TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ TỦ ĐIỆN THEO TIÊU CHUẨN IEC 61439

Dòng điện chạy một hướng trong mạng RC: Dòng nhiệt chạy một hướng trong thanh dẫn: Trong hệ thống nhiệt, sự tương tự điện và nhiệt có thể hình thành một mô hình gọi là mạng nhiệt.Phương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

MỤC LỤC

A.Tính nhiệt độ có thanh cái 2*(10*8) trong tủ điện……… 1

I Phân tích đề bài……… 1

II Điều kiện để tính toán độ tăng nhiệt dựa trên tiêu chuẩn IEC 61439……… 1

III Tính nhiệt độ tủ điện 2

IV Phương pháp mạng nhiệt 3

V Bài toán thanh cái 2*10*80 7

B Mô phỏng nhiệt trên thanh cái bằng phần mềm ANSYS 14.0………15

I.Giới thiệu sơ nét về phần mềm ANSYS 15

II Giới thiệu giao diện làm việc của ANSYS 15

III Tiến hành mô phỏng 17

C.Hướng phát triển đồ án 41 PHỤ LỤC

A.Tính nhiệt độ có thanh cái 2*(10*8) trong tủ điện

I Phân tích đề bài:

Hệ thống gồm ba pha, mỗi pha nối với thanh cái, đối với thanh cái 2*10*80 thì mỗi pha gồm 2 thanh cái song song mỗi thanh tiết diện 10*80, vậy dòng trên mỗi thanh cái bằng dòng trên mỗi pha chia 2

Thanh cái 2*10*80 chia làm hai phân đoạn, phân đoạn 1 dài 400mm, phân đoạn 2 dài 700mm

II Điều kiện để tính toán độ tăng nhiệt dựa trên tiêu chuẩn IEC 61439:

Tùy thuộc vào dòng điện làm việc InA và thiết kế của vỏ tủ mà ta có hai cách sử dụng phương pháp tính toán xác định độ tăng nhiệt Phương pháp cho dòng InA nhỏ hơn 630 A và phương pháp cho dòng InA nhỏ hơn 1600 A:

_Phương pháp 1: Xác định độ tăng nhiệt sử dụng phương pháp "tính toán" được dùng với dòng không lớn hơn 630 A được giới hạn ở những tủ chỉ có một khoang và tần

số tối đa 60 Hz Độ tăng nhiệt có thể được tính toán và đánh giá dựa vào mục

10.10.4.2.3 của IEC 61439-1, nếu thỏa những điều kiện từ a) tới g) ở phần

1.) Phương pháp tính toán với Ina <= 630 A và tủ có một khoang:

Ứng dụng của kỹ thuật này phải thỏa những điều sau đây:

a Dòng làm việc Ina không được vượt quá 630 A

b Các thiết bị chỉ trong một khoang tủ

d.Các nguồn nhiệt phải phân bố đều

e.Tất cả các thiết bị phải được định mức lớn hơn dòng tải 20%

Ví dụ: Nếu dòng điện làm việc Inc của mạch là 8,0 A, các thiết bị được lựa chọn cho các mạch này phải có khả năng mang tối thiểu dòng là 10 A theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất

f Các bộ phận cơ khí và điều hành thiết bị phải không làm ảnh hưởng đáng kể đối lưu không khí tự do

g Dây dẫn mang dòng hơn 200 A phải được lắp đặt một cách mà chúng không tạo ra thêm nhiệt độ gia tăng ví dụ như kết quả của dòng điện xoáy và từ trễ Các tổn thất điện năng của các dây dẫn có thể được tính theo Phụ lục H của IEC 61439-1

2.) Phương pháp tính toán với Ina <= 1600 A

Phương pháp tính toán này tốn khá nhiều thời gian, và nhiệt độ trong tủ phải được tính toán dựa vào IEC 60890 Các yêu cầu phải được đáp ứng :

a.Dòng điện làm việc của hệ thống InA không được vượt quá 1600 A

b Các thiết bị có thể được trang bị trong một khoang tủ hoặc nhiều khoang tách nhau

c Chi tiết về các tổn thất nhiệt của tất cả các thiết bị phải được dự tính sẵn

d Các thiết bị tổn thất điện năng phải phân bố đồng đều

e.Tất cả các thiết bị phải được định mức lớn hơn dòng tải 20%

Ví dụ: Nếu dòng điện làm việc Inc của mạch là 8,0 A, các thiết bị được lựa chọn cho các mạch này phải có khả năng mang tối thiểu dòng là 10 A theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất

f Các bộ phận cơ khí và điều hành thiết bị phải không làm ảnh hưởng đáng kể đến đối lưu không khí tự do

g Dây dẫn mang dòng hơn 200 A phải được lắp đặt một cách mà chúng không tạo ra thêm nhiệt độ gia tăng ví dụ như kết quả của dòng điện xoáy và từ trễ

h Dây dẫn dòng chính nên chịu được 125% dòng định mức Tiết diện được lựa chọn trong IEC 60364-5-52 Kích thước thanh cái chọn trong Annex N of IEC 61439-1

i Nếu đối lưu tự nhiên thì diện tích thoát khí nên gấp 1,1 lần diện tích khí vào

Nhiệt độ trong tủ sử dụng ở đây được tính toán theo phương pháp trong IEC 60890

III Tính nhiệt độ tủ điện:

Nhiệt độ không khí tronng tủ điện được tính bằng một phương pháp mô hình hóa tủ điện với xét thanh cái đẳng nhiệt tức chỉ biểu diễn một nhiệt độ xuyên suốt

Ta xem thanh cái là nguồn phát nhiệt để lập một mạng nhiệt của tủ điện từ đó tính ra nhiệt độ không khí trong tủ Phần này là một bài toán khác, ở đây ta chỉ sử dụng kết quả bài toán để tính theo phương pháp tính toán với Ina <= 1600 A

IV Phương pháp mạng nhiệt:

Phương pháp được đề cập ở đây là thành lập một mạng nhiệt đơn giản hóa mà từ đó nhiệt độ dự đoán có thể tiếp cận thực tế

Sự liên quan mạch điện và mạch nhiệt:

ha Rdẫn nhiệt=KA

L T

q R

Dòng điện chạy một hướng trong mạng RC: Dòng nhiệt chạy một hướng trong thanh dẫn:

Trong hệ thống nhiệt, sự tương tự điện và nhiệt có thể hình thành một mô hình gọi là mạng nhiệt.Phương pháp các phần tử cân bằng được sử dụng để mô hình hóa mạng nhiệt Trong phương pháp này ta rời rạc hóa phần tử nhiệt thành các nút được kết nối nhau bằng các dây dẫn, mỗi nút được xem là đẳng nhiệt tức là chỉ có một nhiệt độ duy nhất liên kết với nó

Trạng thái ổn định cân bằng nhiệt được xác định cho mỗi nút:

1 1

i i i i i ambient i

1/ Nhiệt lượng nội tại, nhiệt do tổn hao công suất :

Tại nút I, nhiệt lượng nội tại là: Q i I R2 i

I:dòng chạy qua nút i (A)

Ri: điện trở tại nút I () i

i i

L R A





: điện trở suất của vật liệu ở (m) đồng=1,558.10-8m ở 200C

Li: chiều dài thanh dẫn(m)

Ai: tiết diện thanh dẫn.(m2)

2/ Nhiệt lượng từ nút trước đó bởi dẫn nhiệt:

Nhiệt lượng truyền từ nút (i-1) đến nút i bởi dẫn nhiệt= ( 1)

Ti-1: nhiệt độ tại nút i-1

RC(i-1):nhiệt trở giữa nút (i-1) và nút i

1 ( 1)

Li:chiều dài phân đoạn i (nút i) (m)

Li-1:chiều dài phân đoạn i-1 (nút i-1) (m)

K:hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (đối với đồng là 385 W/(m2 K))

Ai: tiết diện của phân đoạn i (nút i) (m2)

3/ Nhiệt lượng tới nút sau bởi dẫn nhiệt:

Nhiệt lượng truyền từ nút (i) đến nút (i+1) bởi dẫn nhiệt= ( ) ( 1)

( )

i i

C i

T T R





Ti:Nhiệt độ tại nút i

Ti-1: nhiệt độ tại nút i+1

RC(i-1):nhiệt trở giữa nút (i) và nút (i+1)

1 ( )

Li:chiều dài phân đoạn i (nút i) (m)

Li+1:chiều dài phân đoạn i+1 (nút i+1) (m)

K:hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (đối với đồng là 385 W/(m2 K))

Ai: tiết diện của phân đoạn i (nút i) (m2)

Ai+1: tiết diện của phân đoạn i+1 (nút i+1) (m2)

4/ Nhiệt thoát ra không khí bởi đối lưu:

Nhiệt lượng truyền từ nút i ra môi trường= ( )

( )

i ambient

th i

T T R



Ti:Nhiệt độ tại nút i

Tambient: nhiệt độ không khí trong tủ điện

Rth(i):nhiệt trở giữa nút (i) và không khí

hi: hệ số truyền nhiệt đối lưu

ai: phần diện tích xung quanh nút i

5/ Nhiệt thoát ra do bức xạ với bề mặt tủ:

Nhiệt lượng truyền từ nút i ra bề mặt tủ=

(T i T T i airT T air iT air) được tính từ giá trị Ti hiện tại

Ý nghĩa vật lý của công thức này có thể tìm được ở mục 3.4.2.2 trang 28 của tài liệu tham khảo Operating Temperature of Current Carrying Copper Busbar Conductors

V Bài toán thanh cái 2*10*80:

Công thức nhiệt trở dẫn nhiệt: R C L

KA

1

C C

KA G

Với chiều dài đoạn 1 là L1=400mm, chiều dài đoạn 2 là L2=700mm

Để dễ so sánh với mô phỏng em lấy tiết diện thanh cái 10*80, tức chỉ tính cho một thanh

1

1 1

2 2

2

2 2

0, 5 0, 51

0, 51

KA

G R

1 (10 80).2.10 400.10 0, 072

Ước lượng h1 cho đoạn 400mm:

 tplate : nhiệt độ của bề mặt thanh (0C) ta lấy giá trị khởi đầu là t1=850C,

t2=500C,t3=450C tức nhiệt độ trung bình trên đoạn 400mm là 850C, nhiệt độ trung

bình trên đoạn 700mm là 750C, nhiệt độ ở cuối thanh cái là 650C

 tair: nhiệt độ của không khí trong tủ , tính theo phương pháp ở II là 500C

 Nhiệt độ trung bình bề mặt : tf= (tplate+tair)/2

 Nhiệt độ tuyệt đối : Tf=tf+273 K

 Số Prandtl:

p r

C p

dm dm dm

L L

Lưu đồ giải thuật:

Ta tính :

theo độ K Tức:

theo độ C Lặp lần 3:

theo độ C Đáp số không thay đổi nhiều nên kết luận, nhiệt độ thanh cái 10*80 giảm dần, ở đoạn

400mm là 87 độ C, ở đoạn dài 700mm là 74 độ C, ở cuối thanh cái là 68 độ C

2/ Chia thành 4 phân đoạn tương ứng 5 nút 1,2, 3, 4, 5:

Đoạn 1 dài 200mm, đoạn 2 dài 200mm, đoạn 3 dài 350mm, đoạn 4 dài 350mm

Chuyển các giá trị nhiệt độ phải ước lượng về một vế:

B Mô phỏng nhiệt trên thanh cái bằng phần mềm

ANSYS 14.0

I/ Giới thiệu sơ nét về phần mềm ANSYS

ANSYS được lập ra từ năm 1970, do nhóm nghiên cứu của Dr John Swanson, hệ thống tính toán Swanson (Swanson Analysis System) tại Mỹ, là một gói phần mềm dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích các bài toán vật lý cơ học, chuyển các phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải và mô phỏng ứng xử của hệ vật lý khi chịu tác động của loại tải trọng khác nhau ( nhiệt, điện , cơ,…)

Nhờ ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn, các bài toán kỹ thuật về cơ, nhiệt, thủy khí, điện từ sau khi mô hình hóa và xây dựng mô hình toán học cho phép giải chúng với các điều kiện biên cụ thể với số bậc tự do lớn

ANSYS có những tính năng nổi bật như sau:

 Khả năng đồ họa mạnh mẽ giúp cho việc mô hình cấu trúc rất nhanh và chính xác, cũng như truyền dẫn mô hình CAD

 Giải được nhiều loại bài toán như: tính toán chi tiết máy, cấu trúc công trình, điện, điện tử, nhiệt, lưu chất…

 Thư viện phần tử lớn, có thể thêm phần tử, loại bỏ hoặc thay đổi độ cứng của phần tử trong mô hình tính toán

 Đa dạng về tải trọng: tải tập trung, phân bố, nhiệt, vận tốc góc,…

 Phần xử lý kết quả cao cấp cho phép vẽ các đồ thị, tính toán tối ưu,…

 Có khả năng nghiên cứu những đáp ứng vật lý như: trường ứng suất, trường nhiệt độ, ảnh hưởng của trường điện từ

 Giảm chi phí sản xuất vì có thể tính toán thử nghiệm

 Tạo những mẩu kiểm tra cho môi trường có điều kiện làm việc khó khăn

II/ Giới thiệu giao diện làm việc của ANSYS

Phần mềm ANSYS được sử dụng trong đồ án là ANSYS Workbench phiên bản 14.0 Đây là phiên bản cập

nhật mới nhất mà nhà sản xuất đưa ra vào đầu năm 2014

Hình 1: Giao diện ANSYS workbench 14.0 Trong hộp thoại Toolbox/Analysis Systems (Hình 1), có 24 modules tương ứng với 24 kiểu bài toán có

thể phân tích với ANSYS 14.0

16 Random Vibration Dao động ngẫu nhiên

20 Static Structural (Samcef) Kết cấu tĩnh (Samcef)

III/ Tiến hành mô phỏng

Các thông số của bài toán

Tiết diện thanh cái: 10mm x 80mm

Chất liệu: Đồng (Copper alloy)

Điện áp đặt giữa 2 đầu thanh cái: 220V

Dòng điện trên thanh cái được chia làm 2 phần:

_ Phần chiều rộng 400: I400 = 1440A

_ Phần chiều rộng 700: I700 = 800A

Nhiệt độ môi trường : Tmt= 50oC

Thông số dòng điện dựa trên việc tính toán lý thuyết và sơ đồ sau:

Hình 2: Sơ đồ phân bố dòng điện trên thanh cái

Bài toán được quy về phương pháp giải nhiệt điện thông qua công cụ thermal – electric của phần mềm ANSYS 14.0

1/ Mô hình xây dựng ban đầu:

Trong phần giao diện ANSYS workbench, chúng ta chọn mô hình bài toán Thermal-electric, sau khi chọn xong loại mô hình, ở phần Project Schematic sẽ xuất hiện hộp thoai gồm 7 bước cần thực hiện để giải

bài toán nhiệt điện thanh cái như hình 3

Hình 3: Giao diện thermal-electric Double click vào mục Engineering Data Đây là phần cho phép người sử dụng chọn loại vật liệu phù hợp

để giải quyết bài toán Sau đó, sẽ xuất hiện một giao diện Outline of Schematic A2: Engineering Data như hình 4 Vật liệu mà ANSYS luôn mặc định kết cấu thép (Structural Steel) với độ dẫn nhiệt là 60,5

W.m-1.oC-1

Hình 4: Giao diện chính của Engineering Data

Để thay đổi vật liệu, ta làm như sau: Right click vào vật liệu mặc định, chọn Engineering Data Sources

như hình 5

Hình 5: Thao tác chọn vật liệu Trong phần Engineering Data Sources, Click General Materials Ở phần hộp thoại bên dưới General Materials chính là thư viện vật liệu (Outline of General Materials ) như hình 6 Sau khi lựac chọn vật

liệu, ta click vào dấu “ + “ màu vàng ở kế bên vật liệu

Hình 6: Thư viện vật liệu

Trong bài toán này, vật liệu được lựa chọn là đồng (Copper Alloy) như hình 7

Hình 7: Lựa chọn đồng là vật liệu chính cho bài toán nhiệt điện Kết thúc việc chọn vật liệu, bước kế tiếp là phác thảo sơ bộ mô hình bằng cách chọn Geometry như hình

8

Hình 8: Phác thảo sơ bộ bản vẽ mô hình

Khi vào giap diện Geometry, phần mềm sẽ hiện lên bảng chọn lựa đơn vị của bản vẽ Ta chọn hệ đơn vị

chiều dài là milimètre (mm) như hình 9

Hình 9: Chọn đơn vị cho bản vẽ

Chúng ta sẽ vẽ mô hình hình học phẳng trước khi tiến tới vẽ mô phỏng 2D

Sau khi chọn xong hệ đơn vị, trong phần Tree Outline, sẽ xuất hiện các mặt phẳng XY, YZ, ZX.Ta có thể

chọn một trong 3 loại mặt phẳng để tiến hành vẽ Mô hình trong bài toán này được vẽ theo mặt phằng

ZX như hình 10

Kế tiếp, chọn tab sketching trong Tree Outline để vẽ

Chúng ta vẽ trước một hình chữ nhật bất kỳ như trong hình 11 Lúc này, chưa cần phải xác định kích

thước của vật thể

Hình 11: Vẽ hình chữ nhật

Sau đó, ta chọn tab Dimensions nằm trong Sketching Toolboxes để vẽ kích thước

Ta click một cạnh bất kỳ của hình chữ nhật sau đó sẽ có 1 đường thẳng di chuyển theo con trỏ chuột Đó chính là thước đo kích thước của cạnh đó, xem hình 12 Trên hình 12, sau khi kéo ra, phần mềm sẽ hiển

thị cạnh đó bằng tên ký hiệu viết tắt V (vertical) hoặc H (horizontal) tương ứng với chiều dọc và ngang

Số đo kích thước được nhập vào box Details view Ta cũng làm tương tự đối với chiều ngang

Hình 13: Nhập thông số kích thước bản vẽ thanh cái

Trong hình 13, ta chọn chiều dài là 400mm và chiều rộng là 10mm cho thanh cái

Do vấn đề về dòng điện trong thanh cái không đồng nhất nên việc vẽ thêm 1 mô hình là cần thiết Ta làm

như sau: trở về tab Modelling, sau đó, chọn biểu tượng New Sketch như hình 14

Hình 14

Sau khi chọn xong, ta sẽ thấy ở mặt phẳng ZX sẽ xuất hiện Sketch2 như hình 15

Hình 15: Skecth2 xuất hiện

Ta chọn sketch2 và trở về tab sketching dể vẽ thanh cái thứ 2 có chiều dài là 700mm và chiều rộng là 10mm như hình 16 Để vẽ được thanh cái này, ta sẽ chọn cạnh V2 là cạnh chung của 2 thanh cái

Hình 16: Bản vẽ thanh cái 2

Sau đó, chuyển sang tab Modeling, chọn sketch1, chúng ta chọn lệnh extrude với độ sâu (Depth) là

80mm nhằm xây dựng mô hình 2D cho thanh cái như hình 17

Hình 17: Xây dựng mô hình 2D Sau khi nhập kích thước Extrude, ta click vào Generate , được mô hình 2D như hình 18

Hình 18: Mô hình 2D thanh cái 1 Tương tự đối với mô hình 2D thanh cái thứ 2 Nhưng trước khi Generate ta phải chọn Operation trong Deatails View là add frozen để phân biệt với khối thứ nhất như hình 19 Nếu không làm bước này ANSYS

sẽ hiểu là 2 khối này là chung một khối Việc hiểu thế này sẽ khó để nhập dòng điện cho thanh cái về sau

Hình 19 Sau khi Extrude xong, ta được hình 20 Ở đây, ta đặt tên cho hai khối để thuận lợi cho việc nhận biết

thanh cái

Hình 20

Phần màu vàng trong hình chính là phần thanh cái kích thước 10x80x400 được đặt tên là 400

Phần trong suốt là phần thanh cái còn lại kích thước 10x80x700 được đặt tên là 700

Hai phần thanh cái này được dính chung với nhau nhưng chưa thành một khối ANSYS vẫn hiểu đây là 2 khối khác nhau nhưng được đặt gắn liền nhau

2/ Chia lưới cho mô hình

Sau khi xây dựng xong mô hình trong phần Geometry, chúng ta tiến hành chia lưới cho mô hình bằng

cách chọn mục Model như hình 21

Hình 21: Vào giao diện chia lưới

Model chính là phần để chúng ta nhập các dữ liệu mô phỏng như: nhiệt độ, dòng điện qua thanh cái, hệ

số đối lưu,… Kết quả cũng được phần mềm đưa ra trong phần này

Trong hình 22, ta có thể chọn việc chia khối này thành lưới có nhiều phần tử hoặc ít phần tử bằng thanh

kéo Relevance trong Details of Mesh, sau đó click

Hình 22 Nhận xét hình 22: Ta thấy việc chia lưới ở đây vẫn chưa liên tục vì thế ta cần phải chia lưới cho 2 khối

này giống nhau Để tạo nên những mắt lưới giống nhau trên hai khối, ta làm như sau:

 Chọn biểu tượng Body như hình 23

 Chọn toàn bộ 2 khối

 Right click vào một trong 2 khối: click Insert  Sizing như hình 24