Sistemas eletrificados: uma abordagem orientada por simulação para eficiência e inovação
A eletrificação é um pilar fundamental na transição energética para uma economia de baixo carbono, sendo crucial para mitigar as mudanças climáticas ao reduzir drasticamente as emissões de gases de efeito estufa provenientes da queima de combustíveis fósseis. Essa transformação é impulsionada por fortes motivações ambientais e pela busca por maior eficiência energética e segurança operacional.
Figura 1 – Exemplos de eletrificação
Diversos setores industriais são profundamente impactados, incluindo o de transportes, com a ascensão dos veículos elétricos; o de edificações, através de sistemas de climatização e aquecimento elétricos; a manufatura, com a adoção de motores, fornos e processos produtivos eletrificados; e até mesmo a agricultura, que começa a incorporar maquinário e sistemas elétricos para otimizar suas operações e reduzir seu impacto ambiental.
Apesar dos inúmeros benefícios, o processo de eletrificação enfrenta dificuldades consideráveis, como o alto custo inicial de investimento em novas tecnologias e infraestrutura de recarga, a necessidade de modernização e expansão das redes elétricas para suportar o aumento da demanda, e os desafios relacionados ao desenvolvimento e à cadeia de suprimentos de baterias mais eficientes e acessíveis.
Eletrificação da Geração ao Consumo
O conceito de eletrificação, em sua forma mais simples, consiste na substituição do uso de fontes de energia convencionais à base de combustíveis fósseis por eletricidade, oriunda principalmente de fontes de energia renováveis, visando atingir métricas mínimas de sustentabilidade e emissão de carbono de acordo com as práticas de ESG (Ambiental, Social e Governança).
Por natureza, e de forma direta, têm-se em mente a substituição dos sistemas motrizes que se utilizam de combustão para o seu funcionamento por motores elétricos, abrangendo principalmente o setor de mobilidade elétrica (carros, motos, ônibus) e industrial (sobretudo no que tange processos de aquecimento elétrico em tratamentos de metais e minérios, ventilação, motorização de processos). Logo, o foco acaba sendo o desenvolvimento de motores elétricos de maior rendimento, alta performance e alta densidade de potência.
Contudo, tendo como princípio a redução da emissão de gases de efeito estufa e refletindo isso na cadeia energética produtiva, a eletrificação tem seus impactos também na forma como a energia é gerada por meio das fontes renováveis (como solar, eólica, hídrica e geotérmica em substituição de fontes não renováveis, como carvão mineral, gás natural e petróleo).
Considerando a eletrificação intensiva no consumo de energia, o aumento de harmônicos na rede em decorrência da utilização de inversores de frequência e também a descentralização da geração de energia, novos paradigmas em relação à transmissão e distribuição de energia também entram em questão, sobretudo em relação ao projeto de componentes como transformadores e cabos elétricos que têm de ser dimensionados com base em novos requisitos de segurança de operação.
Não obstante, a eletrificação não se restringe apenas à questão motriz, mas deve-se considerar também todo o ecossistema em que se insere em termos de: eletrônica de potência, fenômenos de compatibilidade eletromagnética, baterias e sistemas de recarga.
Vencendo Obstáculos com Simulação
Em todos os domínios em que a eletrificação se encontra presente de forma direta ou indireta, a simulação tem um papel fundamental no desenvolvimento e aprimoração dessas novas tecnologias considerando não apenas a física na qual ela se encontra inserida. Dentro os diversos benefícios atingíveis pela simulação, podemos citar:
- Redução de custos com protótipos e testes físicos;
- Redução no tempo total de desenvolvimento (time to market);
- Aumento da confiabilidade e segurança operacional;
- Melhoria de performance e rendimento;
- Otimização.
Os softwares da Ansys, líder global para soluções de simulação multifísica, oferecem soluções avançadas para as diversas físicas envolvidas no processo de eletrificação, em uma plataforma integrada que possibilita aos engenheiros e pesquisadores atingir os seus objetivos de projetos de forma precisa.
- Desenvolvimento de máquinas elétricas rotativas
Para o domínio das máquinas elétricas, um dos principais agentes do processo de eletrificação como um todo, a Ansys possui um fluxograma de desenvolvimento de geradores e motores bem estruturado, conforme ilustrado na Figura 2.
Figura 2 – Fluxograma para desenvolvimento e estudo de máquinas elétricas rotativas com Ansys
Partindo de análises mais simples e rápidas com o Ansys Motor-CAD®, por meio de modelos numérico-analíticos que possibilitam estudar todo o comportamento da máquina de um ponto de vista elétrico, térmico e mecânico para as mais variadas topologias de máquinas.
Posteriormente, com o Ansys Maxwell® é possível realizar estudos mais complexos no âmbito eletromagnético pelo método dos elementos finitos, permitindo um maior refino dos valores levantados na etapa inicial de projeto, bem como aumento da complexibilidade dos fenômenos analisados, tal como perdas induzidas no núcleo e ímãs permanentes, desmagnetização, eficiência e densidade de potência.
Finalizados os quesitos eletromagnéticos, parte-se para análises de cunho estrutural, através do Ansys Mechanical™, e também do Ansys Fluent®, de forma que seja possível uma análise multifísica do problema. Do ponto de vista estrutural, problemas como ruídos e vibrações são avaliados intensivamente.
De um ponto de vista de controle térmico, o estudo de diferentes topologias de sistemas de refrigeração e sua eficiência no que tange o aumento de temperatura no motor é de extrema importância, visto que os parâmetros eletromagnéticos como eficiência e potência estão intrinsecamente ligado com essa área de estudo.
De um ponto de vista sistêmico, motores e geradores são controlados via eletrônica de potência para seu acionamento, visando atingir o máximo de precisão. Os impactos desse sistema de controle podem ser estudados por meio de simulações sistêmicas, de modo que a simulação retrata o mais fidedignamente possíveis ensaios reais. Os software Ansys Twin Builder® e Ansys Scade® permitem, respectivamente, a construção de análises sistêmicas em ambientes de configuração circuital, bem como a validação e autenticação dos códigos de controle a serem implantados nas PCBs.
Vale destacar que o fluxograma apresentado tem como foco o estudo de máquinas elétricas, mas possibilita o estudo de diversos outros componentes eletromecânicos, como sensores e atuadores.
- Eletrônica de Potência e Compatibilidade Eletromagnética
Grande parte dos sistemas eletrificados possui uma eletrônica embarcada de potência dedicada ao seu controle e acionamento dos sistemas motrizes, mas também para outros acionamentos. No mercado de mobilidade elétrica, além da eletrônica de potência dedicada à tração veicular, temos toda a eletrônica embarcada dedicada a automação veicular e integração de diversos subsistemas. Tal como para máquinas elétricas, o fluxograma de simulação para análise de componentes eletrônicos é bem estabelecido, conforme ilustrado na Figura 3.
Figura 3 – Fluxograma para desenvolvimento e estudo de sistemas eletrônicos com Ansys
Dentre as principais problemáticas envolvidas no estudos de eletrônica de potência, além da sua operação de um ponto de vista qualitativo por meio de circuitos elétricos simplificados, partindo para análises eletromagnéticas mais detalhadas em termos de sub-componentes, como transformadores e busbars, por meio do Ansys Maxwell e Ansys Q3D Extractor®, que possibilitam a extração de componentes parasitas, dada a sua operação em altas frequências.
O estudo da evolução térmica desses componentes/pacotes também é de extrema importância, majoritariamente por conta da alta dissipação de potência (devido às altas frequências de chaveamento) e o seu condicionamento em lugares enclausurados ou com pouca ventilação. Para esse cenário, o Ansys Icepak® possibilita o estudo térmico de maneira integrada no Ansys Electronics Desktop™, com um solver feito especificamente para o estudo de PCBs, possibilitando atingir requerimentos de temperatura em operações extremas.
Não obstante, PCBs estão sujeitas à vibrações em decorrência de fenômenos internos (interação entre trilhas por forças de Lorentz) e externos, que podem comprometer a integridade física do sistema, reduzindo o seu tempo de vida útil por fadiga, estudo possibilitado por meio do Ansys Sherlock™. Além de vibrações, estudos de choques mecânicos, degradação de juntas, resistência à tração, torção e dobras são possibilitados por meio do Ansys Mechanical e Ansys LS-Dyna®.
Por fim, circuitos eletrônicos estão sujeitos à interferência eletromagnéticas, podendo comprometer o funcionamento do sistema como um todo. Em decorrência disto, processos de certificação e homologação em termos de compatibilidade eletromagnética são de extrema importância para garantir a confiabilidade operacional. Soluções como Ansys HFSS™ e Ansys SIwave™ possibilitam realizar análises de EMC/EMI visando uma maior assertividade nos processos de certificação, garantindo uma chegada mais rápida do produto no mercado e reduzindo os custos globais de desenvolvimento expressivamente.
Figura 4 – Simulação de câmara anecoica no Ansys HFSS para fins de estudos de EMI/EMC
Carregadores de veículos elétricos devem passar por todas essas etapas de desenvolvimento, sobretudo considerando os sistemas de gerenciamento de baterias.
- Baterias
As baterias são a fonte primária de energia de todo o sistema eletrificado, sendo um dos principais limitantes do avanço da eletrificação por conta da matéria prima limitada e baixa relação custo/peso. As ferramentas Ansys possibilitam o estudo de baterias partindo desde os conceitos mais básicos, em termos de circuitos equivalentes, até análises complexas em termos de evolução de temperatura, conforme ilustrado na Figura 5.
Figura 5 – Fluxograma para modelagem e estudo de baterias
No âmbito da simulação, garante-se a conformidade de operação conforme as normas estabelecidas, aumento da segurança operacional do sistema, redução de custos de desenvolvimento com prototipagem e otimização de desempenho. Para maiores detalhes sobre o projeto de baterias, leia o nosso blog: https://www.esss.com/blog/como-simulacao-esta-moldando-futuro-baterias/
Um passo necessário
Em resumo, o processo de eletrificação visto mundialmente é natural e inevitável para garantirmos a sustentabilidade do planeta e em uma economia de baixo carbono. Dentro das diversas temáticas e físicas que envolvem a eletrificação, a simulação se mostra de extrema importância para a redução nos custos e tempo de desenvolvimento, otimização de processos e desempenho global, garantia de segurança operacional e aumento do tempo de vida útil.
A Ansys/ESSS fornece uma vasta gama de softwares, em diferentes áreas da física e em uma plataforma integrada que permite o estudo de componentes e sistemas complexos de uma forma multifísica, permitindo aos engenheiros projetistas obter sistemas que operam de forma segura, eficiente e longeva, garantindo um diferencial de mercado competitivo.
Para saber como aplicar a simulação Ansys em seus projetos, entre em contato com um de nossos especialistas e receba suporte personalizado.
