Cómo funcionan las simulaciones de Curvo Studio

El enfoque general

Cada simulador toma los parámetros que usted establece, calcula un resultado en régimen estacionario con unas pocas ecuaciones de forma cerrada y lo muestra como una escena 3D, lecturas y curvas. No hay lista de conexiones (netlist) ni un solucionador de circuitos completos, de modo que cada componente se alimenta directamente con la tensión o la carga que usted elige.

Cuando un motor muestra una curva de arranque, se trata de una respuesta exponencial sencilla dibujada a partir del resultado estacionario, no de una dinámica transitoria real.

Diodos: diodo PN, Zener y LED

Los tres simuladores de diodo utilizan la ecuación de Shockley para la región directa: I = I_s × (e^(V/(n × V_T)) − 1), con una tensión térmica V_T = 25,85 mV.

Diodo PN: I_s y el factor de idealidad n proceden del panel de parámetros (el preset 1N4148 usa 4 nA y 1,9). En polarización inversa la corriente es −I_s hasta la tensión de ruptura; a partir de ahí una regla definida por tramos hace que la corriente aumente bruscamente con la sobretensión, hasta un límite de visualización de 1,5 veces la corriente nominal.

Diodo Zener: la región directa usa I_s = 6 nA y n = 1,8 fijos. En inversa, una pequeña corriente de fuga crece hacia la corriente de codo a medida que la tensión se acerca a V_Z, y por encima de V_Z el modelo es lineal: I = I_knee + (V − V_Z) / r_z, donde r_z es la resistencia dinámica.

LED: la misma exponencial con n = 2,1, más una resistencia en serie R_s para la resistencia del material y de los terminales. Como la corriente aparece en ambos lados, I = I_s × (e^((V − I × R_s)/(n × V_T)) − 1) se resuelve con el método de Newton. I_s se calcula a la inversa para que el LED conduzca su corriente nominal a su tensión directa nominal. La emisión de luz aumenta con la corriente, pero se satura a corrientes y temperaturas más altas.

MOSFET, resistencia y transformador

MOSFET de canal N: un modelo de ley cuadrática. Con la sobretensión V_ov = V_GS − V_th, la corriente de drain es cero por debajo del umbral, I_D = β × (V_ov × V_DS − V_DS²/2) en la región lineal (V_DS < V_ov) e I_D = ½ × β × V_ov² en saturación. La corriente de gate es cero, no se modela la modulación de la longitud del canal y el resultado se limita a la corriente máxima de drain.

Resistencia: ley de Ohm y potencia, I = V/R y P = V × I. La visualización del código de colores muestra las bandas del valor elegido, y una estimación sencilla de la temperatura crece con la parte de la potencia nominal que se esté utilizando.

Transformador monofásico: la tensión secundaria en vacío es V_1 × (N_2/N_1) × k, donde k es el coeficiente de acoplamiento. La densidad de flujo del núcleo es B = V_1 / (4,44 × f × N_1 × A) con una sección de núcleo fija A = 0,0025 m². Por encima de 1,6 T el núcleo se satura y la tensión de salida se reduce. La potencia de salida se limita al 94 % de la potencia aparente nominal (VA), y el rendimiento sigue una curva sencilla que aumenta con la carga.

Motores DC con escobillas, BLDC y PMSM

Motor DC con escobillas: V = E + I × R_a, donde E es la fuerza contraelectromotriz. El par es K_t × I, y K_t y K_e se consideran numéricamente iguales en unidades del SI. La carga fija la corriente, la fuerza contraelectromotriz es lo que deja la alimentación tras la caída I × R_a, y la velocidad se obtiene de E / K_e. Si la corriente necesaria alcanza V / R_a, el motor se cala.

Motor BLDC: las mismas relaciones, con la tensión de alimentación sustituida por la tensión del bus DC multiplicada por el ciclo de trabajo del PWM. El PWM se representa solo por su tensión media, y el variador limita la corriente al menor valor entre 4,5 veces la corriente nominal y V / R.

PMSM: una máquina síncrona no tiene deslizamiento. La velocidad es 120 × f / p mientras el rotor se mantenga en sincronismo. El par máximo se aproxima como 1,8 veces el par nominal, escalado por la relación de flujo (tensión entre frecuencia, limitada al valor nominal). Si la carga lo supera, el rotor pierde el sincronismo y el motor se cala.

Motores de inducción, paso a paso y servomotores

Motor de inducción: un modelo estacionario basado en el deslizamiento. La velocidad síncrona es 120 × f / p, el deslizamiento aumenta linealmente con la carga y crece cuando baja la tensión, y el motor se cala cuando la carga es demasiado alta para la tensión. La guía del deslizamiento da los detalles y un ejemplo resuelto. No es un modelo completo de circuito equivalente.

Motor paso a paso: la velocidad es la frecuencia de pasos × el ángulo de paso / 6, en rpm. El par disponible disminuye con la frecuencia de pasos según T = T_0 / (1 + (f / f_c)^1,4), donde la frecuencia de codo f_c crece con el margen de la tensión de alimentación sobre la tensión nominal del devanado. Si la carga solicitada supera el par disponible, el motor se cala. En reposo y con alimentación, el motor mantiene su posición con el par de retención máximo.

Servomotor: el variador sigue la velocidad de consigna hasta un techo fijado por la tensión de alimentación. Un lazo de posición proporcional con ganancia K_v deja un error de seguimiento estacionario de 6 × rpm / K_v grados. La carga aumenta la corriente hasta el límite de par máximo de corta duración, de 3 veces el par nominal, donde el eje entra en fallo en lugar de frenarse. La respuesta de asentamiento es de primer orden.

Limitaciones

Son modelos didácticos. Dejan fuera efectos que importan en la práctica, entre ellos la dependencia de los parámetros de los semiconductores con la temperatura, las capacidades e inductancias parásitas, el comportamiento en conmutación, la saturación magnética de los motores (solo se modela el núcleo del transformador) y las tolerancias de los componentes.

Algunas magnitudes se eligen para enseñar una tendencia y no para reproducir un producto concreto, como la curva de rendimiento del transformador o las constantes de tiempo de arranque de los motores.

No utilice Curvo Studio para dimensionar un componente real, seleccionar un motor ni tomar decisiones de seguridad. Para eso, recurra a la hoja de datos del fabricante y a herramientas de diseño adecuadas.