La simulation multiphysique propulse la technologie des villes intelligentes

Les boîtiers électriques contemporains (ou piliers d'alimentation, comme on les appelle en dehors des États-Unis) sont montés dans la rue et contrôlent l'alimentation électrique des habitations d'un quartier. Alors que les résidents donnent de plus en plus la priorité à l'esthétique et continuent d'accorder une grande valeur à la vie urbaine, il existe un besoin pour des boîtiers électriques moins visibles.

Mais il s'avère qu'il y a une raison valable derrière la taille volumineuse des boîtiers d'alimentation. La taille de la conception traditionnelle contient le matériel nécessaire pour réduire la puissance élevée de la ligne électrique longue distance à une puissance adaptée à la distribution aux foyers et aux entreprises. L'objectif louable de réduire la taille des boîtiers d'alimentation s'accompagne du défi supplémentaire d'acheminer la puissance avec beaucoup moins de surface tout en tenant compte de la résistance et des forces de Lorentz, une entreprise non négligeable.

Ishant Jain, chercheur principal en R&D chez Raychem RPG, a appliqué ses années d'expérience en simulation au défi de créer un boîtier d'alimentation intelligent prêt pour la ville et soucieux de l'espace. Avec son équipe de Raychem, il a fait appel à la simulation multiphysique pour relever les défis d'ingénierie qui ont accompagné la création de cette nouvelle conception radicale.

Grâce à cet article, vous vous souvenez de cette boîte métallique gênante près de votre trottoir. Mais comment fonctionne exactement un boîtier d'alimentation ?

L'enceinte d'un boîtier d'alimentation assure la protection d'un système de distribution électrique. Il a pour but de distribuer le courant d'une ligne d'alimentation basse tension, adaptée au transport électrique sur de courtes distances, dans les habitations et les entreprises. Les boîtiers d'alimentation sont utilisés à la fois pour réduire les pertes physiques d'électricité et pour distribuer et comptabiliser plus précisément l'utilisation de cette électricité.

"Il est très avantageux pour les boîtiers d'alimentation d'occuper moins d'espace", a déclaré Jain. "Nous pourrions créer une unité modulaire avec toutes les capacités du modèle original adapté aux besoins des villes du 21e siècle."

Jain et son équipe ont rapidement noté de nombreux aspects de la conception d'un boîtier d'alimentation classique à améliorer. Ces mises à niveau comprenaient une réduction des coûts et des pertes électriques dues à des connexions de qualité inférieure ainsi que des améliorations en matière de sécurité, de taille, de facilité d'installation, de facilité d'entretien et d'esthétique.

Jain et son équipe étaient également motivés pour créer un boîtier d'alimentation futuriste qui serait facilement adopté par les villes intelligentes. Ce nouveau boîtier d'alimentation comprendrait des fonctionnalités intelligentes pour permettre une surveillance en ligne de la consommation d'énergie, ainsi que pour surveiller la santé du système et des fusibles individuels.

Les défis immédiats de l'adaptation de la géométrie d'un système de distribution électrique à une enceinte radicalement petite sont la nécessité d'atténuer les forces électromagnétiques concurrentes résultant du changement de conception.

En raison de la nature dynamique de la physique et de la complexité de la géométrie, la nécessité d'une simulation multiphysique pour assurer la stabilité de la conception a été immédiatement évidente pour les ingénieurs.

Pour réaliser une telle diminution de la taille du boîtier d'alimentation, les ingénieurs devaient créer un système de jeu de barres qui distribuerait la même quantité de puissance tout en s'inscrivant dans une géométrie plus petite (Figure 1).

Jain et son équipe ont créé une simulation 2D pour s'assurer que leur conception était adaptée pour réduire l'impact cumulatif des forces électromagnétiques. L'alignement à 120° des panneaux sert à équilibrer les forces agissant sur les jeux de barres.

"La simulation nous a donné confiance que la conception fonctionnerait", a expliqué Jain, "Nous pouvions dire que les forces électromotrices seraient équilibrées par l'alignement à 120°."

Une autre considération importante est la solidité structurelle globale du boîtier d'alimentation. Pour cela, Jain et son équipe ont développé une simulation structurelle du boîtier d'alimentation qui leur permettrait d'évaluer sa durabilité. À partir d'une étude en fonction du temps des vents allant jusqu'à 103 m/s soufflant contre la structure, il a été déterminé que le boîtier d'alimentation était structurellement sain (Figure 2). Les ingénieurs ont également augmenté lentement la charge limite jusqu'à ce que la contrainte induite atteigne une valeur critique et ont déterminé que la conception est sûre jusqu'à une vitesse du vent de 570 m/s.

Une analyse de transfert de chaleur transitoire de l'assemblage complet du panneau a été effectuée pour assurer l'intégrité thermique du système en fonctionnement. La simulation validée a permis à l'équipe de calculer l'augmentation de température pour des conditions qui ne pouvaient pas être évaluées expérimentalement. Les connecteurs thermiquement optimisés rendent la conception finale plus sûre et plus efficace que ses prédécesseurs (Figure 3). La conception qui en résulte est également modulaire et évolutive.

Jain et son équipe ont pu créer un design beaucoup plus petit mais qui peut toujours dissiper le même niveau de puissance et de courant que les boîtiers d'alimentation traditionnels. La conception finale du boîtier d'alimentation occupe le moins d'espace de tous les boîtiers d'alimentation sur le marché et est thermiquement saine et efficace.

"En utilisant la simulation multiphysique, nous avons pu garantir l'intégrité de la conception contemporaine finale", a ajouté Jain, "Nous pensons que les avantages et l'impact seront considérables au fur et à mesure qu'ils seront adoptés dans le monde entier."

La conception finale (Figure 4) comprend des fonctionnalités intelligentes telles qu'un système de sécurité et antivol ainsi que la possibilité de surveiller à distance l'énergie, l'état des fusibles et le profil thermique. Il comprend des boîtiers de fusibles isolés et sûrs pendant le fonctionnement du système, ainsi que des connecteurs à faibles pertes résistives.

Qu'il suffise de dire qu'en développant un boîtier d'alimentation qui est une fraction de la taille de la norme de l'industrie, avec son système de jeu de barres réinventé et efficace, Jain et son équipe ont réussi à réinventer le boîtier d'alimentation, en utilisant la simulation multiphysique à chaque étape.

Cet article a été fourni par COMSOL, Inc. (Burlington, MA). Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de juin 2023 de Tech Briefs Magazine.

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