ANSYS: Tecnologia inestimável no desenvolvimento de produtos de energia renovável da WEG


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Como a necessidade de eletricidade continua a crescer em todo o mundo, atender a essa demanda requer tecnologias de energia renovável.

É por isso que a WEG, empresa brasileira líder de longa data em design e produção de máquinas elétricas, adquiriu expertise para fornecer esses sistemas e componentes de energia renovável.

A WEG Energy aproveita as soluções da ANSYS durante todo o processo de desenvolvimento – e até mesmo durante a operação do produto – para desenvolver equipamentos confiáveis ​​de energia renovável.

De acordo com a Envision Intelligence, o mercado global de energia renovável alcançará mais de US$ 1062 bilhões até o final de 2024, com uma taxa de crescimento anual de 13% de 2018 a 2024.

Para diminuir as emissões de gases de efeito estufa e, ao mesmo tempo, atender à crescente demanda por eletricidade, muitos países estão investindo em tecnologias renováveis ​​para suas usinas. E é aí que a WEG dá as cartas.

Fundada em 1961 como uma pequena fábrica de motores elétricos, hoje a WEG é fabricante e fornecedora global de uma série de soluções energéticas. As tecnologias de energia renovável dentro da divisão de energia da WEG incluem turbinas eólicas, turbogeradores e hidrogeradores.

A produção destes produtos de alta qualidade segue um cronograma exigente e dentro dos limites orçamentários. Testar essas máquinas grandes e complexas em cada estágio do desenvolvimento seria muito custoso e demorado, por isso a equipe aplica a simulação de engenharia desde os estágios iniciais do processo de design e durante o desenvolvimento do produto.

Os engenheiros da WEG confiam nas soluções abrangentes da ANSYS para simulação estrutural, eletromagnética e térmica.

A maioria das soluções de energia renovável da WEG são projetos que devem ser personalizados de acordo com os requisitos e condições de operação de cada projeto. Este nível de personalização requer uma simulação de engenharia flexível, abrangente e precisa.

Para a nova plataforma de turbina eólica de acionamento direto de 4MW da WEG, os engenheiros usaram as soluções de simulação ANSYS Mechanical e ANSYS Maxwell desde o início do processo e, inclusive, durante o seu desenvolvimento.

Turbogeradores em turbinas a vapor que são usadas em usinas termelétricas têm alta densidade de potência. Isso gera excesso de calor que deve ser adequadamente resfriado. Os engenheiros da WEG usaram o software de simulação de dinâmica de fluidos computacional (CFD) ANSYS CFX para gerenciamento térmico, resultando em melhorias de eficiência.

Para a geração hidrelétrica, o projeto da turbina hidráulica combinou ANSYS BladeModeler, ANSYS TurboGrid, ANSYS CFX e ANSYS DesignXplorer. Desta forma, foi possível explorar os parâmetros de construção da turbina combinados com variáveis ​​do sistema para desenvolver equipamentos eficientes e robustos.

Duplicando a produção da turbina eólica

Com o aumento da concorrência no mercado de energia eólica, a WEG está desenvolvendo uma turbina eólica de acionamento direto que quase duplica a produção de sua plataforma atual de 2,1 MW para 4 MW.

Sendo desenvolvido em parceria com engenheiros da WEG nos EUA, esta nova turbina apresenta alta eficiência e baixa manutenção.

Utilizando o ANSYS Mechanical e o ANSYS DesignXplorer, os engenheiros da WEG simularam todos os aspectos estruturais, incluindo a avaliação de pontos críticos de soldagem com altas cargas e características do processo de fabricação, para produzir um componente resistente e confiável.

Desenvolvimento de gerador magnético permanente de turbina eólica usando ANSYS Maxwell.

Além do ANSYS Mechanical, os engenheiros da WEG usaram amplamente o ANSYS Maxwell para simular campos eletromagnéticos de baixa frequência para avaliar o torque, a tensão induzida, as perdas e a saturação do núcleo magnético.

Um dos principais critérios para o desenvolvimento de equipamentos elétricos, como turbinas eólicas, é minimizar as correntes harmônicas entre o gerador e o conversor de energia.

Para manter a baixa distorção harmônica total, os engenheiros usaram a simulação para analisar o posicionamento do magneto para determinar a tensão gerada e o espectro harmônico.

Desenvolvendo e Avaliando Geradores Elétricos

A WEG produz geradores elétricos há mais de 30 anos. Para cada novo produto, engenheiros avaliam cada característica inovadora por meio de simulação.

Por exemplo, um novo projeto geralmente requer análise térmica porque um aumento na produção de energia ou uma redução no tamanho da máquina impacta diretamente seja
no aquecimento térmico da máquina ou no equilíbrio de resfriamento.

Para ilustrar uma inovação, a WEG queria substituir a cobertura de aço de uma bobina de rotor com um material alternativo em uma nova linha de turbogeradores. A equipe de engenharia explorou a utilização de um material compósito pré-impregnado na forma de uma fita de bandas em vez de uma anel.

Eles usaram ANSYS Mechanical para avaliar os deslocamentos radiais da bandagem para duas condições impostas: a tensão nos componentes da bobina e a pressão de contato residual da banda.

O resultado foi um componente totalmente validado com uma massa de rotor mais baixa, proporcionando uma fabricação mais econômica. Novos materiais, como os compósitos neste caso, podem reduzir os custos de matéria-prima em até 77% e os custos de fabricação de rotores em 18 a 20%.

Além de melhorias estruturais nesses geradores, a WEG também queria para aumentar a eficiência do sistema de refrigeração do gerador através de distribuição de ar.

Os engenheiros da WEG usaram o ANSYS CFX para determinar o escoamento de ar através das bobinas do rotor e do estator para detectar quaisquer pontos quentes.

O resultado foi uma distribuição térmica mais uniforme, levando ao aumento desempenho da máquina. As perdas de ventilação foram reduzidas em 23% e o peso total foi reduzido em 14%.

Simulação de gerador de pólo cilíndrico usando ANSYS Maxwell mostrando linhas de indução e fluxo para um modelo assimétrico com operação de carga total.

Para análise eletromagnética durante o desenvolvimento, o ANSYS Maxwell fornece informações valiosas sobre a tensão gerada, bem como saturação e perdas do núcleo magnético.
Além disso, a versatilidade do ANSYS Maxwell ajudou os engenheiros da WEG a avaliar alternativas do projeto, prever desempenho e diagnosticar falhas potenciais em determinadas condições. Por exemplo, se uma máquina desligar devido a um curto-circuito na bobina do estator, ou se o estator exigir reparo ou bobinas específicas precisarem ser substituídas, a máquina pode ser desativada por algum tempo. Para continuar a operação, as bobinas do estator com falhas podem ser desconectadas para um reparo temporário.

No entanto, a distribuição de corrente não-simétrica resultante tende a causar superaquecimento. Usando o solucionador transitório ANSYS Maxwell, os engenheiros da WEG podem determinar o efeito do reparo temporário no desempenho da máquina, realizando uma análise eletromagnética detalhada para prever a distribuição de corrente, estimar o impacto harmônico e calcular outros fatores.

O fator de desclassificação indica o nível em que a potência de saída da máquina deve ser limitada com base na reparação temporária. Ferramentas ANSYS permitem que engenheiros da WEG visualizem fenômenos complexos e resolvam quaisquer problemas.

No geral, as soluções de simulação ANSYS provaram ser inestimáveis no desenvolvimento das soluções que ditam o futuro da WEG, permitindo que a equipe de engenharia valide e refina rapidamente seus projetos.

Acesse o artigo completo e confira todos os usos de ferramentas ANSYS aplicadas junto à WEG no desenvolvimento e otimização de seus produtos.

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