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Cálculos térmicos

La simulación de procesos térmicos puede llevarse a cabo en Portunus® mediante el uso de redes térmicas. A diferencia de los métodos numéricos alternativos como el análisis de elementos finitos (FEA) y la dinámica de fluidos computacional (CFD), este enfoque permite tiempos de cálculo cortos y por lo tanto la rápida determinación de los valores de temperatura que se producen en el estado de equilibrio o durante los ciclos de carga. También pueden ser analizadas fácilmente variaciones en los parámetros tales como geometría, tipo de refrigeración, etc.

Muchos simuladores de sistemas solo utilizan la analogía de las redes eléctricas y térmicas (temperaturas - tensiones, resistencia eléctrica – resistencia térmica: flujo de calor etc.). Con los modelos en la biblioteca térmica, Portunus® ofrece muchas más capacidades para la simulación de transferencia de calor lineal y no lineal.

Al configurar un modelo, el usuario siempre puede elegir entre introducir valores físicos (resistencia térmica, capacitancia térmica, número de Nusselt, etc.) y la entrada de datos de geometrías y materiales. Por ejemplo, los complejos mecanismos de convección natural y forzada están cubiertos por una serie de modelos relacionados con las formas, llamados "bloques de construcción geométricos". Estos modelos requieren la entrada de dimensiones y, si es necesario, el flujo del líquido refrigerante. Internamente, estas entradas se convierten en los parámetros de las ecuaciones de transferencia de calor no lineal, a veces bajo examen de modos diferentes, por ejemplo de flujo laminar y turbulento. Alternativamente, pueden utilizarse modelos más abstractos donde el usuario introduce valores físicos como números Nusselt y Rayleigh directamente.

La parametrización del modelo puede hacerse completamente mediante variables. Por lo tanto, el usuario puede especificar claramente todas las dependencias. Por ejemplo, la transferencia de calor en la superficie de un dispositivo funciona con convección y radiación concurrente. La red térmica refleja esto por un acuerdo paralelo de los dos modelos que son influenciados por los mismos parámetros geométricos. Mediante el uso de las mismas variables en ambos modelos, siempre se da consistencia de parametrización.

El posible llevar a cabo cálculos térmicos para muchas aplicaciones. A menudo se estudian los sistemas electrónicos de potencia y máguinas eléctricas.

En electrónica de potencia, la transferencia de calor en el chip se caracteriza generalmente por el fabricante por el llamado modelo de Foster. Este modelo incluye una cadena (conexión en serie) de celdas donde se colocan una resistencia térmica y una capacidad térmica en paralelo. La ventaja de este modelo es su fácil parametrización de la curva de Zth. El inconveniente es la modelización incorrecta del flujo de calor en el disipador térmico que requiere el uso de modelos de chip y disipador térmico (adaptados) combinados. Una alternativa está dada por el, modelo Cauer físicamente correcto, que utiliza capacitances térmicas conectadas al nodo de terreno. Ambos modelos se implementan en Portunus®. El parámetro de la red Cauer puede calcularse automáticamente a los de una red Foster.

La potencia disipada puede definirse mediante funciones de tiempo o importar los valores del sistema de ecuaciones o vínculos gráficos ("vatímetro eléctrico con pin térmico"). Con la ayuda de un denominado "modelo promedio" pueden realizarse simulaciones rápidas de juntas electro-térmicas de módulos de alimentación de Infineon. Este modelo puede o bien ejecutar mediante el uso de un valor constante de la temperatura de empalme o en conexión con una red térmica.

La imagen superior muestra una simulación de ciclo de carga para un rectificador montado en un disipador térmico. La curva de la carga actual está dada por una función del tiempo y las pérdidas se calculan desde dependiendo de las características del diodo. La transferencia de calor en el chip está representada por una red de Cauer.

La transferencia de calor entre chip y disipador térmico (grasa térmica) y del disipador térmico al ambiente se modela mediante el uso de modelos de la Biblioteca térmica. Las dimensiones y datos del material del disipador térmico se utilizan para la parametrización. Los diagramas muestran las curvas calculadas de temperaturas entre la unión y el disipador térmico. El rizado causada por el ciclo de carga puede verse claramente en la curva de la temperatura de la unión.

El flujo de calor dentro de las máquinas eléctricas puede describirse mediante redes térmicas cuya estructura depende en gran medida del tipo de máquina, por ejemplo excitación eléctrica o de imanes permanentes, rotor interior o exterior, refrigeración por aire o agua, etc... Para máquinas estándar, es posible importar redes equivalentes desde Motor CAD®. Durante la construcción de modelos, a menudo tiene sentido dividir el sistema en subsistemas, como se muestra en la imagen superior (Universidad de Edimburgo y tecnologías de generador Cummins).

Los modelos de la Biblioteca térmica soportan simulaciones transitorias, así como DC y cálculos de punto de funcionamiento. Una simulación transitoria puede ir precedida de un cálculo DC o OP a fin de acortar el tiempo de cálculo. Para sistemas conmutados, puede realizarse un cálculo rápido de valores del estado de equilibrio a través de secuencias de comandos mediante la interfaz de automatización de Portunus®.

  Folleto del producto "Biblioteca térmica"

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