Universidad de Oriente

Núcleo de Monagas

Ingeniería de Sistemas

Cursos Especiales de Grado

Área: Automatización y Control de Procesos Industriales

Instrumentación de Control Industrial

Maturín/Monagas/Venezuela

CONTROLADORES DE CORRIENTE

Seminario: Instrumentación de Control Industrial

Equipo: ERP

Augusta J. López R. C.I.:19.853.249

Nicolás H. Mekari L. C.I.:20.915.259

Tutor: Ing. Edgar Goncalves

Maturín, Octubre 2014

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN........................................................................................................................................... 1

MARCO TEORICO....................................................................................................................................... 2

Controladores de Corriente.................................................................................................................2

Electrónica de control........................................................................................................................2

Clasificación............................................................................................................................................2

Tipos........................................................................................................................................................... 3

Electrónica de Potencia........................................................................................................................ 4

Dispositivos semiconductores de potencia............................................................................4

DISCUSIÓN...................................................................................................................................................... 7

CONCLUSIONES....................................................................................................................................... 10

BIBLIOGRAFIA............................................................................................................................................ 11

INTRODUCCIÓNLa demanda de 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 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 que cumplan con los objetivos deseados en el control. 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 principalmente en la conmutación de dispositivos semiconductores de potencia. Con el desarrollo de la tecnología de los semiconductores de potencia las complejidades de manejo de potencia y la rapidez de conmutación de los dispositivos de potencia ha mejorado en forma considerable. El desarrollo de los microprocesadores y la tecnología de microcomputadora tiene un gran impacto sobre el control y la sintonización de la estrategia de control para los dispositivos semiconductores de potencia.

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MARCO TEORICO

Controladores de Corriente

 Este circuito lo que hace es limitar el paso de la corriente como lo hace una resistencia en DC, nosotros por medio de un potenciómetro podemos variar ese limite que queremos suministrar como consumo sin que la tensión varié en lo mas mínimo, es decir este circuito funciona como una resistencia variable. 

Controladores AC tienen como finalidad suministrar tensión y corriente alterna o variable a partir de una fuente alterna. Su operación se basa en la conexión y desconexión a intervalos regulares de la fuente sobre la carga. Este convertido esta conformado por dos semiconductores de potencia colocados en antiparalelo que controlan la conexión de la fuente en cada semiciclo. Por el tipo de componente de potencia que se utiliza en su construcción se clasifican en dos tipos: Controlado (SCR o TRIAC) y Semicontrolado (SCR y Diodo).

Electrónica de control

Los sistemas de control son aquellos 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.

Clasificación

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:

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Sistema de lazo abierto: 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 circulan 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 lazo cerrado: 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.

Tipos

Los principales tipos de sistemas de control son:

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 (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 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 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.

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Electrónica de Potencia.

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.

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, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule. Los principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así como semiconductores trabajando en modo corte/saturación (on/off, encendido y apagado).

Dispositivos semiconductores de potencia

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

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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

El rectificador controlado de silicio: (en inglés SCR: Silicon Controlled Rectifier) es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron) y Transistor. Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y gate (puerta). La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. 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. El pulso de conmutación ha de ser de una duración considerable, o bien, repetitivo si se está trabajando en corriente alterna. En este último caso, según se atrase o adelante el pulso de disparo, se controla el punto (o la fase) en el que la corriente pasa a la carga. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento (en la práctica, cuando la onda senoidal cruza por cero).

Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor, éste puede dispararse y entrar en conducción aún sin corriente de puerta. Por ello se da como característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador parásito existente entre la puerta y el ánodo. Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control, especialmente control de motores, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electrónico.

TIRAC: 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

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(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 más comunes de TIRAC

Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo

muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés.

Funciona como interruptor electrónico y también a pila. 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.

Transistor IGBT: 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. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían sido viables hasta entonces, en particular en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en máquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: automóvil, tren, metro, autobús, avión, barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (en Inglés UPS), etc.

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

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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 de esto, 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) requerida 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.

Tiristor MCT: La abreviación MCT significa MOS Controlled Thyristor, o en castellano, tiristor controlado por MOS. Es un dispositivo semiconductor desarrollado originalmente por Motorola y que combina las características de un tiristor y una compuerta MOS (metal oxide semiconductor).

DISCUSIÓN

A medida que se desarrolla la tecnología de dispositivos semiconductores y circuitos integrados de potencia, se ensancha el potencial para las aplicaciones de la tecnología de potencia. Ya existen muchos semiconductores de potencia que se consiguen en el comercio, y sin embargo continua el desarrollo en esta dirección. Los convertidores de potencia por lo general son de seis categorías, rectificadores, convertidores CA-CD, convertidores CD-CD, convertidores CD-CA e interruptores estáticos. El diseño de circuitos electrónicos requiere diseñar los circuitos de potencia de control. Las armónicas de voltaje y de corriente que generan los

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convertidores de potencia se pueden reducir, o minimizar, con una elección adecuada de la estrategia de control.

En este mismo contexto, para poder existir los controladores de corriente en la automatización industrial tuvo que haber existido la electrónica de control. Debido a esto podemos señalar entonces que los sistemas de control son aquellos 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 controlado, llamado planta y se diseña un sistema para que, a partir de esta entradas, se puedan modificar ciertos parámetros en el sistema planta con lo que las señales anteriores volverán a su estado normal ante cualquier variación.

Por esta razón podríamos destacar algunos aspectos relevantes de los controladores de corriente como lo es que estos tiene como finalidad suministrar tensión y corriente alterna variable a partir de una fuente alterna. Debido a que su operación se basa en la conexión y desconexión a intervalos regulares de la fuente sobre la cargar. Además este convertidor esta conformado por dos semiconductores de potencia colocados en antiparalelo que controlan la conexión de la fuente en cada semiciclo.

Por otro lado tenemos que 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 entre los que se destacan los SCR o los TRIAC y los controladores de corriente semicontrolados entre los que se destacan los Diodos y los SCR.

Siguiendo entonces con la discusión del tema de investigación, es importante concluir con las diferentes y mas comunes aplicaciones de los tipos mas destacados de dispositivos mencionados en la sección anterior, entre los cuales destacan:

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Los SCR, los cuales se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo de control, específicamente en el control de motores, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo eléctrico.

Tenemos también a los TRIAC, dichos TRIAC´s (mas que todo los de baja potencia), se utilizan 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 TRAIC se apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda de corriente alterna.

Por otra parte los IGBT, son usados en aplicaciones de altas y media energía como fuente conmutada, control de la tracción de motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltaje de bloqueo de 6.000 voltios.

Destacando también el tiristos GTO, se puede señalar que a bajos niveles de potencia los semiconductores de conmutación rápida son preferibles. En la conversión de AC-DC, los GTO´s, son útiles porque las estrategias de conmutación que posee pueden ser para regular la potencia, como el factor de potencia.

Y por ultimo pero no menos importante el tiristor controlado por Mosfet (MCT), se ha utilizado en varias aplicaciones, algunas de las cuales se encuentran en la zona de AC-DC y la conversión de corriente alterna donde la entrada es de 60 Hz de corriente alterna.

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CONCLUSIONES

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 solido 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, que normalmente consisten en circuitos integrados y componentes discretos, generan las señalas requeridas de excitación para los dispositivos. Los circuitos integrados y los componentes discretos están siendo reemplazados por microprocesadores y circuitos integrados de procesamiento de señales.

Un dispositivo ideal de potencia no debe tener limitaciones de conexión y desconexión, en términos de tiempo de encendido, tiempo de apagado, y posibilidades de manejo de corriente y voltaje. La tecnología de semiconductores de potencia está desarrollando con rapidez los dispositivos, cada vez con limites mayores de voltaje y corriente.

Los dispositivos de conmutación de potencia, como por ejemplo los BJT, MOSFET, SIT, IGBT, SITH, SCR, TRAIC, GTO, MTO, ETO, IGCT, todos ellos de potencia, 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

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BIBLIOGRAFIA

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&dq=electronica+de+control&ots=9skTyzbfiv&sig=W0AiavOfr-6p2o_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

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