Presentamos un enfoque comparativo de tres de los principales programas de análisis numérico computacional utilizados para el diseño de transformadores: ANSYS, FEMM y COMSOL.
Estos programas se pueden clasificar en dos categorías: ANSYS y COMSOL, software comercial de pago que resuelve problemas multifísicos y tridimensionales (3D), y FEMM, software gratuito de código abierto (con ciertas reservas para su uso comercial) que resuelve problemas unifísicos y bidimensionales (2D). A continuación, se analizarán algunas de las principales características de estas herramientas.
El paquete comercial ANSYS ofrece herramientas altamente estables y consolidadas para la resolución de problemas de ingeniería. Estos programas cuentan con interfaces simplificadas y permiten la creación sencilla de modelos geométricos dentro del propio software. Se aplican numerosos parámetros automáticos (sin intervención directa del usuario) para generar la malla y las condiciones de contorno, lo que facilita la obtención de resultados. Sin embargo, esta función, si bien es útil para la convergencia de problemas complejos, limita algunos análisis más específicos que a veces son necesarios. La plataforma ANSYS (WORKBENCH) se estructuró para abordar las principales necesidades de los acoplamientos multifísicos mediante la combinación de los módulos de análisis para cada componente físico, que inicialmente se crearon por separado.
COMSOL, a su vez, es una herramienta diseñada teniendo en cuenta la necesidad del acoplamiento multifísico, lo que genera una gran flexibilidad al abordar problemas acoplados e interdependientes. Es posible trabajar con el análisis de la física de forma altamente integrada dentro de COMSOL, aunque estas configuraciones de acoplamiento no son triviales y requieren un conocimiento técnico bastante profundo del problema en cuestión y de métodos numéricos para lograr la convergencia. ¡Todo es gratis! La excelente flexibilidad de la plataforma COMSOL exige un conocimiento técnico más profundo para obtener resultados satisfactorios. Por esta razón, COMSOL suele ser utilizado con mayor frecuencia por investigadores, diseñadores experimentados y desarrolladores de soluciones técnicamente complejas, mientras que ANSYS se considera una herramienta más adecuada para las demandas de la industria, donde no siempre hay suficiente personal técnico cualificado disponible para manejar adecuadamente el software COMSOL.
Y por último, FEMM, que es una herramienta extremadamente potente considerando sus recursos disponibles. Un dato curioso sobre el software: imagine una herramienta gratuita y de código abierto (excepto por algunas condiciones comerciales descritas en los términos de uso), con un instalador de menos de 8 MB, que resuelva problemas complejos que involucran transformadores de potencia y otros equipos eléctricos con un costo de decenas de millones de reales. Este es el software FEMM. Si es posible modelar el problema utilizando las condiciones apropiadas en FEMM, los resultados obtenidos son equivalentes a los obtenidos utilizando el software comercial ANSYS y COMSOL. Obviamente, FEMM tiene menos geometría y características de mallado, pero es una herramienta que resuelve muy bien los problemas electromagnéticos y térmicos que se propone resolver en geometría 2D utilizando condiciones de simetría plana y axisimétrica.
Además, cabe destacar que comparar el software FEMM con gigantes como ANSYS y COMSOL a menudo se considera inválido y sin sentido, principalmente debido a la mayor cantidad de funciones disponibles en el software comercial de pago. Sin embargo, con la evolución de la experiencia técnica del equipo de TRINSE en proyectos de transformadores, se ha comprobado que se pueden obtener resultados excelentes con la herramienta FEMM. En general, al comprender el comportamiento electromagnético del transformador, es posible resolver más del 90 % de las necesidades de análisis numérico con FEMM mediante el uso de estrategias adecuadas para determinar las condiciones de contorno y simetría mediante geometrías 2D.
Obviamente, las herramientas más completas ofrecen recursos fundamentales para problemas más complejos. Muchos casos y problemas típicos en transformadores no pueden resolverse con simetrías geométricas 2D (planares y axisimétricas), por lo que en estos casos es necesario utilizar software que trabaje con geometrías 3D. En estos casos, la preferencia por usar herramientas ANSYS o COMSOL también dependerá de la experiencia y familiaridad del usuario con dicho software. En general, considerando el universo de simulaciones numéricas para el diseño de transformadores, incluyendo seminarios web, foros de discusión y formación disponible, es posible concluir que, básicamente, se obtendrán los mismos resultados con cualquier herramienta de análisis numérico, siempre que se cumplan adecuadamente las definiciones de parametrización de las variables de entrada.
Finalmente, cabe destacar que más importante que conocer las capacidades de una herramienta de análisis numérico es comprender el comportamiento físico que se modela con estas herramientas. Esto me recuerda la cita de Lewis Carroll que siempre aparece en las publicaciones de LinkedIn:
“Si no sabes a dónde vas, cualquier camino te llevará allí”.
Lo cual podemos transformar, considerando el mundo del análisis numérico en transformadores, en la siguiente frase:
“Para quien no sabe lo que calcula, ¡cualquier resultado le sirve!”