriebsüberlegungen führt die RMU als Wärmequelle weiterhin Wärmekonvektion und Wärmeableitung durch; Die Temperatursimulation von Icepak entspricht eher dem tatsächlichen Bedarf. In dem Fall, in dem die Ringhaupteinheit als Wärmequelle mit kontinuierlicher Wärmekonvektion und -ableitung verwendet wird, entspricht die Temperatursimulation von icepak eher den praktischen Anforderungen. Im Gegenteil, das stationäre Wärmemodul konzentriert sich hauptsächlich auf die Wärmeleitung, die in einigen Fällen möglicherweise nicht in der Lage ist, den tatsächlichen Bedarf zu decken.

figure-results-1
Abbildung 1: Modell der Ringhaupteinheit. (A) Gesamtmodell der Ringleitungseinheit (B) Vereinfachtes Modell der Ringhaupteinheit. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 2: Polarisationskurven für vier Sätze von Netzen. Die adaptive Maxwell-Vernetzung wird für größere Teile verwendet, und die lokale Netzverfeinerung wird für kleinere Teile verwendet. In der Designsoftware wird ein vereinfachtes 3D-Modell des Ring-Hauptschranks erstellt und in Maxwell importiert, und das Modell wird mit dem Mesh-Modul vernetzt. Die Abbildung stellt die Überprüfung der Modellgitter dar. Die Stromdichte der vier Gittergruppen beträgt 2,357 A/cm2, 2,358 A/cm2, 2,356 A/cm2 und 2,354 A/cm2 unter der Spannungsbelastung, und der relative Fehler zwischen der maximalen und der minimalen Stromdichte beträgt weniger als 1 %, und um der Effizienz und Genauigkeit der Berechnungen Rechnung zu tragen Die endgültige Anzahl der Gitter wird als 1169091 festgelegt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

figure-results-3
Abbildung 3: Modell zur Analyse des Temperaturfelds des Außenschranks. (A) Temperaturverteilung der Schale mit Icepak-Lösung. (B) Temperaturverteilung der Schale mit stationärer thermischer Lösung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

figure-results-4
Abbildung 4: Modell zur Analyse des internen Temperaturfelds des Kreislaufs. (A) Temperaturverteilung der leitenden Schleife mit Icepak-Lösung (B) Temperaturverteilung der leitenden Schleife mit stationärer thermischer Lösung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

MaterialLuftVerzinktes StahlblechKupferAluminium
Spezifische Wärmekapazität (J/(kg· K))1007500500897
Dichte (kg/m³)1.1614803089002689
Relative Permeabilität10.30.9999991/
Relative magnetische Permeabilität1250011
Wärmeleitfähigkeit (W/(m·K))0.02616386237
Emissionsgrad/0.650.30.1
Elektrische Leitfähigkeit (S/m)/0.85,80E+07/

Tabelle 1: Physikalische Parameter einiger Materialien in der Ringhaupteinheit.

KomponentenRelative PermeabilitätLeitfähigkeit/sMaterial
Stromführende Stromkreise (Sammelschiene, Abzweigsammelschiene, etc.)03,00,00,000Aluminiumlegierung
Vakuum-Leistungsschalter0.99992,00,00,000Kupferlegierungen
Körper20011,00,000Baustahl

Tabelle 2: Liste der Materialien für jede Komponente.

Ohmscher Verlust W/m³EinBC
Ausgang des Armes3.783.723.73
Abzweig-Stromschiene2.12.092.1
Flexible Anbindung1.31.31.3
Vakuum-Leistungsschalter1.0230.950.98
Statische Kontakte0.360.360.36
Stromschiene für Zuführung1.331.351.32
Kupferrohre für Abzweigschienen6.196.359.78

Tabelle 3: Ohmsche Verlustwerte für Komponenten der Phasen A, B und C.

Zahl12
MateriaAluminium6061-T6Cu-Rein
Wärmeleitfähigkeit (W/m·K)167387.6
Dichte (kg/m³)89332700
Spezifische Wärmekapazität/(kg· K)/896
OberflächenmaterialPaint-AL OberflächeCu-polierte Oberfläche
Emissionsgrad0.350.052

Tabelle 4: Einstellungen der Materialparameter.

Temperaturmesspunkt/Temperatur (°C)EinBC
Oberer Auslassarm25.4825.7925.63
Hauptstromschiene25.9326.2826.13
Abzweig-Stromschiene2929.1830.01
Abzweig-Sammelschiene Kupferrohr31.0431.1831.24
Unterer Auslassarm26.526.9826.92

Tabelle 5: Temperaturwerte der einzelnen Phasen der Ringhaupteinheit unter dem stationären thermischen Temperaturfeldauflösungsmodul.

Temperaturmesspunkt/Temperatur (°C)EinBC
Oberer Auslassarm23.7323.8223.81
Hauptstromschiene25.1525.1725.35
Abzweig-Stromschiene27.7628.0429.07
Abzweig-Sammelschiene Kupferrohr28.4229.3130.91
Unterer Auslassarm24.9524.8526.33

Tabelle 6: Temperaturwerte an den Überwachungspunkten jeder Phase des Ringschranks unter dem Icepak Temperaturfeld-Lösungsmodul

Diskussion

Bei diesem Artikel handelt es sich um eine vergleichende Simulationsanalyse des Temperaturanstiegs des Ringschranks auf der Grundlage von technischer Modellierungssoftware und Finite-Elemente-Software, und die am besten geeignete Lösung für die tatsächliche Temperaturanstiegssituation wird durch zwei Finite-Elemente-Temperaturfeld-Lösungsmodule analysiert. Das Wärmemanagement wird auch in Icoz23 als kritische und wesentliche Komponente zur Aufrechterhaltung der hohen Effizienz und Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten beschrieben. Die Bedeutung einer vergleichenden Analyse wird anhand der Arbeit in Steiner24 zusammengefasst: Es wurde eine vergleichende Analyse mit COMSOL und ANSYS Mechanical durchgeführt. Daher kann bei der Herstellung der eigentlichen RMU ihre Temperaturverteilung durch endliche Simulationssoftware analysiert werden, was erhebliche Einsparungen bei Personal- und Produktionskosten ermöglicht.

Das dreidimensionale Modell der RMU kann mit SolidWorks erstellt werden, wie in Abbildung 1A dargestellt. In Schritt 1.1 wird die Modellvereinfachung als entscheidender Schritt in der Finite-Elemente-Analyse hervorgehoben23. Angesichts der zahlreichen Komponenten der RMU, die sich auf die Lösungsgenauigkeit und die Berechnungsergebnisse auswirken können, werden unnötige Teile entfernt, nachdem nur die leitfähigen Komponenten berücksichtigt wurden. Die wichtigsten Arbeitsteile bleiben erhalten, wie in Abbildung 1B dargestellt.

In der Vorverarbeitungsphase des Wirbelstromfeldes ist die Addition und Verifizierung der Lastanregung ein kritischer Aspekt. Wie in Schritt 2.1 beschrieben, ist es wichtig, den Laststrom genau auf den oberen und unteren ausgehenden Arm aufzuführen, um sicherzustellen, dass der gesamte leitende Stromkreis einen Pfad für den Strom bildet. Dies erleichtert die Berechnung der Distributionswolkenkarte des Wirbelstromfeldes. Die Schwierigkeit liegt in der Notwendigkeit, die Schaltung vor der Lösungsberechnung zu überprüfen, da ein unvollständiger Strompfad in der Schaltung zu Nichtkonvergenz während der Lösung oder zu Situationen führen kann, in denen Maxwell nicht rechnen kann. Die anschließende Temperaturfeldanalyse stützt sich vollständig auf die Verluste, die sich aus der Lösung dieses Wirbelstromfeldes ergeben, so dass die Inspektion des Strompfads ein notwendiger Schritt ist.

In der Temperaturfeldlösung werden in Schritt 3 zwei verschiedene Module zum Lösen des Modells vorgestellt. Die Sicherstellung identischer Ausgangsbedingungen während des Lösungsprozesses stellt jedoch eine Herausforderung dar. Da die Module unterschiedliche Schwerpunkte in ihren Lösungen haben, ist es notwendig, identische Umgebungstemperaturen, Konvektionskoeffizienten und andere Lösungsbedingungen anzunähern oder einzustellen, um die Konsistenz unter der einzigartigen Wärmequelle von Maxwell zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglicht die konsistente Steuerung der Intervalle für die Temperaturfeldlösung in beiden Modellen einen direkten Vergleich der Temperaturanzeigen für dieselben Komponenten im gleichen Temperaturbereich, wodurch Unterschiede in den Lösungen hervorgehoben und intuitive Schlussfolgerungen ermöglicht werden.

In diesem Beitrag wird eine innovative Methode zur genauen Messung und Analyse der Temperaturverteilung von elektrischen Betriebsmitteln während des Betriebs vorgestellt. Diese Studie befasst sich mit der Herausforderung, ohmsche Verluste mit herkömmlichen Methoden präzise zu messen, und verwendet den Maxwell-Wirbelstromlöser für genaue Berechnungen, der dann als Grundlage für die Lösung des Temperaturfeldes dient. Anschließend wird das Temperaturfeld-Lösungsmodul verwendet, um die Temperaturverteilung jedes Bauteils visuell darzustellen, wodurch die Effizienz und Genauigkeit von technischen Tests erheblich verbessert wird. Die Neuheit dieser Arbeit liegt nicht nur darin, eine effiziente Methode zur Lösung des Temperaturfeldes bereitzustellen, sondern auch darin, zu zeigen, wie diese Ergebnisse für die Strukturoptimierung und Wärmeableitungsanalyse genutzt werden können. Dies bietet neue technische Möglichkeiten für die Auslegung und Optimierung elektrischer Betriebsmittel. Es gab jedoch Einschränkungen im Forschungsprozess, und in zukünftigen Arbeiten werden weitere Forschungen in den folgenden Bereichen durchgeführt. Erstens, Modellverfeinerung und Mehrfeldkopplung. Das Modell wird weiter verfeinert, um die thermischen Eigenschaften des Ringnetzwerkschranks während des tatsächlichen Betriebs genau widerzuspiegeln. Zweitens, die Untersuchung transienter Temperaturfelder. Es werden vertiefte Untersuchungen zu den Temperaturfeldänderungen des Ringnetzschranks unter variierenden Lastbedingungen durchgeführt, um den stabilen Betrieb des Ringnetzschranks unter komplexen Betriebsbedingungen zusätzlich zu unterstützen.

Offenlegungen

Den Autoren stehen keine widersprüchlichen Interessen gegenüber.

Danksagungen

Die Autoren danken Herrn Wu, MS Sun, Herrn Wang, Herrn Mu und Herrn Li für ihre Hilfe. Diese Studie wurde von der China Postdoctoral Science Foundation (2022M721604) und dem Wenzhou Key Science and Technology Tackling Programmer (ZG2023015) unterstützt.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Luft//Konventionelle Gase
Aluminium//Legierungswerkstoffe
Kupfer/Legierungswerkstoffe
IcepakANSYS UnternehmenANSYS 2021R1A CFD Wärmesimulationssoftware
PC-Hosting/Intel(R) Core(TM) i5-13500F CPUHost-Computerausrüstung
SolidWorksTochtergesellschaft von Dassault SystèmesSolidWorks2021Ein Konstruktionssoftware-Zeichenwerkzeug
Stationäres thermischesANSYS-UnternehmenANSYS 2021R1Ein Lösungstool für die thermische Simulation
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Referenzen

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Nachdrucke und Genehmigungen

Schlagwörter

Finite Elemente Simulationohmsche VerlusteTemperaturfeldanalysekonvektiver W rme bergangstation rer thermischer ZustandNetzerzeugungnat rliche Konvektionelektrische Ausr stung
Vergleichende Studie zur Simulation des Temperaturanstiegs in der Ringhaupteinheit
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