Vistas: 0 Autor: Editor del sitio Hora de publicación: 2026-08-11 Origen: Sitio
Traducido de: Tecnología de gestión de energía y electricidad (2021 No. 4) Autor: HU Jinli
En el diseño de disyuntores, los métodos de simulación facilitan la selección de materiales para la lámina bimetálica y permiten una evaluación preliminar de si el tiempo de disparo del disyuntor satisface los requisitos de diseño, mejorando así la eficiencia de producción y reduciendo los costos de desarrollo.
Para obtener el aumento de temperatura transitorio preciso y la deformación de la lámina bimetálica, este documento utiliza el software de análisis de elementos finitos Ansys para realizar un análisis térmico en el elemento bimetálico. Durante el procedimiento de simulación:
Modelado 3D: Primero, se emplea el software Creo para construir el modelo de lámina bimetálica, que abarca cuatro componentes distintos: la capa activa, la capa pasiva, la capa intermedia y el punto de soldadura.
Importación y asignación de materiales: en segundo lugar, el modelo construido se importa al módulo Ansys APDL, donde se definen los tipos de elementos, se asignan las propiedades de los materiales a cada parte respectiva y se ejecuta el mallado de elementos finitos.
Condiciones de contorno y ejecución: Finalmente, se define la temperatura inicial de la lámina bimetálica. En función de la temperatura ambiente y la corriente aplicada, se calculan y asignan los coeficientes de disipación de calor para cada superficie. Se aplican restricciones fijas y condiciones límite actuales para realizar una simulación acoplada termomecánica transitoria. Esto produce el campo de temperatura transitorio y la distribución de deformación, a partir de los cuales se determina el tiempo exacto necesario para que la lámina bimetálica alcance la posición de disparo.
El disyuntor en miniatura (MCB) examinado en este estudio se ilustra en la Figura 4 . La chapa bimetálica está situada en el lado derecho del interior del interruptor. Su lado izquierdo está conectado al contacto móvil mediante una trenza flexible, mientras que su lado derecho se conecta al cable terminal externo derecho. La corriente nominal de este disyuntor miniatura es In = 20 A.
Figura 4: Estructura del disyuntor en miniatura (MCB) probado
Diseño interno que muestra el mecanismo MCB de 20 A, el conducto de arco, el contacto móvil y el conjunto de liberación térmica bimetálica situado en el lado derecho.
Centrándose en el perfil de temperatura transitorio y la deformación dinámica, el modelo bimetálico se construyó de acuerdo con las dimensiones exactas del prototipo, como se muestra en la Figura 5..
Figura 5: Modelo de simulación 3D de lámina bimetálica
El modelo estructural consta de cuatro subdominios distintos: capa activa, capa pasiva, capa intermedia y punto de soldadura.
Como se muestra en la Figura 5, el conjunto bimetálico consta de cuatro partes: capa activa, capa intermedia, capa pasiva y punto de soldadura. Cuando se energiza, el extremo inferior de la capa activa sirve como superficie de entrada de corriente, mientras que el punto de soldadura actúa como superficie de salida de corriente, como se detalla en la Figura 6..
Figura 6: Superficies actuales de entrada y salida de lámina bimetálica
Muestra los límites de contacto eléctrico designados donde la corriente ingresa por la parte inferior de la capa activa y sale a través de la almohadilla de soldadura superior.
Para garantizar una alta fidelidad de la simulación, se asignaron a cada región los parámetros materiales correspondientes al prototipo físico. Los cuatro materiales involucrados corresponden a la capa activa, capa pasiva, capa intermedia y punto de soldadura del MCB de 20 A. Las propiedades físicas y mecánicas se resumen en la Tabla 1..
Mediante simulación de elementos finitos, se calcularon campos termomecánicos transitorios utilizando Ansys. Para comparar con las pruebas empíricas, el ambiente se configuró a 25 ℃ con una corriente de prueba de 30 A (1,5 veces la corriente nominal In). Según la mecánica del prototipo, el mecanismo operativo se dispara cuando el desplazamiento de la punta alcanza los 1,35 mm . La simulación predijo una duración de viaje requerida de 13 s. .El campo de temperatura y el campo de deformación en el momento de alcanzar la posición de viaje se ilustran en la Figura 7 y la Figura 8..
Figura 7 y 8: Resultados de la simulación en el momento de disparo (t = 13 s, I = 30 A, T amb = 25 °C)
• Figura 7 (Temperatura): La temperatura máxima ocurre en la raíz/parte inferior (73,54 °C), disminuyendo gradualmente hacia la punta superior (mínimo 70,51 °C).
Figura 8 (Deformación): El desplazamiento de la punta alcanza 1,330 mm, satisfaciendo el umbral de liberación mecánica (~1,35 mm).
Como se ve en la Figura 7, en el punto de disparo, la temperatura más alta ocurre en la raíz inferior del bimetal, alcanzando 73,54 °C . En general, la distribución de temperatura muestra un gradiente que es mayor en la base y disminuye hacia la punta superior, con una temperatura mínima de 70,51 °C . En estas condiciones (Figura 8), el desplazamiento de la punta superior alcanza los 1.330 mm , accionando con éxito el mecanismo de liberación. Por lo tanto, con una temperatura ambiente de 25 °C y una sobrecarga de 1,5 , In el MCB se dispara a los 13 segundos.
Si bien en la operación práctica el interruptor se abre inmediatamente una vez que se alcanza el umbral de disparo, la evaluación de la temperatura en estado estacionario y la deflexión máxima proporciona información vital para la optimización de la geometría y el material bimetálico. Las distribuciones de temperatura y deformación en estado estacionario se presentan en la Figura 9 y la Figura 10..
Figura 9 y 10: Distribución de deformación y temperatura en estado estacionario (I = 30 A)
Figura 9 (Temperatura constante): La temperatura máxima alcanza los 86,06 °C en la base y la temperatura mínima es 83,07 °C en la punta.
Figura 10 (Desplazamiento constante): El desplazamiento máximo máximo de la punta se estabiliza en $1,558 ext{ mm}$.
Como se indica en las Figuras 9 y 10, cuando se somete continuamente a una corriente de 30 A a una temperatura ambiente de 25 °C hasta que se alcanza el equilibrio térmico, la temperatura máxima alcanza los 86,06 °C y la temperatura más baja es 83,07 °C . El patrón térmico sigue siendo consistente con el perfil transitorio (más caliente en la base, más frío en la punta) y la deflexión máxima de la punta alcanza 1,558 mm..
Las respuestas dinámicas temporales se representan en la Figura 11 (a corto plazo: 1 – 13 s) y en la Figura 12 (a largo plazo: 0 – 200 s). Estas curvas representan el comportamiento de desviación en función del tiempo. A medida que avanza el tiempo, la deformación se acumula rápidamente durante el calentamiento inicial y asintóticamente se acerca a la estabilidad térmica en aproximadamente 160 s , logrando la meseta final de 1,558 mm..
Figura 11
Figura 12
Para mejorar la confiabilidad del diseño del disparo térmico y la eficiencia de la calibración de fábrica, se realizaron pruebas de disparo empírico en 20 grupos de muestra de disyuntores en condiciones idénticas a la simulación numérica (temperatura ambiente de 25 °C, corriente de prueba de 30 A). La configuración experimental se muestra en la Figura 13..
Figura 13: Equipo de prueba experimental para disparo térmico de MCB
Banco de pruebas de precisión configurado con fuentes de alimentación de corriente constante, equipos de sincronización automatizados y control térmico ambiental.
Cada muestra de interruptor se sometió a 6 ciclos de prueba de disparo consecutivos con una carga de corriente de 30 A. Los tiempos de viaje registrados en todas las ejecuciones de prueba se representan en la Figura 14 , y los tiempos de viaje máximos y mínimos para cada muestra se resumen en la Tabla 2..
Figura 14
Como se muestra en la Tabla 2, debido a sutiles tolerancias de fabricación y variaciones de componentes individuales, los tiempos de disparo varían ligeramente entre los diferentes interruptores. En los 20 grupos de muestra:
El tiempo medio máximo de viaje es de 14,9 s..
El tiempo medio mínimo de disparo es de 13,5 s..
Estos valores experimentales se correlacionan excepcionalmente bien con el resultado de la simulación FEA de 13,0 s , lo que confirma la precisión y la utilidad práctica del método de simulación de elementos finitos.
Las deformaciones máximas medidas en las puntas de las láminas bimetálicas en las 20 muestras de interruptores de prueba se registran en la Tabla 3..
Como se detalla en la Tabla 3, las deflexiones de las puntas medidas oscilan entre 0,9 mm y 2,0 mm , lo que refleja una dispersión notable debido a las tolerancias del ensamblaje físico en la producción en masa.
Simular y analizar la deformación transitoria de elementos bimetálicos en disyuntores en miniatura juega un papel crucial en la predicción de los tiempos de disparo y la mejora de la estabilidad de los mecanismos de protección térmica.
Modelado numérico integrado: combinando el modelado CAD 3D (Creo) con el análisis de elementos finitos (Ansys APDL), se estableció un modelo de simulación de acoplamiento térmico-mecánico refinado, que captura las capas estructurales exactas (activa, intermedia, pasiva, punto de soldadura) y las condiciones de contorno eléctricas/térmicas.
Predicciones transitorias y de estado estacionario: para un MCB de 20 A sometido a una corriente de 30 A a una temperatura ambiente de 25 °C, la simulación demostró que el bimetal alcanza el umbral de disparo mecánico de 1,35 mm en 13 segundos (temperatura: 70,51 – 73,54 °C). Bajo carga continua, el equilibrio térmico se alcanza cerca de 160 s con una temperatura máxima de 86,06 °C y un desplazamiento de 1,558 mm.
Validación experimental: Las pruebas empíricas en 20 muestras de grupo (6 ciclos de viaje cada una) arrojaron un tiempo de viaje promedio de 13,5 a 14,9 s, lo que muestra una excelente concordancia con el cálculo de simulación de 13,0 s.
El flujo de trabajo de simulación propuesto proporciona una metodología confiable, rentable y eficiente para optimizar las unidades de disparo térmico, reducir los ciclos de desarrollo y guiar la calibración automatizada de fábrica para interruptores automáticos en miniatura.
