¿Cuándo la ingeniería de potencia finalmente tendrá algo de respeto?

Los ingenieros eléctricos generalmente gozan del respeto del público, pero parece que algunos "tipos" de EE (ingenieros eléctricos) son más respetados que otros. Los diseñadores de sistemas de baja potencia reciben elogios de los revisores: "¿Puedes creer lo que hizo? Funciona durante semanas con una pequeña batería". Lo mismo ocurre con los ingenieros que hacen la mayor parte o la totalidad del trabajo sentados frente al teclado: "Mira a esa niña, es una codificadora, así que está preparada para la vida".

Si bien tengo un sesgo hacia los ingenieros de hardware (también conocidos como circuitos), reconozco que un proyecto generalmente necesita un amplio conjunto de habilidades técnicas. Entonces, está bien, les daré a esos ingenieros de micropotencia y teclado su debido reconocimiento.

Aún así, parece haber una clase de EE todavía en gran parte invisible que recibe poca atención o reconocimiento por los desafíos que enfrentan: aquellos que trabajan en regímenes de mayor potencia por encima de varios cientos de voltios y amperios, y decenas de kilovatios. Algunos pueden argumentar que es porque estas aplicaciones están alejadas del público, pero ese no es el caso en absoluto. Estas aplicaciones de mayor potencia no se limitan a aquellas que están relativamente alejadas de los consumidores, como entornos industriales o incluso líneas catenarias de 25 kilovoltios (kV) para trenes electrificados.

Considere el EV (vehículo eléctrico) al que se vieron expuestos directa o indirectamente muchos consumidores. Los paquetes de baterías para EV varían en capacidad de energía desde aproximadamente 25 kilovatios hora (kWh) a más de 70 kWh, y estos paquetes pueden entregar de 300 voltios a 400 voltios a aproximadamente 1000 amperios (A) (esos conjuntos de motores de tracción pueden proporcionar hasta 300 caballos de fuerza [hp] o más). Cualquiera de esos números (capacidad de energía, voltaje, corriente) significa que la conversión, la administración, la distribución y el paquete de potencia del EV son problemas bastante serios cuando se trata de diseño, prueba y mantenimiento.

La diferencia entre estos entornos de diseño no es solo una cuestión de números sin procesar o escala numérica. En cambio, se necesita una mentalidad y un enfoque completamente diferentes para hacer lo que sea en el mundo de alta potencia. En el diseño de baja potencia, no es gran cosa probar un truco temporal, como mover y soldar un cable por puntos o ejecutar una prueba rápida e improvisada para verificar una idea. Pero cuando se trata con esos niveles de potencia más altos, cada acción debe planificarse, simularse, analizarse, evaluarse y verificarse dos veces antes que nada. Aquí se gestiona una cantidad significativa de energía densamente almacenada.

También está el problema de las pruebas. Cada aspecto de la determinación de lo que está haciendo el sistema y el impacto de cualquier cambio necesita un plan de pruebas y organización cuidadosamente construidos. No hay recorte rápido de algunos voltímetros digitales (DVM) que conducen a los puntos de interés. Incluso un requisito de rutina, como medir la corriente a través de una derivación en línea, requiere una cuidadosa consideración de los componentes, el circuito de interfaz, el aislamiento galvánico en muchos casos e incluso la implementación de las conexiones físicas.

Considere este escenario: está planeando usar una resistencia de derivación para medir la corriente en un conductor de alta corriente. Si bien esa es una técnica bien conocida, está buscando cientos de amperios en un EV, por lo que debe mantener el valor de la resistencia de derivación lo más pequeño posible para reducir tanto la caída de voltaje inducida por IR como la disipación térmica I²R de la resistencia sensorial.

Afortunadamente, hay derivaciones estándar disponibles con valores de resistencia extremadamente bajos. Por ejemplo, la familia Vishay Dale WSBS8518 tiene clasificaciones estándar de 100, 500 y 1000 µΩ (eso es solo 0.1, 0.5 y 1.0 mΩ) (Figura 1). La derivación, una "correa" de metal de aspecto aparentemente ordinario que mide aproximadamente 85 mm de largo por 18 mm de ancho, está hecha de aleación de níquel-cromo de metal sólido con un coeficiente de resistencia a la temperatura (TCR) tan bajo como ±10 ppm/°C.

Figura 1: Esta resistencia de derivación de rango de microohmios (µΩ) puede parecer simple en comparación con otros componentes electrónicos, pero es una pieza cuidadosamente diseñada y fabricada de aleación de níquel-cromo de metal sólido con coeficiente de temperatura extremadamente bajo y contactos Kelvin. (Fuente de la imagen: Vishay/Dale)

Pero, ¿cómo se conecta físicamente esta resistencia a las líneas de carga? Después de todo, incluso unos pocos miliohmios (mΩ) de resistencia de contacto disiparán la potencia y la caída de voltaje, por lo que el montaje de las conexiones de derivación es otro problema de diseño. Además, todavía tiene que conectar los cables de detección de voltaje; afortunadamente, esta derivación en particular tiene contactos Kelvin integrales para facilitar esa tarea; muchas derivaciones no lo hacen.

No todos los "ingenieros de potencia" gozan de poco respeto. Creo que, en su mayoría, los que trabajan con potencia eléctrica son los que enfrentan ese problema. Con todo el interés en el 50.^° de la llegada a la luna Apolo, fue más que increíble ver el empuje del despegue desarrollado por los cinco motores F-1 de cohetes que proporcionaron energía a la primera etapa del vehículo de lanzamiento Saturno (Figura 2).

Figura 2: La potencia puede ser muy visible o poco visible; el vehículo de lanzamiento Saturno V con sus cinco motores F-1 está definitivamente en la primera categoría. (Fuente de la imagen: NASA)

Los números lo dicen todo, pero aún son difíciles de comprender: la primera etapa del Saturno V transportaba 203,400 galones (770,000 litros) de combustible de queroseno y 318,000 galones (1.2 millones de litros) de oxígeno líquido. Cada bomba de combustible F-1 fue impulsada por una turbina de 55,000 caballos de fuerza para entregar aproximadamente 15,000 galones estadounidenses (poco menos de 60,000 l) de queroseno por minuto, mientras que la bomba oxidante entregó 25,000 galones estadounidenses (94,000 l) de oxígeno líquido por minuto; cada turbobomba también tuvo que soportar el gas de entrada a 1,500 °F (820 °C) a oxígeno líquido a -300 °F (-18 °C). En el despegue, los cinco motores produjeron 7.5 millones de libras de empuje.

Solo piense en el accesorio necesario para mantener esos motores F-1 en su lugar en el banco de pruebas, o las abrazaderas de sujeción que mantuvieron el Saturno en la plataforma después del encendido mientras los motores de los cohetes alcanzaron su máxima potencia. No solo tuvieron que retener los millones de libras de empuje, sino que también tuvieron que liberarlas sin problemas y de manera constante, a pesar del ambiente de escape (y ¿cómo se prueba eso?).

Creo que el alto grado de potencia visible de un cohete, sin importar el resultado del lanzamiento, les da a los ingenieros de cohetes el respeto que se merecen. Sin embargo, dado que la potencia eléctrica es menos "visible", los ingenieros que se dedican a ella no gozan del mismo respeto. Esa enorme cola de escape de cohete lo hace todo tan real, mientras que los electrones en una batería permanecen silenciosos en funcionamiento normal y, por lo tanto parecen "poca cosa".

¿Los EE que se ocupan de estos niveles de potencia más altos obtendrán más respeto en el futuro? No lo sé, por supuesto. Sin embargo, sería bueno porque las aplicaciones de mercado masivo, como los EV, la potencia solar y una red más inteligente necesitarán esa experiencia en kilovatios y megavatios.

Referencias:

1 – Roger E. Bilstein, “Stages to Saturn: A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles” (archivo descargable gratuito de 168 MB disponible aquí; descarga gratuita capítulo por capítulo aquí)

2 – Charles Murray y Catherine Bly Cox, “Apollo: The Race to the Moon”

3 – Wikipedia, “Rocketdyne F-1”