一种配电柜模型的温度场仿真方法及系统与流程

1.本发明属于仿真控制技术领域，尤其涉及一种配电柜模型的温度场仿真方法及系统。


背景技术：

2.配电柜是电力行业的重要设备，是整个电力系统、电网正常运行不可缺少的一环，为国民经济的发展做出重要贡献。我国近年来配电柜发展虽快，技术不断革新，但是发展还存在一些严重问题，比如配电柜工作时柜内温度可能影响配电柜的故障率、使用寿命及性能。间接影响当地的供电质量和经济发展。
3.在配电柜设计生产时，传统的温度检测方法是人工检测，在配电柜生产时用测温工具测量柜内工作温度，这样导致需要花费大量的测量时间和经费，一旦发现配电柜在工作时柜内温度偏高不符合要求，就需要重新对配电柜进行设计，且设计时可能为了避免温度过高，会增加较多风扇，这样导致配电柜的生产成本增高。这样反复的生产过程最终会导致生产时花费的时间成本和金钱成本比较高，不够简单和方便。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种配电柜模型的温度场仿真方法及系统,将温度场的仿真放到配电柜物理设计阶段，可以通过不断重复的仿真计算和调整风扇和零部件来使得配电柜的设计更加合理，降低了设计生产成本，操作简单、方便。
5.根据本发明的一个方面，本发明提供了一种配电柜模型的温度场仿真方法，所述方法包括以下步骤：
6.1)在三维机械设计软件中搭建配电柜模型；
7.2)将搭建好的所述配电柜模型导入到三维实体建模软件中；
8.3)在所述三维实体建模软件中根据电子产品热分析软件的使用规则自动简化模型；
9.4)将简化后的模型导入到电子产品热分析软件中，并对模型中零部件和框架的材料、发热量以及工作环境变量进行设置；
10.5)对所述模型进行网格划分，检查网格质量；
11.6)在所述电子产品热分析软件中调用软件包对模型进行热仿真计算；
12.7)利用所述电子产品热分析软件中的后处理工具获取柜内零部件和空气的温度以及空气流动情况；
13.8)根据获取到的结果对风扇和散热孔的位置和参数进行设置，同时调整零部件的位置；
14.9)重复步骤5)、6)、7)和8),不断调整风扇、散热孔和零部件，使所述配电柜的柜内温度达到设计标准。
15.优选地，所述三维机械设计软件为solidworks软件，所述三维实体建模软件为spaceclaim软件，所述电子产品热分析软件为icepak软件；所述软件包为fluent软件包，其包括多种求解器，所述icepak软件计算时调用所述fluent软件包中的求解器。
16.优选地，所述的步骤1)在三维机械设计软件中搭建配电柜模型包括：
17.获取发热元器件和配电柜的框架尺寸和材料属性，根据所述发热元器件和所述配电柜的框架建立简单模型，其中所述发热元器件包括:万能式断路器、塑料外壳式断路器、水平铜母排和垂直铜排。
18.优选地，所述的步骤4)包括：
19.4.1)根据所选发热元器件的型号获取其发热量和材料属性，根据配电柜实际工作环境获取温度、海拔等参数；
20.4.2)根据获取到的数据对零部件和框架的材料和发热量以及工作环境变量进行设置。
21.优选地，所述的步骤5)包括：
22.对模型进行网格划分后检查网格质量，检查零部件上的网格是否均匀，以及是否所有零部件都已经画上网格。
23.优选地，所述的步骤7)包括：
24.利用所述电子产品热分析软件的后处理工具获取的配电柜内的温度场和空气流动情况包括空气流动速度和风向，在所述温度场中显示发热元器件表面温度、配电柜任意平面温度和任一点温度。
25.优选地，所述步骤8)包括：
26.根据所显示的温度场、空气流动速度和方向设置风扇的属性，包括：设置风扇大小、位置、风扇类型和风速；根据获取到的结果对散热孔和零部件的位置进行设置，包括：设置散热孔的尺寸大小和安装位置，调整柜内零部件的布局。
27.根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种配电柜模型的温度场仿真系统，所述系统包括建模模块、设置模块、仿真模块和调整模块；
28.所述建模模块用于：
29.在三维机械设计软件中搭建配电柜模型；
30.将搭建好的所述配电柜模型导入到三维实体建模软件中；
31.在所述三维实体建模软件中根据电子产品热分析软件的使用规则自动简化模型；
32.所述设置模块用于：
33.将简化后的模型导入到电子产品热分析软件中，并对模型中零部件和框架的材料、发热量以及工作环境变量进行设置；
34.对所述模型进行网格划分，检查网格质量；
35.所述仿真模块用于：
36.在所述电子产品热分析软件中调用软件包对模型进行热仿真计算；
37.利用所述电子产品热分析软件中的后处理工具获取柜内零部件和空气的温度以及空气流动情况；
38.所述调整模块用于：
39.根据获取到的结果对风扇和散热孔的位置和参数进行设置，同时调整零部件的位
置；
40.不断调整风扇、散热孔和零部件，使所述配电柜的柜内温度达到设计标准。
41.优选地，所述设置模块用于：
42.根据所选发热元器件的型号获取其发热量和材料属性，根据配电柜实际工作环境获取温度、海拔等参数；
43.根据获取到的数据对零部件和框架的材料和发热量以及工作环境变量进行设置。
44.优选地，所述调整模块用于：
45.根据所显示的温度场、空气流动速度和方向设置风扇的属性，包括：设置风扇大小、位置、风扇类型和风速；根据获取到的结果对散热孔和零部件的位置进行设置，包括：设置散热孔的尺寸大小和安装位置，调整柜内零部件的布局。
46.有益效果：本发明提供的配电柜模型的温度场仿真方法及系统，所采用的模型是根据配电柜物理设计后建立的建议模型，只需要建立主体框架、外壳和内部主要发热元器件，花费时间和成本较少，将模型通过配电柜参数属性设置、网格划分、计算和后处理观察，可以得到任意点的温度和柜内空气流向和大小，减少人工测量温度所花费的成本，一旦发现柜内温度过高，可以在icepak软件中灵活添加风扇和散热孔，设置风扇的位置、大小和风速，散热孔的大小及位置，也可以调整模型柜内的布局，使柜内温度符合生产应用，操作简单，花费时间较短，可以很大程度减少劳动强度，合理选择与使用风扇和散热孔可以进一步减少生产成本。
47.通过参照以下附图及对本发明的具体实施方式的详细描述，本发明的特征及优点将会变得清楚。
附图说明
48.图1为本发明的配电柜模型的温度场仿真方法流程图；
49.图2为本发明所述solidworks软件中配电柜模型主视图；
50.图3为本发明所述通过spaceclaim软件简化后的配电柜模型正视图；
51.图4为本发明所述断路器网格划分图；
52.图5为本发明所述计算曲线收敛图；
53.图6为本发明所述x-z平面温度图；
54.图7为本发明所述万能式断路器表面温度图；
55.图8为本发明所述柜内x-y平面空气流动情况图；
56.图9为本发明的配电柜模型的温度场仿真系统结构示意图。
57.图中：1-万能式断路器；2-水平铜母排；3-塑料外壳式断路器；4-垂直进线端和出线端铜排；5-配电柜主图外壳框架；6-风扇。
具体实施方式
58.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
59.实施例1
60.图1为本发明的配电柜模型的温度场仿真方法流程图。如图1所示，本发明提供了一种配电柜模型的温度场仿真方法，所述方法包括以下步骤：
61.1)在三维机械设计软件中搭建配电柜模型；
62.2)将搭建好的所述配电柜模型导入到三维实体建模软件中；
63.3)在所述三维实体建模软件中根据电子产品热分析软件的使用规则自动简化模型；
64.4)将简化后的模型导入到电子产品热分析软件中，并对模型中零部件和框架的材料、发热量以及工作环境变量进行设置；
65.5)对所述模型进行网格划分，检查网格质量；
66.6)在所述电子产品热分析软件中调用软件包对模型进行热仿真计算；
67.7)利用所述电子产品热分析软件中的后处理工具获取柜内零部件和空气的温度以及空气流动情况；
68.8)根据获取到的结果对风扇和散热孔的位置和参数进行设置，同时调整零部件的位置；
69.9)重复步骤5)、6)、7)和8),不断调整风扇、散热孔和零部件，使所述配电柜的柜内温度达到设计标准。
70.优选地，所述三维机械设计软件为solidworks软件，所述三维实体建模软件为spaceclaim软件，所述电子产品热分析软件为icepak软件；所述软件包为fluent软件包，其包括多种求解器，所述icepak软件计算时调用所述fluent软件包中的求解器。
71.优选地，所述的步骤1)在三维机械设计软件中搭建配电柜模型包括：
72.获取发热元器件和配电柜的框架尺寸和材料属性，根据所述发热元器件和所述配电柜的框架建立简单模型，其中所述发热元器件包括:万能式断路器、塑料外壳式断路器、水平铜母排和垂直铜排。
73.优选地，所述的步骤4)包括：
74.4.1)根据所选发热元器件的型号获取其发热量和材料属性，根据配电柜实际工作环境获取温度、海拔等参数；
75.4.2)根据获取到的数据对零部件和框架的材料和发热量以及工作环境变量进行设置。
76.优选地，所述的步骤5)包括：
77.对模型进行网格划分后检查网格质量，检查零部件上的网格是否均匀，以及是否所有零部件都已经画上网格。
78.优选地，所述的步骤7)包括：
79.利用所述电子产品热分析软件的后处理工具获取的配电柜内的温度场和空气流动情况包括空气流动速度和风向，在所述温度场中显示发热元器件表面温度、配电柜任意平面温度和任一点温度。
80.优选地，所述步骤8)包括：
81.根据所显示的温度场、空气流动速度和方向设置风扇的属性，包括：设置风扇大小、位置、风扇类型和风速；根据获取到的结果对散热孔和零部件的位置进行设置，包括：设
置散热孔的尺寸大小和安装位置，调整柜内零部件的布局。
82.以下结合图2-图8给出一个具体的实施过程，该实施过程包括以下步骤：
83.1.依照配电柜物理设计在solidworks软件中建立简易模型，主要包括配电柜主体框架和主要发热元器件，比如：各种断路器和水平、垂直铜排。如图2所示的solidworks软件中配电柜模型主视图。
84.2.将模型导入spaceclaim软件中进行简化，在workbench工作栏，框选整个配电柜模型进行仿真简化，选择icepak软件模式展示模型，可以看出被简化后的配电柜模型，如图3所示的通过spaceclaim软件简化后的配电柜模型正视图。
85.3.将简化后的模型导入icepak软件中，根据物理设计时选择的发热元器件的信号和尺寸确定其发热量和材料属性并进行设置，发热量一般需要设置单一元器件的总发热量或者发热功率，材料属性一般需要设置密度、比热、辐射、电导率和导电方式等，还需要设置其工作环境，包括：环境温度、海拔和流层情况等参数。
86.4.设置好参数后，对模型进行网格划分，如图4所示的断路器网格划分图，由于是简易模型，可以采用默认的网格划分方式，进一步选择按温度和风速进行计算。
87.5.每次计算时间较短，一般为20～30分钟，计算时调用fluent在后台进行计算，会弹出命令窗口和计算曲线，当计算曲线收敛后，如图5所示的计算曲线收敛图，进行计算暂停即可结束计算。
88.6.计算结束后可以利用icepak软件的后处理工具进行温度场的观察，有三种不同查看方式，包括：平面温度，元器件表面温度，观测点温度。所述方式如下：
89.(1)切面温度可以观察x-y,x-z和y-z中任意一个平面的温度，利用划动块任意调节位置，可以用鼠标点击平面任意位置即可显示温度，如图6所示的x-z平面温度图；
90.(2)元器件表面温度通过选择的元器件可以观察其表面的温度，同样是使用鼠标点击即可显示温度，如图7所示的万能式断路器表面温度图；
91.(3)观测点温度是根据三维坐标进行定位，可以得到任意点的温度，得到的结果可以用文档的形式展出，方便进行记录和后期对比。
92.进一步的，可以利用后处理工具添加标记因子可以清楚观察柜内任意平面的空气流动方向和大小，如图8所示的柜内x-y平面空气流动情况图。
93.7.根据步骤6可以观察到柜内的温度和空气流动情况，对此可以利用icepak软件自带建模工具来设置配电柜的风扇和散热孔，一般考虑风扇的形状、尺寸大小、风量风速和安装位置，考虑散热孔的尺寸大小和安装位置，还可以调整内部元器件的摆放位置，或者在solidworks软件中对柜内的布局重新规划设计。
94.8.重复步骤5、6、7，可以不断优化配电柜的布局和风扇、散热孔的使用。根据反复优化调整，在不设置散热孔的情况下，将风扇的摆放位置设置在如图6所示的x-z平面温度图中，将下方的风扇设置为向内吹风，上方的风扇设置为向外抽风，这样更有利于配电柜的散热，也更能充分合理利用风扇。
95.本实施例提供的配电柜模型的温度场仿真方法及系统，所采用的模型是根据配电柜物理设计后建立的建议模型，只需要建立主体框架、外壳和内部主要发热元器件，花费时间和成本较少，将模型通过配电柜参数属性设置、网格划分、计算和后处理观察，可以得到任意点的温度和柜内空气流向和大小，减少人工测量温度所花费的成本，一旦发现柜内温
度过高，可以在icepak软件中灵活添加风扇和散热孔，设置风扇的位置、大小和风速，散热孔的大小及位置，也可以调整模型柜内的布局，使柜内温度符合生产应用，操作简单，花费时间较短，可以很大程度减少劳动强度，合理选择与使用风扇和散热孔可以进一步减少生产成本。
96.实施例2
97.图9为本发明的配电柜模型的温度场仿真系统结构示意图。如图9所示，本发明还提供了一种配电柜模型的温度场仿真系统，所述系统包括建模模块901、设置模块902、仿真模块903和调整模块904；
98.所述建模模块901用于：
99.在三维机械设计软件中搭建配电柜模型；
100.将搭建好的所述配电柜模型导入到三维实体建模软件中；
101.在所述三维实体建模软件中根据电子产品热分析软件的使用规则自动简化模型；
102.所述设置模块902用于：
103.将简化后的模型导入到电子产品热分析软件中，并对模型中零部件和框架的材料、发热量以及工作环境变量进行设置；
104.对所述模型进行网格划分，检查网格质量；
105.所述仿真模块903用于：
106.在所述电子产品热分析软件中调用软件包对模型进行热仿真计算；
107.利用所述电子产品热分析软件中的后处理工具获取柜内零部件和空气的温度以及空气流动情况；
108.所述调整模块904用于：
109.根据获取到的结果对风扇和散热孔的位置和参数进行设置，同时调整零部件的位置；
110.不断调整风扇、散热孔和零部件，使所述配电柜的柜内温度达到设计标准。
111.优选地，所述设置模块902用于：
112.根据所选发热元器件的型号获取其发热量和材料属性，根据配电柜实际工作环境获取温度、海拔等参数；
113.根据获取到的数据对零部件和框架的材料和发热量以及工作环境变量进行设置。
114.优选地，所述调整模块904用于：
115.根据所显示的温度场、空气流动速度和方向设置风扇的属性，包括：设置风扇大小、位置、风扇类型和风速；根据获取到的结果对散热孔和零部件的位置进行设置，包括：设置散热孔的尺寸大小和安装位置，调整柜内零部件的布局。
116.本实施例2中各个模块所实现的功能的具体实施过程与实施例1中的各个步骤的实施过程相同，在此不再赘述。
117.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。