變(bian)壓器是電(dian)網的核心(xin)工作元件(jian)，計算機建(jian)模能夠使(shi)這些設備(bei)更好地滿(man)足當今的(de)功率需求(qiu)。

　　圖1 并聯電(dian)抗器。在油(you)路的原始(shi)設計中，散(san)熱器通過(guo)💞管道👹連😥接(jie)至罐，同時(shi)管道密封(feng)在焊接于(yu)電抗器外(wai)壁的矩形(xing)👩🏼‍❤️‍👨🏾盒子中。 在(zai)位于巴西(xi)聖保羅市(shi)朱迪雅 的(de)西門子有(you)限公😵‍💫司中(zhong)，設計人員(yuan)正通過仿(pang)真來确保(bao)🔞變壓器及(ji)并聯電抗(kang)器的運行(hang)安全。目前(qian)，對這類設(she)^備的功率(lü)需求不斷(duan)攀升，設計(ji)團隊結合(he)仿真及公(gong)司内部工(gong)具使設 備(bei)具有了更(geng)好的過熱(re)控制。 并聯(lian)電抗器主(zhu)要用于吸(xi)收無功功(gong)率并增加(jia)傳輸系統(tong)的能效。功(gong)率變壓器(qi)設計則主(zhu)要用于在(zai)不同電壓(ya)😥間高效傳(chuan)輸功率。這(zhe)兩個設備(bei)會用于電(dian)網的各個(ge)階段，從發(fa)電到給 用(yong)戶電力配(pei)送。随着城(cheng)市的不斷(duan)🛀🏼擴張，電力(li)需求也在(zai)不斷上漲(zhang)，從而催生(sheng)出了對更(geng)👺大型設備(bei)的需求;但(dan)諸如輸送(song)設🙂‍↔️備及客(ke)戶工廠的(de)💫安裝空間(jian)等條件又(you)不允許它(ta)們的尺 寸(cun)😘過大。 此時(shi)需要在不(bu)增加設備(bei)尺寸的情(qing)況下加大(da)功率輸出(chu)，這就會增(zeng)大載荷及(ji)熱損耗，最(zui)終産生更(geng)高的溫度(du)。這些設備(bei)中活動部(bu)件的👩‍🍼設計(ji)方法已經(jing)确定，但不(bu)活動配件(jian)的設 計還(hai)不夠明确(que)，需要進一(yi)步分析。未(wei)💘經仔細設(she)計的設備(bei)會有過熱(re)風險🙉，并可(ke)能導緻變(bian)👽壓器中絕(jue)緣油的屬(shu)性退化。 解(jie)決感應加(jia)熱問題 西(xi)門子通過(guo)COMSOL仿真軟件(jian)突破了這(zhe)些設計局(ju)限，并😈控制(zhi)💞了金屬零(ling)件中的感(gan)應發熱。感(gan)應發熱是(shi)指當将導(dao)體置于可(ke)變電磁場(chang)中時🙂‍↕️形成(cheng)的渦電流(liu)會因電阻(zu)效應🏊🏿‍♀️在 材(cai)料中産生(sheng)焦耳熱。 通(tong)過模拟感(gan)應發熱，西(xi)😁門子的設(she)計人員避(bi)免了“熱點(dian)”的出現，“熱(re)點”即感應(ying)✍🏻電流密度(du)👿極高進而(er)導緻高溫(wen)的小塊區(qu)域。由于這(zhe)些變壓器(qi)的幾何及(ji)👺材料非常(chang)複雜，所 以(yi)很難完全(quan)~避免熱點(dian)。油浸式變(bian)壓器中的(de)💯絕緣油是(shi)一種很好(hao)的電絕緣(yuan)體，同時也(ye)是設備的(de)冷卻劑。但(dan)這些熱點(dian)可能會使(shi)油過熱，并(bing)産生氣泡(pao)。這些氣泡(pao)的介電強(qiang)😝度低 于絕(jue)緣油，從而(er)導緻在油(you)中産生放(fang)電，并可能(neng)破壞變壓(ya)器。 “在COMSOL的幫(bang)助下，我們(men)可以模拟(ni)這種行爲(wei)👩🏼‍❤️‍👨🏾表現并對(dui)~變壓器設(she)計作出改(gai)變，以此減(jian)少結構組(zu)件的感應(ying)加熱。”西👌門(men)子的高級(ji)産品開發(fa)人員路易(yi)斯.約😮‍💨韋裏(li)如 是說。

　　在(zai)西門子的(de)感應加熱(re)研究中，研(yan)究人員用(yong)到了 COMSOL Multiphysics及 AC/DC 模(mo)塊🙆🏿。他🙂‍↔️們根(gen)據仿真所(suo)作的第一(yi)項改進是(shi)修改金屬(shu)結構的設(she)計。例如，通(tong)過更改并(bing)聯電抗器(qi)的原始夾(jia)件結🔞構，設(she)計團隊能(neng)夠減少🔞感(gan)應發熱，同(tong)時又能㊙️借(jie)助該區域(yu)油的 對🧜🏼‍♀️流(liu)循環的改(gai)善來改進(jin)冷卻。因😘此(ci)，最熱點的(de)溫度降低(di)了約 40攝氏(shi)度。這些修(xiu)改免去了(le)對在夾件(jian)外安裝銅(tong)屏蔽層的(de)需求，節省(sheng)了材料成(cheng)本。

　　根據利(li)用 COMSOL 執行的(de)仿真，約韋(wei)裏和他的(de)同事們針(zhen)對設🛀🏼備設(she)計提出了(le)幾個改進(jin)建議。“有時(shi)設備冷卻(que)零件的尺(chi)寸過大，無(wu)法解決整(zheng)個設計中(zhong)的一些熱(re)點。”約韋裏(li)說，“利用 COMSOL，我(wo)們能夠控(kong)制這些熱(re)點。” 約韋裏(li)注意到其(qi)實隻要做(zuo)很小的修(xiu)改就能解(jie)決這個問(wen)題，并能降(jiang)低與冷卻(que)零件相關(guan)的成本。 “COMSOL 是(shi)一款非常(chang)強大的建(jian)模與仿真(zhen)軟件，” 約韋(wei)裏💞說，“我們(men)可以通過(guo)對計算結(jie)果進行數(shu)值實驗😸來(lai)提升計算(suan)的精度，它(ta)還可以幫(bang)助我們避(bi)免😵‍💫失敗。我(wo)們可以快(kuai)速檢查設(she)計🛀🏼，保證設(she)備質量能(neng)夠滿足整(zheng)個壽命周(zhou)期 的要求(qiu)。” 更高效地(di)冷卻鐵芯(xin) 從熱力學(xue)角度來看(kan)，與功率變(bian)壓器相比(bi)，并聯🛌🏻電抗(kang)器中鐵芯(xin)和繞組的(de)相對熱損(sun)要🙂‍↔️更高，也(ye)就是說，電(dian)抗器中鐵(tie)芯損耗與(yu)繞組損耗(hao)的比例要(yao)高于變壓(ya)器，可能産(chan)生過 熱。因(yin)此，設計必(bi)須保證電(dian)抗器的🧑🏽‍❤️‍💋‍🧑🏻鐵(tie)芯♌️能夠有(you)效冷卻。

　　在(zai)這種情況(kuang)下，西門子(zi)模拟了并(bing)聯電抗器(qi)中的潤滑(hua)油循環👽及(ji)🏃🏿‍♀️‍➡️傳熱，以理(li)解油的行(hang)爲表現，并(bing)希望據此(ci)優化設計(ji)。設😁計中的(de)一個微小(xiao)更改就能(neng)改進鐵👼🏾芯(xin)的冷卻，而(er)且與之前(qian)🏊🏿‍♀️的設計相(xiang)比，新設計(ji)更清潔，所(suo)需的維護(hu)工時更短(duan)，使用材🙂‍↕️料(liao)更少。

　　圖 6 新(xin)設計的熱(re)流動力學(xue)仿真;新的(de)收集管設(she)計。新設計(ji)🧜🏼‍♂️将👩‍🍼管道從(cong)之前環繞(rao)電抗器外(wai)壁的位置(zhi)移除，現在(zai)管道直接(jie)💫從冷卻風(feng)扇連接至(zhi)電抗器本(ben)身。 他們所(suo)作😮‍💨的另一(yi)項更改主(zhu)要針對電(dian)抗器罐中(zhong)的焊接管(guan)道。将設計(ji)更改爲所(suo)示的樣式(shi)後，不僅節(jie)省了材料(liao)和制作🔞成(cheng)本，還改進(jin)👋了電抗器(qi)罐底部的(de)潤滑👨‍🦰油分(fen)布。 将一🧛🏽維(wei)、二維及三(san)維模👨🏻‍🏭型耦(ou)合至一個(ge)全油路模(mo)拟 約韋裏(li)和他的同(tong)事們還模(mo)拟了功率(lü)變壓🤑器内(nei)油自然對(dui)流的熱工(gong)水力行爲(wei)。在變壓器(qi)仿真中，如(ru)果要将所(suo)有零件💑🏾都(dou)作爲三維(wei)零件模拟(ni)，那麽執行(hang)計算流體(ti)力學 仿真(zhen)的計算成(cheng)本會很高(gao)。 COMSOL支持🤶🏾将變(bian)壓器中🏊🏾‍♀️的(de)管道或流(liu)😺道作爲一(yi)維組件來(lai)高效模拟(ni)。其一大優(you)勢是，一維(wei)的管道及(ji)流道模型(xing)可以無縫(feng)耦合到二(er)維及三維(wei)下的更👨🏻‍🏭大(da)實體中。 “爲(wei)了能夠對(dui)整個變壓(ya)器油路執(zhi)行一個真(zhen)實的三維(wei) CFD 仿真😮‍💨，并且(qie)同時考慮(lü)所有細節(jie)信息，這将(jiang)需要大量(liang)的計算機(ji)資源。”約韋(wei)裏解釋說(shuo)，“有時需要(yao)簡化😮‍💨，但根(gen)據研究目(mu)标，簡化後(hou)又可能無(wu)法得到可(ke)靠的結果(guo)。借助 COMSOL Multiphysics，我們(men)可以輕松(song)耦合任意(yi)物理場的(de)一🏊🏿‍♀️維、二維(wei)🛀🏼、二維軸對(dui)稱及三維(wei)模型，并且(qie)隻需要一(yi)個可靠的(de)工作站就(jiu)能完成仿(pang)真。”