Sistemas electrificados: Un enfoque impulsado por la simulación hacia la eficiencia y la innovación
La electrificación es un pilar fundamental en la transición energética hacia una economía verde, siendo crucial para mitigar el cambio climático al reducir drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero provenientes de la quema de combustibles fósiles. Esta transformación es impulsada por fuertes motivaciones ambientales y por la búsqueda de una mayor eficiencia energética y seguridad operativa.
Figura 1 – Ejemplos de electrificación
Diversos sectores industriales se ven profundamente impactados, incluyendo el de transportes, con el ascenso de los vehículos eléctricos; el de edificaciones, a través de sistemas de climatización y calefacción eléctricos; la manufactura, con la adopción de motores, hornos y procesos productivos electrificados; e incluso la agricultura, que comienza a incorporar maquinaria y sistemas eléctricos para optimizar sus operaciones y reducir su impacto ambiental.
A pesar de los innumerables beneficios, el proceso de electrificación enfrenta dificultades considerables, como el alto coste inicial de inversión en nuevas tecnologías e infraestructura de recarga, la necesidad de modernización y expansión de las redes eléctricas para soportar el aumento de la demanda, y los desafíos relacionados con el desarrollo y la cadena de suministro de baterías más eficientes y accesibles.
Electrificación desde la Generación hasta el Consumo
El concepto de electrificación, en su forma más simple, consiste en la sustitución del uso de fuentes de energía convencionales a base de combustibles fósiles por electricidad, proveniente principalmente de fuentes de energía renovables, con el objetivo de alcanzar métricas mínimas de sostenibilidad y emisión de carbono de acuerdo con las prácticas de ESG (Ambiental, Social y Gobernanza).
Por naturaleza, y de forma directa, se tiene en mente la sustitución de los sistemas motrices que utilizan la combustión para su funcionamiento por motores eléctricos, abarcando principalmente el sector de la movilidad eléctrica (coches, motos, autobuses) e industrial (sobre todo en lo que respecta a procesos de calentamiento eléctrico en tratamientos de metales y minerales, ventilación, motorización de procesos). Por lo tanto, el foco termina siendo el desarrollo de motores eléctricos de mayor rendimiento, alta eficiencia y gran densidad de potencia.
Sin embargo, teniendo como principio la reducción de la emisión de gases de efecto invernadero y reflejando esto en la cadena energética productiva, la electrificación tiene sus impactos también en la forma en que la energía es generada por medio de las fuentes renovables (como solar, eólica, hídrica y geotérmica en sustitución de fuentes no renovables, como carbón mineral, gas natural y petróleo).
Considerando la electrificación intensiva en el consumo de energía, el aumento de armónicos en la red debido a la utilización de inversores de frecuencia y también la descentralización de la generación de energía, nuevos paradigmas en relación con la transmisión y distribución de energía también entran en cuestión, sobre todo en relación con el diseño de componentes como transformadores y cables eléctricos que deben ser dimensionados con base en nuevos requisitos de seguridad de operación.
No obstante, la electrificación no se restringe solo a la cuestión motriz, sino que también debe considerarse todo el ecosistema en el que se inserta en términos de: electrónica de potencia, fenómenos de compatibilidad electromagnética, baterías y sistemas de recarga.
Superando Obstáculos con Simulación
En todos los dominios en los que la electrificación se encuentra presente de forma directa o indirecta, la simulación tiene un papel fundamental en el desarrollo y mejora de estas nuevas tecnologías, considerando no solo la física en la que se encuentra. Entre los diversos beneficios alcanzables por la simulación, podemos citar:
- Reducción de costes con prototipos y pruebas físicas;
- Reducción en el tiempo total de desarrollo (time to market);
- Aumento de la fiabilidad y seguridad operativa;
- Mejora de rendimiento;
- Optimización.
Los softwares de Ansys, líder global en soluciones de simulación multifísica, ofrecen soluciones avanzadas para las diversas físicas involucradas en el proceso de electrificación, en una plataforma integrada que habilita a los ingenieros e investigadores alcanzar sus objetivos de forma precisa.
- Desarrollo de máquinas eléctricas rotativas
Para el dominio de las máquinas eléctricas, uno de los principales agentes del proceso de electrificación en su conjunto, Ansys posee un diagrama de flujo de desarrollo de generadores y motores bien estructurado, como se ilustra en la Figura 2.
Figura 2 – Diagrama de flujo para el desarrollo y estudio de máquinas eléctricas rotativas con Ansys
Partiendo de análisis más simples y rápidos con Ansys Motor-CAD®, mediante modelos numérico-analíticos que posibilitan estudiar todo el comportamiento de la máquina desde un punto de vista eléctrico, térmico y mecánico para las más variadas topologías de máquinas.
Posteriormente, con Ansys Maxwell® es posible realizar estudios más complejos en el ámbito electromagnético por el método de los elementos finitos, permitiendo un mayor refinamiento de los valores obtenidos en la etapa inicial de diseño, así como un aumento de la complejidad de los fenómenos analizados, tales como pérdidas inducidas en el núcleo e imanes permanentes, desmagnetización, eficiencia y densidad de potencia.
Finalizados los requisitos electromagnéticos, se pasa a un análisis de tipo estructural, a través de Ansys Mechanical™, y también de Ansys Fluent®, de manera que sea posible un análisis multifísico del problema. Desde el punto de vista estructural, problemas como ruidos y vibraciones son evaluados exhaustivamente.
Desde un punto de vista de control térmico, el estudio de diferentes topologías de sistemas de refrigeración y su eficiencia en cuanto al aumento de temperatura en el motor es de extrema importancia, dado que los parámetros electromagnéticos como eficiencia y potencia están intrínsecamente ligados a esta área de estudio.
Desde un punto de vista de sistema, los motores y los generadores se controlan vía electrónica de potencia para su accionamiento, buscando alcanzar el máximo de precisión. Los impactos de este sistema de control pueden ser estudiados por medio de simulaciones sistémicas, de modo que la simulación retrata lo más fielmente posible los ensayos reales. Los softwares Ansys Twin Builder® y Ansys Scade® permiten, respectivamente, la construcción de análisis sistémicos en ambientes de configuración circuital, así como la validación y autenticación de los códigos de control a ser implementados en las PCBs.
Cabe destacar que el diagrama de flujo presentado se enfoca en el estudio de máquinas eléctricas, pero posibilita el estudio de diversos otros componentes electromecánicos, como sensores y actuadores.
- Electrónica de Potencia y Compatibilidad Electromagnética
Gran parte de los sistemas electrificados posee una electrónica de potencia embarcada dedicada a su control y accionamiento de los sistemas motrices, pero también para otros accionamientos. En el mercado de movilidad eléctrica, además de la electrónica de potencia dedicada a la tracción vehicular, tenemos toda la electrónica embarcada dedicada a la automatización e integración de diversos subsistemas. Al igual que para máquinas eléctricas, el diagrama de flujo de simulación para análisis de componentes electrónicos está bien establecido, como se ilustra en la Figura 3.
Figura 3 – Diagrama de flujo para el desarrollo y estudio de sistemas electrónicos con Ansys
Entre las principales problemáticas involucradas en el estudio de electrónica de potencia, además de su operación desde un punto de vista cualitativo por medio de circuitos eléctricos simplificados, se pasa a análisis electromagnéticos más detallados en términos de componentes, como transformadores y barras colectoras (busbars), por medio de Ansys Maxwell y Ansys Q3D Extractor®, que posibilitan la extracción de componentes parásitos, dada su operación en altas frecuencias.
El estudio de la evolución térmica de estos componentes/paquetes también es de extrema importancia, mayormente por la alta disipación de potencia (debido a las altas frecuencias de conmutación) y su condicionamiento en lugares cerrados o con poca ventilación. Para este escenario, Ansys Icepak® posibilita el estudio térmico de manera integrada en Ansys Electronics Desktop™, con un solver hecho específicamente para el estudio de PCBs, posibilitando alcanzar requisitos de temperatura en operaciones extremas.
No obstante, las PCBs están sujetas a vibraciones debido a fenómenos internos (interacción entre pistas por fuerzas de Lorentz) y externos, que pueden comprometer la integridad física del sistema, reduciendo su tiempo de vida útil por fatiga, estudio posibilitado por medio de Ansys Sherlock™. Además de vibraciones, estudios de choques mecánicos, degradación de juntas, resistencia a la tracción, torsión y flexión son posibles a través de Ansys Mechanical y Ansys LS-Dyna®.
Finalmente, los circuitos electrónicos están sujetos a interferencias electromagnéticas, pudiendo comprometer el funcionamiento del sistema en su conjunto. Debido a esto, los procesos de certificación y homologación en términos de compatibilidad electromagnética son de extrema importancia para garantizar la fiabilidad operativa. Soluciones como Ansys HFSS™ y Ansys SIwave™ permiten realizar análisis de EMC/EMI buscando una mayor seguridad en los procesos de certificación, garantizando una llegada más rápida del producto al mercado y reduciendo los costes globales de desarrollo.
Figura 4 – Simulación en cámara anecoica en Ansys HFSS para simulaciones de EMI/EMC
Los cargadores de vehículos eléctricos deben pasar por todas estas etapas de desarrollo, sobre todo considerando los sistemas de gestión de baterías.
- Baterías
Las baterías son la fuente primaria de energía de todo el sistema electrificado, siendo uno de los principales limitantes del avance de la electrificación debido a la materia prima limitada y la baja relación coste/peso. Las herramientas Ansys habilitan el estudio de baterías partiendo desde los conceptos más básicos, en términos de circuitos equivalentes, hasta análisis complejos en términos de evolución de temperatura, como se ilustra en la Figura 5.
Figura 5 – Diagrama de flujo para el modelado y estudio de baterías
En el ámbito de la simulación, se garantiza la conformidad de operación según las normas establecidas, el aumento de la seguridad operativa del sistema, la reducción de costes de desarrollo con prototipado y la optimización de rendimiento. Para más detalles sobre el diseño de baterías, lea nuestro blog:
Un paso necesario
En resumen, el proceso de electrificación visto mundialmente es natural e inevitable para garantizar la sostenibilidad del planeta y una economía de bajo carbono. Dentro de las diversas temáticas y físicas que involucran la electrificación, la simulación se muestra de extrema importancia para la reducción de costos y tiempo de desarrollo, optimización de procesos y rendimiento global, garantía de seguridad operativa y aumento del tiempo de vida útil.
Ansys/ESSS proporciona una vasta gama de softwares, en diferentes áreas de la física y en una plataforma integrada que permite el estudio de componentes y sistemas complejos de una forma multifísica, permitiendo a los ingenieros proyectistas obtener sistemas que operan de forma segura, eficiente y longeva, garantizando un diferencial de mercado competitivo.
Para saber cómo aplicar la simulación Ansys en sus proyectos, póngase en contacto con uno de nuestros especialistas y reciba soporte personalizado.
