MODEL MIKROVLNNÉHO VYSOUŠEČE OLEJE Pavol Bukviš 1, Pavel Fiala 2 ANOTACE Příspěvek přináší výsledky numerického modelování při návrhu zařízení pro úpravy transformátorového oleje. Zařízení pracuje v oblasti f=2.4ghz a pomocí regulovaného výkonu se řídí proces vysoušení a regenerace oleje na filtru. Zařízení slouží k experimentálnímu ověření činnosti prototypu určeného ke komerčnímu využití firmou ARS - Altmann Recovery Systems. ANNOTATION This contribution brings results of the numerical modeling during design and conception analysis of apparatus for preparation of transformer oil. Equipment function with 2.4GHz frequency and by help power control system is formed full oil recovery system on the sieve. The apparatus are used form experimental verify of prototype project to commercial using of ARS - Altmann Recovery Systéme company. 1 ENERGETICKÉ STROJÍRNY BRNO, a.s. Vídeňská č.p. 297, č.or. 99 656 44 Brno Tel.: +420 543 168 111 Fax: +420 543 168 333 E-mail: esb@esbrno.com Web: www.esbrno.com 2 Department of Theoretical and Experimental Electrical Engineering Faculty of Electrical Engineering and Communication, Brno University of Technology Kolejní 4, 612 00 Brno CZECH REPUBLIC tel +420 54114 9510 - e-mail fialap@feec.vutbr.cz www.feec.vutbr.cz/utee - 1 -
1. Úvod Energetické transformátory jako elektrické dielektrikum používají minerální oleje. Díky jejich ceně, elektrickým vlastnostem budou stale používány i přes nástup dalších alternativních materiálů (SF 6 ). Při provozu transformátoru, jeho oteplení a styku se vzdušnou vlhkostí olej během dlouhého provozu pojme vzdušnou vlhkost a je prosycen dalšími nečistotami. Bylo navrženo zařízení, které stálým prouděním oleje přes filtr čistí náplň transformátoru. Na filtru se ale zachycuje i vodní emulze. Při bezúdržbovém systému řešení filtru je nutné provést vysušení Obr. 1 Schéma HF vysoušeče Mikrovlnný řízený zdroj Nádoba s olejo-vodní emulzí olejové emulze. K tomu účelu bylo navrženo zařízení, které na frekvenci f=2.4ghz provede postupné oddělení vody a oleje. Schéma zařízení je na obr.1. 2. Matematický model Analýzu modelu je možné provést pomocí numerického modelu metodou konečných prvků(mkp). Elektro-magnetický model je založen na řešení plných Maxwell-lových rovnic B D E = -, H = σ E + + J, D = ρ, B = 0 t s t v oblasti Ω. (1) Kde E a H jsou vektor intenzity elektrického a magnetického pole, D a B elektrická a magnetická indukce, J s je hustota proudu proudových zdrojů, ρ je hustota volného elektrického náboje a γ je konduktivita materiálu, Ω je definiční oblast modelu úlohy. Platí pro materiálové vztahy mezi intezitami a indukcemi elektrického a magnetického pole D = ε E, B = µ H. (2) V HFM je permitivita ε, permeabilita µ i konduktivita γ obecně tenzor s hlavními osami ve směru os kartézských souřadnic x, y, z. Když všechny složky vektorů pole kmitají se stejným kruhovým kmitočtem ω lze první dvě z Maxwellových rovnic psát ve tvaru - 2 -
E = j ωµ H, H = ( σ + jωε )E + v oblasti Ω (3) J s Zde E, H, J s jsou komplexní vektory pole. Při respektování hraničních podmínek vyjádřených posledními dvěma relacemi (1) a úpravami (3) dostaneme 2 1 ( jω) ε E + σ E + µ E = jω J s (4) Aplikací Galerkinovy metody s vektorovými aproximačními funkcemi W i a použitím vektorové varianty Greenovy věty na člen s dvojnásobnou rotací podle [2] získáme výraz, který po diskretizaci má tvar [ M ]{ E } + jk [ C]{ E} + [ K]{ E} = { F} k 0 0, (5) kde {E} je sloupcová matice komplexních vektorů elektrické intenzity. Matice [K], [C] a [M] jsou ve tvaru uvedeném v manuálu [4] a vektor {F} je počítán z výrazu { F} = jk Z 0 [ Wi ]{ J s } dω + jk 0Z 0 [ Wi ]{ n H} dγ 0. (6) Ω Γ +Γ 0 1 vektorové aproximační funkce W jsou definované v manuálu [1], k 0 je vlnové číslo pro vakuum, Z 0 je impedance volného prostoru. Soustava (4) nezávisí na čase, ale stanoví se z ní E a pro okamžitý průběh vektoru E platí { j ω E e t } E = Re. (7) 3. Model v prostředí ANSYS Geometrický model byl sestaven z elementů HF119, 120 podle [1]. Obr. 2 Geometrický model HF vysoušeče V modelu byla použita střední elektroda k rovnoměrnému rozložení měrného elektromagnetického výkonu a tím rovnoměrnému vysoušení síta. - 3 -
4. Výsledky analýzy Pro vyhodnocení doby a způsobu sušení byly analyzovány různé varianty návrhu zařízení. Na obr.3, 4 jsou vyhodnoceny rozložení modulu elektrické intenzity a modul proudové hustoty. Z těchto a dalších analýz byla navržena koncepce průmyslového vysoušeče a je v současné době testována na spolehlivost a optimální vysoušecí režim. Obr.3 Modul intenzity elektrického pole v modelu HF vysoušeče - 4 -
Obr.4 Modul proudové hustoty v modelu HF vysoušeče References [1] Manuály ANSYS, v.8.1, USA [2] Fiala,P.: Coupled electromagnetic model of smoothing choke. AMTEE 01 Fifth international conference., 10.9-12.9.2001 Plzeň, str.c05, ISBN 80-7082-756-4. - 5 -