Proyecto de Transformadores con Simulación Numérica


El proyecto de transformadores, de una forma general, se basa en ecuaciones analíticas que ofrecen una respuesta rápida con razonable exactitud de resultados y bajo esfuerzo computacional. Estos puntos terminan por ser de extrema importancia en una etapa de ingeniería, donde el tiempo de desarrollo debe ser bajo y, normalmente, no existen recursos computacionales considerables.

Con todo, la búsqueda por dispositivos cada vez más optimizados sugiere la necesidad de herramientas más avanzadas, capaces de modelar fenómenos físicos más complejos en topologías geométricas más detalladas y con mayor nivel de exactitud, lo que no es posible obtener con modelos analíticos. En los últimos años, tal hecho hace que las empresas fabricantes de transformadores invistan en áreas P&D o de ingeniería avanzada, para trabajar con herramientas numéricas y prestar apoyo a los equipos de ingeniería.

El MEF (Métodos de Elementos Finitos), más específicamente en el área de electromagnetismo aplicado a la industria, es ampliamente aplicado. Desde hace algunos años, la herramienta de MEF 2-D proveían resultados considerados aceptables y aún son utilizadas como solución de bajo coste y de precisión razonable. Con todo, en los días actuales, las herramientas de MEF 3-D surgen con una solución capaz de modelar efectos importantes que no pueden ser modelados en 2-D por falta de condiciones de simetría, como por ejemplo:

– Pérdidas y temperatura en las partes estructurales internas y en el tanque. Consecuentemente, la optimización de posibles blindajes magnéticas/electromagnéticas (Figuras 1 y 2)

– Campo eléctrico en conexiones de alta tensión (Figura 3)

– Pérdidas en el núcleo considerando efectos tridimensionales como step-lap

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Figura 1 – Optimización de blindajes en el tanque

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Figura 2 –  Optimización del tanque del transformador se considerando la distribución de temperatura

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Figura 3 – Análisis de campo eléctrico en conexiones de transformadores

 Además de análisis 3-D, es importante, también, mencionar que los modelos numéricos para electromagnetismo siguen siempre en pleno desarrollo, pudiendo citarse los modelos de histéresis vectorial, que posibilitan un levantamiento de mapa más exacto del comportamiento del material magnético del núcleo, además de permitir un cálculo más exacto de las pérdidas de este tipo, principalmente de transformadores trifásicos, en los cuales hay un campo magnético rotacional en los cantos T.

Para tornar esas herramientas computacionales aún más aplicables a los cortos plazos de ingeniería, métodos de programación paralela son desarrollados, como por ejemplo, el TDM (Time Decomposition Method), en el cual grupos de intervalos de tiempo de simulaciones transientes magnéticas son resueltos en paralelo.

De una forma general, se percibe que las simulaciones electromagnéticas se tornan cada vez más una herramienta de grande importancia en el desarrollo de proyectos de transformadores, porque posibilitan obtener respuestas importantes que no son posibles de obtenerse con ecuaciones analíticas. En este mismo sentido, las investigaciones en métodos que optimicen el esfuerzo y tiempo computacionales auxilian en la expansión de estas herramientas como alternativas viables en la etapa de proyecto.

17-07-18-CTA-Transformadores_ES


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