Periodico bimestrale
Anno XVIII, numero 82
sett./ottobre
ISSN 1128-3874
MULTIFISICA

Dai fogli di calcolo alle app multifisiche, un nuovo impulso all’industria dei trasformatori

Lexi Carver

Le aziende che lavorano allo sviluppo di nuovi trasformatori di potenza e al miglioramento delle loro prestazioni si trovano a sostenere costi di prototipazione e testing nel tentativo di ridurre il ronzio di questi impianti. In ABB, un team di ingegneri sviluppa simulazioni multifisiche e app personalizzate per analizzare in modo approfondito i propri progetti.

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Figura 1 - Un impianto di trasformazione per linee ad alta tensione.

Per qualsiasi attività, dal cucinare al ricaricare i cellulari, ogni giorno ci affidiamo alla rete elettrica che fornisce energia ad abitazioni, uffici, scuole e altri edifici. Questo complesso sistema comprende stazioni che generano energia elettrica, linee di trasmissione ad alta tensione che trasportano elettricità su lunghe distanze, linee di distribuzione che portano energia a case private e quartieri, e l’hardware utilizzato per controllare e proteggere il flusso di potenza.  
Tra questi impianti sono inclusi i trasformatori, che servono ad aumentare o diminuire la tensione nelle linee di potenza che trasportano corrente alternata (Figura 1).

La trasmissione di potenza ad alta tensione comporta perdite inferiori ed è quindi preferibile per il trasporto di energia sulle lunghe distanze. Livelli di tensione tanto elevati possono tuttavia comportare dei rischi, in termini di sicurezza, alle estremità delle linee. Per questo motivo vengono usati i trasformatori, che servono ad aumentare la tensione nel punto di immissione dell’energia elettrica e a diminuirla in prossimità di quartieri ed edifici. D’altro canto, i trasformatori sono causa di rumore, che spesso si manifesta sotto forma di tenue brusio o di ronzio, udibile quando si passa nelle vicinanze. Per quanto sia impossibile silenziarli completamente, vi sono norme che impongono di mantenere i livelli acustici entro limiti di sicurezza. Inoltre, una buona progettazione del prodotto può aiutare a ridurre al minimo questi effetti.
Uno dei maggiori produttori di trasformatori in tutto il mondo, ABB (che ha la sua sede principale a Zurigo, in Svizzera), ha usato le analisi numeriche e le app computazionali per prevedere e ridurre al minimo il livello di rumore nei propri trasformatori. Grazie al software di simulazione COMSOL Multiphysics® e all’Application Builder, in ABB sono state eseguite verifiche virtuali sui progetti e testate diverse configurazioni. I risultati delle simulazioni sono stati poi condivisi tramite interfacce utente personalizzate costruite sulla base dei modelli realizzati.


SILENZIARE UN SUONO PROdotto DA DIVERSE SORGENTI

Il rumore prodotto da un trasformatore spesso ha origine da diverse sorgenti, per esempio dalle vibrazioni nel nucleo del trasformatore stesso o dalle pompe e dai ventilatori ausiliari usati nel sistema di raffreddamento. Ciascuna di queste sorgenti deve essere gestita in modo diverso per ridurre il rumore. I trasformatori di ABB sono costituiti da un nucleo con bobine di fili avvolti attorno a nuclei di sezioni diverse, un contenitore o serbatoio per proteggere questi componenti e un olio isolante all’interno del serbatoio (Figura 2 in alto).

 

 

 

Figura 2 - In alto a sinistra: modello CAD della parte attiva di un trasformatore trifase con avvolgimenti attorno al nucleo. In alto a destra: la parte attiva di un trasformatore, che è posizionata in un serbatoio pieno di olio. In basso: la catena di conversione dell’energia che porta alla generazione di core noise e load noise (magnetostrizione nel nucleo e forze di Lorenz negli avvolgimenti).

Il passaggio di corrente alternata attraverso gli avvolgimenti di una bobina crea un flusso magnetico che induce corrente in una bobina adiacente. La regolazione della tensione si ottiene variando il numero di avvolgimenti attorno alla bobina.
Poiché il nucleo è in acciaio, un materiale magnetostrittivo, questi flussi magnetici — che alternano la direzione — sono causa di deformazioni meccaniche e, quindi, di vibrazioni, dovute alla rapida espansione e contrazione del metallo. Queste si propagano fino alle pareti del serbatoio attraverso l’olio e i punti di fissaggio che mantengono il nucleo interno nella sua posizione, creando un ronzio udibile noto come core noise (Figura 2, in basso).
Oltre al core noise, la corrente alternata nella bobina produce forze di Lorentz nei singoli avvolgimenti, causando vibrazioni definite load noise che si aggiungono all’energia meccanica trasferita al serbatoio.
Con queste molteplici sorgenti di rumore e i fattori interconnessi in gioco, di natura elettromagnetica, acustica e meccanica, i tecnici dell’ABB Corporate Research Center (ABB CRC) di Västerås, Svezia, hanno dovuto comprendere il funzionamento interno dei propri trasformatori per ottimizzarne il progetto e ridurne al minimo il ronzio.

CARATTERIZZARE contemporaneamente effetti acustici, meccanici ed elettromagnetici

“Abbiamo scelto di lavorare con COMSOL Multiphysics© perché ci permette di accoppiare facilmente più fisiche diverse” ha spiegato Mustafa Kavasoglu, ricercatore in ABB CRC. “Poiché questo progetto richiedeva di modellare fenomeni elettromagnetici, acustici e meccanici, il software COMSOL® ci è sembrata la migliore soluzione disponibile per risolvere queste tre fisiche in un unico ambiente”. Kavasoglu, il Dr. Anders Daneryd, principal scientist e il Dr. Romain Haettel, principal engineer, formano il team di ABB CRC che si occupa dell’acustica dei trasformatori. Il loro obiettivo era quello di realizzare una serie di simulazioni e di app computazionali per calcolare il flusso magnetico generato nel nucleo del trasformatore e negli avvolgimenti (Figura 3, sinistra), le forze di Lorenz negli avvolgimenti (Figura 3, destra), gli spostamenti meccanici causati dalle deformazioni magnetostrittive e i livelli di pressione delle onde acustiche generate che si propagano attraverso il serbatoio. Il gruppo lavora in stretta collaborazione con la Business Unit di ABB Transformers e spesso si affida all’esperienza e alle competenze del Dr. Christoph Ploetner, professionista riconosciuto nel settore dei trasformatori di potenza, per assicurarsi di soddisfare i bisogni e le esigenze di ambito commerciale.

 

Figura 3 - I risultati della simulazione mostrano la densità del flusso magnetico (sinistra) e le forze di Lorentz (destra) negli avvolgimenti della bobina del trasformatore.

 

 

Figura 4 - Sinistra: Risultati ottenuti con il software COMSOL®, che rappresentano i livelli del flusso magnetico nell’acciaio. Destra: risultati che mostrano la risonanza del nucleo. Le deformazioni sono amplificate per migliorare la visibilità.

Una simulazione modella il rumore prodotto dal nucleo a causa della magnetostrizione. Il team ha iniziato con un modello elettromagnetico per prevedere i campi magnetici indotti dalla corrente alternata e, successivamente, le deformazioni magnetostrittive nell’acciaio.
La geometria da loro impostata includeva il nucleo in acciaio, gli avvolgimenti e un dominio esterno che rappresentava il serbatoio. “Dalle deformazioni magnetostrittive abbiamo ricavato lo spostamento, poi abbiamo calcolato la risonanza per diverse frequenze usando un’analisi modale”, ha raccontato Kavasoglu (Figura 4). “Le risonanze sono facilmente eccitate dalle deformazioni magnetostrittive e causano una elevata amplificazione della vibrazione.”    
Il team è stato poi in grado di prevedere il movimento delle onde acustiche nell’olio e di calcolare le vibrazioni risultanti del serbatoio, che comportano una radiazione del suono nell’ambiente circostante (Figura 5).

 

 

Figura 5 - Risultati dell’analisi acustica, che mostrano il campo di pressione acustica intorno al nucleo (sinistra) e al trasformatore (destra).


Sono stati simulati anche gli spostamenti degli avvolgimenti della bobina che causano il load noise ed è stata determinata la pressione superficiale sulle pareti del serbatoio, causata dal campo acustico risultante (Figura 6).

 

Figura 6 - Sinistra: Risultati della simulazione che mostrano lo spostamento degli avvolgimenti. Le deformazioni sono amplificate per migliorare la visibilità. Destra: Risultati che mostrano i livelli di pressione acustica fuori dal serbatoio e lo spostamento delle pareti.

L’aggiunta di studi parametrici che dimostravano la complessa relazione tra i parametri di progetto (come lo spessore e le proprietà dei materiali del serbatoio) e il ronzio risultante ha permesso di regolare la geometria e il setup del nucleo, degli avvolgimenti e del serbatoio per ridurre al minimo il rumore.

Condividere i benefici della simulazione in abb

Il team di CRC continua a utilizzare il software COMSOL, non solo per eseguire analisi più approfondite e migliorare i propri modelli, ma anche per condividere le proprie conoscenze con gli altri progettisti di ABB e con la Business Unit. Usando l’Application Builder incluso in COMSOL Multiphysics©, il gruppo ha iniziato a realizzare, sulla base dei propri modelli multifisici, app che possono essere facilmente personalizzate per soddisfare le necessità di ciascun dipartimento. Queste app di simulazione semplificano i processi di test e verifica eseguiti da progettisti e tecnici dei dipartimenti R&D: “I progettisti usano strumenti basati su statistiche e modelli empirici. Noi colmiamo le lacune consentendo loro di usare app di simulazione. L’Application Builder ci ha permesso di rendere accessibili le analisi agli elementi finiti tramite un’interfaccia utente, senza che debbano imparare la teoria degli elementi finiti”, spiega Haettel.

Figura 7 - Screenshot della prima app di simulazione creata per calcolare le frequenze proprie del nucleo del trasformatore. A sinistra, una sezione della app mostra i parametri di input del modello; a destra sono mostrati i risultati ottenuti dal calcolo delle frequenze proprie. Le deformazioni sono amplificate per migliorare la visibilità.

Una app (Figura 7) calcola le frequenze proprie specifiche del nucleo del trasformatore che, quando ricadono nel campo delle frequenze udibili, possono generare rumore e comportare problemi.
Questa app include sia il modello fisico sviluppato con il software COMSOL® sia metodi personalizzati scritti in codice Java®, programmati all’interno dell’Application Builder. “I nostri progettisti usano normali fogli di calcolo, che funzionano bene con i trasformatori che costruiscono abitualmente. Quando però vengono introdotti nuovi progetti o le dimensioni vengono modificate, con questo approccio si possono incontrare difficoltà, come error output che mostrano dati meno accurati per i livelli di rumore. Ciò può rivelarsi abbastanza dispendioso, se si rendono necessarie misure aggiuntive sul trasformatore finito per ridurre il rumore”, continua Haettel. “Oltre all’aspetto economico, c’è anche quello legato al tempo. La nuova app renderà più semplice ed efficiente il lavoro dei progettisti, dal momento che potranno sfruttare la precisione di un codice FEA”.
L’uso di una app personalizzata migliora il flusso di lavoro, perché permette agli utenti di verificare come la combinazione di determinate geometrie, proprietà dei materiali e altri parametri di progetto influenzi il brusio del trasformatore risultante. “Siamo stati attenti nel selezionare i parametri cui consentire l’accesso, concentrandoci su quelli più importanti,” aggiunge Kavasoglu.
“Considerando l’ampia gamma di applicazioni industriali per le quali ABB progetta trasformatori, questa flessibilità è molto utile per il processo di progettazione e di testing virtuale. Al momento ci stiamo concentrando su grandi trasformatori di potenza in AC comunemente usati dalle aziende che lavorano in ambito energetico e che trasmettono e distribuiscono elettricità nelle città”.
“Ma il lavoro che stiamo facendo può essere applicato a qualsiasi tipo di trasformatore e, se riceviamo una richiesta specifica, possiamo naturalmente adattare la app a quella determinata necessità. Questo ci permette di dedicarci agevolmente a un ulteriore lavoro di sviluppo. L’Application Builder ha reso molto più semplice il trasferimento di conoscenze e di tecnologie.
“Per distribuire la nostra app ad altre risorse che si occupano di testing abbiamo usato anche la licenza di COMSOL Server™, che rende più semplice la condivisione. Questa licenza worldwide è assai efficace; con una organizzazione mondiale come la nostra, ci aspettiamo che gli utenti delle nostre altre sedi nel mondo possano trarre vantaggio da queste app”. Con una installazione locale di COMSOL Server, gli esperti di simulazione possono gestire e distribuire le proprie app, rendendole accessibili con un client o un web browser.
Il team si sta ora concentrando su una seconda app, che calcolerà il load noise. Una volta fornita alla Business Unit, questa app ridurrà ulteriormente il carico di calcoli onerosi, permettendo a progettisti e tecnici commerciali di eseguire più test virtuali senza la necessità di lavorare su un modello dettagliato.

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