Привет, Хабр! Меня зовут Алексей Верстунин, я ведущий инженер по разработке НКУ в АО «ИЭК ХОЛДИНГ» и преподаватель кафедры электрических аппаратов в НИУ МЭИ.

«Магический квадрат» проектирования НКУ — мощность, габариты, надежность, стоимость — держится на контроле тепловых режимов. Но что делать, когда стандартные методики расчета, выдают «усредненные» цифры, а в реальном шкафу возникают недопустимые перегревы?

Эта статья — своего рода эксперимент. Мы хотим понять, насколько глубокий интерес у сообщества к теме CAE-моделирования НКУ. Поэтому сегодня мы не будем грузить вас уравнениями и сетками (оставим это для возможного продолжения), а покажем саму суть подхода и его практическую пользу.

Мы на собственном опыте убедились: переход к CAE-моделированию — это не просто смена инструмента, а качественно новый уровень понимания тепловых процессов внутри шкафа. Этот метод позволяет не гадать, а видеть распределение температур и потоков воздуха еще до сборки опытного образца. Примеры CAE – программ для тепловых расчетов НКУ: СOMSOL Multiphysics, ANSYS Fluet, кастомные решения на базе open-source ресурсов и другие решения.

Вместо усредненных оценок — точная цифровая симуляция. Вместо неожиданностей после сборки — предсказуемый и оптимизированный результат. Давайте разберемся, как это работает.

Глава 1. Тепловой расчет НКУ: классика жанра и ее границы

В то время как в технологических отраслях активно развиваются цифровые двойники и ИИ, в сфере НКУ по-прежнему доминируют традиционные методики расчета. Это создает интересный вызов для интеграции новых подходов.

Если говорить объективно, методика теплового расчета НКУ по IEC 60890 — это проверенный фундамент: основательная, верифицированная, но для комплексного анализа сложных НКУ ее возможностей зачастую недостаточно.

В чем вызов?

Стандарт заставляет нас считать некий «усредненный» случай. Температура на середине или полной высоте НКУ? Усредняем! Конвекция? Берем эмпирические коэффициенты! Тепловой режим считаем стационарным.

Отсутствие гибкости. Попробуй-ка смоделировать сложную сборку НКУ с контактными соединениями и принудительным охлаждением. Не получится! Приходится упрощать модель до состояния, когда она уже слабо напоминает оригинал…

Время — не деньги, а очень много денег. Один расчет силами инженера-расчетчика затягивается на несколько дней или даже неделю. Хочешь проверить «а что будет, если вот эту шинную сборку сделать вот такой конфигурации? А что, если взять «Воздушник» на ступень выше»? Добро пожаловать в новый виток итерации на следующие несколько дней.

Мы поняли: мы оптимизируем процесс в рамках методики, которая имеет четкие границы применимости. Для их преодоления нужен был иной подход.

Суть метода: упрощенная физика

Краткая суть метода по IEC достаточно проста:

Перегрев воздуха внутри шкафа ≈ (Сумма всех потерь мощности) / (Некий магический коэффициент, зависящий от площади поверхности шкафа и вентиляции)

Вся сложная физика теплообмена (конвекция, теплопроводность) сжимается до одного-двух уравнений с подобранными эмпирическими коэффициентами. Это как пытаться описать всю квантовую механику одной формулой E = mc² — красиво, но для практического применения маловато.

Мир, в котором живёт IEC 60890

Метод работает ТОЛЬКО если:

• Ток переменный ≤ 1600 А или постоянный ≤ 3200 А

• Потери мощности распределены РАВНОМЕРНО

• Циркуляция воздуха НЕ затруднена, максимум — пять горизонтальных перегородок

• Вентиляционные отверстия в диапазоне от 10 см² до 1000 см²

Допущения метода:

Чтобы эмпирическое выражение давало адекватный результат, метод требует принять на веру несколько «мелочей»:

Корпус идеальный. Однородный металл, покрытие — идеальный изолятор. Никаких сложных составных конструкций или ребер жесткости, которые тоже греют/охлаждают.

Внутри — равномерный нагрев. По сути, метод считает среднюю температуру по больнице. Он беспомощен перед точечным перегревом (горячими точками или тепловыми мешками).

Вентиляция — она или есть, или ее нет. Никаких полумер. Сложная геометрия перфорации, расположение отверстий снизу/сверху/сбоку — все это не учитывается. Есть суммарная площадь отверстий.

Когда стандартного метода становится недостаточно.

IEC 60890 — это эффективный инструмент для получения средних оценок, но он не заменяет собой инструмент детального инженерного анализа.

Он дает тебе две цифры — превышение температуры воздуха на половине высоте НКУ и на полной высоте НКУ. Он не покажет, где у тебя перегреется контактное соединение. Не предскажет, что из-за неудачно расположенного автомата возникнет мертвая зона с застойным воздухом.

Это подход заставляет тебя закладывать запасы прочности. Перестраховываться по материалу, по габаритам, по вентиляции. В итоге шкафы становятся больше, тяжелее и дороже, чем могли бы быть.

Важно подчеркнуть: метод IEC 60890 не «плох». Он идеален для быстрых оценок, типовых проектов и там, где допустимы консервативные запасы. Проблема возникает тогда, когда эти запасы становятся слишком дорогими, а проект выходит за рамки типового. Именно здесь начинается область применения CAE, требующая, впрочем, значительных вычислительных ресурсов и глубоких компетенций в вопросе.

Глава 2. CAE моделирование

И вот на сцену выходит оно — CAE-моделирование. Это виртуальный полигон, цифровой двойник и машина времени в одном флаконе.

Забудьте про усреднения. Представьте, что вы можете не рассчитать, а увидеть тепло. Увидеть, как распространяются тепловые потоки, как рождаются вихри воздуха внутри шкафа.

С помощью CAE-моделирования мы собрали и запустили комплекс из двух программ. Вот их краткая суть.

Наш предложение: комплексный тепловой расчет НКУ

1. Программа №1: Точный детектор потерь мощности

   Здесь мы в упор рассматриваем шины и контактные соединения. Задача — найти все потери мощности, до последнего ватта. В основе расчета лежит решение полной системы уравнений, включая электрическую задачу и уравнения теплопередачи. Для моделирования контактов используются современные аппроксимации, учитывающие шероховатость поверхностей и давление, то есть мы знаем не просто «сопротивление», а как оно меняется в зависимости от нагрева и контактного давления.
   Кратко про интерфейс: интерфейс позволяет инженеру быстро задать геометрию шины, свойства материалов и условия эксплуатации, после чего программа автоматически формирует расчетную модель и выдает детализированную картину распределения потерь и температур.

2. Программа №2: Термомониторинг и анализ воздушных потоков НКУ
Первая программа дала нам источники тепла. Теперь нужно понять, что это тепло делает внутри целого НКУ. Это уже не просто задача теплопроводности — это полноценная мультифизичная задача. Мы считаем несколько физических подзадач разом: распространение тепла в твердых телах и CFD (Computational Fluid Dynamics) симуляция - компьютерное моделирование поведения жидкостей и газов, CFD помогает понять, как нагретый воздух циркулирует внутри шкафа НКУ. Фишка интерфейса: моделируем реальную геометрию НКУ в 2D проекции. Меняем размеры НКУ, добавляем/удаляем секционирующие перегородки, двигаем вентиляционные отверстия — и сразу видим, как меняется картина температурного распределения. Можно «поиграть» с десятками конфигураций и найти идеальную.

Глава 3. Что мы получили на выходе

Вот что изменилось:

1. Мы смогли увидетьпроцесс, а не вычислить цифру.
Вместо одного числа «перегрев = 50°C» мы теперь получаем температурную карту нашей системы НКУ, а также можем видеть скорость и направление движения воздушных масс. Горячие точки, градиенты, тепловые потоки — все как на ладони. Мы видим, как тепловые потоки распространяются внутри НКУ, видим «узкие» места, которые мы не могли предсказать ранее.

2. Раньше это были сухие цифры. Теперь — это наглядная «картина мира». Видишь температурное поле, находишь самые горячие точки, оптимизируешь конструкцию точечно.

Мультифизика разом: СFD-анализ и теплопередача в твердых телах — все считается вместе.

Стоит ли овчина выделки — абсолютно да.

Для инженера: это переход от роли «калькулятора» к роли «исследователя».

Сегодня эти методы становятся стандартом для проектов, где надежность и оптимизация критичны. Наша задача — не просто собрать шкаф, а создать предсказуемое и оптимизированное решение.

IEC 60890 - это идеальный инструмент для предварительных расчетов или для задач, не требующих повышенной точности.

Напишите в комментариях:

• Используете ли вы в своей практике CAE-симуляции, или для вас это пока далекая тема?

• Какие аспекты создания и верификации CAE-модели наиболее интересны? Например: подготовка геометрии и построение сетки, настройка граничных условий, методы ускорения расчетов или сравнение результатов моделирования с натурными экспериментами.

Ваш опыт и вопросы помогут нам сделать следующую статью максимально полезной.