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Sep 15, 2023

La simulación multifísica impulsa la tecnología de ciudades inteligentes

Cajas de potencia contemporáneas (o pilares de alimentación, como se les conoce fuera del

Las cajas de energía contemporáneas (o pilares de alimentación, como se les conoce fuera de los EE. UU.) se montan en la calle y controlan el suministro eléctrico a las viviendas dentro de un vecindario. A medida que los residentes priorizan cada vez más la estética y continúan otorgando un alto valor a la vida urbana, existe la necesidad de cajas de energía menos llamativas.

Pero resulta que hay una razón válida detrás del tamaño voluminoso de las cajas de alimentación. El tamaño del diseño tradicional contiene el hardware necesario para reducir la alta potencia de la línea eléctrica de larga distancia a una potencia adecuada para la distribución a hogares y empresas. El valioso objetivo de reducir el tamaño de las cajas de energía viene con el desafío adicional de enrutar la energía con un área considerablemente menor mientras se consideran la resistencia y las fuerzas de Lorentz, una tarea no insignificante.

Ishant Jain, investigador principal de I+D en Raychem RPG, aplicó sus años de experiencia en simulación al desafío de crear una caja de energía inteligente lista para la ciudad y consciente del espacio. Él, junto con su equipo en Raychem, recurrió a la simulación multifísica para abordar los desafíos de ingeniería que acompañaron la creación de este nuevo diseño radical.

Gracias a este artículo, recuerdas esa caja de metal molesta cerca de tu acera. Pero, ¿cómo funciona exactamente una caja de alimentación?

El recinto de una caja de alimentación proporciona protección a un sistema de distribución eléctrica. Su finalidad es distribuir la corriente de una línea de alimentación de baja tensión, apta para el transporte eléctrico en distancias cortas, al interior de viviendas y comercios. Las cajas de energía se utilizan tanto para reducir las pérdidas físicas de electricidad como para distribuir y contabilizar con mayor precisión el uso de esa electricidad.

"Es muy beneficioso que las cajas eléctricas ocupen menos espacio", dijo Jain. “Podríamos crear una unidad modular con todas las capacidades del modelo original adaptadas a las necesidades de las ciudades del siglo XXI”.

Jain y su equipo notaron rápidamente muchos aspectos del diseño de una caja de energía clásica que debían mejorarse. Estas actualizaciones incluyeron una reducción del costo y de las pérdidas eléctricas debido a conexiones deficientes, así como mejoras en seguridad, tamaño, facilidad de instalación, facilidad de servicio y estética.

Jain y su equipo también estaban motivados para crear una caja de energía futurista que sería fácilmente adoptada por las ciudades inteligentes. Esta nueva caja de energía incluiría funciones inteligentes para permitir el monitoreo en línea del uso de energía, así como para monitorear la salud del sistema y los fusibles individuales.

Los desafíos inmediatos en la adaptación de la geometría de un sistema de distribución eléctrica a un recinto radicalmente pequeño es la necesidad de mitigar las fuerzas electromagnéticas que compiten que surgen del cambio en el diseño.

Debido a la naturaleza dinámica de la física y la complejidad de la geometría, los ingenieros vieron de inmediato la necesidad de una simulación multifísica para garantizar la estabilidad del diseño.

Para lograr una reducción tan pronunciada en el tamaño de la caja de alimentación, los ingenieros necesitaban crear un sistema de barras colectoras que distribuyera la misma cantidad de energía pero que se ajustara a una geometría más pequeña (Figura 1).

Jain y su equipo crearon una simulación 2D para asegurarse de que su diseño fuera adecuado para reducir el impacto acumulativo de las fuerzas electromagnéticas. La alineación de 120° de los paneles sirve para equilibrar las fuerzas que actúan sobre las barras colectoras.

"La simulación nos dio la confianza de que el diseño funcionaría", explicó Jain, "podíamos decir que las fuerzas electromotrices se equilibrarían con la alineación de 120°".

Otra consideración importante es la solidez estructural general de la caja de alimentación. Para ello, Jain y su equipo desarrollaron una simulación estructural de la caja de energía que les permitiría evaluar su durabilidad. A partir de un estudio dependiente del tiempo de vientos de hasta 103 m/s que soplan contra la estructura, se determinó que la caja eléctrica estaba estructuralmente en buenas condiciones (Figura 2). Los ingenieros también aumentaron lentamente la carga límite hasta que la tensión inducida alcanzó un valor crítico y determinaron que el diseño es seguro hasta una velocidad del viento de 570 m/s.

Se realizó un análisis de transferencia de calor transitorio del conjunto completo del panel para garantizar la integridad térmica del sistema en funcionamiento. La simulación validada permitió al equipo calcular el aumento de temperatura para condiciones que no pudieron evaluarse experimentalmente. Los conectores optimizados térmicamente hacen que el diseño final sea más seguro y eficiente que sus predecesores (Figura 3). El diseño resultante también es modular y escalable.

Jain y su equipo pudieron crear un diseño que es mucho más pequeño pero que aún puede disipar el mismo nivel de energía y corriente que las cajas de energía tradicionales. El diseño final de la caja de alimentación ocupa la menor cantidad de espacio de todas las cajas de alimentación del mercado y es térmicamente sólido y eficiente.

"Usando la simulación multifísica, pudimos garantizar la integridad del diseño contemporáneo final", agregó Jain, "Creemos que el beneficio y el impacto serán de gran alcance a medida que se adopte en todo el mundo".

El diseño final (Figura 4) incluye funciones inteligentes, como un sistema de seguridad y antirrobo, así como la capacidad de monitorear de forma remota la energía, el estado de los fusibles y el perfil térmico. Incluye carcasas de fusibles que están aisladas y son seguras para trabajar mientras el sistema está funcionando, así como conectores con pérdidas resistivas más bajas.

Baste decir que, al desarrollar una caja de alimentación que es una fracción del tamaño del estándar de la industria, con su sistema de barras colectoras eficiente y reinventado, Jain y su equipo lograron reinventar la caja de alimentación, usando simulación multifísica en cada paso.

Este artículo fue proporcionado por COMSOL, Inc. (Burlington, MA). Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de junio de 2023 de la revista Tech Briefs.

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