Der Strom der Thermik

Exklusiv in kem Autor: Gerhard Friederici, Cadfem GmbH, Grafing bei München

Dabei wurden mit Maxwell das magnetische Feld simuliert und der Ohmsche Widerstand berechnet, der zu Wärmeverlusten führt. Die so ermittelten Verluste wurden anschließend an Ansys Workbench übergeben, wo sie als Grundlage für die Berechnung der Wärmeverteilung dienten. Für die strukturmechanischen Berechnungen nutzt SGB Regensburg das eCadfem Angebot, ein on-Demand Service der Cadfem GmbH, das per Internet-Verbindung einen schnellen und wirtschaftlichen Zugriff auf Ansys ermöglicht. Mit diesem Angebot wird die Software-Nutzung sekundengenau abgerechnet, wobei alle Berechnungsdaten auf dem Rechner des Kunden bleiben und die gesicherte Arbeitsumgebung nicht verlassen.

Die SGB Unternehmensgruppe und die Schwesterunternehmen der SMIT Gruppe – mit Standorten in Deutschland, Holland, USA und Malaysia – gehören zu den weltweit führenden Herstellern von Leistungstransformatoren. Sie decken im Transformatorenbau das gesamte Leistungsspektrum ab. Speziell bei sehr großen Transformatoren, bei denen einige Tausend Ampere durch den Trafodeckel geleitet werden müssen, können lokal große Verluste und damit starke Erwärmungen entstehen. Dies gab den Anstoß zur Vergabe einer Bachelorarbeit, in der untersucht wurde, inwieweit sich dieses Phänomen mit einer Software-Lösung abbilden lässt. Dadurch kann schon in der Konstruktionsphase die lokale Wärmeentwicklung berechnet werden, so dass frühzeitig eine Optimierung mit Hilfe von virtuellen Prototypen und entsprechender Simulations-Software erfolgen kann.

„Mit Frau Svitlana Schmidt fanden wir eine Studentin, die an der Fakultät Maschinenbau der Hochschule Regensburg bei Prof. Dr.-Ing. Gerhard Kauke die Aufgabe übernahm und im September 2010 eine entsprechende Bachelorarbeit ablieferte“, berichtet Dipl.-Ing. Franz Schatzl, Leiter Technik Netztransformatoren bei SGB in Regensburg. Das Thema der Bachelorarbeit lautete: Analyse und Modifizierung der thermischen Beanspruchung im Bereich einer Hochstromdurchführung, hervorgerufen durch niederfrequente magnetische Wechselfelder anhand der Finite-Elemente-Methode. Die Hauptaufgabenstellungen lagen einerseits in der Berechnung der Verluste und andererseits in der Simulation der Temperaturverteilung, die sich aus den Verlusten ergab.

Dazu war es notwendig, von einem 500 MVA Transformator ein dreidimensionales Modell des Kessels und speziell des Trafodeckels für die Berechnung aufzubereiten. Anhand des magnetischen Feldes im Deckel ließen sich dann die Wirbelstromverluste berechnen und die Temperaturverteilung im Deckel und insbesondere in den Deckelversteifungen simulieren. Für diesen Trafotyp waren schon sehr genaue Temperaturuntersuchungen mit einer Wärmebildkamera durchgeführt worden, da das Problem von zu hohen lokalen Temperaturen aufgetreten war und kurzfristig gelöst werden musste.

„Wir haben auf der Unterspannungsseite am Deckel, genauer gesagt an den äußeren Versteifungen des Deckels, 140 º Celsius gemessen“, erläutert Franz Schatzl. „An der Außenseite erwärmen sich die Versteifungen mehr, da sie nur durch Luft gekühlt werden und nicht wie auf der Innenseite durch Öl, was grundsätzlich besser funktioniert. Folglich mussten wir konstruktive Kühlungsmaßnahmen ergreifen.“ Da der Transformator aus wirtschaftlichen Gründen nicht völlig neu konstruiert werden konnte, bestanden hauptsächlich nur Veränderungsmöglichkeiten an den äußeren Versteifungen.

Für die Berechnungen und den Aufbau des Simulationsmodells mussten die erforderlichen Materialkennwerte wie E-Modul, elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie Permeabilität zur Verfügung stehen und auch die Übergänge, zum Beispiel von Stahl auf Luft und von Stahl auf Öl entsprechend berücksichtigt werden. Dazu wurde die Geometrie vom CAD-System über die parametrische Schnittstelle in Ansys Maxwell importiert und dort die Verluste ermittelt, um sie anschließend in Ansys Workbench zu übertragen und dann die Temperaturverteilung zu berechnen.

Im Anschluss wurden die Simulationsergebnisse mit den Aufnahmen der Wärmebildkamera aus den Versuchsergebnissen verglichen. „Wir waren von den Simulationsergebnissen sehr positiv überrascht, denn sie lagen fast genau bei den mit der Wärmebildkamera gemessenen Werten und hatten nur ein Abweichung von 2 Kelvin“, betont Franz Schatzl. „Zu den Ergebnissen darf man Frau Schmidt und dem unterstützenden Team aus der Technik gratulieren. Die Aufgabe wurde bravourös gemeistert und die Ergebnisse konnten direkt in der Praxis angewendet werden.

Für die Ingenieure in der SGB-SMIT Unternehmensgruppe bringt der gemeinsame Einsatz von Ansys Maxwell und Ansys Workbench viele Vorteile. Durch die Simulations-Software können sie vor der eigentlichen Fertigung diverse Trafovarianten untersuchen, um dann die optimale Variante für die Fertigung zu wählen. Schon nach relativ kurzer Einarbeitungszeit wurden verwertbare und hilfreiche Simulationen realisiert, mit denen Zeit und Kosten gespart wurden, da langwierige und aufwändige Versuche reduziert werden konnten.

Dazu ergänzt Franz Schatzl: „Wir haben festgestellt, dass wir mit relativ einfachen Mitteln die Temperaturverteilung am Transformator simulieren können.“ Die bisherigen Simulationen haben gezeigt, dass bestimmte Konstruktionsvarianten bei sehr hohen Stromstärken von mehr als 6000 A nicht sinnvoll sind. Dagegen treten im niedrigeren Ampere-Bereich diesbezüglich keine Probleme auf. Speziell bei den äußeren Versteifungen im Deckelbereich muss bei hohen Stromstärken besonders auf die Anordnung und Auslegung geachtet werden. „Da eine nachträgliche Fehlerbehebung sehr aufwändig ist und Terminverzögerungen für alle Beteiligten ärgerlich sind, wollen wir diese Probleme ausmerzen beziehungsweise auf ein Minimum reduzieren. Die Software-Lösungen von Cadfem und das unterstützende Know-how, das wir von den Mitarbeitern erhalten, bringen uns dabei einen großen Schritt voran. Deshalb sollen die Simulationsanwendungen bei uns weiter forciert und ausgebaut werden“, erklärt Franz Schatzl abschließend.

Cadfem, Tel.: 08092 7005–0, E-Mail: info@cadfem.de