Блог

Sep 15, 2023

Мультифизическое моделирование стимулирует технологию «умного города»

Современные силовые коробки (или фидерные столбы, как их называют за пределами

Современные силовые коробки (или питающие столбы, как они известны за пределами США) устанавливаются на улице и контролируют электроснабжение жилых домов в пределах района. Поскольку жители все больше отдают предпочтение эстетике и продолжают придавать большое значение городской жизни, существует потребность в менее заметных блоках питания.

Но, как оказалось, за громоздкими размерами блоков питания есть веская причина. Размер традиционной конструкции вмещает в себя оборудование, необходимое для снижения высокой мощности линии электропередачи на большие расстояния до мощности, подходящей для распределения по домам и предприятиям. Достойная цель уменьшения размера блоков питания сопряжена с дополнительной проблемой распределения мощности на значительно меньшей площади с учетом сопротивления и сил Лоренца, что является немаловажной задачей.

Ишант Джайн, главный научный сотрудник отдела исследований и разработок компании Raychem RPG, применил свой многолетний опыт моделирования для решения задачи создания умного городского энергоблока, ориентированного на пространство. Он вместе со своей командой в Raychem привлек мультифизическое моделирование для решения инженерных задач, которые сопровождали создание этой радикально новой конструкции.

Благодаря этой статье вы вспомнили о бросающемся в глаза металлическом ящике возле тротуара. Но как именно работает блок питания?

Корпус силового шкафа обеспечивает защиту системы распределения электроэнергии. Его цель — распределить ток низковольтной линии электропередачи, подходящей для электротранспорта на короткие расстояния, в дома и на предприятия. Блоки питания используются как для уменьшения физических потерь электроэнергии, так и для более точного распределения и учета использования этой электроэнергии.

«Очень выгодно, чтобы блоки питания занимали меньше места», — сказал Джайн. «Мы могли бы создать модульный блок со всеми возможностями оригинальной модели, адаптированный для нужд городов XXI века».

Джайн и его команда быстро отметили, что многие аспекты конструкции классического силового блока нуждаются в улучшении. Эти обновления включали снижение стоимости и электрических потерь из-за некачественных соединений, а также улучшение безопасности, размера, простоты установки, удобства обслуживания и эстетики.

Джейн и его команда также были заинтересованы в создании футуристического энергоблока, который был бы с готовностью принят на вооружение умными городами. Этот новый блок питания будет включать в себя интеллектуальные функции, позволяющие осуществлять онлайн-мониторинг использования энергии, а также следить за состоянием системы и отдельных предохранителей.

Непосредственной проблемой адаптации геометрии системы распределения электроэнергии к радикально небольшому корпусу является необходимость смягчения конкурирующих электромагнитных сил, возникающих в результате изменения конструкции.

Из-за динамического характера физики и сложности геометрии необходимость мультифизического моделирования для обеспечения стабильности конструкции сразу стала очевидна для инженеров.

Чтобы реализовать такое резкое уменьшение размера силового блока, инженерам необходимо было создать систему шин, которая распределяла бы такое же количество энергии, но вмещалась бы в меньшую геометрию (рис. 1).

Джайн и его команда создали 2D-моделирование, чтобы убедиться, что их конструкция подходит для уменьшения совокупного воздействия электромагнитных сил. Расположение панелей под углом 120° служит для балансировки сил, действующих на шины.

«Моделирование дало нам уверенность в том, что конструкция будет работать, — объяснил Джайн. — Мы могли сказать, что электродвижущие силы будут уравновешены за счет выравнивания на 120°».

Еще одним важным фактором является общая структурная надежность силового блока. Для этого Джейн и его команда разработали структурное моделирование силового блока, которое позволило бы им оценить его долговечность. В результате исследования ветров со скоростью до 103 м/с, дующих на конструкцию, было установлено, что силовой блок является структурно прочным (рис. 2). Инженеры также медленно увеличивали граничную нагрузку до тех пор, пока вызванное напряжение не достигло критического значения, и определили, что конструкция безопасна при скорости ветра до 570 м/с.