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ELETTRONICA OGGI 498 - NOVEMBRE/DICEMBRE 2021 25 TECH INSIGHT 3D MODELLING Aggirare le limitazioni nella modellazione dei cavi Quando si tratta di testare i progetti dei cavi, un problema è il fatto che gli standard sono un po’ datati. Infatti, alcuni standard IEEE e IEC per i cavi sono ancora basati su espressioni analitiche che sono state derivate circa 80-100 anni fa e semplificate per consentire calcoli manuali. Nell’ultimo decennio, diverse pubblicazioni hanno fornito misure che dimostrano che le formule dello standard sovrastimano le perdite nell’armatura. In alcuni casi, le perdite sono circa il 50% di quello che suggerisce lo standard IEC. Poiché la corrente che un cavo può portare è limitata dalla temperatura massima consentita dal conduttore, una diminuzione delle perdite permette di ridurre la dimensione del conduttore. Una dimensione ridotta del conduttore significa meno rame o alluminio, che sonometalli costosi, e quindi un risparmio di costi per il progetto del cavo. È possibile misurare accuratamente le perdite dell’armatura con i metodi sviluppati dieci anni fa, ma è necessario avere a disposizione il cavo. Quasi tutti i cavi offshore ad alta tensione sono fatti sumisura e quindi non sono disponibili per essere testati prima che il progetto venga venduto e inizi la produzione, e i cavi devono essere progettati quando la gara d’appalto è già cominciata. Dopo l’adozione dell’analisi numerica, lo studio dei cavi e dei fili di armatura è diventato più facile, ma lasciava ancoramolto a desiderare. Infatti, i primi modelli 3D di un cavo sono stati creati meno di un decennio fa. Un aspetto ancora più limitante è dato dalle tempistiche: modelli di questo tipo, fino a poco tempo fa, potevano richiedere da diversi giorni a qualche settimana per essere eseguiti da un supercomputer. I progressi sia nell’hardware del computer sia nelle tecniche di modellazione hanno reso la progettazione e l’analisi dei cavi più veloce, più facile e più solida. Un modello di cavo che prima richiedeva un supercomputer, per esempio, ora può essere eseguito su un normale computer portatile nel giro di minuti anziché di giorni. Questi miglioramenti hanno aperto nuove possibilità per la ricerca di NKT. Modellare un cavo armato in 3D Parte del lavoro che NKT svolge a Karlskrona, Svezia, riguarda la simulazione elettronica dei cavi e il calcolo della distribuzione della temperatura e delle perdite corrispondenti. In un cavo armato, è difficile calcolare le perdite nell’armatura magnetica in acciaio, a causa di una complessa interazione tra conduttori attivi e passivi, combinata con proprietà non lineari del materiale (isteresi) e dipendenza dalla temperatura. Inoltre, la geometria di un modello di cavo armato (Fig. 3) include caratteristiche piccole e dettagliate, come gli stretti spazi tra i fili dell’armatura, che portano a un gran numero di elementi di mesh, lunghi tempi di calcolo e maggiori requisiti di memoria. Per affrontare queste sfide, NKT ha deciso di scoprire se fosse possibile utilizzare una mesh rada per il modello di cavo (Fig. 4) e ottenere ugualmente una descrizione del comportamento magnetico non lineare del materiale in acciaio, un acciaio dolce fortemente magnetico con alta permeabilità ed elevate perdite per isteresi. Fig. 4 – Diversi gradi di raffinamento della mesh per il modello del cavo, da uno a quattro elementi per diametro del filo, da sinistra a destra Fig. 3 – La geometria di un modello di cavo 3D, che include le caratteristiche di base di un cavo sottomarino armato: i conduttori principali, gli schermi e l’armatura