Nauwkeurig koperen stroomrail De juiste dimensionering is van cruciaal belang voor een veilige, betrouwbare en efficiënte stroomcirculatie. Busbars zorgen voor de verdeling van hoge stroomsterktes in schakelinstallaties en verdeelkasten. Een onjuiste dimensionering leidt tot extreme warmteontwikkeling, vermogensverlies, spanningsval en mogelijke storingen, zoals isolatieschade of brand. Inzicht in de beïnvloedende factoren en dimensioneringsmethoden is essentieel.
De bestaande capaciteit (stroomdraagvermogen) van een verzamelrail wordt voornamelijk beperkt door thermische efficiëntie (temperatuurstijging), stroomcapaciteit en spanningsval. De temperatuurstijging is doorgaans een van de belangrijkste factoren, met name in ruimtes. Warmte die ontstaat door $I ^ 2R$-verliezen moet worden afgevoerd om de temperatuur binnen de toegestane grenzen te houden.
Een vereenvoudigde ΔT-formule is symmetrisch ten opzichte van het vermogensverlies en omgekeerd evenredig met de plaats van de warmteafvoer. ΔT ≈ 1000 × vermogensverlies / (1,1 × oppervlakte in cm²) ΔT ≈ 1,1 × oppervlakte in cm² / (1000 × vermogensverlies). Dit is een benadering en dekt niet alle warmteoverdracht.
Warmteoverdracht via verbindingen vermindert de temperatuurstijging in uw ruimte. Bij de warmtenetwerkmethode wordt de warmtecirculatie beoordeeld aan de hand van de overdrachtscoëfficiënt (α), het oppervlak (A), de thermische weerstand (R) en ΔT. Een hoge gemeten ΔT kan wijzen op warmte van buitenaf of op verminderde warmteafvoer.
Bij kortsluitingen gaat ΔT ervan uit dat warmte door de geleider wordt geabsorbeerd, waarbij de warmteoverdracht gedurende deze korte periode verwaarloosbaar is. De relevante variabelen zijn tijd (T), de aanvankelijke temperatuur (Θ1) en de maximaal toegestane temperatuur (Θ2), de oppervlakte (A) en de RMS-stroom (I).
Uitgebreide versies evalueren het thermisch gedrag in stabiele toestand, waarbij rekening wordt gehouden met stroomsterkte, dwarsdoorsnede, lengte, variatie in de soortelijke weerstand van het product en contactweerstand. Materiaaleigenschappen zoals de soortelijke weerstand (ρa), de thermische geleidbaarheid (λ) en de temperatuurcoëfficiënt (α0) zijn van belang. ΔT is omgekeerd evenredig met de dwarsdoorsnede.
De spanningsval hangt af van de stroomsterkte en de weerstand van de verzamelrail. De impedantie bij wisselstroom is groter dan bij gelijkstroom als gevolg van regulatiteitseffecten zoals het skin-effect en het nabijheidseffect.
Voor een nauwkeurige dimensionering zijn essentiële gegevens nodig waarin elektrische en omgevingsproblemen worden gespecificeerd:
Diverse andere specificaties:
Deze specificaties bieden richtlijnen voor de keuze van de methode en de vermogensvermindering om de benodigde afmetingen te bepalen.
De fysieke opstelling en de omgeving hebben een uitzonderlijk grote invloed op de stroomdraagkracht en de thermische efficiëntie.
Behuizing/ventilatie: Gesloten stroomrails hebben een lagere stroomdraagkracht dan buiteninstallaties vanwege de beperkte luchtstroom. De stroomdraagkracht wordt voornamelijk bepaald aan de hand van onderzoeken naar de temperatuurstijging (UL, ANSI). Eenduidige regels voor de verhouding tussen stroomsterkte en kabeldoorsnede zijn onbetrouwbaar voor gesloten systemen. Het opgewekte vermogen moet binnen de capaciteit van de behuizing blijven. Geforceerde koeling verhoogt de capaciteit ten opzichte van natuurlijke convectie.
Parallelle balken/Vermogensvermindering: Identieke rails vergroten de capaciteit, maar door toleranties, verbindingen en reactantie ontstaat er een ongelijkmatige verdeling van de stroom. Dit vereist een verlaging van de totale stroomsterkte die hieronder wordt vermeld tot onder de waarde van de specifieke rails. De factoren die tot deze verlaging leiden, nemen toe naarmate er meer identieke rails worden gebruikt. De werkelijke stroomcapaciteit van $n$-staven is aanzienlijk lager dan $n$ maal de capaciteit van één staaf.
Afstand/oriëntatie: De afstand tussen de elementen beïnvloedt de warmteoverdracht en de onderlinge nabijheid heeft gevolgen. Een grotere afstand tussen de elementen bevordert de warmteafvoer en verhoogt de stroomdraagkracht. Opstellingen waarbij de elementen naast elkaar staan, koelen minder effectief dan gestapelde opstellingen. Het maximaliseren van de afstand tussen de ribben en het aantal perforaties verbetert de warmteoverdracht. Horizontale koeling via het onderoppervlak is minder betrouwbaar.
Compacte/sandwichapparatuur: Door inkapseling zijn compacte ontwerpen mogelijk. Een kleine afstand tussen de componenten vermindert de inductie, de weerstand, de spanningsval en de magnetische verliezen.
Diverse andere variabelen: Metalen modules (aluminium) verminderen de effecten van nabijheid en de opwarming van de module. Bij installatie op hoogte moet het vermogen worden verlaagd. Slechte aansluitingen leiden tot opwarming van de module; voldoende contactdruk is essentieel.
Een gecombineerde conditiefactor (K) houdt rekening met de volgende invloeden: soort staven (k1), oppervlakte (k2), locatie (k3, k4), luchtstroom ($k5) en het bestaande type (k6). Verf verhoogt de warmteafvoer (k2 = 1,15). De plaatsgebonden factoren variëren (bijvoorbeeld: bij montage aan de rand k3 = 1, bij montage aan de basis k3 = 0,95).
De stroomsoort, en met name de frequentie van wisselstroom, beïnvloedt de stroomcirculatie via huid- en nabijheidseffecten, waardoor de wisselstroomweerstand en -verliezen toenemen.
Huid-effect: De bestaande airconditioning concentreert zich dicht bij het oppervlak, waardoor het effectieve oppervlak afneemt. Dit is duidelijker bij hogere frequenties. De huiddiepte (waarbij de stroomsterkte afneemt tot ~ 37%) bedraagt ~ 8,5 mm voor koper bij 50 Hz. Dit beperkt de efficiënte busbar-dichtheid tot minder dan 10 mm. Factoren (ys) en empirische formules worden gebruikt om extra verliezen te schatten.
Gevolgen van nabijheid: Elektromagnetische velden van nabijgelegen geleiders wekken wervelstromen op, waardoor er in bepaalde gebieden een opeenhoping ontstaat. Dit verhoogt de weerstand en de verliezen in de wisselstroom, vooral bij kleine afstanden tussen de geleiders. Het vermogensverlies kan sneller toenemen dan de locatie.
De afstandsfactor (K=RAC/RDC) geeft de weerstandsverhoging weer. Een kleinere afstand leidt tot een hogere afstandsfactor en meer verliezen.
Geïntegreerde effectbeoordeling/risicobeperking: Beide effecten vergroten de weerstand van de airconditioner, de I²R-verliezen en de spanningsval. Dit is van belang bij hoge stromen (> 2000 A) en lange systemen.] Zelfs kleine toenames in verliezen hebben financiële gevolgen. Onbalans in de reactantie leidt tot spanningsverschillen en elektrodynamische krachten
Reductietechnieken:
Het gemengde effect wordt verklaard door een correctiefactor (S) = huidaspect (Sk) * nabijheidsaspect (Sp).
Bij de dimensionering wordt gebruikgemaakt van methoden die zijn gebaseerd op normen voor veiligheid en betrouwbaarheid. Met behulp van deze technieken wordt het benodigde oppervlak berekend op basis van de toegestane temperatuurstijging bij continue stroom, waarbij rekening wordt gehouden met de omgeving en de invloed van airconditioning. Dit is vaak een repetitief proces [15]
Belangrijkste criteria:
De keuze van de techniek hangt af van de complexiteit van het systeem, de vereiste nauwkeurigheid, het tijdschema voor de informatieverstrekking en de geldende normen. Voor installatiesystemen of systemen die de rekenkundige beperkingen overschrijden, is een fysieke controle vereist.
Nadat u de benodigde dwarsdoorsnede hebt berekend, kiest u een geschikte afmeting en dichtheid. Houd rekening met de basisafmetingen, de mechanische sterkte, de thermische prestaties en de stroomcirculatie.
Koperen stroomrails zijn verkrijgbaar in standaard rechthoekige afmetingen. Kies de afmetingen op basis van de berekende plaatsing (bijvoorbeeld: 500 mm kan worden gerealiseerd met twee staven van 50×10 mm of met meerdere parallelle staven).
De huidige dichtheid vormt een strenge beperking. Voor dunnere staafjes is de toegestane dikte groter. Een ruwe schatting voor koper in stilstaande lucht is ~ 2 A/mm TWO.
Bij de uiteindelijke keuze voor de afmetingen wordt een afweging gemaakt tussen elektrische en thermische efficiëntie, mechanische eisen, benodigde ruimte, prijs en produceerbaarheid.
Geavanceerde software biedt uitgebreide analyse en optimalisatie van gebouwinstallaties, hoge stromen en transiënten met behulp van FEA en CFD.
CENOS BBH: Gekoppelde elektromagnetische, thermische en constructieve analyse voor AC/DC-busbars. Simuleert de bestaande stroomverdeling, Joule-verwarming, hotspots, spanningsval en thermische spanning. Maakt aanpassing en optimalisatie van het ontwerp mogelijk. Ondersteunt zowel steady-state- als kortetermijnanalyses.
Ansys: Combinatie van elektromagnetische (Maxwell) en thermische (Icepak) simulatie. Nuttig voor de busbars van omvormers. De kortetermijnoplosser van Maxwell lokaliseert de circulatie van ohmse verliezen (bestaande uit effecten van airconditioning), die wordt doorgestuurd naar Icepak voor thermische evaluatie. .
EMWorks: Elektrothermische simulatie gericht op het tegengaan van warmteontwikkeling. De in de thermische analyse geïntegreerde solver voor elektrische transmissie simuleert oppervlakte, stroomdichtheid, weerstand, temperatuur en warmteverandering. Hiervoor zijn producteigenschappen, invoergegevens (convectie, omgevingstemperatuur) en een mesh nodig.
JMAG-Designer: Bestaat uit een analyse van de thermische belasting van de verzamelrails. Voorspelt de temperatuurstijging en -variatie op basis van de warmteontwikkeling die voortvloeit uit de evaluatie van het magnetisch veld.
Deze apparaten maken een grondige analyse mogelijk die verder gaat dan handmatige methoden:
Ze vereisen weliswaar specifieke kennis, maar zorgen voor verfijning van ontwerpen, garanderen naleving van de voorschriften en verleggen de grenzen van de capaciteit. Met CFD wordt de temperatuurstijging onder diverse omstandigheden beoordeeld. Analytische formules automatiseren de berekening van de stroomdraagkracht en de warmteoverdrachtscoëfficiënt. Simulatie kan fysieke tests tijdens het ontwerpproces aanvullen of vervangen.
