מאמר זה מטפל בבעיית עליית הטמפרטורה של היחידה הראשית הטבעתית על ידי הקמת מודל פשוט וביצוע ניתוח השוואתי בשני מודולים לפתרון שדות טמפרטורה.
מאמר שיטה
מחקר השוואתי של סימולציה של עליית טמפרטורה ביחידה הראשית הטבעתית
במאמר זה
סיכום
תקציר
היחידה הראשית הטבעתית (RMU) היא התקן קריטי במערכות חלוקת חשמל המשמש לחיבור והפצה של חשמל. עם זאת, בשל המבנה הפנימי הקומפקטי שלה ועומס זרם גבוה, בעיות פיזור חום בולטות במיוחד. כדי להתמודד עם בעיה זו, מחקר זה מציע באופן חדשני מודל RMU פשוט, תוך שימוש בשיטות סימולציה של אלמנטים סופיים כדי לפתור במדויק את ההפסדים האוהמיים של מוליכים בתנאי הפעלה בפועל ולקבל נתוני הפסד אוהמי עבור רכיבים שונים. זוהי החקירה המעמיקה הראשונה של בעיית עליית הטמפרטורה של RMU באמצעות גישה מקיפה כזו. לאחר מכן, שדה הטמפרטורה נפתר באמצעות שני מודולים שונים של ניתוח שדה טמפרטורה, עם השוואה מפורטת וניתוח של תוצאות הסימולציה כדי לזהות דמיון, הבדלים ומגמות בהתפלגות הטמפרטורה. התוצאות מצביעות על כך שמודל פתרון שדה הטמפרטורה, המתחשב בהעברת חום קונבקטיבית, מדויק יותר ומיישר קו עם תנאי ההפעלה בפועל. מחקר זה מספק גישה חדשנית ופתרונות מעשיים לתכנון ואופטימיזציה של RMUs. מחקר עתידי יכול להמשיך לחקור שיטות ניתוח צימוד רב-פיזיקליות כדי לטפל בבעיות תכנון מבני ותיקוף חובה עבור RMUs מתח גבוה ואולטרה גבוה וציוד חשמלי אחר, ובכך לספק תובנות חשובות לתכנון הנדסי.
מבוא
היחידה הראשית של הטבעת היא קבוצה של ציוד מיתוג מתח גבוה המותקן בארון מתכת מפלדה או עשוי מיחידת אספקת חשמל של רשת טבעת במרווחים מורכבים של ציוד חשמלי. המבנה הכולל של מתג העומס והמעגל המוליך מורכב מהמעגל המוליך, הכולל מספר רכיבים המרכיבים את הליבה העיקרית של יחידת הטבעת. עם זאת, בשל המבנה הפנימי הקומפקטי שלה, היחידה הראשית הטבעתית מתמודדת עם אתגרים בפיזור חום. זה יכול להוביל לעיוות תרמי והזדקנות בעת הפעלה לפרקי זמן ממושכים בסביבות טמפרטורה גבוהה. בעיות אלה משפיעות לא רק על חיי השירות של היחידה אלא גם על תכונות הבידוד שלה, ומהוות סיכונים בטיחותיים. בפרט, נזק לציוד ותאונות חשמל הופכים סבירים יותר, ומהווים סיכונים בטיחותיים משמעותיים.
בתחומי מחקר שונים, חוקרים ערכו סדרה של מחקרים על עליית הטמפרטורה של מתגי קו עילי וניתחו גורמים שונים המשפיעים על התפלגות הטמפרטורה1. ב- Polykrati et al.2 מוצג מודל מתמטי להערכת עליית הטמפרטורה של רכיבים המותקנים ברשת ההפצה במהלך תקלת קצר חשמלי. המודל יושם על מתגי הניתוק הנפוצים של הרשת, ומאפייני התוצאות שורטטו על פי הצורות השונות של החלק הא-סימטרי של צורת הגל של זרם הקצר והערך ההתחלתי של רכיב זרם DC בקצר חשמלי. גואן ועמיתיו, לעומת זאת, לקחו בחשבון את התנגדות המגע והדחייה האלקטרומגנטית על ידי בניית גשר מגע שווה ערך להדמיית ממשק המגע וניתחו עוד יותר את שדה הצימוד האלקטרומגנטי-תרמי ואת ניסוי עליית הטמפרטורה3. בנוסף, החוקרים חקרו את שדה הטמפרטורה ואת התפלגות הלחץ התרמית של המגעים הדינמיים והסטטיים בתוך היחידה הראשית הטבעתית על ידי סימולציית אלמנטים סופיים, שסיפקה בסיס לחקר חיי מפסק4. לבסוף, מולר ועמיתיו התמקדו במאפיינים הגיאומטריים של צלעות קירור והעריכו את ההשפעות של בחירת חומרים, שטח פנים כולל, אחידות טמפרטורה וטמפרטורת פני שטח מקסימלית על ביצועים תרמיים5. מחקרים אלה מספקים תובנות ושיטות יקרות ערך לשיפור הביצועים והאמינות של ציוד המתגים, הפחתת עליית הטמפרטורה והארכת חיי הציוד. וואנג ועמיתיו הציעו מודל למידה עמוקה של MiNET (MDLM) בסביבת UPIOT במטרה לזהות אבחון תקלות של ארונות טבעות חשמליים, שאומת כבעל דיוק זיהוי של 99.1%, שהוא גבוה משמעותית מזה של שיטות אחרות6. Lei et al. חקרו את הביצועים התרמיים של פסי צבירה GIS במצב יציב באמצעות שיטת ניתוח צימוד מגנטו-נוזל-תרמי, ובכך ייעלו את המוליך ואת קוטר המיכל בהתבסס על תוצאות סימולציית עליית הטמפרטורה7. Ouerdani et al. השתמשו במודל סימולציית עליית הטמפרטורה של RMU כדי לקבוע את עליית הטמפרטורה במקומות קריטיים בתוכו, ובכך לקבוע את משך העומס המרבי עבור הרכיבים בתוך ה- RMU בהתאם8. Zheng et al. תיארו פס צבירה מלבני קונבנציונלי במודל של מתגים בזרם גבוה על ידי בניית מודל דו-ממדי ויישום שיטת האלמנטים הסופיים (FEM) לחישובי שדה אלקטרומגנטי. זה איפשר להם להשיג את התפלגות מוליך האוטובוס, צפיפות זרם ואובדן חשמל. פס צבירה לא סדיר תוכנן לאחר התחשבות בהשפעות אפקט הקרבה ואפקט העור. עיצוב פסי צבירה לא סדיר זה שיפר את הביצועים של פסי צבירה מלבניים קונבנציונליים9.
באשר להיבט של השימוש בסימולציית הקרח, וואנג ועמיתיו ביצעו סימולציית עליית טמפרטורה באמצעות שדה מערבולת, שדה זרימת אוויר ותאוריות שדה טמפרטורה ומצאו כי עליית הטמפרטורה של היחידה הראשית הטבעתית הייתה חמורה יותר תחת הסעה טבעית. הם הפחיתו בהצלחה את רמת עליית הטמפרטורה על ידי הוספת קירור אוויר מאולץ וביצוע שיפורים במבנה המגע הפנימי10. Zhu et al.11 השתמשו icepak כדי לדמות מודל תרמי על מנת להשוות את ההשפעה של נוכחות vias תרמי על PCB ואת נוכחותם של צלעות קירור על הטמפרטורה של מכשירי כוח. לבסוף, הניתוח התיאורטי מושווה עם תוצאות הסימולציה כדי לאמת את נכונות הניתוח התיאורטי. Mao et al.12 חקרו את הטמפרטורה ואת פיזור זרימת האוויר הפנימית בתנאי הפעלה בקיץ על ידי סימולציה תרמית המבוססת על תוכנת CAE בסימולציית icepak. הבעיה כיצד לשפר את יעילות הקירור ולשלוט בעליית הטמפרטורה של מגעים מצופים כסף מרובים נתונה, וקווי המתאר של הטמפרטורה וזרימת האוויר הפנימית שנלכדו בסימולציה יניחו את הבסיס לתכנון ערכת הקירור עבור ששת המגעים המצופים כסף המותקנים ביחידת האיטום. לעומת זאת, בשימוש במודול תרמי במצב יציב, שיטות דוגמנות Zhang13 נדונות לפתרון הרשת התרמית של שיחים בלחץ גבוה באמצעות הליך ארעי חלופי. תוצאות הבדיקה והסימולציה תואמות היטב את המצב התרמי היציב ואת המצבים הארעיים של השיח. התוצאות הארעיות משמשות לאחר מכן להערכת קיבולת עומס היתר של השיח. Vaimann et al.14 פיתחו וניתחו מודל תרמי אנליטי של מנוע רתיעה סינכרוני לחיזוי הטמפרטורה של מרכיביו השונים והרשת התרמית הכוללת של הפרמטרים.
עם ההתקדמות המתמדת של המחקר על ציוד חשמלי כגון יחידות ראשיות טבעתיות, בדיקות עליית טמפרטורה קונבנציונליות, ושיטות ייצור הם יחסית לא יעילים. לכן, על ידי שימוש בטכנולוגיית אלמנטים סופיים בשילוב עם בדיקות לא מקוונות, לא רק בעיות עלות התכנון מטופלות, אלא ניתן לבצע התאמות ואופטימיזציות באופן מיידי לבעיות בעולם האמיתי בהתבסס על סימולציות. בהתבסס על התקדמות המחקר שהוזכרה לעיל, השימוש ב- ANSYS Icepak ובצימוד תרמי במצב יציב לניתוח השוואתי מוזכר לעתים רחוקות. לכן, הפרוטוקול מתאר את מחקר המנגנונים של אלמנטים סופיים, משתמש בשילובים נומריים ומורפולוגיים כדי לבסס מודל סימולציה של עליית טמפרטורה של אלמנט סופי עבור המארז, ודן במודל סימולציית עליית הטמפרטורה של אלמנט סופי בהתבסס על התוצאות של שני המודולים האנליטיים על ידי השוואת התוצאות של שני מודולי הסימולציה. באמצעות ההשוואה בין שני מודולי הסימולציה, נקבל את המאפיינים של מגמת עליית הטמפרטורה של היחידה הראשית הטבעתית ונמצא את השיטה המתאימה ביותר כדי לספק את הבסיס הדרוש ורעיונות מחקר לאסטרטגיה למיתון עליית הטמפרטורה של היחידה הראשית הטבעתית.
פרוטוקול
1. מודל
הערה: בשל המבנה המורכב של היחידה הראשית הטבעתית (איור 1A), נבחרה תוכנת עיצוב מקוונת כדי לפשט את פעולת היחידה הראשית הטבעתית.
- פישוט מודלים
- לפשט חלקית את הדגם, תוך שמירה על קטע תיבת האוויר של ה- RMU תוך הסרה או פישוט של רכיבים אחרים כגון פירי בידוד, ברגי הידוק, אומים, רכיבי איטום וסוגרי תמיכה בלחץ. הגרסה הפשוטה מוצגת ב- (איור 1B).
- בתהליך פישוט היחידה הראשית של טבעת מסוג 630A, הסר את הפיר המבודד המחבר את חדר המפסק עם תיבת המכשירים וברגים ואומים קבועים רבים. הוציאו את חלקי האיטום ואת תושבת שמירת הלחץ וחברו את המגעים הסטטיים של הקרן הסטטית המבודדת עם פס הצבירה התחתון תחת ההנחה להבטיח שלכל המערך יש אותו זרם מוליך ורק מפסק הוואקום, לוח קיבוע המפסק, המגעים הסטטיים ומפסק הוואקום נשמרים.
- שמור רק על מפסק הוואקום, לוח קיבוע המפסק, המגע הסטטי ולוח חסימת מפסק הוואקום. באופן כללי, הסירו ברגים ואטמים מהדגם, מלאו את החורים לאחר הסרת הברגים במוצקים, הפחיתו את מספר חלקי הרשת ומטבו את הצורות הלא סדירות של החלקים. הסר מכשירים להפעלת לוח, לוחות הרכבה, סוגריים וחלקי הפעלה אחרים, כגון תיבות מכשירים, שאין להם השפעה על תהליך הדמיית עליית הטמפרטורה.
- ניתן להתעלם מהמעטפת המבודדת של רכיבים מסוימים תחת סימולציה מכיוון שיש להם השפעה מועטה על תוצאות הסימולציה. בנוסף, מתגי הארקה שאין להם השפעה על השימוש בציוד במהלך פעולה רגילה מסירים אותם, ושומרים על מקום המפסק לסימולציה.
- כדי למחוק כל מקטע, פשוט בחר אותו ולחץ על למחוק אופציה.
- לפשט חלקית את הדגם, תוך שמירה על קטע תיבת האוויר של ה- RMU תוך הסרה או פישוט של רכיבים אחרים כגון פירי בידוד, ברגי הידוק, אומים, רכיבי איטום וסוגרי תמיכה בלחץ. הגרסה הפשוטה מוצגת ב- (איור 1B).
2. פתרון שדה אדי
- הגדרות עיבוד מראש
הערה: אמולציית שדה זרם אדי היא הבסיס לביצוע פתרון שדה הטמפרטורה, הדורש ניתוח עוקב של מקור החום הפתור, כעומס על שדה הטמפרטורה.- עיין בתיעוד הציוד של היחידה הראשית הטבעתית ובמדריכים הרלוונטיים כדי לאסוף מידע על התכונות והפרמטרים הפיזיים של כל רכיב ביחידה הראשית הטבעתית. הגדר את התכונות והפרמטרים הפיזיים של רכיבי היחידה הראשית הטבעתית במקסוול בהתבסס על המידע המתקבל, כמפורט בטבלה 1.
- הגדר את זרם העומס של שדה הערבולת על 630 אמפר בתדר של 50 הרץ. בתוכנת Maxwell, בחר צד אחד של הזרועות היוצאות העליונות והתחתונות, הזן את מודול העירור והגדר את הגודל הנוכחי ל- 630 A. במקטע הגדרות פתרון, בחר תדר של 50 הרץ.
הערה: במעגל מוליך של יחידה ראשית טבעתית, המסלול שנוצר על ידי כל הרכיבים מזרוע היציאה העליונה לזרוע היציאה התחתונה ידוע כרצף פאזות. לכן, במאמר זה, השלבים A, B ו-C מסודרים משמאל לימין. - הפרמטרים החומריים של רכיבי היחידה הראשית הטבעתית מוצגים בטבלה 2.
- כוון את הזרם דרך זרועות הקו היוצא, חיבורים גמישים, פסי צבירה, מפסקים, פסי צבירה לתמיכה במגע סטטי וסרגלי צבירה ענפיים לכל שלב. המטרה היא לממש נתיב נוכחי המאפשר לרכיבים להשלים את העומס.
- השתמש ברשת ההתאמה של Maxwell כדי להשלים את בקרת הרשת עבור הדגם. השתמשו בשיטת Maxwell adaptive mesh partitioning לרכיבים גדולים יותר ובעידון רשת שינוי מקומית לרכיבים פנימיים קטנים יותר.
הערה: Maxwell יכולה לשפר ללא הרף את דיוק הרשת במהלך תהליך הפתרון, ולבטל את הצורך ללחוץ על Mesh Operations לחלוקת רשת שינוי נוספת. - הגדר את גודל שלב הפתרון. לחץ על ניתוח בעץ הדגם, פתח את הגדרות שלב הפתור, והגדר את מספר המעברים המרבי ל- 10. שמור הגדרות אחרות בערכי ברירת המחדל שלהן מבלי לבצע שינויים.
- עקרון אדי חישוב שדה נוכחי15,16.
- השתמש במשוואה הראשונה של מקסוול, המתארת את פעולת המטען על יצירת שדה חשמלי17.
(1)
כאשר ρ מייצג את צפיפות המטען; ε0 מייצג את הקבוע הדיאלקטרי של הריק. - השתמש במשוואה השנייה של מקסוול, המתארת את הקשר בין שדה מגנטי משתנה לשדה חשמלי לבין השפעת שדה מגנטי על תנועת מטען.
(2)
כאשר
מייצג את עוצמת השדה המגנטי. משוואה זו מתארת כי שדה מגנטי משתנה מייצר שדה חשמלי מערבולת, כלומר, הספין של השדה החשמלי של המערבולת שווה לשלילי של קצב השינוי של השדה המגנטי עם הזמן. - השתמש במשוואה השלישית של מקסוול, המתארת את השפעת המטען המגנטי על ייצור שדה מגנטי.
(3)
משוואה זו מתארת את השדה המגנטי הנוצר על ידי מטען מגנטי כפסיבי, כלומר אין מונופולים בשדה המגנטי. - השתמש במשוואה הרביעית של מקסוול, המתארת את הקשר בין שדה חשמלי משתנה לשדה מגנטי ואת השפעת זרם חשמלי על שדה מגנטי.
(4)
כאשר
מייצג את צפיפות הזרם ו- μ0 מייצג את חדירות הריק. משוואה זו מתארת כי שדה חשמלי משתנה מייצר שדה מגנטי של מערבולת, כלומר, הספין של השדה המגנטי של המערבולת שווה לסכום צפיפות הזרם וקצב השינוי של השדה החשמלי עם הזמן. - בהתבסס על המשוואות לעיל, השתמש ב- Maxwell 3D באמצעות מודול פותר זרם אדי כדי לפתור את ההפסד האומי שנוצר על ידי המעגל המוליך ב- RMU, המספק מקור חום לניתוח הסימולציה התרמית שלאחר מכן. הביטוי המתמטי שלה ניתןכ-18
(5)
כאשר σ מציין את המוליכות של חומר הלולאה המוליך; J היא צפיפות הזרם בלולאה.
- השתמש במשוואה הראשונה של מקסוול, המתארת את פעולת המטען על יצירת שדה חשמלי17.
- תוצאות החישוב
- לחץ על האפשרות Maxwell 3D בממשק ופתח את בדיקת האימות כדי לבדוק את כל ההגדרות עבור שגיאות. אם אין שגיאות, המשך ללחוץ על נתח הכל כדי להתחיל את תהליך הפתרון.
- השתמש במחשבון שלאחר העיבוד של מקסוול כדי לחשב ולשרטט את ההפסדים האוהמיים בשדה זרם אדי של היחידה הראשית הטבעתית, כפי שמוצג בטבלה 3.
3. פתרון שדה טמפרטורה
הערה: למטרות השוואה, חלק את שדה הטמפרטורה ל- Icepak ו- steady state thermal. הגדר ופתור כל אחד מהם בנפרד כדי להשיג ניתוח השוואתי.
- הגדרת דגם Icepak
- הגדר את תכונות החומר באופן הבא: ייעד את כל החומרים המוצקים במעגל כ- Cu-Pure, עם משטחים המשתמשים במשטח מלוטש Cu. עבור רכיבי הלוח, בחר חומר אלומיניום6061-T6 , עם ציפוי משטח של משטח Paint-AL עם פליטות של 0.35. ראו טבלה 4 לפרטים. לחץ לחיצה ימנית על הרכיב שנבחר, לחץ על ערוך ולאחר מכן עבור אל מאפיינים כדי להגדיר את החומר הן עבור פני השטח והן עבור חומרים מוצקים.
- בחרו בדגם ולחצו על 'קבע' בתפריט 'עריכה', ולאחר מכן בחרו 'רמת רשת רשת רב-שכבתית ' להתאמת קביעות רשת השינוי. קבעו את הארון החיצוני לרמת רשת של 2, ואת כל הגבולות לרמת רשת של 2. לכל שאר הרכיבים, קבעו את רמת רשת השינוי על 3. לבסוף, פתחו את 'רשת שינוי' ולחצו על 'צור' ליצירת רשת השינוי.
- כדי להבטיח את הדיוק והיעילות של הסימולציה ללא קשר לגודל הרשת, יש צורך באימות עצמאות הרשת. ייבא את המודל הגיאומטרי של מארז שדה הטמפרטורה, שהוקם באמצעות תוכנת העיצוב לרשת.
- כפי שמתואר באיור 2, עקומות הקיטוב של ארבע קבוצות הרשת מיושרות היטב. במתח עבודה של 0.5 וולט, צפיפות הזרם עבור ארבע מערכות הרשת היא 2.357 A/cm2, 2.358 A/cm2, 2.356 A/cm2 ו-2.454 A/cm2, בהתאמה, כאשר השגיאה בין צפיפות המקסימום לצפיפות הנוכחית היא פחות מ-1%. כדי לאזן יעילות ודיוק, קבע את גודל הרשת שמגיע להיות 987924.
- הגדרת הפתרון
- הגדר את ההוראות של ארון תחום הפתרון לפתיחה.
- בתוכנה, בחר שלב בעיה. תחת פרמטרים בסיסיים, בדוק את מודל קרינת פני השטח אל פני השטח, בחר משוואת אפס עבור משטר זרימה טורבולנטית, בחר באפשרות כבידה עבור הסעה טבעית והגדר את טמפרטורת הסביבה ל- 20 ° C.
- בהגדרות הקובץ, בחר הפסדי חום נפחיים עבור מיפוי EM ובחר כל האובייקטים המוצגים כדי להשלים את הגדרות האובדן.
- חישוב שדה טמפרטורה
- ב icepak, להחיל שלוש משוואות שימור עיקריות עבור אנרגיה: משוואת שימור מסה, משוואת שימור תנע, ומשוואת שימור אנרגיה. באופן ספציפי, השתמש במשוואת שימור התנע, שהיא כדלקמן19:
(6)
משוואת שימור אנרגיה:
(7)
משוואות שימור מסה:
(8)
משוואת העברת אנרגיה להעברת חום ממקור חום מוצק:
(9)
ρ מייצג את צפיפות הנוזל; v מייצג את וקטור מהירות הזרימה; T מייצג את הטמפרטורה; p הוא הלחץ; τ הוא הכוח הצמיג על פני השטח של מטבוליט מיקרו; κ הוא מקדם העברת החום; Shהוא מקור חום הגוף; h הוא האנתלפיה הספציפית של הנוזל ו-F הוא כוח הגוף של המיקרו-מטבוליט.
הערה: התוצאות של חישובי שדות הטמפרטורה מוצגות באיור 3A ובאיור 4A.
- ב icepak, להחיל שלוש משוואות שימור עיקריות עבור אנרגיה: משוואת שימור מסה, משוואת שימור תנע, ומשוואת שימור אנרגיה. באופן ספציפי, השתמש במשוואת שימור התנע, שהיא כדלקמן19:
- הגדרת מודל תרמי במצב יציב
- שמור על תכונות החומר לפי טבלה 3 בהגדרות החומר. צור את ההפסדים האוהמיים הנובעים מניתוח סימולציית שדה זרם מערבולת במודול התרמי מצב יציב על ידי לחיצה על יצירת עומס תרמי .
- לחץ על ערך הטמפרטורה הקונבקטיבית והגדר אותו ל- 20 ° C, עם מקדם הסעה של 5 (W/m²°C) המוחל על הקירות הפנימיים של הארון, הרכיבים והארון החיצוני. החל את ההגדרות וצור. הגדר את הפלט לפתרון עבור טמפרטורה על ידי לחיצה על פתור > תוצאות פלט.
הערה: שדה הטמפרטורה העיקרי השולט במשוואות בחישוב שדה הטמפרטורה התרמית במצב יציב 20,21,22 נגזר בדרך כלל מחוק הולכת החום (חוק הולכת החום של פורייה). במקרה החד-ממדי, ניתן לבטא את משוואת העברת החום של שדה הטמפרטורה כ-20:
(10)
במשוואה זו, T מייצג את הטמפרטורה בתוך האובייקט, t הוא זמן, x הוא קואורדינטות מרחביות, ו- α הוא הדיפוזיביות התרמית. משוואה זו מתארת את השונות של הטמפרטורה ביחס לזמן ולמרחב, כאשר הצד הימני מבטא את הקשר בין קצב הולכת החום לבין שיפוע הטמפרטורה. בתרחיש תלת ממדי כללי יותר, משוואת הולכת החום עבור שדה הטמפרטורה יכולה לבוא לידי ביטוי בצורה הבאה:
(11)
ρ מייצג את צפיפות האובייקט, c הוא קיבול החום הספציפי, K הוא המוליכות התרמית ו-Q הוא מונח מקור החום בתוך הנפח. משוואה זו מתארת את השונות של שדה הטמפרטורה, המושפעת מהולכת חום, מקורות חום וקיבול תרמי. - תוצאות חישוב שדה הטמפרטורה מוצגות באיור 3. השווה את ערכי הטמפרטורה המסוכמים בטבלה 5 ובטבלה 6.
תוצאות
על סמך הנתונים בטבלה 3 ניתן להסיק את המסקנות הבאות: ההפסדים הכוללים בשלבים A, B ו-C דומים יחסית. באופן ספציפי, סך ההפסדים עבור שלב A הוא 16.063 W/m³, שלב B הוא 16.12 W/m³, ושלב C הוא 19.57 W/m³. המיקומים עם הפסדים גבוהים יותר עשויים להיות בחיבורים של רכיבים שונים. הסיבה העיקרית לכך היא שהתנגדות מגע והתנגדות מוליכים קיימות בדרך כלל בנקודות חיבור אלה. כאשר זרם עובר דרך חיבורים אלה, נוצר חום משמעותי, המוביל לעלייה בטמפרטורה ולהפסדים גבוהים יותר באזורים אלה.
הזרועות היוצאות העליונות והתחתונות של היחידה הראשית של הטבעת נושאות כמה אבדות, במיוחד בעת נשיאת המטען העיקרי. ההפסדים בזרועות היוצאות של שלושת השלבים זהים בערך. הסיבה לכך היא שחלק זה של הזרם מרוכז יחסית, ובשל הצורה הרגילה, ערך ההתנגדות קטן. לכן, ההפסדים בחלקים אלה שווים בקירוב.
ההפסדים בפסי הצבירה של הסניף גבוהים יחסית, בעיקר בשל עיקוליו הרבים והימצאותם של קטעים זוויתיים. רוב הזרם מרוכז באזור העיקול וליד הפינות. מלבד קטע מפסק הוואקום, גם ההפסדים בחלק צינור הנחושת של פס הצבירה גבוהים יחסית, ומסתכמים ב-22.32 W/m³, המהווים 40% מההפסדים האוהמיים הכוללים של שלושת השלבים. ההפסדים בחלק המגע הסטטי קטנים יחסית להפסדים הכוללים.
רכיבים אחרים, כגון לוח קבוע של מפסק, מפסק פחת והמעטפת החיצונית של היחידה הראשית הטבעתית, הם בעלי הפסדים קטנים יותר. מכיוון שהם אינם משתתפים ישירות בעומס, ההפסדים שלהם נוצרים בעיקר על ידי המרכיבים הפנימיים באמצעות הולכה, וכתוצאה מכך ערכי הפסד קטנים יותר. בחישובים שלאחר העיבוד, ההפסדים של רכיבים אלה אינם מפורטים במיוחד. לסיכום, תוארו המאפיינים העיקריים של חלוקת ההפסדים, המספקים תובנות חשובות לאופטימיזציה נוספת של התכנון.
בשילוב התוצאות מאיור 3 ואיור 4, יחד עם טבלה 5 וטבלה 6, נערכה השוואה יסודית של תוצאות תמיסת שדה הטמפרטורה בין המודולים התרמיים Icepak ו- Steady-state. בתהליך הניתוח נצפו הבדלים ודמיון בין שני המודולים.
בטווח הטמפרטורות של 20-31.24 מעלות צלזיוס, כפי שמוצג באיור 2A, אזורי הטמפרטורה הגבוהים יותר מרוכזים באזורים שבהם מתחם ה-RMU בא במגע עם הרכיבים הפנימיים. הסיבה העיקרית לכך היא שאזורי מגע אלה משמשים בדרך כלל כנתיבים קריטיים להולכת חום. במהלך המבצע, המרכיבים הפנימיים מייצרים חום, אשר מתבצע למתחם דרך משטחי מגע עם מוליכות תרמית טובה, ובכך גורם לעלייה בטמפרטורה באזורים אלה. אזורים אלה כוללים את נקודות המגע של זרוע הקו היוצא העליון ואת חלקי זרוע הקו היוצא התחתון במגע עם הקונכייה הסמוכה שלה, עם טווח טמפרטורות של כ 24-27 ° C. בהשוואה לאיור 3B, טווח ההתחממות של הקונכיות בשני המקרים זהה פחות או יותר, ושינויי הטמפרטורה מתפשטים מהנקודות החמות לאזורים הקרים יותר. אם בוחנים את איור 4A,B, מגמות הטמפרטורה הכלליות בשני המקרים דומות בקירוב גם הן. המקור העיקרי לעליית הטמפרטורה הוא הולכת החום דרך זרוע הקו היוצא התחתון, העוברת דרך המוליכים הפנימיים ומתפוגגת מזרוע הקו היוצא העליון. מגמת ההתחממות מתרכזת באזורים הקרובים לזרוע הקו היוצא התחתון, כולל פסי הצבירה המסועפים של כל שלב ופסי הצבירה התומכים המחוברים. יתר על כן, מהתבוננות בהתפלגות הטמפרטורה במעגלים הפנימיים באיור 4, בין אם באמצעות Icepak או מודול תרמי במצב יציב לפתרון, הטמפרטורה הכוללת של שלב B גבוהה באופן עקבי משני השלבים האחרים. זה בעיקר מצביע על כך ששלב B, במהלך תהליך העומס, לא רק נושא את החום שנוצר על ידי הזרם של אותו פאזה, אלא גם, בשל המבנה הפנימי הקומפקטי מדי של RMU, החום המיוצר על ידי כל שלב אינו יכול להתפזר מיד. בשל חילופי החום, הטמפרטורה של שלב B נשארת גבוהה יותר משני השלבים האחרים ללא קשר לפותר המשמש. מגמות הטמפרטורה הכלליות מציגות גם רמה גבוהה של דמיון, כאשר עליית הטמפרטורה העיקרית נובעת מהולכת החום דרך זרוע הקו היוצא התחתון ופיזור החום מזרוע הקו היוצא העליון. מגמה זו נראית עקבית מאוד בין שני המודולים. יתר על כן, מיקומי הנקודות החמות במפות התפלגות הטמפרטורה של שני המודולים עקביים ביותר. בפרט, בחלק של פס הצבירה של שלב C, שני הפותרים מראים את אותה טמפרטורה גבוהה ביותר וההבדלים כמעט זניחים. משמעות הדבר היא כי ללא קשר הפותר בשימוש, זיהוי מדויק של עמדות הטמפרטורה החמה ביותר הוא חיוני לניהול תרמי של RMU.
שנית, ניתן לראות מהטבלה שאותו זרם מייצר את אותו הפסד, אך ערך הטמפרטורה של כל רכיב פאזה בטבלה 6 נמוך בדרך כלל מזה שבטבלה 5; לדוגמה, ערך הטמפרטורה של אפיק הסניף באזור הנקודה החמה של ה- RMU כולו הוא הטמפרטורה הגבוהה ביותר בטבלה 6 ב- 30.91 מעלות צלזיוס, ומצד שני, הטמפרטורה הגבוהה ביותר של אפיק הסניף בטבלה 5 היא 31.24 מעלות צלזיוס. הסיבה לכך היא לוגיקת הפתרון של Icepak: ה-RMU כמקור חום ימשיך להחליף חום ולפזר חום, וכאשר נוזל מוגדר כמדיום להעברת חום, הטמפרטורה בתחום התמיסה תיפלט בהדרגה דרך התווך, מה שמביא לירידה בטמפרטורה. המודול התרמי במצב יציב שם פחות דגש על הסעת חום עם האוויר שמסביב ובמקום זאת מתמקד בתמיסה מבוססת הולכת חום. בהשוואה למודלים המסבירים הסעה, גישה זו מביאה לפתרון שדה טמפרטורה פחות מקיף. כתוצאה מכך, באזורים שבהם הטמפרטורה גבוהה יותר, נקודות חמות הופכות בולטות יותר. בתהליך בדיקת עליית הטמפרטורה בפועל, בנוסף להתחשבות במאפייני המודל עצמו, העברת חום בו זמנית שוקלת גם את השפעת אמצעי פיזור החום, כגון אוויר וכו ', על הטמפרטורה הכוללת. בשילוב עם הצרכים המעשיים ושיקולי הפעולה הניסיונית, ה- RMU כמקור חום ממשיך לבצע הסעת חום ופיזור חום; סימולציית הטמפרטורה של IcePak תואמת יותר את הצרכים בפועל. במקרה בו היחידה הראשית הטבעתית משמשת כמקור חום עם הסעת חום מתמשכת ופיזור, סימולציית הטמפרטורה של icepak תואמת יותר את הצרכים המעשיים. להיפך, המודול התרמי במצב יציב מתמקד בעיקר בהולכת חום, אשר לא יוכל לענות על הצרכים בפועל במקרים מסוימים.
איור 1: מודל היחידה הראשית הטבעתית. (A) מודל כולל של היחידה הראשית הטבעתית (B) מודל פשוט של היחידה הראשית הטבעתית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: עקומות קיטוב עבור ארבע קבוצות של רשתות שינוי. רשת שינוי אדפטיבית Maxwell משמשת לחלקים גדולים יותר, ועידון רשת מקומית משמש לחלקים קטנים יותר. בתוכנת עיצוב, מודל תלת ממדי פשוט של ארון הטבעת הראשי נוצר ומיובא לתוך Maxwell, והמודל מרושת באמצעות מודול Mesh שלו. האיור מייצג את אימות רשתות המודל. צפיפות הזרם של ארבע קבוצות הרשתות היא 2.357 A/cm2, 2.358 A/cm2, 2.356 A/cm2 ו-2.354 A/cm2 תחת עומס המתח, והשגיאה היחסית בין צפיפות הזרם המרבית לצפיפות הזרם המינימלית היא פחות מ-1%, וכדי לקחת בחשבון את היעילות והדיוק של החישובים, המספר הסופי של הרשתות נקבע כ-1169091. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: מודל ניתוח שדה הטמפרטורה בארון החיצוני. (A) התפלגות טמפרטורת מעטפת עם תמיסת Icepak. (B) התפלגות טמפרטורת מעטפת עם תמיסה תרמית במצב יציב. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: מודל ניתוח שדה טמפרטורה במעגל פנימי. (A) התפלגות הטמפרטורה של הלולאה המוליכה עם תמיסת Icepak (B) התפלגות הטמפרטורה של הלולאה המוליכה עם תמיסה תרמית במצב יציב. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
| חומר | אוויר | יריעת פלדה מגולוונת | נחושת | אלומיניום | ||
| קיבולת חום ספציפית (J/(kg· K)) | 1007 | 500 | 500 | 897 | ||
| צפיפות (ק"ג/מ"ק) | 1.1614 | 8030 | 8900 | 2689 | ||
| חדירות יחסית | 1 | 0.3 | 0.9999991 | / | ||
| חדירות מגנטית יחסית | 1 | 2500 | 1 | 1 | ||
| מוליכות תרמית (W/(m·K)) | 0.026 | 16 | 386 | 237 | ||
| פליטות | / | 0.65 | 0.3 | 0.1 | ||
| מוליכות חשמלית (S/m) | / | 0.8 | 5.80E+07 | / | ||
טבלה 1: פרמטרים פיזיקליים של חומרים מסוימים ביחידה הראשית הטבעתית.
| רכיבים | חדירות יחסית | מוליכות/ים | חומר |
| מעגלים נושאי זרם (פס צבירה, פסי צבירה מסועפים וכו ') | 0 | 3,00,00,000 | סגסוגת אלומיניום |
| מפסק ואקום | 0.9999 | 2,00,00,000 | סגסוגות נחושת |
| גופה | 200 | 11,00,000 | פלדה מבנית |
טבלה 2: רשימת החומרים עבור כל רכיב.
| הפסד אומי W/m³ | A | B | C |
| החוצה תן זרוע | 3.78 | 3.72 | 3.73 |
| בר צבירה סניף | 2.1 | 2.09 | 2.1 |
| חיבור גמיש | 1.3 | 1.3 | 1.3 |
| מפסק ואקום | 1.023 | 0.95 | 0.98 |
| אנשי קשר סטטיים | 0.36 | 0.36 | 0.36 |
| פסי צבירה מזינים | 1.33 | 1.35 | 1.32 |
| צינורות נחושת עבור פסי צבירה ענפיים | 6.19 | 6.35 | 9.78 |
טבלה 3: ערכי הפסד אוהמיים עבור רכיבי שלב A, B ו- C.
| מספר | 1 | 2 |
| Materia | אלומיניום6061-T6 | Cu-טהור |
| מוליכות תרמית (W/m·K) | 167 | 387.6 |
| צפיפות (ק"ג/מ"ק) | 8933 | 2700 |
| קיבולת חום ספציפית/(kg· K) | / | 896 |
| חומר פני השטח | משטח Paint-AL | משטח מלוטש |
| פליטות | 0.35 | 0.052 |
טבלה 4: הגדרות פרמטרים של חומרים.
| נקודת ניטור טמפרטורה/טמפרטורה (°C) | A | B | C |
| זרוע שקע עליונה | 25.48 | 25.79 | 25.63 |
| סרגל צבירה ראשי | 25.93 | 26.28 | 26.13 |
| בר צבירה סניף | 29 | 29.18 | 30.01 |
| צינור נחושת בר צבירה ענף | 31.04 | 31.18 | 31.24 |
| זרוע שקע תחתונה | 26.5 | 26.98 | 26.92 |
טבלה 5: ערכי הטמפרטורה של כל שלב ביחידה הראשית הטבעתית תחת מודול פתרון שדה הטמפרטורה התרמית במצב יציב.
| נקודת ניטור טמפרטורה/טמפרטורה (°C) | A | B | C |
| זרוע שקע עליונה | 23.73 | 23.82 | 23.81 |
| סרגל צבירה ראשי | 25.15 | 25.17 | 25.35 |
| בר צבירה סניף | 27.76 | 28.04 | 29.07 |
| צינור נחושת בר צבירה ענף | 28.42 | 29.31 | 30.91 |
| זרוע שקע תחתונה | 24.95 | 24.85 | 26.33 |
טבלה 6: ערכי טמפרטורה בנקודות ניטור של כל שלב בארון הטבעות תחת מודול פתרון שדה טמפרטורה Icepak
דיון
מאמר זה הוא ניתוח סימולציה השוואתי של עליית הטמפרטורה של ארון הטבעות בהתבסס על תוכנת מידול הנדסי ותוכנת אלמנטים סופיים, והפתרון המתאים ביותר למצב עליית הטמפרטורה בפועל מנותח על ידי שני מודולים של פתרון שדה טמפרטורה של אלמנט סופי. ניהול תרמי מתואר גם ב- Icoz23 כמרכיב קריטי וחיוני בשמירה על יעילות גבוהה ואמינות של רכיבים אלקטרוניים. המשמעות של ביצוע ניתוח השוואתי מסוכמת על ידי הסתמכות על העבודה בשטיינר24: ניתוח השוואתי בוצע באמצעות COMSOL ו- ANSYS מכני. לכן, בתהליך הייצור של RMU בפועל, התפלגות הטמפרטורה שלה ניתן לנתח על ידי תוכנת סימולציה סופית, אשר יכול לחסוך מאוד כוח אדם ועלויות הייצור.
ניתן ליצור את המודל התלת-ממדי של ה-RMU באמצעות SolidWorks, כפי שמוצג באיור 1A. בשלב 1.1, פישוט המודל מודגש כשלב מכריע בניתוח אלמנטים סופיים23. בהתחשב ברכיבים הרבים של RMU, אשר עשויים להשפיע על דיוק הפתרון ותוצאות חישוביות, חלקים מיותרים מוסרים לאחר התחשבות רק ברכיבים המוליכים. חלקי העבודה העיקריים נשמרים, כפי שמודגם באיור 1B.
בשלב העיבוד מראש של שדה זרם אדי, היבט קריטי כרוך בתוספת ואימות של עירור עומס. כמתואר בשלב 2.1, חיוני להוסיף במדויק את זרם העומס לזרועות היוצאות העליונות והתחתונות, ולהבטיח שכל המעגל המוליך יוצר נתיב לזרם. זה מקל על חישוב מפת ענן ההפצה של שדה הנוכחי מערבולת. הקושי טמון בצורך לבדוק את המעגל לפני חישוב התמיסה, שכן נתיב זרם לא שלם במעגל יכול להוביל לאי התכנסות במהלך פתרון או מצבים בהם מקסוול אינה יכולה לחשב. ניתוח שדה טמפרטורה עוקב מסתמך לחלוטין על ההפסדים המתקבלים מפתרון שדה זרם מערבולת זה, מה שהופך את בדיקת הנתיב הנוכחי לצעד הכרחי.
בפתרון שדה הטמפרטורה, שלב 3 מציג שני מודולים שונים לפתרון המודל. עם זאת, הבטחת תנאים ראשוניים זהים בתהליך הפתרון מציבה אתגר. מכיוון שלמודולים יש דגשים שונים בפתרונות שלהם, יש צורך בקירוב או להגדיר טמפרטורות סביבתיות זהות, מקדמי הסעה ותנאי פתרון אחרים כדי להבטיח עקביות תחת מקור החום הייחודי המסופק על ידי Maxwell. יתר על כן, שליטה עקבית במרווחי הזמן עבור פתרון שדה הטמפרטורה בשני הדגמים מאפשרת השוואה ישירה של תצוגות טמפרטורה עבור אותם רכיבים באותו טווח טמפרטורות, תוך הדגשת הבדלים בפתרונות והקלה על מסקנות אינטואיטיביות.
מאמר זה מציג שיטה חדשנית למדידה וניתוח מדויקים של התפלגות הטמפרטורה של ציוד חשמלי במהלך הפעולה. מחקר זה, המתמודד עם האתגר של מדידה מדויקת של הפסדים אוהמיים בשיטות מסורתיות, משתמש בפותר זרם מערבולת מקסוול לחישובים מדויקים, אשר לאחר מכן משמש כבסיס לפתרון שדה הטמפרטורה. לאחר מכן, מודול פתרון שדה הטמפרטורה משמש לתצוגה חזותית של התפלגות הטמפרטורה של כל רכיב, שיפור משמעותי את היעילות והדיוק של בדיקות הנדסיות. החידוש של מאמר זה טמון לא רק במתן שיטה יעילה לפתרון שדה הטמפרטורה, אלא גם בהדגמה כיצד להשתמש בתוצאות אלה לאופטימיזציה מבנית וניתוח פיזור חום. זה מציע אמצעים טכניים חדשים לתכנון ואופטימיזציה של ציוד חשמלי. עם זאת, היו מגבלות בתהליך המחקר, ובעבודה עתידית ייערך מחקר נוסף בתחומים הבאים. ראשית, עידון מודל וצימוד מרובה שדות. המודל ישוכלל עוד יותר כדי לשקף במדויק את המאפיינים התרמיים של ארון רשת הטבעת במהלך ההפעלה בפועל. שנית, לימוד שדות טמפרטורה חולפים. מחקר מעמיק יבוצע על שינויי שדה הטמפרטורה של ארון רשת הטבעת בתנאי עומס משתנים כדי לספק תמיכה נוספת לפעולה יציבה של ארון רשת הטבעת בתנאי הפעלה מורכבים.
גילויים
למחברים אין אינטרסים מנוגדים.
תודות
המחברים מודים למר וו, גב' סון, מר וואנג, מר מו ומר לי על עזרתם. מחקר זה נתמך על ידי הקרן למדע פוסט-דוקטורט בסין (2022M721604) ומתכנת ההתמודדות עם המדע והטכנולוגיה של וונג'ואו (ZG2023015).
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| אוויר | / | / | גזים קונבנציונליים |
| אלומיניום | / | / | חומרי סגסוגת |
| נחושת | / | / | חומרי סגסוגת |
| Icepak | ANSYS חברת | ANSYS ANSYS 2021R1 | A CFD תוכנת סימולציה תרמית |
| אירוח מחשב | / | דור 12 Intel(R) Core(TM) i5-13500F מעבד | מארח ציוד מחשב |
| SolidWorks | חברת בת של דאסו סיסטמס | SolidWorks2021 | כלי שרטוט תוכנה הנדסית |
| חברת ANSYS תרמית | במצב יציב | ANSYS 2021R1 | כלי לפתרון סימולציה תרמית |
מקורות
- Xia, H., et al. Temperature rise test and analysis of high current switchgear in distribution system. J Engg. , 754-757 (2019).
- Polykrati, A. D., Karagiannopoulos, C. G., Bourkas, P. D. Thermal effect on electric power network components under short-circuit currents. Electric Power Syst Res. 72 (3), 261-267 (2004).
- Guan, X., Shu, N., Kang, B., Zou, M. Multiphysics analysis of plug-in connector under steady and short circuit conditions. IEEE Trans Comp Packag Manu Technol. 5 (3), 320-327 (2015).
- Wang, L., Wang, R., Li, X., Jia, S. Simulation analysis on the impact of different filling gases on the temperature rise of C-GIS. IEEE Trans Comp Packag Manu Technol. 9 (10), 2055-2065 (2019).
- Mueller, A., et al. Numerical design and optimization of a novel heatsink using ANSYS steady-state thermal analysis. 2020 27th International Workshop on Electric Drives: MPEI Department of Electric Drives 90th Anniversary (IWED. , 1-5 (2020).
- Wang, Y., Yan, J., Yang, Z., Zhao, Y., Liu, T. Optimizing GIS partial discharge pattern recognition in the ubiquitous power internet of things context: A MiNET deep learning model). Int J Electrical Power Energy Sys. 125, 106484(2021).
- Lei, J., et al. A 3-D steady-state analysis of thermal behavior in. EHV GIS Busbar. J Electr Engg Tech. 11 (3), 781-789 (2016).
- Ouerdani, Y., et al. Temperature rise simulation model of RMU with switchfuse combinations for future load profiles. CIRED 2021 - The 26th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution. , 360-364 (2021).
- Zheng, W., Jia, X., Zhou, Z., Yang, J., Wang, Q. Multi-physical field coupling simulation and thermal design of 10 kV-KYN28A high-current switchgear. Thermal Sci Engg Prog. 43, 101954(2021).
- Wang, L., et al. Electromagnetic-thermal-flow field coupling simulation of 12-kV medium-voltage switchgear. IEEE Trans Comp Packag Manufact Technol. 6 (8), 1208-1220 (2016).
- Zhu, Y., et al. Thermal analysis and design of GaN device of energy storage converter based on Icepak. 2022 4th International Conference on Smart Power & Internet Energy Systems (SPIES. , 762-767 (2022).
- Ye Mao, Thermal simulation of high-current switch cabinet based on Icepak). Electr Ener Mgmt Technol. , 1-7 (2018).
- Zhang, S. Evaluation of thermal transient and overload capability of high-voltage bushings with ATP. IEEE Trans Power Delivery. 24 (3), 1295-1301 (2009).
- Ghahfarokhi, P. S., et al. Steady-state thermal model of a synchronous reluctance motor. 2018 IEEE 59th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON. , 1-5 (2018).
- Şeker, E. A., Çelik, B., Yildirim, D., Sakaci, E. A., Deniz, A. Temperature field and power loss calculation with coupled simulations for a medium-voltage simplified switchgear). Electrica. 23 (1), 107-120 (2021).
- Ruibo, Y., et al. Research and application of temperature load of switchgear. J Physics: Conf Series. 2378 (2022), (2022).
- Sheikholeslami, M., Khalili, Z. Simulation for impact of nanofluid spectral splitter on efficiency of concentrated solar photovoltaic thermal system. Sust Cities Soc. 101, 105139(2024).
- Sheikholeslami, M., Khalili, Z., Scardi, P., Ataollahi, N. Environmental and energy assessment of photovoltaic-thermal system combined with a reflector supported by nanofluid filter and a sustainable thermoelectric generator. J Cleaner Prod. 438, (2024).
- Sheikholeslami, M., Khalili, Z. Solar photovoltaic-thermal system with novel design of tube containing eco-friendly nanofluid. Renewable Ener. , 222(2024).
- Sheikholeslami, M., Khalili, Z. Environmental and energy analysis for photovoltaic-thermoelectric solar unit in existence of nanofluid cooling reporting CO2 emission reduction. J Taiwan Inst Chem Eng. 156, 105341(2024).
- Zhao, L., et al. Research on the temperature rise characteristics of medium-voltage switchgear under different operation conditions. IEEJ Trans Elect Electr Engg. 17 (5), 654-664 (2022).
- Fjeld, E., Rondeel, W., Vaagsaether, K., Attar, E. Influence of heat source location on air temperatures in sealed MV switchgear. CIRED - 24th International Conference on Electricity Distribution. , 1-5 (2017).
- Icoz, T., Arik, M. Light weight high performance thermal management with advanced heat sinks and extended surfaces. IEEE Trans Comp Pack Technol. 33 (1), 161-166 (2010).
- Steiner, T. R. High temperature steady-state experiment for computational radiative heat transfer validation using COMSOL. and ANSYS. Results Engg. 13, 100354(2022).
הדפסות חוזרות והרשאות
תגיות
