Article de méthode

Etude comparative de la simulation de l’élévation de température dans l’unité principale de l’anneau

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DOI :

10.3791/66643

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5 juillet 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

Dans cet article

Résumé

Cet article aborde le problème de l’élévation de température de l’unité principale de l’anneau en établissant un modèle simplifié et en effectuant une analyse comparative dans deux modules de résolution de champs de température.

Résumé

L’unité principale en anneau (RMU) est un dispositif essentiel dans les systèmes de distribution d’énergie utilisé pour connecter et distribuer l’électricité. Cependant, en raison de sa structure interne compacte et de sa charge de courant élevée, les problèmes de dissipation de chaleur sont particulièrement importants. Pour résoudre ce problème, cette étude propose de manière innovante un modèle RMU simplifié, utilisant des méthodes de simulation par éléments finis pour résoudre avec précision les pertes ohmiques des conducteurs dans des conditions de fonctionnement réelles et obtenir des données de perte ohmique pour divers composants. Il s’agit de la première enquête approfondie sur le problème de l’élévation de la température de l’UAR à l’aide d’une approche aussi complète. Par la suite, le champ de température a été résolu à l’aide de deux modules d’analyse de champ de température différents, avec une comparaison et une analyse détaillées des résultats de la simulation pour identifier les similitudes, les différences et les tendances dans la distribution de la température. Les résultats indiquent que le modèle de solution de champ de température, qui prend en compte le transfert de chaleur par convection, est plus précis et s’aligne sur les conditions de fonctionnement réelles. Cette recherche fournit une approche innovante et des solutions pratiques pour la conception et l’optimisation des RMU. Les recherches futures peuvent explorer davantage les méthodes d’analyse de couplage multiphysique pour résoudre les problèmes de conception structurelle et de validation obligatoire pour les RMU à haute et ultra-haute tension et autres équipements électriques, fournissant ainsi des informations importantes pour la conception technique.

Introduction

L’unité principale en anneau est un groupe d’appareillages de commutation haute tension montés dans une armoire métallique en acier ou constitués d’une unité d’alimentation en réseau en anneau espacée assemblée d’un équipement électrique. La structure globale de l’interrupteur de charge et du circuit conducteur se compose du circuit conducteur, qui comprend un certain nombre de composants constituant le noyau principal de l’unité annulaire. Cependant, en raison de sa structure interne compacte, l’unité principale annulaire est confrontée à des défis de dissipation thermique. Cela peut entraîner une déformation thermique et un vieillissement lors d’un fonctionnement prolongé dans des environnements à haute température. Ces problèmes affectent non seulement la durée de vie de l’unité, mais aussi ses propriétés isolantes, ce qui pose des risques pour la sécurité. En particulier, les dommages à l’équipement et les accidents électriques deviennent plus probables, ce qui présente des risques importants pour la sécurité.

Dans différents domaines de recherche, les chercheurs ont mené une série d’études sur l’augmentation de la température des appareillages de commutation des lignes aériennes et analysé divers facteurs affectant la distribution de la température1. Dans Polykrati et al.2, un modèle mathématique d’estimation de l’élévation de température des composants installés sur le réseau de distribution lors d’un défaut de court-circuit est présenté. Le modèle a été appliqué aux commutateurs de sectionnement courants du réseau, et les caractéristiques des résultats ont été tracées en fonction des différentes formes de la partie asymétrique de la forme d’onde du courant de court-circuit et de la valeur initiale de la composante de courant continu de court-circuit. Guan et al., d’autre part, ont pris en compte la résistance de contact et la répulsion électromagnétique en construisant un pont de contact équivalent pour simuler l’interface de contact et ont analysé plus en détail le champ de couplage électromagnétique-thermique et l’expérience d’élévation de température3. De plus, les chercheurs ont étudié le champ de température et la distribution des contraintes thermiques des contacts dynamiques et statiques à l’intérieur de l’unité principale de l’anneau par simulation par éléments finis, ce qui a fourni une base pour l’étude de la durée de vie du disjoncteur4. Enfin, Mueller et al. se sont concentrés sur les caractéristiques géométriques des dissipateurs thermiques et ont évalué les effets de la sélection des matériaux, de la surface totale, de l’uniformité de la température et de la température de surface maximale sur la performance thermique5. Ces études fournissent des informations et des méthodes précieuses pour améliorer les performances et la fiabilité de l’appareillage de commutation, réduire l’élévation de température et prolonger la durée de vie de l’équipement. Wang et al. ont proposé un modèle d’apprentissage profond MiNET (MDLM) dans l’environnement UPIOT dans le but de détecter le diagnostic de panne des armoires électriques, qui a été validé pour avoir une précision d’identification de 99,1 %, ce qui est nettement supérieur à celui des autres méthodes6. Lei et al. ont étudié les performances thermiques d’un jeu de barres GIS à l’état stationnaire en utilisant la méthode d’analyse du couplage magnéto-fluide-thermique, optimisant ainsi le diamètre du conducteur et du réservoir sur la base des résultats de simulation de l’élévation de température7. Ouerdani et al. ont utilisé le modèle de simulation d’élévation de température de la RMU pour déterminer l’élévation de température à des endroits critiques à l’intérieur de celle-ci, fixant ainsi la durée de la surcharge maximale pour les composants à l’intérieur de la RMU en conséquence8. Zheng et al. ont décrit un jeu de barres rectangulaire conventionnel dans un modèle d’appareillage de commutation à courant élevé en construisant un modèle bidimensionnel et en appliquant la méthode des éléments finis (FEM) pour les calculs de champs électromagnétiques. Cela leur a permis d’obtenir la distribution de la densité de courant et de la perte de puissance du conducteur de bus. Un jeu de barres irrégulier a été conçu après avoir pris en compte les effets de l’effet de proximité et de l’effet de peau. Cette conception irrégulière du jeu de barres a amélioré les performancesdu jeu de barres rectangulaire 9 conventionnel.

En ce qui concerne l’utilisation de la simulation icepak, Wang et al. ont effectué une simulation de l’élévation de la température à l’aide des théories du champ de vortex, du champ d’écoulement d’air et du champ de température et ont constaté que l’élévation de température de l’unité principale de l’anneau était plus grave sous convection naturelle. Ils ont réussi à réduire le niveau d’élévation de la température en ajoutant un refroidissement par air forcé et en améliorant la structure de contact interne10. Zhu et al.11 ont utilisé l’icepak pour simuler un modèle thermique afin de comparer l’effet de la présence de vias thermiques sur le PCB et la présence de dissipateurs thermiques sur la température des dispositifs d’alimentation. Enfin, l’analyse théorique est comparée aux résultats de la simulation pour vérifier l’exactitude de l’analyse théorique. Mao et al.12 ont étudié la température et la distribution du flux d’air interne dans des conditions de fonctionnement estivales par simulation thermique basée sur le logiciel IAO dans la simulation icepak. Le problème de l’amélioration de l’efficacité du refroidissement et du contrôle de l’élévation de température de plusieurs contacts plaqués argent est donné, et la température et les contours du flux d’air interne capturés dans la simulation jetteront les bases de la conception du schéma de refroidissement des six contacts plaqués argent montés dans l’unité d’étanchéité. Inversement, dans l’utilisation d’un module thermique à l’état stationnaire, les méthodes de modélisation de Zhang13 sont discutées pour résoudre le réseau thermique d’une traversée haute pression à l’aide d’une procédure transitoire alternative. Les résultats des tests et des simulations sont en bon accord avec l’état stationnaire thermique et les états transitoires de la traversée. Les résultats transitoires sont ensuite utilisés pour évaluer la capacité de surcharge de la traversée. Vaimann et al.14 ont développé et analysé un modèle thermique analytique d’un moteur à réluctance synchrone pour prédire la température de ses différents composants et le réseau thermique de paramètres totaux définis.

Avec l’avancement continu de la recherche sur les équipements électriques tels que les unités principales en anneau, les tests d’élévation de température conventionnels et les méthodes de production sont relativement inefficaces. Par conséquent, en utilisant la technologie des éléments finis combinée à des tests hors ligne, non seulement les problèmes de coût de conception sont résolus, mais des ajustements et des optimisations peuvent être rapidement apportés aux problèmes du monde réel sur la base de simulations. Sur la base des progrès de la recherche mentionnés ci-dessus, l’utilisation d’ANSYS Icepak et du couplage thermique en régime permanent pour l’analyse comparative est rarement mentionnée. Par conséquent, le protocole décrit la recherche sur le mécanisme des éléments finis, utilise des combinaisons numériques et morphologiques pour établir un modèle de simulation de l’élévation de température par éléments finis pour l’enceinte, et discute du modèle de simulation de l’élévation de température par éléments finis basé sur les résultats des deux modules analytiques en comparant les résultats des deux modules de simulation. Grâce à la comparaison entre les deux modules de simulation, nous obtiendrons les caractéristiques de la tendance de l’élévation de température de l’unité principale de l’anneau et trouverons la méthode la plus applicable afin de fournir la base nécessaire et de rechercher des idées pour une stratégie visant à atténuer l’élévation de température de l’unité principale de l’anneau.

Protocole

1. Modèle

REMARQUE : en raison de la structure complexe de l’unité principale de l’anneau (Figure 1A), un logiciel de conception en ligne a été choisi pour simplifier le fonctionnement de l’unité principale de l’anneau.

  1. Simplification de la modélisation
    1. Simplifiez partiellement le modèle, en préservant la section de la boîte à air de la RMU tout en supprimant ou en simplifiant d’autres composants tels que les arbres isolants, les boulons de fixation, les écrous, les composants d’étanchéité et les supports de support. La version simplifiée est illustrée à la figure 1B.
      1. Dans le processus de simplification de l’unité principale annulaire de type 630A, retirez l’arbre isolé reliant la salle des disjoncteurs à la boîte d’instruments et à de nombreux boulons et écrous fixes. Retirez les pièces d’étanchéité et le support de maintien de la pression et connectez les contacts statiques du faisceau statique isolé avec le jeu de barres de dérivation inférieur en veillant à ce que l’ensemble de la configuration ait le même courant conducteur et que seuls le disjoncteur à vide, la plaque de fixation du disjoncteur, les contacts statiques et le disjoncteur à vide soient conservés.
      2. Conservez uniquement le disjoncteur à vide, la plaque de fixation du disjoncteur, le contact statique et la plaque de blocage du disjoncteur à vide. Dans l’ensemble, retirez les boulons et les joints du modèle, remplissez les trous après avoir retiré les boulons avec des solides, réduisez le nombre de pièces maillées et optimisez les formes irrégulières des pièces. Retirez les instruments de fonctionnement du panneau, les plaques de montage, les supports et autres pièces de fonctionnement, telles que les boîtes d’instruments, qui n’ont aucun effet sur le processus de simulation de l’élévation de la température.
      3. Le retrait des boîtiers isolés de certains composants peut être négligé dans le cadre de la simulation car ils ont peu d’effet sur les résultats de la simulation. De plus, les interrupteurs de mise à la terre qui n’ont aucun effet sur l’utilisation de l’équipement en fonctionnement normal les suppriment et conservent la salle du disjoncteur pour la simulation.
    2. Pour supprimer une section, il suffit de la sélectionner et de cliquer sur l’option Supprimer .

2. Solution de champ de foucault

  1. Paramètres de prétraitement
    REMARQUE : L’émulation de champ de courants de Foucault est la base pour effectuer la solution de champ de température, ce qui nécessite l’analyse ultérieure de la source de chaleur résolue en tant que charge sur le champ de température.
    1. Reportez-vous à la documentation de l’équipement de l’unité principale annulaire et aux manuels pertinents pour recueillir des informations sur les propriétés physiques et les paramètres de chaque composant de l’unité principale annulaire. Définissez les attributs physiques et les paramètres des composants de l’unité principale de l’anneau dans Maxwell en fonction des informations obtenues, comme indiqué dans le Tableau 1.
    2. Réglez le courant de charge de champ des courants de Foucault à 630 A avec une fréquence de 50 Hz. Dans le logiciel Maxwell, sélectionnez un côté des bras sortants supérieur et inférieur, entrez dans le module d’excitation et réglez l’amplitude du courant sur 630 A. Dans la section des paramètres de la solution, choisissez une fréquence de 50 Hz.
      REMARQUE : Dans le circuit conducteur d’une unité principale en anneau, le chemin formé par tous les composants du bras de sortie supérieur au bras de sortie inférieur est connu sous le nom de séquence de phase. Par conséquent, dans cet article, les phases A, B et C sont disposées de gauche à droite.
    3. Les paramètres de matériau des composants de l’unité principale de l’anneau sont indiqués dans le tableau 2.
    4. Dirigez le courant à travers les bras de ligne sortants, les connexions flexibles, les jeux de barres, les disjoncteurs, les jeux de barres de support de contact statique et les jeux de barres de dérivation pour chaque phase. L’objectif est de réaliser un chemin de courant qui permet aux composants de compléter la charge.
    5. Utilisez le maillage adaptatif de Maxwell pour compléter le contrôle de la grille du modèle. Utilisez la méthode de partitionnement de maillage adaptatif Maxwell pour les composants plus volumineux et l’affinement du maillage local pour les composants internes plus petits.
      REMARQUE : Maxwell peut continuellement améliorer la précision de la grille pendant le processus de résolution, éliminant ainsi le besoin de cliquer sur Opérations de maillage pour un partitionnement de maillage supplémentaire.
    6. Définissez la taille de l’étape de solution. Cliquez sur Analyse dans l’arbre du modèle, ouvrez les paramètres de l’étape de résolution et définissez le nombre maximal de passes sur 10. Conservez les autres paramètres à leurs valeurs par défaut sans apporter de modifications.
  2. Principe du calcul du champ de courants de Foucault15,16.
    1. Utilisez la première équation de Maxwell, qui décrit l’action de la charge sur la génération d’un champ électrique17.
      figure-protocol-1(1)
      où ρ représente la densité de charge ; ε0 représente la constante diélectrique du vide.
    2. Utilisez la deuxième équation de Maxwell, qui décrit la relation entre un champ magnétique changeant et un champ électrique et l’effet d’un champ magnétique sur le mouvement d’une charge.
      figure-protocol-2(2)
      où figure-protocol-3 représente l’intensité du champ magnétique. Cette équation décrit qu’un champ magnétique variable produit un champ électrique tourbillonnaire, c’est-à-dire que le spin du champ électrique tourbillonnaire est égal au négatif du taux de variation du champ magnétique avec le temps.
    3. Utilisez la troisième équation de Maxwell, qui décrit l’effet de la charge magnétique sur la production d’un champ magnétique.
      figure-protocol-4(3)
      Cette équation décrit le champ magnétique produit par une charge magnétique comme étant passif, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de monopôles dans le champ magnétique.
    4. Utilisez la quatrième équation de Maxwell, qui décrit la relation entre un champ électrique variable et un champ magnétique et l’effet d’un courant électrique sur un champ magnétique.
      figure-protocol-5(4)
      où figure-protocol-6 représente la densité de courant et μ0 représente la perméabilité au vide. Cette équation décrit qu’un champ électrique variable produit un champ magnétique vortex, c’est-à-dire que le spin du champ magnétique vortex est égal à la somme de la densité de courant et du taux de variation du champ électrique avec le temps.
    5. Sur la base des équations ci-dessus, utilisez le module de résolution Maxwell 3D à l’aide de courants de Foucault pour résoudre la perte ohmique générée par le circuit conducteur dans la RMU, qui fournit une source de chaleur pour l’analyse de simulation thermique ultérieure. Son expression mathématique est donnée par18
      figure-protocol-7(5)
      où σ désigne la conductivité du matériau de la boucle conductrice ; J est la densité de courant dans la boucle.
  3. Résultats du calcul
    1. Cliquez sur l’option Maxwell 3D dans l’interface et ouvrez le contrôle de validation pour vérifier tous les paramètres à la recherche d’erreurs. S’il n’y a pas d’erreurs, cliquez sur Analyser tout pour lancer le processus de résolution.
    2. Utilisez la calculatrice de post-traitement de Maxwell pour calculer et tracer les pertes ohmiques dans le champ de courants de Foucault de l’unité principale de l’anneau, comme indiqué dans le Tableau 3.

3. Solution de champ de température

REMARQUE : À des fins de comparaison, divisez le champ de température en Icepak et thermique à l’état stationnaire. Configurez et résolvez chacun séparément pour réaliser une analyse comparative.

  1. Configuration du modèle Icepak
    1. Définissez les propriétés du matériau comme suit : désignez tous les matériaux solides du circuit comme Cu-Pure, avec des surfaces utilisant Cu-polished-surface. Pour les composants du panneau, sélectionnez le matériau Aluminium6061-T6 , avec un revêtement de surface de surface Paint-AL avec une émissivité de 0,35. Voir le tableau 4 pour plus de détails. Cliquez avec le bouton droit de la souris sur le composant sélectionné, cliquez sur Modifier , puis accédez à Propriétés pour définir le matériau pour les matériaux de surface et solides.
    2. Sélectionnez le modèle et cliquez sur Définir dans le menu Edition, puis choisissez Niveau de maillage à plusieurs niveaux pour ajuster les paramètres de maillage. Réglez l’armoire externe sur un niveau de maillage de 2 et toutes les limites sur un niveau de maillage de 2. Pour tous les autres composants, réglez le niveau de maillage sur 3. Enfin, ouvrez le contrôle Maillage et cliquez sur Générer pour créer le maillage.
    3. Pour garantir la précision et l’efficacité de la simulation quelle que soit la taille du réseau, la validation de l’indépendance du réseau est nécessaire. Importez le modèle géométrique de l’enceinte du champ de température, établi à l’aide du logiciel de conception pour le maillage.
    4. Comme le montre la figure 2, les courbes de polarisation des quatre ensembles de grille sont bien alignées. À une tension de fonctionnement de 0,5 V, les densités de courant pour les quatre ensembles de grilles sont respectivement de 2,357 A/cm2, 2,358 A/cm2, 2,356 A/cm2 et 2,454 A/cm2, l’erreur entre les densités maximale et actuelle étant inférieure à 1 %. Pour équilibrer efficacité et précision, déterminez la taille de la grille qui est 987924.
  2. Configuration de la solution
    1. Définissez l’orientation du domaine de solution Armoire sur Ouverture.
    2. Dans le logiciel, sélectionnez Étape du problème. Sous Paramètres de base, vérifiez le modèle de rayonnement surface-surface, choisissez l’équation zéro pour le régime d’écoulement turbulent, sélectionnez l’option Gravité pour la convection naturelle et réglez la température ambiante sur 20 °C.
    3. Dans les paramètres du fichier, choisissez Pertes de chaleur volumétriques pour le mappage EM et sélectionnez Tous les objets affichés pour compléter les paramètres de perte.
  3. Calcul du champ de température
    1. Dans icepak, appliquez trois équations de conservation principales pour l’énergie : l’équation de conservation de la masse, l’équation de conservation de la quantité de mouvement et l’équation de conservation de l’énergie. Plus précisément, utilisez l’équation de conservation de la quantité de mouvement, qui est la suivante19 :
      figure-protocol-8(6)
      Équation de la conservation de l’énergie :
      figure-protocol-9(7)
      Équations de conservation de la masse :
      figure-protocol-10(8)
      Équation de transfert d’énergie pour le transfert de chaleur à partir d’une source de chaleur solide :
      figure-protocol-11(9)
      ρ représente la masse volumique du fluide ; v représente le vecteur vitesse d’écoulement ; T représente la température ; p est la pression ; τ est la force visqueuse à la surface du micrométabolite ; κ est le coefficient de transfert de chaleur ; Shest la source de chaleur corporelle ; h est l’enthalpie spécifique du fluide et F est la force corporelle du micrométabolite.
      REMARQUE : Les résultats des calculs de champ de température sont présentés à la figure 3A et à la figure 4A.
  4. Configuration du modèle thermique en régime permanent
    1. Conservez les propriétés du matériau conformément au tableau 3 dans les paramètres du matériau. Générez les pertes ohmiques résultant de l’analyse de simulation de champ de courants de Foucault dans le module Thermique en régime permanent en cliquant sur Génération de charge thermique .
    2. Cliquez sur la valeur de température convective et réglez-la sur 20 °C, avec un coefficient de convection de 5 (W/m²°C) appliqué aux parois intérieures de l’armoire, aux composants et à l’armoire externe. Appliquez les paramètres et générez. Réglez la sortie pour résoudre la température en cliquant sur Résoudre > résultats de sortie.
      REMARQUE : Le champ de température principal régissant les équations dans le principe de calcul du champ de température thermique en régime permanent 20,21,22 est généralement dérivé de la loi de conduction thermique (loi de Fourier de conduction thermique). Dans le cas unidimensionnel, l’équation de transfert de chaleur du champ de température peut être exprimée par20 :
      figure-protocol-12(10)
      Dans cette équation, T représente la température à l’intérieur de l’objet, t est le temps, x est les coordonnées spatiales et α est la diffusivité thermique. Cette équation décrit la variation de température par rapport au temps et à l’espace, où le membre droit exprime la relation entre le taux de conduction thermique et le gradient de température. Dans un scénario tridimensionnel plus général, l’équation de conduction thermique pour le champ de température peut être exprimée sous la forme suivante :
      figure-protocol-13(11)
      ρ représente la densité de l’objet, c est la capacité thermique spécifique, K est la conductivité thermique et Q est le terme de la source de chaleur dans le volume. Cette équation décrit la variation du champ de température, influencée par la conduction thermique, les sources de chaleur et la capacité thermique.
    3. Les résultats du calcul du champ de température sont illustrés à la figure 3. Comparez les valeurs de température résumées dans le tableau 5 et le tableau 6.

Résultats

Sur la base des données du tableau 3, les conclusions suivantes peuvent être tirées : Les pertes globales pour les phases A, B et C sont relativement similaires. Plus précisément, les pertes totales pour la phase A sont de 16,063 W/m³, la phase B de 16,12 W/m³ et la phase C de 19,57 W/m³. Les endroits où les pertes sont plus élevées peuvent se trouver au niveau des connexions de divers composants. Cela s’explique principalement par le fait qu’une résistance de contact et une résistance du conducteur existent généralement à ces points de connexion. Lorsque le courant passe à travers ces connexions, une chaleur importante est générée, ce qui entraîne une augmentation de la température et des pertes plus élevées dans ces zones.

Les bras sortants supérieurs et inférieurs de l’unité principale de l’anneau subissent quelques pertes, en particulier lors du transport de la charge principale. Les pertes dans les bras sortants des trois phases sont à peu près les mêmes. En effet, cette partie du courant est relativement concentrée et, en raison de sa forme régulière, la valeur de la résistance est faible. Par conséquent, les pertes dans ces parties sont à peu près égales.

Les pertes dans le jeu de barres de dérivation sont relativement élevées, principalement en raison de ses nombreux coudes et de la présence de sections angulaires. La majeure partie du courant est concentrée dans la zone de courbure et près des coins. Outre la section du disjoncteur à vide, les pertes dans la partie tube en cuivre du jeu de barres sont également relativement élevées, totalisant 22,32 W/m³, ce qui représente 40 % des pertes ohmiques globales des trois phases. Les pertes dans la partie de contact statique sont relativement faibles par rapport aux pertes globales.

D’autres composants, tels que la plaque fixe du disjoncteur, le déflecteur du disjoncteur et la coque extérieure de l’unité principale de l’anneau, ont des pertes plus faibles. Comme ils ne participent pas directement à la charge, leurs pertes sont principalement générées par les composants internes par conduction, ce qui entraîne des valeurs de perte plus faibles. Dans les calculs de post-traitement, les pertes de ces composants ne sont pas particulièrement détaillées. En résumé, les principales caractéristiques de la répartition des pertes ont été décrites, fournissant des informations précieuses pour une optimisation ultérieure de la conception.

En combinant les résultats des figures 3 et 4, ainsi que ceux des tableaux 5 et 6, une comparaison approfondie des résultats de la solution de champ de température entre les modules Icepak et thermique en régime permanent a été effectuée. Dans le processus d’analyse, des différences et des similitudes ont été observées entre les deux modules.

Dans la plage de température de 20 à 31,24 °C, comme le montre la Figure 2A, les zones de température les plus élevées sont concentrées dans les régions où le boîtier RMU entre en contact avec les composants internes. La raison principale est que ces zones de contact servent généralement de chemins critiques pour la conduction thermique. Pendant le fonctionnement, les composants internes génèrent de la chaleur, qui est conduite vers le boîtier à travers les surfaces de contact avec une bonne conductivité thermique, provoquant ainsi une augmentation de la température dans ces régions. Ces zones comprennent les points de contact du bras supérieur de la suspente sortante et les parties de la partie inférieure de la suspente sortante en contact avec sa coquille voisine, avec une plage de température d’environ 24-27 °C. Par rapport à la figure 3B, la plage de réchauffement des coquilles dans les deux cas est à peu près la même, et les changements de température se propagent des points chauds vers les zones plus froides. En examinant les figures 4A, B, les tendances globales de la température dans les deux cas sont également à peu près similaires. La principale source d’élévation de température est la conduction thermique à travers le bras de ligne sortant inférieur, qui passe à travers les conducteurs internes et se dissipe à partir du bras de ligne sortant supérieur. La tendance au réchauffement se concentre dans les zones proches du bras de ligne sortant inférieur, y compris les jeux de barres secondaires de chaque phase et les jeux de barres de support connectés. De plus, d’après l’observation de la distribution de la température dans les circuits internes de la figure 4, que ce soit à l’aide d’Icepak ou du module thermique à l’état stationnaire pour la résolution, la température globale de la phase B est constamment supérieure à celle des deux autres phases. Cela suggère principalement que la phase B, pendant le processus de charge, supporte non seulement la chaleur générée par le courant de cette phase, mais aussi, en raison de la structure interne trop compacte de la RMU, la chaleur produite par chaque phase ne peut pas se dissiper rapidement. En raison de l’échange de chaleur, la température de la phase B reste supérieure à celle des deux autres phases quel que soit le solveur utilisé. Les tendances globales de la température présentent également un haut degré de similitude, la principale augmentation de la température provenant de la conduction de la chaleur à travers le bras de la ligne sortante inférieure et de la dissipation de la chaleur du bras de la ligne sortante supérieure. Cette tendance semble très cohérente entre les deux modules. De plus, les positions des points chauds dans les cartes de distribution de température des deux modules sont très cohérentes. En particulier, dans la section du jeu de barres de branche de la phase C, les deux solveurs présentent la même température la plus élevée et les différences sont presque négligeables. Cela implique que, quel que soit le solveur utilisé, l’identification précise des positions de température les plus chaudes est cruciale pour la gestion thermique de l’UAM.

Deuxièmement, le tableau montre que le même courant produit la même perte, mais que la valeur de température de chaque composante de phase du tableau 6 est généralement inférieure à celle du tableau 5 ; par exemple, la valeur de température du bus de dérivation dans la zone de point chaud de l’ensemble de la RMU est la température la plus élevée du tableau 6 à 30,91 °C, et d’autre part, la température la plus élevée du bus de branche dans le tableau 5 est de 31,24 °C. La raison en est la logique de solution d’Icepak : le RMU en tant que source de chaleur continuera à échanger de la chaleur et à dissiper de la chaleur, et lorsqu’un fluide est défini comme milieu pour le transfert de chaleur, la température dans le domaine de la solution sera progressivement émise à travers le milieu, ce qui entraîne une diminution de la température. Le module thermique en régime permanent met moins l’accent sur la convection de la chaleur avec l’air ambiant et se concentre plutôt sur une solution basée sur la conduction thermique. Par rapport aux modèles qui tiennent compte de la convection, cette approche se traduit par une solution de champ de température moins complète. Par conséquent, dans les zones où la température est plus élevée, les points chauds deviennent plus prononcés. Dans le processus de l’essai d’élévation de température réelle, en plus de prendre en compte les caractéristiques du modèle lui-même, le transfert de chaleur prend également en compte l’influence du fluide de dissipation thermique, tel que l’air, etc., sur la température globale. Combiné aux besoins pratiques et aux considérations de fonctionnement expérimental, le RMU en tant que source de chaleur continue d’effectuer la convection et la dissipation de chaleur ; La simulation de température d’Icepak est plus en phase avec les besoins réels. Dans le cas où l’unité principale de l’anneau est utilisée comme source de chaleur avec convection et dissipation continues de la chaleur, la simulation de température de l’icepak est plus conforme aux besoins pratiques. Au contraire, le module thermique en régime permanent se concentre principalement sur la conduction thermique, qui peut ne pas être en mesure de répondre aux besoins réels dans certains cas.

figure-results-1
Figure 1 : modèle de l’unité principale de l’anneau. (A) Modèle global de l’unité principale de l’anneau (B) Modèle simplifié de l’unité principale de l’anneau. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

figure-results-2
Figure 2 : Courbes de polarisation pour quatre ensembles de mailles. Le maillage adaptatif Maxwell est utilisé pour les grandes pièces, et l’affinement local du maillage est utilisé pour les petites pièces. Dans les logiciels de conception, un modèle 3D simplifié de l’armoire principale de l’anneau est créé et importé dans Maxwell, et le modèle est maillé à l’aide de son module Mesh. La figure représente la vérification des grilles du modèle. La densité de courant des quatre groupes de réseaux est de 2,357 A/cm2, 2,358 A/cm2, 2,356 A/cm2 et 2,354 A/cm2 sous la charge de tension, et l’erreur relative entre la densité de courant maximale et la densité de courant minimale est inférieure à 1%, et afin de tenir compte de l’efficacité et de la précision des calculs, Le nombre final de grilles est déterminé comme étant 1169091. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

figure-results-3
Figure 3 : Modèle d’analyse de la température de l’armoire extérieure sur le terrain. (A) Distribution de la température de la coque avec la solution Icepak. (B) Distribution de la température de la coque avec solution thermique à l’état stationnaire. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

figure-results-4
Figure 4 : Modèle d’analyse de champ de température du circuit interne. (A) Distribution de température de la boucle conductrice avec la solution Icepak (B) Distribution de température de la boucle conductrice avec solution thermique à l’état stationnaire. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

MatérielAirTôle d’acier galvaniséeCuivreAluminium
Capacité thermique spécifique (J/(kg· K))1007500500897
Masse volumique (kg/m³)1.1614803089002689
Perméabilité relative10.30.9999991/
Perméabilité magnétique relative1250011
Conductivité thermique (W/(m·K))0.02616386237
Emissivité/0.650.30.1
Conductivité électrique (S/m)/0.85.80E+07/

Tableau 1 : Paramètres physiques de certains matériaux dans l’unité principale de l’anneau.

ComposantsPerméabilité relativeConductivité(s)Matériel
Circuits porteurs de courant (jeu de barres, jeux de barres de dérivation, etc.)03,00,00,000Alliage d’aluminium
Disjoncteur à vide0.99992,00,00,000Alliages de cuivre
Corps20011,00,000Acier de construction

Tableau 2 : Liste des matériaux pour chaque composant.

Perte ohmique W/m³UnBC
Bras de sortie3.783.723.73
Jeu de barres de dérivation2.12.092.1
Connexion flexible1.31.31.3
Disjoncteur à vide1.0230.950.98
Contacts statiques0.360.360.36
jeu de barres d’alimentation1.331.351.32
Tubes en cuivre pour jeux de barres de dérivation6.196.359.78

Tableau 3 : Valeurs de perte ohmique pour les composants de phase A, B et C.

Nombre12
MateriaAluminium6061-T6Cu-Pur
Conductivité thermique (W/m·K)167387.6
Masse volumique (kg/m³)89332700
Capacité thermique spécifique/(kg· K)/896
Matériau de surfaceSurface Paint-ALCu-Surface-polie
Emissivité0.350.052

Tableau 4 : Réglage des paramètres du matériau.

Point de surveillance de la température/température (°C)UnBC
Bras de sortie supérieur25.4825.7925.63
Jeu de barres principal25.9326.2826.13
Jeu de barres de dérivation2929.1830.01
Tube en cuivre de jeu de barres de dérivation31.0431.1831.24
Bras de sortie inférieur26.526.9826.92

Tableau 5 : Valeurs de température de chaque phase de l’unité principale de l’anneau sous le module de résolution de champ de température thermique à l’état stationnaire.

Point de surveillance de la température/température (°C)UnBC
Bras de sortie supérieur23.7323.8223.81
Jeu de barres principal25.1525.1725.35
Jeu de barres de dérivation27.7628.0429.07
Tube en cuivre de jeu de barres de dérivation28.4229.3130.91
Bras de sortie inférieur24.9524.8526.33

Tableau 6 : Valeurs de température aux points de surveillance de chaque phase de l’armoire annulaire sous le module de solution de terrain de température Icepak

Discussion

Cet article est une analyse de simulation comparative de l’élévation de température de l’armoire annulaire basée sur un logiciel de modélisation d’ingénierie et un logiciel d’éléments finis, et la solution la plus appropriée à la situation réelle d’élévation de température est analysée par deux modules de solution de champ de température par éléments finis. La gestion thermique est également décrite dans Icoz23 comme un composant critique et essentiel pour maintenir le rendement et la fiabilité élevés des composants électroniques. L’importance de la réalisation d’une analyse comparative est résumée en s’appuyant sur les travaux de Steiner24 : une analyse comparative a été réalisée à l’aide de COMSOL et d’ANSYS Mechanical. Par conséquent, dans le processus de fabrication de la RMU réelle, sa distribution de température peut être analysée par un logiciel de simulation finie, ce qui peut considérablement économiser de la main-d’œuvre et des coûts de production.

Le modèle tridimensionnel de l’unité de gestion dynamique peut être créé à l’aide de SolidWorks, comme le montre la figure 1A. À l’étape 1.1, la simplification du modèle est soulignée comme une étape cruciale de l’analyse par éléments finis23. Étant donné les nombreux composants de la RMU, qui peuvent avoir un impact sur la précision de la solution et les résultats de calcul, les pièces inutiles sont supprimées après avoir pris en compte uniquement les composants conducteurs. Les principales pièces de travail sont conservées, comme illustré à la figure 1B.

Dans l’étape de prétraitement du champ des courants de Foucault, un aspect critique implique l’ajout et la vérification de l’excitation de la charge. Comme décrit à l’étape 2.1, il est essentiel d’ajouter avec précision le courant de charge aux bras sortants supérieur et inférieur, en s’assurant que l’ensemble du circuit conducteur forme un chemin pour le courant. Cela facilite le calcul de la carte du nuage de distribution du champ des courants de Foucault. La difficulté réside dans la nécessité de vérifier le circuit avant le calcul de la solution, car un chemin de courant incomplet dans le circuit peut entraîner une non-convergence lors de la résolution ou des situations où Maxwell ne peut pas calculer. L’analyse ultérieure du champ de température repose entièrement sur les pertes obtenues lors de la résolution de ce champ de courants de Foucault, ce qui rend l’inspection du chemin du courant une étape nécessaire.

Dans la solution de champ de température, l’étape 3 présente deux modules différents pour résoudre le modèle. Cependant, il est difficile de garantir des conditions initiales identiques pendant le processus de solution. Étant donné que les modules ont des accents différents dans leurs solutions, il est nécessaire d’approximer ou de définir des températures ambiantes, des coefficients de convection et d’autres conditions de résolution identiques pour assurer la cohérence sous la source de chaleur unique fournie par Maxwell. De plus, le contrôle de la cohérence des intervalles de cohérence de la solution de champ de température dans les deux modèles permet une comparaison directe des affichages de température pour les mêmes composants dans la même plage de température, mettant en évidence les différences entre les solutions et facilitant les conclusions intuitives.

Cet article présente une méthode innovante pour mesurer et analyser avec précision la distribution de la température des équipements électriques pendant leur fonctionnement. Relevant le défi de mesurer avec précision les pertes ohmiques avec des méthodes traditionnelles, cette étude utilise le solveur à courants de Foucault Maxwell pour des calculs précis, qui servent ensuite de base à la résolution du champ de température. Par la suite, le module de résolution de champ de température est utilisé pour afficher visuellement la distribution de la température de chaque composant, améliorant ainsi considérablement l’efficacité et la précision des tests d’ingénierie. La nouveauté de cet article réside non seulement dans le fait qu’il fournit une méthode efficace pour résoudre le champ de température, mais aussi dans la démonstration de la manière d’utiliser ces résultats pour l’optimisation structurelle et l’analyse de la dissipation thermique. Cela offre de nouveaux moyens techniques pour la conception et l’optimisation des équipements électriques. Cependant, le processus de recherche a été limité et, dans le cadre de travaux futurs, d’autres recherches seront menées dans les domaines suivants. Tout d’abord, le raffinement du modèle et le couplage multi-champs. Le modèle sera affiné pour refléter avec précision les caractéristiques thermiques de l’armoire réseau en anneau pendant le fonctionnement réel. Deuxièmement, l’étude des champs de température transitoires. Des recherches approfondies seront menées sur les changements de champ de température de l’armoire de réseau en anneau dans des conditions de charge variables afin de fournir un soutien supplémentaire pour le fonctionnement stable de l’armoire de réseau en anneau dans des conditions de fonctionnement complexes.

Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont pas d’intérêts conflictuels.

Remerciements

Les auteurs remercient M. Wu, MME Sun, M. Wang, M. Mu et M. Li pour leur aide. Cette étude a été soutenue par la China Postdoctoral Science Foundation (2022M721604) et le Wenzhou Key Science and Technology Tackling Programmer (ZG2023015).

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Air//Gaz conventionnels
Aluminium//Matériaux alliages
Cuivre//Matériaux alliés
IcepakANSYS companyANSYS 2021R1A Logiciel de simulation thermique CFD
Hébergement PC/12e génération Intel(R) Core(TM) i5-13500F CPUÉquipement
informatique hôteSolidWorksFiliale de Dassault SystèmesSolidWorks2021Un outil de dessin logiciel d’ingénierie
Thermique en régime permanentSociété ANSYSANSYS 2021R1Un outil de solution de simulation thermique

Références

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  24. Steiner, T. R. High temperature steady-state experiment for computational radiative heat transfer validation using COMSOL. and ANSYS. Results Engg. 13, 100354(2022).

Réimpressions et autorisations

Mots-clés

Simulation par l ments finisPertes ohmiquesAnalyse du champ thermiqueTransfert de chaleur par convectionThermique en r gime permanentG n ration de maillageConvection naturellequipement lectrique
Etude comparative de la simulation de l’élévation de température dans l’unité principale de l’anneau
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