Оптимизация конструкции медных шин для соединения накопителей энергии

Медные пластины

При проектировании устройств силовой электроники возникает необходимость корректного выбора способа соединений между элементами, подбора формы сечения проводника. Зачастую в качестве проводника, с точки зрения технико-экономических показателей, используется медная шина. Форма и размеры сечения шины выбираются исходя из следующих общих требований:

• соответствие максимальным возможным токам;
• обладание достаточной термической стойкостью в режимах короткого замыкания;
• конструкция шин должна выдерживать механические нагрузки, создаваемые собственной массой.

Рис. 1. Составные накопители

На рис. 1 представлены три составные накопителя, которые подключены параллельно. В каждом накопителе конденсаторы соединены четырьмя медными пластинами с размерами 1550×500×2 мм. Максимальное значение тока, протекающего в пластине, равно 4500 А. На рис. 2 представлена форма тока, протекающего в медной пластине.

Рис. 2. Форма тока, протекающего в медной пластине

Для оценки распределения плотности тока и температуры в медных пластинах было проведено численное моделирование системы на основе метода конечных элементов в программном пакете ANSYS. На рис. 3 представлено распределение плотности тока в медной пластине.

Рис. 3. Распределение плотности тока в медной пластине

Медные пластины соединены узкими шинами с сечением 100×20 мм. Масса одной пластины 78 кг. Среднее значение плотности тока равно 0,8 А/мм², а максимальное — 2,3 А/мм², что не превышает предельно допустимое значение. Распределение плотности тока в пластинах равномерное. Краевые эффекты проявляются в местах соединения пластин.

Задача расчета шин на нагревание сводится к определению тока, при котором температура проводника не превышает допустимого значения. Предельно допустимая температура нагрева шин при длительной работе +90 °С [2]. При кратковременном нагреве допустимая температура для медных шин — +300 °С [1].

Распределение температуры в момент времени 16 с (рис. 2) в медной пластине неравномерное (рис. 4).

Рис. 4. Распределение температуры в медной пластине

В результате моделирования было установлено, что среднее значение температуры на поверхности составляет +24 °С, максимальное — +30 °С, что не превышает допустимую температуру нагрева шин при длительной работе. Разница температур обусловлена неравномерностью распределения плотности тока в местах присоединения пластин к шинам.

Рассмотренный способ соединения соответствует общим требованиям по плотности тока, температура на поверхности не превышает допустимого значения. Но такой способ крепления неудобен при монтаже: для того чтобы заменить один из конденсаторов, необходимо снять целую пластину, что занимает много времени. Поэтому следует по возможности оптимизировать способ соединения конденсаторов в накопителе энергии. На рис. 5 представлен один из возможных вариантов.

Рис. 5. Пример оптимизированного способа соединения конденсаторов

Конденсаторы соединены узкими медными шинами. Такая конструкция позволяет облегчить процесс их замены и уменьшить массу системы соединений. К шинам прямоугольного сечения удобно присоединять плоские контакты аппаратов. Максимальные размеры однополосных медных шин по условиям прочности составляют 120×10 мм, их предельная токовая нагрузка — 2,65 кА. Сечение плоских шин выбирают по плотности тока. Для медной неизолированной шины плотность тока равна 2,5 А/мм² [3]. Таким образом, необходимо выбрать размер сечения узкой медной шины в соответствии с представленными ранее требованиями.

Узкие шины прямоугольного сечения

Токоведущая шина прямоугольного сечения проста в изготовлении и удобна при монтаже. В рассматриваемой системе для соединения конденсаторов в одном накопителе необходимо четыре узкие медные шины. Минимальное сечение одной шины:

где I = 4500 А, j = 2,5 А/мм².

Толщина и ширина шины выбирается так, чтобы площадь поверхности была наибольшей. Кроме того, шина должна соответствовать требованиям по условиям прочности. Пусть толщина шины равна 3 мм, тогда ее ширина равна 150 мм.

На рис. 6 представлено распределение плотности тока в системе для соединения трех накопителей, в каждом из которых четыре узкие медных шины с сечением 3×150 мм.

Рис. 6. Распределение плотности тока в системе из четырех узких шин с сечением 3×150 мм

Масса шин, соединяющих один накопитель, 80 кг. Среднее значение плотности тока 0,9 А/мм², а максимальное — 2,42 А/мм², что не превышает предельно допустимое значение. Распределение плотности тока по шинам равномерное. Краевые эффекты проявляются в местах соединения шин между собой.

Распределение температуры в момент времени 16 с в системе из четырех узких шин представлено на рис. 7.

Рис. 7. Распределение температуры в системе из четырех узких шин с сечением 3×150 мм»

Максимальное значение температуры на поверхности системы для трех накопителей, в каждом из которых четыре узкие медные шины, составляет +36 °С, а среднее — +26 °С. Таким образом, температура в такой системе не превышает предельно допустимых значений.

Результаты моделирования замены медных пластин на узкие шины показали, что такая конфигурация соответствует всем требованиям. Для уменьшения массо-габаритных показателей можно уменьшить ширину шины в 2,5 раза, тогда сечение одной шины будет 180 мм². На рис. 8 представлено распределение плотности тока в системе из четырех узких медных шин с сечением 3×60 мм.

Рис. 8. Распределение плотности тока в системе из четырех узких шин с сечением 3×60 мм

Масса шин, соединяющих один накопитель, равна 35 кг. Среднее значение плотности тока 2 А/мм², а максимальное — 2,5 А/мм², что не превышает предельно допустимое значение. Распределение плотности тока по шинам равномерное. Краевые эффекты проявляются в местах соединения шин между собой.

Распределение температуры в момент времени 16 с в системе из четырех узких шин представлено на рис. 9.

Рис. 9. Распределение температуры в системе из четырех узких шин с сечением 3×60 мм

Максимальное значение температуры на поверхности системы для трех накопителей, в каждом из которых четыре узкие медные шины, равно +46 °С, а среднее значение — +30 °С. Таким образом, температура в такой системе не превышает предельно допустимых значений.

Результаты численного моделирования наглядно показывают зависимость плотности тока в проводнике и температуры на его поверхности от размеров сечения этого проводника. В ходе исследования были рассмотрены два варианта размеров сечений медных шин для соединения конденсаторов в накопителе энергии. Наилучшим, с точки зрения массо-габаритных и технических показателей, является последний рассмотренный вариант. Сечение узких медных шин 3×60 мм. Масса такой системы в 2,2 раза меньше, чем у системы из медных пластин. Таким образом, был выбран наиболее оптимальный способ соединения конденсаторов в накопителях энергии.