ANSYS: Tecnología inestimable en el desarrollo de los productos de energía renovable de WEG


WEG-digital-twin

En todo el mundo la necesidad por electricidad continúa creciendo y para atender dicha demanda se requiere de tecnologías de energía renovable.

Por este motivo, WEG, empresa brasileña líder de larga data en diseño y producción de máquinas eléctricas, ha adquirido experiencia en suministro de sistemas y componentes de energía renovable.

WEG Energy aprovecha las soluciones de ANSYS para desarrollar equipos, confiables, de energía renovable durante todo el proceso de desarrollo e incluso durante la operación del producto.

De acuerdo con Envision Intelligence, el mercado global de energía renovable alcanzará más de US$1062 millones hasta el final de 2024, con una tasa de crecimiento anual del 13% de 2018 a 2024.

Para disminuir las emisiones de gases del efecto invernadero y, al mismo tiempo, atender la creciente demanda de electricidad, muchos países están invirtiendo en tecnologías renovables para sus plantas. Y ahí es donde entra WEG.

Fundada en 1961 como una pequeña fábrica de motores eléctricos, WEG hoy, fabrica y provee, globalmente, una serie de soluciones energéticas. Las tecnologías de energía renovable dentro de la división de energía de WEG incluyen turbinas eólicas, turbogeneradores e hidrogenadores.

La producción de estos productos de alta calidad sigue un cronograma exigente y dentro de los límites presupuestarios. Debido a que la prueba de estas grandes y complejas máquinas, en cada etapa del desarrollo, sería muy costosa y demorada, el equipo aplica la simulación de ingeniería desde las etapas iniciales del proceso de diseño y también durante el desarrollo del producto.

Los ingenieros de WEG confían en las soluciones integrales de ANSYS para la simulación estructural, electromagnética y térmica.

La mayoría de las soluciones de energía renovable de WEG son proyectos que deben ser personalizados de acuerdo con los requisitos y condiciones de operación de cada proyecto. Este nivel de personalización requiere una simulación de ingeniería flexible, completa y precisa.

Para la nueva plataforma de turbina eólica de accionamiento directo de 4MW de WEG, los ingenieros utilizaron las soluciones de simulación ANSYS Mechanical y ANSYS Maxwell desde el inicio del proceso e incluso durante su desarrollo.

Turbogeneradores en turbinas de vapor que se utilizan en plantas termoeléctricas tienen alta densidad de potencia. Esto genera un exceso de calor que debe enfriarse adecuadamente. Los ingenieros de WEG utilizaron el software de simulación de dinámica de fluidos computacional (CFD) ANSYS CFX para gestión térmica, resultando en mejoras de eficiencia.

Para la generación hidroeléctrica, el proyecto de la turbina hidráulica combinó ANSYS BladeModeler, ANSYS TurboGrid, ANSYS CFX y ANSYS DesignXplorer. De esta forma, fue posible explorar los parámetros de construcción de la turbina combinados con variables del sistema para desarrollar equipos eficientes y robustos.

Duplicando la producción de la turbina eólica

Con el aumento de la competencia en el mercado de la energía eólica, WEG está desarrollando una turbina eólica de accionamiento directo que casi duplica la producción de su plataforma actual de 2,1 MW a 4 MW.

Esta nueva turbina que está siendo desarrollado en asociación con ingenieros de WEG, en los Estados Unidos, presenta alta eficiencia y bajo mantenimiento.

Utilizando ANSYS Mechanical y ANSYS DesignXplorer, los ingenieros de WEG simularon todos los aspectos estructurales, incluyendo la evaluación de puntos críticos de soldadura con altas cargas y características del proceso de fabricación, para producir un componente resistente y confiable.

Además de ANSYS Mechanical, los ingenieros de WEG utilizaron ampliamente el ANSYS Maxwell para simular campos electromagnéticos de baja frecuencia para evaluar el torque, la tensión inducida, las pérdidas y la saturación del núcleo magnético.

Desarrollo de generador magnético permanente de turbina eólica utilizando ANSYS Maxwell

Uno de los principales criterios para el desarrollo de equipos eléctricos, como turbinas eólicas, es minimizar las corrientes armónicas entre el generador y el convertidor de energía.

Para mantener la baja distorsión armónica total, los ingenieros usaron la simulación para analizar el posicionamiento del magneto para determinar la tensión generada y el espectro armónico.

Desarrollando y Evaluando Generadores Eléctricos

Desde hace más de 30 años WEG produce generadores eléctricos, y para cada nuevo producto, los ingenieros, por medio de la simulación, evalúan cada característica innovadora.

Un nuevo proyecto, por ejemplo, requiere generalmente de un análisis térmico, porque un aumento en la producción de energía o una reducción en el tamaño de la máquina impacta directamente en el calentamiento térmico de la máquina o en el equilibrio de enfriamiento.

Para ilustrar una innovación, WEG quería sustituir la cubierta de acero de una bobina de rotor con un material alternativo en una nueva línea de turbogeneradores. El equipo de ingeniería exploró el uso de un material compuesto pre-impregnado en forma de cinta de cinta en lugar de un anillo.

Utilizaron ANSYS Mechanical para evaluar los desplazamientos radiales del vendaje para dos condiciones impuestas: la tensión en los componentes de la bobina y la presión de contacto residual de la banda.

El resultado fue un componente totalmente validado con una masa de rotor más baja, proporcionando una fabricación más económica. Los nuevos materiales, como los compuestos en este caso, pueden reducir los costos de materia prima en hasta un 77% y los costos de fabricación de rotores entre un 18 a 20%.

Además de mejoras estructurales en estos generadores, a través de la distribución de aire, WEG también quería aumentar la eficiencia del sistema de refrigeración del generador.

Los ingenieros de WEG utilizaron el ANSYS CFX para determinar el flujo de aire a través de las bobinas del rotor y del estator para detectar cualquier punto caliente.

El resultado fue una distribución térmica más uniforme, aumentando el desempeño de la máquina. Las pérdidas de ventilación se redujeron en un 23% y el peso total se redujo en un 14%.

Simulación de generador de polos cilíndricos utilizando ANSYS Maxwell que muestra líneas de flujo e inducción para un modelo asimétrico con operación de carga completa.

Para el análisis electromagnético durante el desarrollo, el ANSYS Maxwell proporciona información valiosa sobre la tensión generada, así como la saturación y las pérdidas del núcleo magnético.

Además, la versatilidad de ANSYS Maxwell ayudó a los ingenieros de WEG a evaluar las alternativas del proyecto, predecir el rendimiento y diagnosticar las potenciales fallas en determinadas condiciones. Por ejemplo, si una máquina se apaga debido a un cortocircuito en la bobina del estator, o si el estator requiere reparación o si bobinas específicas necesitan ser reemplazadas, la máquina puede ser desactivada por algún tiempo. Para continuar la operación, las bobinas del estator con fallas pueden desconectarse para una reparación temporal.

Por otro lado, la distribución de corriente no simétrica resultante tiende a causar sobrecalentamiento. Utilizando el solucionador transitorio ANSYS Maxwell, los ingenieros de WEG pueden determinar el efecto de la reparación temporal en el rendimiento de la máquina, realizando un análisis electromagnético detallado para predecir la distribución de corriente, estimar el impacto armónico y calcular otros factores.

El factor de desclasificación indica el nivel en que la potencia de salida de la máquina debe limitarse en función de la reparación temporal. Herramientas ANSYS permiten a los ingenieros de WEG visualizar fenómenos complejos y resolver cualquier problema.

En general, las soluciones de simulación ANSYS probaron ser inestimables en el desarrollo de las soluciones que dictan el futuro de WEG, permitiendo que el equipo de ingeniería valide y defina rápidamente sus proyectos.

Acceda al artículo completo y vea todos los usos de las herramientas ANSYS aplicadas junto a WEG en el desarrollo y optimización de sus productos.


Añadir un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *