Control de potencia eléctrica calefactora: Del Triac al Tiristor

¿Qué es el Relé de estado sólido (SSR)?

Su concepto operativo y de aplicación sigue siendo el de “interruptor estático” en aplicaciones que van desde unos pocos amperios hasta 4000. Propiamente, dependiendo del tipo e intensidad de la aplicación, un SSR puede contener un triac o un par de tiristores en anti-paralelo, para aplicaciones de CA, o un transistor mosfet o un IGBT para aplicaciones de CC.

Generalmente obedecen a una señal de mando lógica, permaneciendo en conducción mientras esta está activa y dejando de conducir al desactivarse. Un optoacoplador y una reducida electrónica proporcionan el aislamiento y las prestaciones de “disparo” mínimas (“disparo instantáneo” o “al paso por cero”).

Típicamente, en su aplicación industrial, con intensidades superiores a 15 A., nos solemos referir a ellos como contactores de estado sólido (SSC) y se fabrican, tanto en versiones monofásicas, como trifásicas; en este último caso, cabe destacar las configuraciones que solo controlan la conducción de dos de las fases quedando la tercera controlada implicitamente por estas, cuando en la conexión no se dispone neutro.

¿Qué son los Controladores de potencia?

Cuando los dispositivos anteriores se dotan de la electrónica necesaria para poder establecer un lazo de control que permita regular alguno de los parámetros eléctricos de la carga tales como la tensión, la corriente o la potencia, hablaremos de “controladores de potencia”. En este sentido, y bajo el punto de vista de los sistemas calefactores eléctricos, las variables más utilizadas son  Vrms, V² , Irms, I² o VxI.

Como en el caso anterior, se dispone de versiones monofásicas y trifásicas.

Atendiendo a diversos aspectos (tipo de carga, tiempo de respuesta,…) cobra especial importancia la manera en que se implementa el “disparo” del dispositivo, en nuestro caso, dos tiristores en anti-paralelo (SCRs):

¿Qué tipos de disparo existen?

Disparo lógico

El dispositivo conduce tras activarse la entrada lógica y producirse 2 ó 3 cruces por cero de la tensión de alimentación (dependiendo del momento en que se presente el flanco de subida de dicha entrada lógica). Simétricamente, deja de conducir al desactivarse la entrada lógica y producirse 2 ó 3 cruces por cero de la corriente de alimentación.

Con cargas resistivas, la tensión y la corriente están "en fase" (cruzan por cero simultáneamente). Conforme aumenta la componente inductiva de una carga, aparece un desfase entre ambas magnitudes (la corriente retrasa respecto a la tensión) que crece al incrementarse la inductancia. Este hecho comporta que este modo de disparo no sea recomendable con cargas que presentan un cierto nivel de inductancia.

Disparo por ráfagas fijo

En este modo de disparo, Tcyc es un número entero ajustable que establece la duración fija equivalente al número de ciclos de tensión de alimentación. La potencia se controla variando el coeficiente entre el periodo de encendido (Ton) y apagado (Toff), mientras Tcyc permanece constante.

Disparo por ráfagas variable

En condiciones de carga resistiva “normal” (pequeño coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura), es el modo de disparo más adecuado para la implantación de un lazo de control de temperatura. El tiempo de encendido es un número de ciclos especificado (parámetro “Min On Time” del menú del modulador) y el control de la potencia se consigue variando el tiempo de apagado, si la demanda es inferior al 50%; de forma simétrica, cuando la demanda es superior al 50%, “Min On Time” establece el número de ciclos del tiempo de apagado, mientras que se varía la duración del tiempo de encendido para proporcionar la potencia demandada. 

Control del ángulo de fase

Este modo de disparo controla la potencia modificando el ángulo de conducción en cada semiperíodo de la onda de tensión que se aplica a la carga, disparando el dispositivo en el punto requerido entre 0 y 180º. La figura que sigue muestra un ejemplo para una potencia del 50 %.

Modo de medio ciclo

El modo de disparo por ráfagas con un solo ciclo de encendido (o apagado) se conoce como modo de medio ciclo. Con el fin de reducir las fluctuaciones de potencia durante el encendido, el modo de medio ciclo inteligente utiliza medios ciclos como periodos de encendido/apagado. Los ciclos continuos positivos y negativos se igualan para garantizar que no se produzca una componente CC. Los siguientes ejemplos describen el modo de medio ciclo para ciclos de funcionamiento del 50%, 33% y 66%.

• • Ciclo de funcionamiento del 50%

El tiempo de encendido y apagado corresponde al de un ciclo de alimentación sencilla.

• • Ciclo de funcionamiento del 33%

Para ciclos de funcionamiento inferiores al 50 %, el tiempo de encendido es de medio ciclo y se ajusta la demanda variando el número de semiperiodos de apagado. Para un ciclo de funcionamiento del 33 %, el tiempo de encendido es de medio ciclo y el de apagado de dos medios ciclos.

• • Ciclo de funcionamiento del 66%

Para ciclos de funcionamiento superiores al 50%, el tiempo de apagado es de medio ciclo y se ajusta la demanda variando el número de semiperíodos de encendido. Para un ciclo de funcionamiento del 66%, el tiempo de encendido es de dos medios ciclos y el de apagado de un medio ciclo.

Tipo de realimentación

Todos los tipos de realimentación (excepto ‘Lazo abierto') se basan en la medición, en tiempo real, de parámetros eléctricos que se normalizan (se le hace corresponder como imagen 100%) sobre sus valores nominales equivalentes. Así, Vrms medido se normaliza sobre el voltaje nominal; V² se normaliza sobre el cuadrado de la tensión nominal y 'P' se normaliza sobre el producto de la tensión nominal por la corriente nominal.

V²                La realimentación es directamente proporcional al cuadrado del voltaje RMS medido en bornes de la carga. Para sistemas bifásicos o trifásicos, la realimentación es proporcional al promedio de los cuadrados del voltaje RMS individual de fase a fase o fase a neutro en cada carga.

Potencia       La realimentación es directamente proporcional a la potencia real total entregada a la carga.

I²                  La realimentación es directamente proporcional al cuadrado de la corriente RMS que atraviesa la carga. Para sistemas bifásicos o trifásicos, la realimentación es proporcional al promedio de los cuadrados de las corrientes de carga RMS individuales.

Vrms            La realimentación es directamente proporcional a la tensión RMS medida en bornes de la carga o, para sistemas multifásicos, al promedio de las tensiones de carga RMS individuales de fase a fase o fase a neutro.

Irms             La realimentación es directamente proporcional a la corriente RMS que atraviesa la carga o, para sistemas multifásicos, al promedio de las corrientes de carga RMS individuales.

Lazo abierto Sin realimentación de medición. El ángulo de disparo del tiristor en el modo “ángulo de fase”, o el ciclo de trabajo en el modo de “disparo por ráfagas”, son proporcionales al punto de consigna.

Control avanzado. ¿Qué es el Modo de transferencia?

El sistema de control permite la transferencia automática de ciertos parámetros de retroalimentación. Por ejemplo, con cargas con resistencia en frío muy baja, debería utilizarse la realimentación I² para regular la corriente de entrada, sin exceder la intensidad nominal establecida, pero, una vez que la carga comience a calentarse (comienza a incrementar su valor óhmico), debería utilizarse la realimentación de potencia. En los controladores de potencia de Eurotherm, el programa de control puede configurarse para cambiar el modo de realimentación automáticamente. Así, el modo de transferencia podría seleccionarse como “de I² a P” o bien “de Irms a P”, según lo apropiado para el tipo de carga controlada.

Limitación de la corriente

Con el fin de evitar corrientes de entrada potencialmente peligrosas, típicamente, se dota de manera opcional a este tipo de equipos, de la posibilidad de poder fijar un valor máximo para P o  I² que no debe ser sobrepasado. Esta limitación se implementa utilizando una reducción del ángulo de fase, una reducción del ciclo de funcionamiento o una desconexión (Chop Off), en función del tipo de "disparo” configurado. Para cargas que presenten una baja impedancia a temperaturas bajas, pero una impedancia superior en la temperatura de funcionamiento, la intensidad se reduce a medida que se calienta la carga y la limitación se convierte, progresivamente, en innecesaria. La superposición de un lazo de control limitador, permite al usuario introducir una variable de proceso (PV) y un punto de consigna (SP) para cada fase, donde la PV es el valor que debe limitase (por ejemplo I²) y el SP es el valor que no debe superar dicha PV:

• • Limitación del ángulo de encendido

    Para controlar el ángulo de fase, la limitación se obtiene reduciendo el ángulo de encendido en cada medio ciclo de forma que la PV seleccionada como parámetro relevante, no exceda el valor límite (SP) de dicho parámetro. Cuando la limitación se activa, reduciéndose el ángulo de fase se consigue mantener la PV próxima al SP.

    

  • Limitación del ciclo de funcionamiento

    Únicamente para el encendido por ráfagas, la limitación reduce el estado de activación del encendido por ráfagas que acciona la carga. La potencia activa, la tensión y la intensidad de carga se calculan en la duración de cada periodo Ton + Toff.

  • CHOP OFF

    Se trata de una técnica de limitación que detecta un estado de alarma por sobrecorriente e impide el encendido del tiristor durante la duración de dicho estado.

Básicamente, hay dos alarmas que pueden originar  una activación del “Chop Off”:

1.- La alarma se activa cuando la corriente medida rebasa, durante más de 5 s. un umbral “ChopOff1 Threshold” ajustable entre 100 y 150%.

2.- La alarma se activa cuando un umbral “ChopOff2 Threshold” (ajustable, entre 100 y 350%) es rebasado un número prestablecido de veces “Number Chop Off” (ajustable, 1 a 16), en el intervalo de un tiempo “Window Chop Off” (ajustable, 1 a 65535 s.)

Cuando la unidad bloquea el encendido por una alarma de “Chop Off”, permanece en este estado hasta que es reconocida por el operador.

En este punto, concluimos esta primera aproximación al fundamento del Controlador de Potencia y a sus prestaciones más habituales. Una realidad industrial, con materiales y acabados cada vez más exigentes, justifican el incremento en la presencia de cargas “especiales” (resistencias cerámicas con alto coeficiente de variación con la temperatura, infrarrojos -IR- de corta longitud de onda, calentamiento por inducción a frecuencia de red,..). Paralelamente, la apremiante necesidad de una mayor eficiencia en los sistemas calefactores eléctricos (aumento de la vida de los equipamientos, reducción del consumo energético y de los costes y tiempos de mantenimiento), configuran un marco de gran interés para las aplicaciones y el desarrollo de este dispositivo.

Eurotherm mantiene un carácter innovador, aplicando técnicas avanzadas y liderando la fabricación, suministro y aplicación de estos controladores.