La tecnología Digital Twin, combinada con los simuladores en tiempo real de Typhoon HIL, está transformando la electrónica de potencia con modelado de alta fidelidad, validación en tiempo real, pruebas automáticas, y mantenimiento predictivo.
La demanda global de soluciones sostenibles y energéticamente eficientes ha crecido drásticamente en los últimos años. Entre los factores clave de esta transición se encuentra la electrónica de potencia, un campo que sustenta una amplia gama de tecnologías modernas, como los vehículos eléctricos, los sistemas de energía renovable y las redes inteligentes. Estas tecnologías no solo han captado el interés de la industria y el mundo académico, sino que también son objeto de crecientes inversiones financieras e incentivos de políticas públicas para acelerar su implementación.
Para satisfacer las crecientes expectativas de fiabilidad, rendimiento y adaptabilidad, se están explorando nuevas metodologías y herramientas para mejorar el desarrollo, la prueba y la validación de los sistemas de electrónica de potencia. En este contexto, la tecnología de Gemelo Digital se ha convertido en un concepto potente que integra simulación en tiempo real, comunicación bidireccional e ingeniería basada en modelos para proporcionar una representación dinámica y precisa de sistemas físicos reales.
Las plataformas experimentales basadas en conceptos de Gemelo Digital e implementadas con simuladores en tiempo real Typhoon HIL han demostrado importantes beneficios para la investigación y la experimentación en electrónica de potencia. Aprovechando las capacidades de Hardware-in-the-Loop (HIL) de Typhoon HIL, estas plataformas mejoran la fidelidad, la flexibilidad y la velocidad, permitiendo la evaluación segura de controladores reales con algoritmos avanzados, la simulación de condiciones de falla y las pruebas de variación de parámetros en tiempo real, todo ello sin los riesgos asociados al prototipado físico de la etapa de potencia.
Un Gemelo Digital es una representación virtual de un sistema físico real. La tecnología de Gemelo Digital se está adoptando cada vez más en industrias y universidades para apoyar el desarrollo de proyectos de ingeniería. Para que esta representación sea efectiva, la sincronización y la comunicación bidireccional entre los componentes físicos y virtuales son esenciales.
Los objetivos principales de los Gemelos Digitales son comprender el comportamiento del sistema, predecir resultados, optimizar el rendimiento y anticipar las necesidades de mantenimiento. Consideremos, por ejemplo, un convertidor electrónico conectado a la red eléctrica. Su funcionamiento básico está controlado por un controlador. Con el tiempo, los cambios en la red eléctrica o en los componentes físicos del convertidor pueden requerir actualizaciones en su algoritmo de control. Con un Gemelo Digital, estos cambios pueden detectarse rápidamente y utilizarse para actualizar el modelo virtual. El modelo actualizado puede utilizarse para probar nuevas estrategias de control antes de implementarlas en el sistema físico.
El uso del simulador en tiempo real Typhoon HIL hace que este proceso sea aún más eficiente y preciso. El entorno HIL permite que el controlador físico interactúe en tiempo real con un modelo virtual de alta fidelidad de la etapa de potencia. Esta configuración garantiza que el algoritmo de control se comporte como lo haría en un escenario real, mejorando significativamente la calidad y la fiabilidad de los resultados de las pruebas.
Una vez que el modelo virtual se ejecuta en el simulador en tiempo real HIL, se pueden aprovechar al máximo las ventajas de la tecnología de Gemelo Digital. Por ejemplo, se pueden simular perturbaciones en la red eléctrica y observar la respuesta del convertidor. El algoritmo de control puede entonces adaptarse en el entorno virtual, probarse exhaustivamente y, finalmente, implementarse en el sistema físico.
Figura 1. Comunicación bidireccional entre el controlador (parte central) con el convertidor físico (izquierda) y el modelo virtual que se ejecuta en el simulador en tiempo real HIL (derecha).
La comunicación bidireccional, que implica el envío de mediciones en tiempo real desde el sistema físico al modelo virtual y las señales de control de vuelta al convertidor físico, desempeña un papel fundamental en esta arquitectura. La plataforma Typhoon HIL ha demostrado ser especialmente eficaz para respaldar esta comunicación con una latencia ultra-baja y pasos de simulación de nanosegundos, esenciales para una sincronización precisa en tiempo real con los controladores físicos.
Además, se pueden utilizar modelos probabilísticos y estadísticos dentro del entorno virtual para pronosticar fallos de componentes a medida que se prueban nuevas estrategias de control. Esta capacidad predictiva mejora la fiabilidad del sistema y contribuye a una toma de decisiones más informada y proactiva.
Para aumentar aún más el realismo de nuestras simulaciones en tiempo real, puede integrarse un microcontrolador externo para ejecutar el algoritmo de control, mientras que la etapa de potencia permanece en el modelo virtual. Esta configuración HIL refleja fielmente el funcionamiento real y proporciona condiciones de prueba de alta fidelidad, pudiéndose modelar el sistema en múltiples dominios, no solo eléctrico, sino también térmico y mecánico.
Estas plataformas HIL en tiempo real están diseñadas para ser multifuncionales y dar soporte a una amplia gama de proyectos y actividades de investigación, en convertidores, drivers de motores, sistemas conectados a la red y aislados, filtros activos, dispositivos de electromovilidad (tracción, cargadores de baterías, BMS).
Más allá de las innovaciones técnicas, estas plataformas ofrecen un importante valor educativo. Se utilizan activamente para la formación práctica en diferentes niveles de enseñanza, brindando a los estudiantes una exposición directa a la electrónica de potencia de vanguardia y las tecnologías de Gemelo Digital. La plataforma software ofrece una solución completa e intuitiva para las diferentes fases de cada proyecto, desde la fase inicial de diseño de prototipado, hasta la validación del algoritmo de control, tanto para el entorno académico, de investigación, e industrial.
El mundo avanza hacia un futuro donde los vehículos eléctricos dominan el transporte, las fuentes de energía renovables suministran una parte cada vez mayor de nuestra energía y las redes inteligentes optimizan la distribución energética. La electrónica de potencia desempeña un papel crucial en esta transformación. La tecnología Gemelo Digital, respaldada por los simuladores en tiempo real de Typhoon HIL y la cadena de herramientas integrada, ofrece un potente plataforma para acelerar este progreso, proporcionando una visión más profunda, mayor flexibilidad y mayor precisión en el diseño, la validación y el mantenimiento de sistemas.
La integración del Gemelo Digital y la simulación HIL marca un avance significativo en el desarrollo de sistemas de electrónica de potencia más fiables, sostenibles e inteligentes. A medida que las tecnologías de baterías y almacenamiento de energía continúan avanzando, la electrónica de potencia evolucionará en paralelo, y la tecnología Digital Twin será esencial para respaldar y acelerar esta evolución.
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