مهندسی برق و توان

مقدمه

مهندسی برق و قدرت یک رشته مهندسی است که با کاربردهای عملی الکتریسیته در تمامی اشکال آن از جمله الکترونیک سر و کار دارد. مهندسی الکترونیک شاخه‌ای از مهندسی برق است که با استفاده از طیف الکترومغناطیسی و استفاده از ابزارهای الکترونیکی مانند مدارها و ترانزیستورهای مجتمع سروکار دارد. برای دستیابی به عملکرد مشخص، مهندسان الکترونیک مدارهایی را توسعه و تست می‌کنند که از ویژگی‌های الکترومغناطیسی مولفه‌های الکتریکی، از جمله مقاومت‌ها، خازن‌ها، سلف‌ها، دیودها و ترانزیستورها، استفاده می‌کنند. ​

مدیریت گرمایی سیستم‌های الکتریکی یک موضوع ضروری تمرکز در تحقیقات الکترونیک و توسعه با کوچک‌تر شدن تجهیزات الکترونیکی به صورت روزانه بوده‌است. شکست در تامین اتلاف حرارت کافی (‏خنک‌کننده) ‏در یک دستگاه الکترونیکی، مانند یک کامپیوتر یا یک گوشی هوشمند، می‌تواند منجر به خرابی موقت یا حتی دائمی دستگاه به دلیل وقوع دماهای بسیار بالا در بخش‌های مختلف، مانند بوردهای مدار چاپی (‏PCB ها)‏، واحدهای پردازش مرکزی (‏CPU ها)‏، یا درایوهای دیسک شود که باعث عملکرد نادرست این اجزا می‌شود. مدیریت حرارتی باید بالاترین اهمیت را در طراحی تجهیزات الکتریکی مهندسان داشته باشد. ​

چگونه می توان مهندسی برق و توان را در شبیه‌سازی‌های CFD بهبود بخشید؟

مهندسان برق و الکترونیک اغلب باید با مشکل گرمایش بیش از حد و شکست حرارتی الکترونیک یا تجهیزات الکتریکی که توسعه می‌دهند، کنار بیایند. این امر می‌تواند در مکان‌های شدید، تحت شرایط سخت، و یا پس از دوره‌های طولانی استفاده مداوم در شرایط معمول محیطی رخ دهد. خوشبختانه، تکنولوژی CFD مدرن به مهندسان برق این اجازه را می‌دهد تا عملکرد حرارتی تجهیزات الکترونیکی و الکتریکی را در مراحل اولیه طراحی به درستی پیش‌بینی کنند، و به مهندسان اطمینان می‌دهد که شکست‌های حرارتی در این زمینه (‏و مسائل مربوط به ضمانت)‏ چیزی از گذشته هستند. ابزارهای شبیه‌سازی CFD الکترونیک به سرعت و به دقت تمام فیزیک مربوطه، از جمله پیچیدگی‌های زیر را در نظر می‌گیرند:

• اثرات جا به جایی آمیخته (‏جا به جایی اجباری به علاوه اثرات جا به جایی طبیعی)
• ‏شناوری ناشی از جا به جایی طبیعی
• انتقال حرارت و اتلاف حرارتی در PCB ها
• جریان هوای لایه مرزی و انتقال حرارت مزدوج در هندسه‌های پیچیده دل‌خواه
•  تابش حرارتی بین تمامی اجزا و محیط خارجی

افزایش قدرت توربین‌های عمود محور  CFD

توربین‌های بادی محور عمودی (‏VAWTs)‏ اخیرا توجه زیادی را برای جمع‌آوری انرژی باد در خارج از ساحل و در شهرها به خود جلب کرده‌اند. این امر ممکن است به مقیاس پذیری، قابلیت اطمینان، و حداقل هزینه‌های نصب و نگهداری برای یک برنامه دریایی نسبت داده شود. ظرفیت جهت گیری همگانی آن‌ها مهم‌ترین مزیت آن‌ها در نواحی با تغییرات مکرر در جهت باد، مانند محیط شهری است. دینامیک سیالات محاسباتی (‏CFD)‏ به یک ابزار ارزشمند و مکمل برای طراح تبدیل شده‌است و می‌تواند برای شبیه‌سازی، طراحی و تجزیه و تحلیل جریان‌های سه‌بعدی پیچیده در توربوماشین‌ها مورد استفاده قرار گیرد. با ظهور و بهبود صنعت نرم‌افزار CFD تجاری، مدل‌سازی محاسباتی بیشتر توسط مهندسان با کاربردهایی که یک منطقه مهندسی گسترده را پوشش می‌دهند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. ​

دینامیک سیالات محاسباتی نیز برای بارگذاری فعال‌کننده‌های مختلف روی پره‌های توربین‌های مختلف به منظور افزایش بازده آن‌ها با توان ورودی پایین‌تر که امروزه فراگیر شده‌است، استفاده می‌شود. ​

استفاده از CFD برای ارتقای خنک کاری  IGBT

IGBT یک کلید حالت جامد است که با اعمال ولتاژ به بخشی از یک نیمه‌رسانا برای ایجاد یک مدار الکتریکی کار می‌کند. IGBT غیر معمول است چون عملکرد تریستور را حذف می‌کند، در نتیجه در یک دستگاه با کارایی بیشتر مبدل‌های مدرن خورشیدی و توربین بادی، درایوهای موتور و سیستم‌های قدرت از IGBTs استفاده می‌کنند. ​

کنترل گرمایی IGBTs یک جز حیاتی از یک سیستم الکترونیک قدرت است که به خوبی طراحی شده‌است. بسته به مورد استفاده آن، حالت سوئیچینگ، و ورودی برق، ماژول های IGBT می‌توانند در دما تغییر کنند و گرمای زیادی ایجاد کنند. اگرچه IGBTs به ما در پیشرفت قابل‌توجه با انرژی تجدید پذیر کمک کرده‌اند، ناکارآمدی‌های مربوط به اتلاف گرما و دماهای عملیاتی یک محدودیت طراحی باقی می‌مانند. ​

CFD در مدل‌سازی کارایی خنک کاری در داخل قفسه‌ها و راهروها به محبوبیت زیادی دست یافته‌است. بنابراین استفاده از آن به عنوان یک ابزار قوی و پویا برای مدل‌سازی تنظیمات مرکز داده‌ها منطقی به نظر می‌رسد. این روش بررسی سه‌بعدی گردش هوای گرم و سرد درون صفحه سرد را انجام می‌دهد و نقاط داغ یا مناطقی که نیاز به خنک سازی بیشتر و یا قسمت‌های بیش از حد سرد دارند را شناسایی می‌کند. مشتری ممکن است توان سرمایشی مورد نیاز برای کاربرد خود را با استفاده از CFD پیش‌بینی کند. ​

افزایش استخراج از مزارع با استفاده از CFD

کشاورزان رمزنگاری شده بودجه، حاشیه یا زمان لازم برای طی کردن مسیر سنتی را ندارند. آن‌ها به طور معمول از هر فضایی که یک اتاق در یک خانه، یک فضای اداری کوچک یا یک زیرزمین خالی وجود دارد، استفاده می‌کنند. دیگران از انبارهای بزرگی استفاده می‌کنند که در آن‌ها هوای گرم می‌تواند به سرعت از بین برود. ​

با این حال، بسیاری از این فضاها به زودی با چالش‌هایی در رابطه با گرمایش بیش از حد، افزایش هزینه‌های برق و بهره‌وری پایین مواجه می‌شوند. ​

بهترین راه برای حل این مسائل از طریق شبیه‌سازی CFD است. شبیه‌سازی شرایط اتاق برای بهینه‌سازی موقعیت سرورها و تعیین بهترین روش برای راه‌اندازی جریان هوا امکان پذیر است. از آنجا که هر مزرعه رمزنگاری شده منحصر به فرد است، این کار باید به صورت جداگانه انجام شود. یک شبیه‌سازی ساده می‌تواند به سرعت مقدار بهینه تراکم محاسبات را برای یک تصویر مربعی خاص تعیین کند. این روش دمای تسهیلی، سرعت هوا و تبادل هوای گرم و سرد را محاسبه می‌کند. یک نقشه حرارتی، نقاط داغ تجهیزات را مشخص می‌کند که احتمالا منجر به ذوب شدن سوخت هسته‌ای در سرور می‌شوند. این امر با توصیه‌هایی در اصلاح پیکربندی اتاق به منظور بهینه‌سازی کارایی استخراج کریپتو، عملکرد و هزینه همراه است. ​

این مقاله تعداد کمی از برنامه‌های CFD را در بهبود مهندسی برق و توان پوشش داده‌است. صنعت برق پر از کاربردهایی برای CFD است، از خنک کاری باتری با استفاده از مواد PCM تا شبیه‌سازی اثر میدان الکتریکی بر انتقال حرارت نانو سیال. ​

دینامیک سیالات برای بسیاری از جنبه‌های بخش الکتریکی اساسی هستند. اگرچه نمونه‌های اولیه واقعی برای مراحل بعدی توسعه، طراحی و بهینه‌سازی در طول مراحل اولیه استاندارد هستند، اما می‌توانند با مطالعات CFD به طور قابل‌توجهی تسریع شوند. ​

خدمات پردازشگران سیال و سازه مهر

تیم پردازشگران سیال و سازه مهر پروژه‌های شبیه‌سازی برون سپاری متعددی را برای کاربردهای صنعتی و تحقیقاتی مهندسی برق و برق اجرا کردند. با چندین سال تجربه شبیه‌سازی مشکلات مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم‌افزار ANSYS Fluent، تیم پردازشگران سیال و سازه مهر آماده ارائه خدمات گسترده از پیکربندی‌های شبیه‌سازی است. به عنوان مثال، شبیه‌سازی خنک کاری باتری (‏مدیریت حرارتی) ‏توسط PCM مستقل است و برای مطالعه کنترل دمای یک باتری لیتیوم مورد استفاده در وسایل نقلیه انجام می‌شود.

چالش حاضر از نرم‌افزار ANSYS Fluent برای مدل‌سازی فرآیند خنک سازی (‏خنک سازی باتری) ‏با استفاده از مواد تغییر فاز (‏PCM) ‏استفاده می‌کند. یک باتری لیتیوم در خودروها استفاده می‌شود و مدل‌سازی به هم متصل است. باتری منبع اصلی توان و یکی از اجزای مهم سیستم الکتریکی است. انرژی شیمیایی ممکن است برای ذخیره انرژی الکتریکی در باتری استفاده شود. وقتی باتری شارژ می‌شود، انرژی شیمیایی به توان الکتریکی منتقل می‌شود و وقتی باتری تخلیه می‌شود، انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی تبدیل می‌شود. باتری اتومبیل شامل شش سلول یا جز است که هر کدام شامل صفحات متناوب بین صفحات کاتد و آند هستند. ​

از CFD برای طراحی و تجهیز اثر میدان الکتریکی بر انتقال حرارت نانو سیال ‏استفاده شده‌است که در آن دمای جریان مورد بررسی قرار گرفته‌است. سیال نانو در یک کانال پر دست‌انداز در حضور یک پتانسیل الکتریکی کاربردی با استفاده از نرم‌افزار ANSYS Fluent جریان می‌یابد. ​

در نتیجه، یک جریان متغیر در سیم‌پیچ اولیه ترانسفورمر، یک میدان مغناطیسی نامساوی تولید می‌کند که باعث تولید یک ولتاژ در سیم‌پیچ ثانویه می‌شود. به دلیل نگرانی‌های امنیتی، این ترانسفورماتورها در اتاقی قرار دارند که در آن باید از سیستم تهویه مطبوع مناسب استفاده شود. این ترانسفورماتورها منابع حرارتی هستند که بر دمای هوای اطراف تاثیر می‌گذارند.

نرم‌افزار ANSYS Fluent می‌تواند تهویه اتاق مبدل را شبیه‌سازی کند. مطالعه زیر به شبیه‌سازی تهویه اتاق ترانسفورماتور می‌پردازد و نتایج آن نشان‌دهنده فشار هوا، سرعت یا دمای یک‌سان در هر نقطه مورد نظر است. ​

تیم پردازشگران سیال و سازه مهر، کارشناس در زمینه شبیه‌سازی برق و توان

با چندین سال تجربه در شبیه‌سازی مشکلات مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم‌افزار ANSYS Fluent، شرکت پردازشگران سیال و سازه مهر آماده ارائه خدمات مدل‌سازی، مش بندی و شبیه‌سازی جامع است. سرویس‌های شبیه‌سازی ما برای شبیه‌سازی برق و توان به صورت زیر دسته‌بندی شده‌اند:

• خنک‌کننده دستگاه الکتریکی (‏CPU، IGBT، سرور Rack …)
• استفاده از PCM برای انتقال حرارت ابزار الکتریکی (‏رادیاتور، تلفن همراه …)
• توربین برق
• ماینر خنک کننده ژنراتور برق (خنک کننده سطحی و خنک کننده داخلی)
• اتاق طراحی برای ماینینگ پول دیجیتالی بیت کوین مانند ماینر های بیت کوین، از جمله انتخاب اندازه فن مناسب ، طراحی اتاق سرد و گرم و غیره. ​
• خنک سازی مبدل (‏خنک سازی هوا و خنک سازی روغن)
• …

شما میتوانید محصولات مرتبط با دسته شبیه‌سازی برق و توان را در فروشگاه آموزشی پیدا کنید.

خدمات ما به موضوعات ذکر شده محدود نمی‌شود، و پردازشگران سیال و سازه مهر آماده انجام پروژه‌های مختلف و چالش برانگیز در زمینه مدل‌سازی مهندسی برق و برق است که توسط مشتریان ما سفارش داده شده‌است. ما حتی انجام شبیه‌سازی CFD برای هر طرح انتزاعی یا مفهومی که در ذهن خود دارید را قبول می‌کنیم تا آن‌ها را به واقعیت تبدیل کنیم و حتی به شما کمک کنیم تا به بهترین طراحی برای آنچه که ممکن است تصور کرده باشید برسید. شما می‌توانید از مشاوره متخصص پردازشگران سیال و سازه مهر به صورت رایگان بهره ببرید و سپس سفارش دهید که پروژه شما شبیه‌سازی و آموزش داده شود. ​

با برون سپاری پروژه خود به MR-CFD به عنوان یک فریلنسر شبیه سازی CFD، نه تنها فایل های منابع پروژه مربوطه (هندسه، مش، پرونده و داده، …) را دریافت خواهید کرد، بلکه یک ویدیو آموزشی گسترده نیز در اختیار شما قرار خواهد گرفت که نشان می دهد چگونه شما می توانید هندسه، مش و تنظیمات مورد نیاز (پیش پردازش، پردازش و پس پردازش) را در نرم افزار ANSYS Fluent به تنهایی تعریف کنید. علاوه بر این، پشتیبانی پسا فنی برای روشن شدن مسائل و ابهامات موجود است.