Controladores de corriente by Reynaldo Mayz

Conceptos básicos de potencia

Electrónica de Potencia

Electrónica de Control

Universidad de Oriente Núcleo de Monagas Dpto. Ing. De Sistemas CEG: ACPI

Controladores de Corriente

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Dispositivos semiconductores de potencia

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Equipo Editorial: Gimón, Nelson Mayz, Reynaldo Profesor: Ing. Edgar Goncalves

Instrumentación y Control Industrial Equipo OPC

OPC Magazine es una revista aspectos más relevantes acerca de académica concebida dentro del Curso Especial de Grado “Automatización y Control de Procesos Industriales”, de la especialidad de Ingeniería de Sistemas, en la Universidad de Oriente, Núcleo de Monagas. En esta tercera edición, dedicada al seminario de Instrumentación y Control Industrial te presentamos los

los controladores de corriente, su clasificación, características, tipos y sus utilidades en el ámbito industrial. Esperamos que este tercer material sea del agrado de todos los lectores, y los invitamos a seguir de cerca nuestras próximas publicaciones, como parte de nuestro paso por este Curso Especial de Grado. ■

Los Editores

demanda

control de energía eléctrica para los sistemas de impulsión con motores eléctricos y de controles industriales ha existido durante muchos años, y ha conducido al temprano desarrollo de sistemas para la obtención de voltajes variables de CD con los cuales controlar los impulsos de motores CD. La electrónica de potencia ha revolucionado el concepto de control de la potencia, de con

“En la electrónica de potencia se combinan la potencia, la electrónica y el control”. conversión de energía y del control de accionamiento de motores eléctricos. En la electrónica de potencia se combinan la potencia, la electrónica y el control. El control tiene que ver con las características de estado estable y dinámicas de sistemas de lazo cerrado. La potencia tiene que ver con el equipo estático y

rotatorio para la generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica. La electrónica tiene que ver con los dispositivos y circuitos de estado sólido para el procesamiento de señales. La electrónica de potencia se puede definir como las aplicaciones de la electrónica de estado sólido para el control y la conversión de la energía eléctrica. La electrónica de potencia se basa en la conmutación de dispositivos semiconductores de potencia. ■

Por Nelson Gimón

Corriente o Intensidad Eléctrica Es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material. 1Se debe al movimiento de las cargas (normalmente electrones) en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, un fenómeno que puede aprovecharse en el electroimán.

Electrónica Es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente.

Aplicaciones de la electrónica La electrónica desarrolla en la actualidad una gran variedad de tareas. Los principales usos de los circuitos electrónicos son el control, el procesado, la distribución de información, la conversión y la distribución de la energía eléctrica. Estos usos implican la creación o la detección de campos electromagnéticos y corrientes eléctricas. Entonces se puede decir que la electrónica abarca en general las siguientes áreas de aplicación: electrónica de control, telecomunicaciones y electrónica de potencia. ■

Sistema electrónico Conjunto de circuitos que interactúan entre sí para obtener un resultado. Una forma de entender los sistemas electrónicos consiste en dividirlos en las siguientes partes: transductor, circuito procesador y circuito actuador.

Por Reynaldo Mayz

Los sistemas de control son aquellos

Hay varias clasificaciones dentro de los sistemas de control. Atendiendo a su naturaleza son analógicos, digitales o mixtos; atendiendo a su estructura (número de entradas y salidas) puede ser control clásico o control moderno; atendiendo a su diseño pueden ser por lógica difusa, redes neuronales. La clasificación principal de un sistema de control es de dos grandes grupos, los cuáles son:

dedicados a obtener la salida deseada de un sistema o proceso. En un sistema general se tienen una serie de entradas que provienen del sistema a controlar, llamado planta, y se diseña un sistema para que, a partir de estas entradas, modifique ciertos parámetros en el sistema planta, con lo que las señales anteriores volverán a su estado normal ante cualquier variación.

Sistemas de lazo abierto Sistemas de lazo cerrado

Sistemas de lazo abierto

Sistemas de lazo cerrado

Sistema de control en el que la salida no tiene efecto sobre la acción de control. Se caracteriza porque la información o la variable que controla el proceso circula en una sola dirección desde el sistema de control al proceso. El sistema de control no recibe la confirmación de que las acciones se han realizado correctamente.

Sistema de control en el que la salida ejerce un efecto directo sobre la acción de control. Se caracteriza porque existe una relación de realimentación desde el proceso hacia el sistema de control a través de los sensores. El sistema de control recibe la confirmación si las acciones ordenadas han sido realizadas correctamente.

• Sí/No: En este sistema el controlador enciende o apaga la entrada y es utilizado, por ejemplo, en el alumbrado público, ya que éste se enciende cuando la luz ambiental es más baja que un nivel predeterminado de luminosidad.

• Proporcional derivativo (PD): En este sistema, la velocidad de cambio de la señal de entrada se utiliza para determinar el factor de amplificación, calculando la derivada de la señal.

• Proporcional (P): En este sistema la amplitud de la señal de entrada al sistema afecta directamente la salida, ya no es solamente un nivel prefijado sino toda la gama de niveles de entrada. Algunos sistemas automáticos de iluminación utilizan un sistema P para determinar con qué intensidad encender lámparas dependiendo directamente de la luminosidad ambiental.

• Proporcional integral (PI): Este sistema es similar al anterior, solo que la señal se integra en vez de derivarse. • Proporcional integral derivativo (PID): Este sistema combina los dos tipos anteriores. • Redes neuronales: Este sistema modela el proceso de aprendizaje del cerebro humano para aprender a controlar la señal de salida. ■

Por Reynaldo Mayz

De esta manera, la electrónica de potencia permite adaptar y transformar la energía eléctrica para distintos fines tales como alimentar controladamente otros equipos, transformar la energía eléctrica de continua a alterna o viceversa, y controlar la velocidad y el funcionamiento de máquinas eléctricas, etc. mediante el empleo de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control, sistemas de compensación de factor de potencia y/o de armónicos como para suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión de sistemas eléctricos de potencia de distinta frecuencia.

“El principal objetivo de esta disciplina es el manejo y transformación de la energía de una forma eficiente.”

La expresión electrónica de potencia se utiliza para diferenciar el tipo de aplicación que se le da a dispositivos electrónicos, en este caso para transformar y controlar voltajes y corrientes de niveles significativos. Se diferencia así este tipo de aplicación de otras de la electrónica denominadas de baja potencia o también de corrientes débiles. En este tipo de aplicación se reencuentran la electricidad y la electrónica, pues se utiliza el control que permiten los circuitos electrónicos para controlar la conducción (encendido y apagado) de semiconductores de potencia para el manejo de corrientes y voltajes en aplicaciones de potencia. Esto al conformar equipos denominados convertidores estáticos de potencia.

El principal objetivo de esta disciplina es el manejo y transformación de la energía de una forma eficiente, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule.

Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, los cuales derivan del diodo o el transistor. Entre estos se encuentran los siguientes: • Rectificador controlado de silicio (SCR en inglés) •

Triac

• Transistor IGBT, sigla para Insulated Gate Bipolar Transistor, Transistor Bipolar con compuerta aislada • Tiristor GTO, sigla para Gated Turnoff Thyristor, Tiristor apagado por compuerta • Tiristor IGCT, sigla para Insulated Gate Controlled Thyristor, Tiristor controlado por compuerta • Tiristor MCT, sigla para MOS Controlled Thyristor

De acuerdo al tipo de componente de potencia que se utiliza en la construcción de estos controladores de corriente, los mismos se clasifican en dos tipos fundamentales, como lo son los controladores de corriente controlados y los controladores de corriente semicontrolados. ■

Por Nelson Gimón

Para

estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, los cuales derivan del diodo o el transistor. Entre estos se encuentran los siguientes:

Rectificador controlado de silicio

TRIAC

Es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y gate (puerta). Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Trabajando en corriente contInua, se necesita un circuito de bloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito.

Un TRIAC o Triodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna. Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos SCR en direcciones opuestas. Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente al electrodo puerta.

Aplicaciones del TRIAC

Transistor IGBT

• Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas.

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo.

• Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés. • Funciona como electrónico y también a pila.

interruptor

• Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos, se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corriente alterna. Debido a su poca estabilidad en la actualidad su uso es muy reducido.

Tiristor GTO Un Tiristor GTO o simplemente GTO (del inglés Gate Turn-Off Thyristor) es un dispositivo de electrónica de potencia que puede ser encendido por un solo pulso de corriente positiva en la terminal puerta o gate (G), al igual que el tiristor normal; pero en cambio puede ser apagado al aplicar un pulso de corriente negativa en el mismo terminal. Ambos estados, tanto el estado de encendido como el estado de apagado, son controlados por la corriente en la puerta (G). El proceso de encendido es similar al del tiristor. Las características de apagado son un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a través de las terminales puerta (G) y cátodo (C o K), la corriente en la puerta (ig), crece.

Cuando la corriente en la puerta (G) alcanza su máximo valor, IGR, la corriente de ánodo comienza a caer y el voltaje a través del dispositivo (VAK), comienza a crecer. El tiempo de caída de la corriente de ánodo (IA) es abrupta, típicamente menor a 1 us. Después, la corriente de ánodo varía lentamente y ésta porción de la corriente de ánodo es conocido como corriente de cola. La razón (IA/IGR) de la corriente de ánodo IA a la máxima corriente negativa en la puerta (IGR) requerí-da para el voltaje es baja, comúnmente entre 3 y 5. Por ejemplo, para un voltaje de 2500 V y una corriente de 1000 A, un GTO normalmente requiere una corriente negativa de pico en la puerta de 250 A para el apagado.

Tiristor IGCT Un Tiristor Controlado por Puerta Integrada o simplemente Tiristor IGCT (del inglés Integrated Gate-Commutated Thyristor) es un dispositivo semiconductor empleado en electrónica de potencia para conmutar corriente eléctrica en equipos industriales. Es la evolución del Tiristor GTO (del inglés Gate Turn-Off). Al igual que el GTO, el IGCT es un interruptor controlable, permitiendo además de activarlo, también desactivarlo desde el terminal de control Puerta o G (del inglés Gate). La electrónica de control de la puerta está integrada en el propio tiristor.

Aplicaciones del MCT El MCT se han utilizado en varias aplicaciones, algunas de las cuales se encuentran en la zona de ac-dc y la conversión de corriente alterna-alterna, donde la entrada es de 60 Hz de corriente alterna. Funcionamiento variable del factor de potencia se logró mediante el MCT como una fuerza conmutado de interruptor de alimentación. El circuito de potencia de un controlador de voltaje de corriente alterna capaz de operar a una de las principales, por detrás, y el factor de potencia se muestra en la Ilustración 3. Debido a la frecuencia de conmutación es baja, las pérdidas de conmutación son insignificantes. Debido a la caída directa es baja, las pérdidas de conducción son también pequeñas. La MCT también se utiliza en los interruptores. ■

Tiristor controlado por MOSFET Es una mejora sobre un tiristor con un par de MOSFET para encender y apagar actual. El MCT por sus siglas en inglés supera varias de las limitaciones de la los dispositivos existentes de poder y promete ser un cambio mejor para el futuro. Si bien hay varios dispositivos en la familia MCT con distintas combinaciones de canales y estructuras de la puerta.

Los fundamentos de la electrónica de potencia están bien establecidos, y no cambian con rapidez. Sin embargo las características de los dispositivos mejoran continuamente y se van agregando nuevos diseños. La electrónica de potencia tiene que ver con las aplicaciones de la de la electrónica de estado sólido para el control y la conversión de la energía eléctrica. Las técnicas de conversión requieren el encendido y apagado de dispositivos semiconductores de potencia. Los circuitos eléctricos de bajo nivel generan las señales requeridas de excitación para los dispositivos.

Los dispositivos de conmutación de potencia, como por ejemplo los BJT, MOSFET, SIT, IGBT, SITH, SCR, TRAIC, GTO, MTO, ETO, IGCT, y otros dispositivos semiconductores, están siendo utilizados cada vez más en una amplia gama de productos. Con la disponibilidad de dispositivos de interrupción más rápidos, las aplicaciones de los modernos microprocesadores y el proceso digital de señales, para sintetizar la estrategia de control de los dispositivos de control que cumplan con las especificaciones de conversión, están ensanchando el campo de la electrónica de potencia. ■ 12

 Programa de computación Microsoft. (2010). Controladores de Potencia, Controladores AC AC [Programa de computación]. Caracas. Universidad Simón Bolivar. Autor: Prof Alexarder Bueno M.  Rashid, M. (2004). Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones [Libro en Linea]. Consultado el 20 de octubre de 2014 en: http://books.google.es/books?hl=es&lr=&id=5OXh2vdmCRsC&oi=fnd&pg=PR19&d q=electronica+de+control&ots=9skTyzbfiv&sig=W0AiavOfr6p2o_TMzFThOkP7to#v=onepage&q=electronica%20de%20control&f=false  Wikipedia Enciclopedia Libre (2014). [Página web en Linea]. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Triac http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_IGBT http://es.wikipedia.org/wiki/Rectificador_controlado_de_silicio http://es.wikipedia.org/wiki/Tiristor_GTO http://es.wikipedia.org/wiki/Tiristor_IGCT http://es.wikipedia.org/wiki/Tiristor_MCT 13