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Elektrothermostrukturelle Simulation eines dreiphasigen Sammelschienensystems

HOME / Anwendungen / Thermostrukturelles Verhalten eines dreiphasigen Sammelschienensystems im magnetischen Wechselstrombereich

Anwendungen

WEBINAR
Electro-Thermo-Mechanical Simulation of Eddy Current Braking Systems in EMS for SOLIDWORKS
Wednesday, May 26, 2021
Time
SESSION 1
SESSION 2
CEST (GMT +2)
03:00 PM
08:00 PM
EDT (GMT -4)
09:00 AM
02:00 PM
Gebrauchte Werkzeuge:

Einführung

Die Entwicklung einer leistungsfähigen Elektroinstallation erfordert eine flexible, effiziente und intelligente elektrische Energieverteilung. Die Sammelschienensysteme sind die wesentlichen Komponenten von Kraftwerken und definieren die Hauptverbindungsknoten für die Energieversorgung.

Sie werden üblicherweise zum Anschließen von Hochspannungsgeräten wie in elektrischen Schaltanlagen und Niederspannungsgeräten in Batteriebänken verwendet. Im Allgemeinen werden elektrische Verbindungen, die erhebliche Ströme zwischen Großgeräten in Umspannwerken und Industrieanlagen führen, aus Aluminium- oder Kupfersammelschienensystemen hergestellt. Derartige Steckverbinder sind normalerweise mit geraden starren Formen luftisoliert, um die Übertragung von Leistungsverlusten zu minimieren.

Der Aufbau von Sammelschienensystemen wird typischerweise ausgeführt, indem mehrere flache rechteckige Schienen in einer parallelen Anordnung für jede Phase zusammengefügt werden, um Wärmespannungen zu verringern und den Nahwirkungseffekt zu verbessern. Eine solche dreiphasige Konfiguration hat sich als die beste Lösung für die Stromversorgung von Gewerbe- und Industriegebäuden erwiesen.

Beispiel eines Sammelschienensystems für den Leistungsschalter SIMENS
Abbildung 1 - Beispiel eines Sammelschienensystems für den Leistungsschalter SIMENS [1]

Problembeschreibung

Durch die fluchtende Anordnung von stromführenden Sammelschienen steigt deren Widerstand. Dies ist im Wesentlichen auf den Haut- und Nahbereichseffekt zwischen den Stromschienen zurückzuführen, wodurch deren thermische Beanspruchung direkt erhöht wird. Daher wird eine numerische Modellierung des thermischen und mechanischen Verhaltens eines dreiphasigen Sammelschienensystems mit dem EMS-Simulationstool untersucht. Das Wechselstrommagnetmodul wird in Verbindung mit der Strukturanalyse und der stationären thermischen Analyse verwendet. Das Modul dient zur Berechnung und Visualisierung der Temperatur- und Auslenkungsverteilung für jede Phase.
In dieser Analyse besteht das betrachtete Sammelschienensystem aus einer dreiphasigen Anordnung mit einem einzelnen Kupferleiter für jede Phase, die durch einen gleichen Isolationsabstand (D) voneinander getrennt ist. Die isometrische Ansicht und die Querschnittsansicht des Modells sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

3D-Entwurf der Stromschienengeometrie b). Querschnittsansicht des Sammelschienenmodells
Abbildung 2 - a) 3D-Entwurf der Stromschienengeometrie b). Querschnittsansicht des Sammelschienenmodells

Die Tabelle 1 definiert die Abmessungen jedes Leiters.

Tabelle 1 - Abmessungen des Sammelschienensystems
Parameter Abmessung (mm)
Breite ( W ) 10
Länge (L) 120
Dicke (T) 1000
Abstand der Isolation zwischen den Phasen (D) 75
Die untersuchte Stromschiene besteht aus Kupfer. Die entsprechenden Eigenschaften sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2 - Materialeigenschaften
Teil Material Dichte
( Kg/12px m au cube fin de style )
Magnetische Permeabilität Elektrische Leitfähigkeit
(S/m)
Wärmeleitfähigkeit
(W/mK)
Spezifische Wärmekapazität
(J/Kg.K)
Elastizitätsmodul
(Pa)
Poisson-Verhältnis
Dirigent Kupfer (Cu) 8900 0,99 6 E + 07 385 390 110E + 9 0,37

Randbedingungen

1- Elektromagnetischer Eingang: Die Induktorspulen sind als Massivspulen definiert. Sie unterstützen einen maximalen Strombelastbarkeitsstrom von 1800 A eff bei einer Frequenz von 50 Hz für die untersuchte Sammelschiene mit einer Querschnittsabmessung (3/8 in x 5 in) gemäß [2].
2- Wärmezufuhr: Bei einer Umgebungstemperatur von 25 ° C und einem auf 6 W/m²C eingestellten Wärmeübergangskoeffizienten wird eine Wärmekonvektion auf den Luftkörper ausgeübt.
3- Strukturelle Randbedingungen: Feste Randbedingungen werden auf die Flächen angewendet, die den Eintritts-/Austrittsanregungsöffnungen entsprechen.

Gittergewebe

Das gesamte Modell wird innerhalb von EMS mit einem fein kontrollierten Netz, wie in der folgenden Abbildung gezeigt, gleichmäßig vernetzt, um genauere Ergebnisse zu erzielen.

Das vermaschte Modell
Abbildung 3 - Das vermaschte Modell

Ergebnisse

Die Multiphysics-Simulation ergab die folgenden Ergebnisse. Fig. 4 zeigt die Stromdichteverteilung über jeden Leiter für die Phase. Es erreicht einen maximalen Spitzenwert von 3,83E + 06 A/m² (Effektivwert 2,7E + 06 A/m²), was die Ergebnisse von Reference [3] bestätigt.
Eine unsymmetrische Stromverteilung ist bei den drei Leitern deutlich zu erkennen; Dies ist auf den Proximity-Effekt und die 120 ° -Dephasierung zurückzuführen.

Querschnittsansicht der Stromdichteverteilung bei &agr;=0 °
(ein)

Stromdichte-Animation gegen Phase
(b)
Abbildung 4 - a) Querschnittsansicht der Stromdichteverteilung bei b) Stromdichteanimation gegen Phase.

Die erreichte Temperatur, die durch den induzierten Strom aus Nachbarschafts- und Hauteffekten mit Dephasierung erzeugt wird, ist in Abbildung 5 dargestellt. Sie erreicht einen Durchschnittswert von 330 K für jeden Leiter des Sammelschienensystems.

Temperaturverteilung im 3-Phasen-Sammelschienensystem a) - Gesamtmodell
Temperaturverteilung im 3-Phasen-Sammelschienensystem a) - Gesamtmodell b) - Schnittdarstellung.
Abbildung 5 - Temperaturverteilung im 3-Phasen-Sammelschienensystem a) - Gesamtmodell b) - Schnittdarstellung.

Ein Vergleich der Ergebnisse von EMS und Reference [3] hinsichtlich der Sammelschienenverluste zeigt eine gute Übereinstimmung für jeden einzelnen Leiter.

Tabelle 3 - Vergleichstabelle zwischen EMS- und Referenzergebnissen:
Dirigent EIN B C
Referenz [3] Verlustergebnisse (W) 51,58 51,22 51,24
Ergebnisse der EMS-Verluste (W) 51,55 51,2 51,29

Die mechanische Verschiebung der Sammelschienenleiter, die durch thermische Beanspruchung erzeugt wird, wird auch unter Wechselstrombedingungen ausgewertet. Sie erreicht Maximalwerte innerhalb der Seitenflächen der Sammelschienenleiter. Die folgende Abbildung zeigt das resultierende Verschiebungsdiagramm über das Sammelschienensystem.

Verschiebung resultierender Plot
Verschiebungsanimation
(b)
Abbildung 6 - a) - Verschiebungsdarstellung b) - Verschiebungsanimation

Fazit

Das numerische Modell eines dreiphasigen Sammelschienensystems unter Verwendung von EMS-Software ermöglichte die Untersuchung seines thermischen und mechanischen Verhaltens im stationären Zustand. Eine solche Art der multiphysikalischen numerischen Simulation ist ein entscheidender Schritt für die Dimensionierungsphase; Dies ermöglicht die Vorhersage kritischer thermischer Beanspruchungen, die über Stromschienen hinweg auftreten.

Während der oben durchgeführten Simulation wurden Joule- und Eddy-Verluste unter Verwendung des Frequenzbereichsmoduls von EMS berechnet und auf den thermischen Löser übertragen, wo die resultierende Temperatur vorhergesagt wird. Die thermischen Ergebnisse wurden auch dem Strukturlöser zugeführt, in dem die thermische Belastung berechnet wird.

Verweise

[1]. http://www.directindustry.com/prod/siemens-low-voltage-products/product-25580-1704961.html
[2]. https://www.copper.org/applications/electrical/busbar/bus_table1.html
[3]- Popa, Ioan C., and Alin-Iulian Dolan. "Numerical modeling of three-phase busbar systems: Calculation of the thermal field and electrodynamic forces." Applied and Theoretical Electricity (ICATE), 2016 International Conference on. IEEE, 2016.