Scribd is down for maintenance.

SERVICIO NACIONAL DE ADIESTRAMIENTO EN TRABAJO INDUSTRIAL

OCUPACIÓN:

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

MANUAL DE APRENDIZAJE

MÓDULO FORMATIVO:

Control Electrónico de Maquinas Industriales

Técnico de Nivel Operativo

AUTORIZACIÓN Y DIFUSIÓN

MATERIAL DIDÁCTICO ESCRITO FAMILIA OCUPACIONAL

ELECTROTECNIA

OCUPACIÓN

CONTROLISTA DE MÁQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

NIVEL

TÉCNICO OPERATIVO

Con la finalidad de facilitar el aprendizaje en el desarrollo de la formación y capacitación en la ocupación de CONTROLISTA DE MÁQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES a nivel nacional y dejando la posibilidad de un mejoramiento y actualización permanente, se autoriza la APLICACIÓN Y DIFUSIÓN de material didáctico escrito referido a CONTROL ELECTRÓNICO DE MÁQUINAS INDUSTRIALES. Los Directores Zonales y Jefes de Unidades Operativas son los responsables de su difusión y aplicación oportuna.

DOCUMENTO APROBADO POR EL GERENTE TÉCNICO DEL SENATI N° de Página……188……

Firma …………………………………….. Nombre: Jorge Saavedra Gamón Fecha: ………04.09.14…….

Registro de derecho de autor:

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

INDICE 1. Presentación........................................................................

3

2. Tarea 1............................................................................... 4 – 28 Montaje de circuitos rectificadores trifásicos no controlados. 3. Tarea 2............................................................................... 29 – 58 Montaje de circuitos de disparo de SCR y TRIAC. 4. Tarea 3............................................................................... 59 – 76 Montaje de circuitos rectificadores trifásicos controlados. 5. Tarea 4............................................................................... 77 – 94 Montaje y comprobación de circuitos inversores con SCR. 6. Tarea 5.............................................................................. 95 – 107 Montaje y comprobación de circuitos troceadores. 7. Tarea 6............................................................................. 108 – 118 Montaje y comprobación de circuitos cicloconvertidor. 8. Tarea 7.............................................................................. 119 – 140 Montaje de circuitos de mando electrónico de motores. 9. Tarea 8............................................................................. 141 – 155 Montaje de circuitos para el control de velocidad de motores DC y AC. 10. Tarea 9..............................................................................156 – 183 Instalación y mantenimiento de sistemas de generación eólico.

11. Hojas de Trabajo.......................................... ...................... 184 – 187

12. Bibliografía..........................................................................

188

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

PRESENTACION El presente Manual de Aprendizaje de la especialidad de Controlista de Máquinas y Procesos Industriales, del Programa de Aprendizaje Dual, corresponde al curso 04.04.03 Control Electrónico de Máquinas Industriales y tiene como objetivo analizar, montar, detectar fallas y reparar los circuitos electrónicos de potencia, utilizando instrumentos de medición electrónicos.

El Modulo Formativo Control Electrónico de Máquinas Industriales esta compuesto por las siguientes tareas: - Montaje de circuitos rectificadores trifásicos no controlados. - Montaje de circuitos de disparo de SCR y TRIAC. - Montaje de circuitos rectificadores trifásicos controlados. - Montaje y comprobación de circuitos inversores con SCR. - Montaje y comprobación de circuitos troceadores. - Montaje y comprobación de circuitos cicloconvertidor. - Montaje de circuitos de mando electrónico de motores. - Montaje de circuitos para el control de velocidad de motores DC y AC - Instalación y mantenimiento de sistemas de generación eólico.

.

Elaborado en la Zonal:

Lambayeque Cajamarca Norte

Año:

2004

Instructor:

Ing. Julio Quispe Rojas.

RECTIFICADOR TRIFASICO DE MEDIA ONDA Isrms

Idiodo

L1 EL EF

EL

L2 EF EDC

L3 PIV

IDC

RECTIFICADOR TRIFASICO DE ONDA COMPLETA

D1

D3

D5

L1 EL

EL

EDC

L2 EF

L3

IDC D4

Nº

1

2 3

4

5

PZA

ORDEN DE EJECUCIÓN

D6

D2

HERRAMIENTAS / INSTRUMENTOS/MATERIALES

IDENTIFIQUE LOS TERMINALES DE DIODOS TRANSFORMADOR TRIFASICO. RECTIFICADORES. DIODOS RECTIFICADORES. PROBAR TRANSFORMADOR TRIFASICO. MULTIMETRO DIGITAL, PROTOBOARD, MONTE CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFASICO OSCILOSCOPIO. DE MEDIA ONDA. CONDUCTORES VARIOS CALIBRE 18 Y 22 MONTE CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFASICO AWG Y ENCHUFE. DE ONDA COMPLETA. PINZAS, ALICATE DE CORTE. VERIFIQUE FUNCIONAMIENTO DE CADA CIRCUITO ELECTRONICO DE POTENCIA

CANT

RESISTENCIAS Y CINTA AISLANTE.

DENOMINACIÓN–NORMA/ DIMENSIONES

MATERIAL

MONTAJE DE CIRCUITOS RECTIFICADORES HT TRIFASICOS NO CONTROLADOS Tiempo:4 Horas CONTROLISTA DE MAQUINAS Y Escala: -----PROCESOS INDUSTRIALES

OBSERVACIONES

REF: HT-01 HOJA: 1 / 1

2004 4

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES OPERACIÓN PROBAR ESTADO DE DIODOS RECTIFICADORES DE POTENCIA DESCRIPCIÓN

Para montar un circuito rectificador se debe tener los componentes del circuito en buen estado y con los terminales identificados. Identificar los terminales de los DIODOS RECTIFICADORES DE POTENCIA y verificar si está en buen estado, mediante medición con multímetro y haciendo funcionar en un circuito electrónico simple.

PROCESO DE EJECUCIÓN 1º PASO:

Identifique terminales del DIODO RECTIFICADOR DE POTENCIA en el manual de componentes electrónicos, en la sección Industrial Rectifiers

2º PASO:

Tome el multímetro digital y seleccione el selector en la escala del símbolo del DIODO ..

DIODO

-

+

MULTIMETRO

3º PASO:

Halle entre los dos terminales una resistencia baja; el terminal conectado a la punta de prueba positiva es el ánodo y el negativo corresponde al cátodo.

4º PASO:

Arme el circuito mostrado y alimente con la fuente de prueba 100 Vdc-3A.

OBSERVACIONES Los voltajes que se usan son 220 V. 60 Hz. Peligrosos para la integridad de las personas si se toma contacto con el cuerpo, se debe trabajar sin tensión y luego de verificado por el instructor, alimentar el circuito y medir, luego desconectar inmediatamente. Se deben aplicar las precauciones para el uso de las corrientes alternas. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-01

1 / 2

5

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

DIODO A PROBAR

FUENTE DE PRUEBA

100 VDC - 3A 5º PASO:

Mida con el multimetro en la escala de voltaje DC 20 VDC, Con la punta de prueba positiva en A y con la punta de prueba negativa en B, La lectura del Multimetro debe ser aproximadamente 1 V.

6º PASO:

Mida con el multimetro en la escala de voltaje DC 200 VDC, Con la punta de prueba positiva en B y con la punta de prueba negativa en C, La lectura del Multimetro debe ser aproximadamente 50 V.

7º PASO:

Arme el circuito mostrado y alimente con la fuente de prueba 100 Vdc-3A.

DIODO A PROBAR

FUENTE DE PRUEBA

100 VDC - 3A 8º PASO:

Repita el paso 6 entre los puntos A y B, y los puntos B y C, los resultados deben ser 90 v. y 0 v. respectivamente y registrar los datos, para hacer un cuadro. Si los resultados son aproximados a los indicados el diodo esta en buen estado.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-01

2 / 2

6

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN PROBAR TRANSFORMADOR TRIFASICO

DESCRIPCIÓN El transformador es la parte del circuito rectificador que permite elevar o reducir la tensión que debe alimentar al rectificador para obtener la corriente continua. El transformador Trifásico monofásicos.

se puede considerar como tres transformadores

Para verificar el estado del transformador, se debe probar la continuidad y el aislamiento de cada uno de los bobinados.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Identifique los bornes de los bobinados, primarios y tres pares para los secundarios.

tres pares para los

2º PASO:

Medir la continuidad de cada bobinado con el multímetro en la escala de ohmimetro, midiendo una baja resistencia: A.- Conecte la punta de prueba del multimetro uno en el terminal 1U1 y el otro en el terminal 1U2; B.- El multímetro debe mostrar una baja resistencia. C.- Registrar en el cuadro el valor leído. D.- Repetir los pasos A, B y C para las otras 5 bobinas.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-02

1 / 2

7

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

BOBINA

TERMINALES

1U

1U1

-

1U2

1V

1V1

-

1V2

1W

1W1

-

1W2

2U

2U1

-

2U2

2V

2V1

-

2V2

2W

2W2

-

2W2

3º PASO:

MEDICION

Verifique que no haya continuidad entre dos bobinas cualquiera, mida con el multimetro en la escala ohmimetrica y obtendrá muy alta resistencia: A.- Conecte la punta de prueba en el terminal 1U1 y el otro en 1V1. B.- El multimetro debe mostrar muy alta resistencia. C.- Repita los pasos A y B, usando el terminal 1U1 con 1W1, luego con 2U1, 2V1 y 2W1 D.- Repita los pasos A y B, usando el terminal 1V1 con 1W1, luego con 2U1, 2V1 y 2W1 E.- Repita A y B para 1W1 con 2U1, 2V1 y 2W1. F.- Repita A y B para 2V1 con 2V1 y 2W1 G.- Repita A y B para 2V1 con 2W1

4º PASO:

Anote los terminales que en el paso anterior no cumplieron con tener muy alta resistencia.

5º PASO:

Si el cuadro de continuidad cumple con presentar baja resistencia y si hay muy alta resistencia entre los terminales de dos bobinas distintas, para todos los terminales de las bobinas, el transformador esta en buen estado.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-02

2 / 2

8

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN MONTAR CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFASICO NO CONTROLADO DESCRIPCIÓN

Los circuitos Rectificadores Trifásicos No Controlados utilizan como elemento rectificador al diodo y utilizan la corriente alterna trifásica. Los rectificadores trifásicos pueden ser de media onda y onda completa tipo puente.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Arme el circuito RECTIFICADOR TRIFASICO DE MEDIA ONDA, mostrado.

Isrms

Idiodo

L1 EL EF

EL

L2 EF EDC

L3 PIV

IDC

2º PASO:

Verifique las conexiones y alimente con 220 V. - 60Hz trifásico.

3º PASO:

Conecte el osciloscopio y observe en un canal, la tensión de fase del secundario EF y en el otro canal, la tensión en la carga EDC.

4º PASO:

Dibuje la forma de onda y mida el voltaje máximo y mínimo de la señal.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-03

1 / 2

9

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES 5º PASO:

Mida con voltímetro DC la tensión en la carga EDC, calcule el valor teórico, y compare el valor calculado con el valor medido.

6º PASO:

Arme el circuito RECTIFICADOR COMPLETA, mostrado.

TRIFASICO

D1

D3

DE

ONDA

D5

L1 EL

EL

EDC

L2 EF

L3

IDC D4

7º PASO:

D6

D2

Repita los pasos 2,3, 4 y 5.

OBSERVACION Los voltajes que se usan son 220 V. 60 Hz. Peligrosos para la integridad de las personas si se toma contacto con el cuerpo, se debe trabajar sin tensión y luego de verificado por el instructor, alimentar el circuito y medir, luego desconectar inmediatamente. Se deben aplicar las precauciones para el uso de las corrientes alternas.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-03

2 / 2

10

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN VERIFICAR POTENCIA

FUNCIONAMIENTO

DEL

CIRCUITO

ELECTRONICO

DE

DESCRIPCIÓN

Los componentes electrónicos, como todo componente por el que circula corriente eléctrica, disipa color y los componentes electrónicos de potencia, por consumir mayor potencia, están sometidas a una mayor disipación de color. Se debe verificar que la temperatura no sea alta, mantenga entre 30°C y 40°C, y cuando utiliza disipadores, estos deben estar adecuadamente conectados y en contacto directo con el componente.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Verifique que los componentes no estén demasiado calientes; si están calientes apague el circuito y verifique conexiones y cálculos.

2º PASO:

Compruebe que los niveles de tensión en los terminales de los componentes electrónicos de potencia, sean aproximados a los valores calculados.

3º PASO:

Utilice un osciloscopio para observar las formas de onda en los puntos adecuados para cada circuito.

4º PASO:

Registre las mediciones realizadas y dibuje las formas de onda observadas.

5º PASO:

Registre sus comentarios respecto al funcionamiento del circuito.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-04

1 / 1

11

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

CIRCUITOS RECTIFICADORES

GENERALIDADES

En el campo de la electrotecnia se utilizan dos tipos de corrientes, la corriente alterna con la que funcionan la mayoría de los equipos de fuerza y la corriente continua que se utiliza para las etapas de control y equipos electrónicos, y para equipos de fuerza en menor cantidad. El circuito que convierte la corriente alterna monofásica o trifásica en corriente continua es el circuito rectificador. Por lo tanto: RECTIFICAR ES CONVERTIR UNA CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE CONTINUA. Un circuito rectificador se compone básicamente de un transformador y del circuito rectificador propiamente dicho. El transformador no siempre es necesario, en algunos casos se rectifica directamente la tensión alterna sin necesidad de reducir o elevar la tensión alterna. Los símbolos de las tensiones y corrientes, que se usan en este manual son: Uv : Iv : Ud: Id :

Tensión alterna antes de rectificar. Corriente de línea antes de rectificar. Tensión continua o rectificada. Corriente continua o rectificada.

TIPOS Los Circuitos Rectificadores pueden ser de diferentes tipos de acuerdo a la clasificación que se utiliza, presentamos tres clasificaciones que son: según la corriente alterna que se utiliza, según la conducción en el transformador y según el inicio de la conducción en el componente rectificador.

POR EL TIPO DE CORRIENTE ALTERNA Los circuitos rectificadores se pueden agrupar en dos: RECTIFICADORES MONOFÁSICOS.- cuando la corriente continua se obtiene de rectificar la corriente alterna monofásica RECTIFICADORES TRIFÁSICOS.- cuando la corriente continua se obtiene a partir de la corriente alterna trifásica.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-01

12

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES En el cuadro se muestra los circuitos rectificadores que pertenecen a cada uno de lo grupos y sus códigos según la Norma DIN 41761.

Circuitos Rectificadores

MONOFASICOS

TRIFASICO

Rectificador Monofásico de Media Onda M1

Rectificador Trifásico de Media Onda M3

Rectificador Monofásico de Onda Completa M2 Toma central

Rectificador Trifásico de Onda Completa B6 Tipo Puente

Rectificador Monofásico de Onda Completa B2 Tipo puente

POR EL TIPO DE CONDUCCIÓN EN EL TRANSFORMADOR Esta clasificación de los circuitos rectificadores, corresponde a la norma DIN 41761, y agrupa los circuitos en dos: RECTIFICADORES UNIDIRECCIONALES.-cuando en los bobinados del transformador conduce en un solo sentido y no invierte cuando se presenta semiciclo negativo, solo bloquea; pertenecen a este grupo los rectificadores M1, M2, y M3 RECTIFICADORES BIDIRECCIONALES.- cuando en los bobinados del transformador conducen en los dos sentidos e invierte cuando se presenta semiciclo negativo, a los que pertenecen los rectificadores B2 y B6.

POR EL INICIO DE LA CONDUCCIÓN EN EL COMPONENTE RECTIFICADOR Se clasifican según la conducción sea natural o controlada, también se divide en dos grupos: RECTIFICADORES NO CONTROLADOS.- cuyo comportamiento de rectificación depende la conducción natural de los diodos. RECTIFICADORES CONTROLADOS.- cuyo comportamiento de rectificación depende del control de inicio de conducción de los tiristores.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-01

13

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

RECTIFICADORES NO CONTROLADOS

Los circuitos rectificadores No Controlados, utilizan para rectificar, los diodos rectificadores y su conducción se inicia cuando el diodo se polariza directamente, y deja de conducir cuando el diodo se polariza inversamente, a esta conducción se conoce como conducción natural del diodo. La conducción natural del diodo depende directamente de la tensión que ingresa al rectificado y no existe forma externa de controlar la conducción de los diodos, por ello, a estos rectificadores se les llaman RECTIFICADORES NO CONTROLADOS.

TIPOS Los principales circuitos rectificadores trifásicos no controlados son: RECTIFICADOR TRIFASICO DE MEDIA ONDA.- es un rectificador que solo conduce parte del semiciclo positivo de cada fase o línea. RECTIFICADOR TRIFASICO DE ONDA COMPLETA.- es un rectificador que conduce parte del semiciclo positivo y parte del semiciclo negativo de cada fase o línea.

CARACTERISTICAS

Siempre que los rectificadores monofásicos, no sean suficiente para aplicaciones de alto consumo de potencia, sea por la tensión o por la corriente o por ambos, se utiliza rectificadores trifásicos y las potencias de los componentes que intervienen, son altas para práctica normal de la electrónica, utilizándose por lo tanto componentes de la electrónica de potencia. Se observa, en la Tabla de valores característicos de los rectificadores, que el rectificador monofásico tipo puente posee unos valores característicos mejores que los restantes rectificadores monofásicos. Este circuito se utiliza frecuentemente para la obtención de potencias de continua pequeñas y medias, pues proporciona una tensión continua ideal de valor elevado. Además las tensiones inversas a las que quedan sometidos los diodos en este rectificador son relativamente reducidas. Para obtener grandes potencias de corriente continua se utiliza el rectificador trifásico tipo puente, pues presenta valores característicos favorables, análogos al rectificador monofásico tipo puente, como se puede observar en tabla. En la tabla se muestra los valores característicos de los circuitos rectificadores, según la norma DIN 41761, estos valores característicos facilitan el cálculo de las tensiones y corrientes de los cinco principales circuitos rectificadores, tres monofásicos M1, M2 y M3 y dos trifásicos B2 y B6, de tal forma que conociendo una tensión o corriente se CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-01

14

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES puede calcular los otros valores de tensión y corriente, utilizando el valor característico como relación entre ellos.

VALORES CARACTERISTICOS DE LOS CIRCUITOS RECTIFICADORES Símbolo ( DIN 41761)

Udi

Iv

U im

SL I

Ip

Uvo

Id

U di

Udi I d

Id

M1

0,45

1,57

3,14

3,49

1

Rectificador monofásico de Onda completa

M2

0,45

0,785

3,14

1,23

0,5

Rectificador Trifásico de media onda

M3

0,675

1,7

2,09

1,23

0,333

Rectificador monofásico tipo puente

B2

0,9

1

1,57

1,23

0,5

B6

1,35

0,82

1,05

1,06

0,333

Denominación

Rectificador monofásico de media onda

Rectificador trifásico tipo puente

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Cada circuito rectificador tiene su propia forma de funcionamiento, y un elemento fundamental del rectificador, aun cuando existen rectificadores sin este elemento, es el transformador de entrada, que permite lo siguiente: a.- Aislar eléctricamente la salida de corriente continua de la entrada de la red alterna. b.- Acomodar el valor de la tensión de salida, al valor exigido, gracias a una adecuada relación de transformación, elevando o reduciendo la tensión de entrada. Los rectificadores que no necesitan transformador por no requerir elevar o reducir la tensión de entrada, para cumplir el punto a, utilizan transformador de relación de espiras 1 a 1. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-01

15

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

A continuación se detalla la estructura y el funcionamiento de los rectificadores más importantes.

RECTIFICADOR TRIFÁSICO NO CONTROLADO DE MEDIA ONDA El rectificador trifásico de media onda - M3, funciona en redes trifásicas, cada una de las tres ramas rectificadoras contribuye con un tercio a la corriente; el montaje puede ser polianódico, los tres ánodos unidos, o policatódico, los tres cátodos unidos, la única diferencia entre ambas configuraciones es la tensión de salida, dan una polaridad contraria entre ellas. Como existe un solo camino, los diodos de cada fase están conectados al mismo punto, y como la carga esta conectada al neutro de transformador, va a conducir el diodo conectado a la fase que instantáneamente, posee el mayor potencial o nivel de tensión. CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFASICO DE MEDIA ONDA

Isrms

L1 EL EF

D1

Idiodo

EL

D2

L2 EF

D3

L3

EDC

PIV

La conducción del diodo D1, que esta conectado a la fase V1 ocurre en ω t = π /6, el momento exacto cuando V1 se hace mas positiva que V2 y V3, en ese momento, (π /6), se produce el bloqueo del diodo D3 y se inicia la conducción del diodo D1. V1

V 2

V1

V3

2

0

D3

D1

D2

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

ϖτ

D3

HIT-01

16

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Durante la conducción del diodo D1, los diodos D2 y D3 están polarizados inversamente, pues sus respectivas fases tienen una tensión menor que la fase V1. Cuando ω t = 5 π /6, la tensión V2 iguala a la tensión V1, el diodo D1 pasa al estado de bloqueo, mientras que D2 pasa al estado de conducción, el diodo D2 conduce desde ω t = 5 π /6 hasta ω t = 9 π /6 = 3 π /2 Cuando ω t = 9π /6, la tensión V3 iguala a la tensión V2; y el diodo D2 ingresa al estado de bloqueo y el diodo D3 inicia la conducción, el diodo D3 conduce desde ω t = 9π /6 hasta ω t = 13 π /6. Y luego se repite el ciclo de conducción. La tensión en la carga es solo positiva y de un nivel relativamente cercano a la tensión pico, como se muestra en el grafico. V

2

V1

V1

V3

2

0

ϖτ

La tensión EDC, es la tensión continua en la carga y se puede calcular con la formula:

EDC =

3V 6 2π

La corriente por cada diodo es tercera parte de la corriente total IDC, así para el D1 I D1 =

IDC 3

La corriente en el secundario del transformador se calcula con la formula: Is RMS = 0.59 x I DC El Voltaje Pico Inverso o VIP, es un parámetro importante en el diseño de los rectificadores, si esta mal calculado el diodo se deteriora y quema, PIV = V

6

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-01

17

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES FORMA DE ONDA DEL VOLTAJE INVERSO EN EL DIODO

ϖτ

RECTIFICADOR TRIFÁSICO NO CONTROLADO DE ONDA COMPLETA El rectificador trifásico de onda completa tipo puente – B6, funciona en redes trifásicas, genera componentes ondulatorios de seis pulsos en la tensión de salida por cada ciclo de conducción, y además como los diferentes pulsos de tensión están traslapados se obtiene una tensión rectificada cuyo valor oscila muy poco, el secundario del transformador puede estar conectado en triangulo o en estrella. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON EL SECUNDARIO EN TRIANGULO El rectificador trifásico no controlado de onda completa tipo puente con el secundario del transformador en triangulo, tiene los terminales del secundario del transformador conectados en triángulo. El primario se conectará de acuerdo a la configuración de la red eléctrica que provee el concesionario eléctrico, en nuestro país se utiliza mayoritariamente la red eléctrica trifásica de tres hilos, sin neutro. CIRCUITO RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA EN TRIANGULO

Idiodo Esrms D1 D3D5

L1

EL EF

EL L2

EDC

EF L3

D4 D6 D2

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

IDC HIT-01

18

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Los diodos están numerados en orden de secuencia de conducción, cada uno de ellos conduce durante 120°, La secuencia de conmutación de los diodos es en forma natural, controlados por la tensión de alimentación.

3

2 3

3 3

4 3

5 3

6 3

En cada instante conducen dos diodos, uno por que su ánodo es el que tiene el mayor nivel de tensión en ese instante y el otro por que su cátodo es el que tiene el menor nivel tensión o tensión más negativa en ese instante. En el gráfico se debe tener en cuenta que V32 significa que V3 es positivo y V2 es negativo, V12 significa que V1 es positivo y V2 es negativo, etc. Tal forma que de 0 a π /3 (V32) conduce D5 y D6, de π /3 a 2π /3 (V12) conduce D1 y D6, de 2π /3 a 3π /3 ó π (V13) conduce D1 y D2, de 3π /3 a 4π /3 (V23) conduce D3 y D2, de 4π /3 a 5π /3 (V21) conduce D3 y D4, de 5π /3 a 6π /3 ó 2π (V31) conduce D5 y D4, luego se repite el ciclo.

ϖτ

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-01

19

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES La tensión en la carga es solo positiva y de un nivel cercano a la tensión pico, más cerca que el proporcionado por el rectificador de media onda, como se mostró en el grafico. La tensión EDC, es la tensión continua en la carga y se puede calcular con la formula:

EDC =

3V 2

π

La corriente por cada par de diodos es la tercera parte de la corriente total IDC, así para el D1 I D1 =

IDC 3

La corriente en el secundario del transformador se calcula con la formula: Is RMS = 0.817 x I DC El Voltaje Pico Inverso o VIP, es un parámetro importante en el diseño de los rectificadores, si esta mal calculado el diodo se deteriora y quema, PIV = V

2

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON EL SECUNDARIO EN ESTRELLA El rectificador trifásico no controlado de onda completa tipo puente con el secundario del transformador en estrella, tiene una tensión de salida DC, mayor que el rectificador con el secundario del transformador en triángulo. CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFASICO NO CONTROLADO DE ONDA COMPLETA EN ESTRELLA D1 D3 D5

L1 EL

EL

EDC

L2 EF L3 IDC D4 D6 D2 CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-01

20

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Al igual que el rectificador con el secundario en triángulo, en el grafico del rectificador en estrella mostrado, los diodos están numerados en orden de secuencia de conducción, cada uno de ellos conduce durante 120°, La secuencia de conmutación de los diodos es en forma natural, controlados por la tensión de alimentación.

6

3 6

5 6

7 6

9 6

11 6

13 6

En cada instante conducen dos diodos, uno por que su ánodo es el que tiene el mayor nivel de tensión en ese instante y el otro por que su cátodo es el que tiene el menor nivel tensión o tensión más negativa en ese instante. En el gráfico se debe tener en cuenta que V12 significa que V1 es positivo y V2 es negativo, etc. Tal forma que de 0 a π /6 (V32) conduce D5 y D6, de π /6 a 3π /6 (V12) conduce D1 y D6, de 3π /6 a 5π /6 (V13) conduce D1 y D2, de 5π /6 a 7π /6 (V23) conduce D3 y D2, de 7π /6 a 9π /6 (V21) conduce D3 y D4, de 9π /6 a 11π /6 (V31) conduce D5 y D4, de 11π /6 a 12π /6 ó 2 π (V32) conduce D5 y D6, luego se repite.

ϖτ

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-01

21

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES La tensión en la carga es solo positiva y de un nivel cercano a la tensión pico, más cerca que el proporcionado por el rectificador de media onda, debiendo tener en cuenta que el nivel de la tensión pico es mayor en el rectificador con secundario en estrella. La tensión EDC, es la tensión continua en la carga y se puede calcular con la formula:

EDC =

3V 6

π

Si la tensión alterna Vac = V Tensión Pico del rectificador con secundario del transformador en triangulo Vp = V 2 Tensión Pico del rectificador con secundario del transformador en estrella Vp = V 6 CARACTERISTICAS DE LOS DIODOS RECTIFICADORES Para garantizar la seguridad de servicio de los circuitos rectificadores al diseñar se debe tener en cuenta dos condiciones muy importantes: 1.- VPI o Voltaje Pico Inverso, es la máxima tensión inversa periódica, que recibirá el diodo cuando se polariza inversamente, están indicadas en las hojas de características para cada diodo rectificador, debe ser mayor que la máxima tensión inversa ideal prevista. 2.- Id o Corriente Directa, es su máxima intensidad de corriente directa en la rama Id que circulará por el diodo. En la práctica se eligen los diodos rectificadores de modo que su funcionamiento correcto este asegurado para sobretensiones de la red del 10% como mínimo. APLICACIONES En la Industria Productiva como las refinerías de metales, alimentación de motores de corriente continua, galvanoplastia, etc. las magnitudes de corriente continua necesarias son altos, donde se requieren corrientes entre 50 a 10,000 Amperios con tensiones entre 5 a 400 voltios, para satisfacer estas necesidades es necesario utilizar rectificadores trifásicos, porque el nivel de la señal pulsante es de un nivel casi constante y muy cerca del nivel de tensión pico. En la industria de las Telecomunicaciones, como las centrales telefónicas públicas y centrales de telefonía celular, televisión cable, etc. se requieren tensiones de 24 a 100 voltios DC y corrientes de 10 a 1,000 amperios, se tienen que utilizar rectificadores trifásicos, en la Telefonía Privada para las centrales y equipos de mayor consumo también se utilizan rectificadores trifásicos y los pequeños usan rectificadores monofásicos. En la industria de la Radiodifusión Comercial, como transmisores de radio y transmisores de televisión, que requieren tensiones de 500 a 10,000 voltios, con corrientes de 5 a 100 amperios, se tienen que utilizar rectificadores trifásicos. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-01

22

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

GENERACION DE ONDAS TRIFASICAS Una red de alimentación con sólo dos conductores resulta insuficiente para la mayoría de las aplicaciones industriales, por el consumo de energía que precisa un gran numero de instalaciones y aparatos; por ello, para la obtención y distribución de la energía eléctrica se debe utilizar el sistema de corrientes alternas trifásicas, llamado también simplemente sistema trifásico, y se dispone de dos tensiones diferentes, 220 V y 380 V. y en los motores que funcionan con corrientes trifásicas, estas crean un campo magnético giratorio, que provoca el movimiento de rotación. Un generador trifásico simplificado esta formado por un campo magnético giratorio que atraviesa tres devanados, desplazados 120° uno de otro. Por tanto en los tres bobinados se inducirá tensiones del mismo valor, si los tres bobinados tienen igual número de espiras; como el campo magnético del rotor atraviesa las bobinas con su valor máximo a intervalos de 120°, por la construcción física, desplazado 120º los bobinados, como indicamos antes, se obtiene tres tensiones que presentan una diferencia de fase de 120° entre cada dos de ellas. El giro del rotor es el trabajo que se convierte en energía eléctrica, por el proceso antes descrito, y de esta forma se que genera las ondas trifásicas sinusoidales. Podríamos suponer que para llevar las tensiones inducidas en los tres devanados al consumidor serian necesarios seis conductores. Sin embargo si unimos los conductores U2, V2, W2, podemos ahorrar dos conductores y las tensiones están concatenadas. MODELO SIMPLIFICADO DE UN GENERADOR TRIFASICO

120º

U1

120º

U2 N

W2 W

S V1 V2

120º Este circuito se denomina conexión en estrella debido a la forma de su esquema de conexión el punto central de la estrella será el punto neutro, al que puede conectarse el conductor neutro o simplemente el neutro. Los demás terminales, o sea, los demás CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-01

23

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES terminales de la estrella se conectaran a otros tantos conductores activos, también llamados fases. En algunos casos la línea de neutro no se lleva en las líneas de transmisión, por que cuando la carga es simétrica no circulará corriente por el neutro.

SISTEMA TRIFASICO Un Sistema Trifásico esta compuesto de tres tensiones alternas sinusoidales desfasadas entre si 120° unas de otras y concatenadas. Si se siguiera la red de alimentación en dirección al generador pasaríamos por el transformador trifásico hasta llegar al generador de la central eléctrica, que tiene el mismo principio de funcionamiento indicado anteriormente. Una conexión de corriente trifásica se compone de tres fases y un neutro conectado al punto central o neutro de la instalación generadora y simultáneamente a tierra, entre todos estos conductores disponemos de seis tensiones, que en nuestro caso se tendrá valores 220 V y 380 V. Los subíndices de los símbolos de las tensiones indican los puntos de conexión; por ejemplo U23 indica tensión entre conductor de línea L2 y L3. La norma DIN 40108 contiene información sobre los diferentes conductores y puntos de un sistema trifásico. La tabla se muestra un extracto de dicha norma. El orden o numeración de las líneas indica la sucesión de las fases.

CARACTERISTICAS DE LOS SISTEMAS TRIFASICOS

Parte

Red

Circuitos de consumo

Terminales o Conductores Activos (fases) Preferente: L1 L2 L3 También están permitidos, cuando no pueda haber confusiones 1 2 3 También están permitidos: R S T en general: U V W

Punto neutro, conductor neutro

Tierra de referencia

Conductor de protección Puesto a tierra

Neutro Puesto a tierra

PEN N

E

PE

Los equipos que trabajan con sistemas trifásicos, pueden utilizar dos tipos de conexiones, conexión en triangulo o conexión en estrella, tal como se utilizo en los CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-01

24

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES rectificadores, la diferencia entre ambas conexiones esta en que la carga conectada en triangulo consume el triple de potencia que la conectada en estrella. Los transformadores trifásicos tienen las mismas funciones que los monofásicos, o sea elevar o bajar una tensión, trabajan con tres fases y podemos considerar a un transformador trifásico como la asociación de tres transformadores monofásicos. Los transformadores trifásicos poseen 3 columnas, donde cada columna sirve de núcleo para una fase, como si cada columna fuese un transformador monofásico, luego, en cada columna habrá dos bobinas, una primaria y una secundaria, por lo tanto, un transformador trifásico tiene como mínimo 6 bobinas: 3 primarias y tres secundarias, las cuales se pueden conectar en estrella o en triángulo.

DESFASAJE DE ONDAS

En el sistema trifásico, queda de manifiesto que entre las tres tensiones existe una diferencia de fase de 120°. El desplazamiento de 120° en el espacio, debido a la disposición de la bobinas en el generador, se ha transformado en un desfase de 120° en el tiempo. Se puede trazar la curva de las tres tensiones distintas que se obtienen en las salidas de los bobinados en una sola grafica común, en la se observa que entre las tres tensiones existe una diferencia de fase de 120°.

DESFASAJE DE LAS TENSIONES DE UN SISTEMA TRIFASICO

U UU

UW

UV

0°

90°

120°

180°

270°

360°

120°

La figura puede verse las tensiones de un sistema trifásico con sus correspondientes sentidos y valores. También puede trazarse un diagrama vectorial de las tensiones.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-01

25

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES TENSIONES EN UN GENERADOR TRIFASICO

U

U UUN

=

UUV

= 380 V

220 V

UVN UUN N U WN

UVN = 220

N UWN

V

UWU =

W

220V

V

W

U

380 V

U VW

U UV

=

UWN

380 V

N V

U VW

W

EJERCICIOS SOBRE SISTEMAS TRIFASICOS 1. Trazar la grafica de las tensiones de una red trifásica en función del tiempo. Dibujar el esquema del generador conectado en estrella. Indicar las tensiones tal como prescriben las normas y caracterizar los terminales. 2. dibujar el diagrama vectorial de las tensiones para un generador conectado en triangulo. En el siguiente grafico se muestra las tensiones en un generador conectado en triangulo y su correspondiente diagrama vectorial. DIAGRAMA VECTORIAL Y TENSIONES EN UN GENERADOR EN TRIANGULO U UV

=

UVW

=

U WU

=

U

U

UUV

U WU

U UV

UWU

N V

UVW

W

V

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

U VW

W

HIC-01

26

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

3. Dibujar el diagrama vectorial de las tensiones para un generador conectado en estrella.

SIMBOLOGIA

Los símbolos de las tensiones se caracterizan en general con dos subíndices, cuyo orden representa el sentido de referencia de la tensión correspondiente, puede suprimirse uno de los subíndices cuando las tensiones están orientadas mediante vectores de referencia o cuando no pueda haber lugar a confusiones; en la tabla siguiente se indican ejemplos del uso de los símbolos.

CARACTERISTICAS DE LAS TENSIONES EN UN SISTEMA TRIFASICO

Tipo de tensión

Tensión entre fase y fase o tensión de línea

Tensiones entre fase y neutro o tensión de fase

Tensiones entre fase y tierra

Sistema de corrientes Sistema Trifásico

Símbolos de las tensiones 1 U12, U 23,,U 31

Generadores, Motores y transformadores trifásicos

U UV , UVW ,UWU

Sistema trifásico en estrella

U1N , , U 2 N ,,UWN

Generadores, motores y transformadores Trifásicos.

UUN ,UVN ,UWN

Sistema trifásico

U1E ,U 2 E ,U 3 E

2

3

Los símbolos de las corrientes también se escribirán con uno o dos subíndices que coincidan con los símbolos de las fases, cuando se emplean dos subíndices estos indicarán el sentido de referencia de la corriente, en las extensiones pueden utilizarse también IR, IS, IT o también IRS, IST e ITR.

DIAGRAMAS DE BLOQUES El diagrama de bloques mostrado representa la generación de las ondas trifásica que tiene un rotor que es movido mecánicamente y produce un campo magnético giratorio el cual induce una diferencia de potencial o tensión en los bobinados, ubicados CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-01

27

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES físicamente con un desplazamiento de 120º, generando ondas sinusoidales desfasadas en 120ª en el tiempo. DIAGRAMAS DE BLOQUES DE LA GENERACION DE ONDAS TRIFASICAS

GENERADOR

ROTOR

BOBINADOS

TERMINALES

DE

QUE

DESPLAZADOS

CON ONDAS

MOVIMIENTO

GENERA

FISICAMENTE

TRIFASICAS

MECANICO

CAMPO

120°

DESFASADAS

MAGNETICO

120°

ESQUEMAS DE FORMAS DE ONDA PRECAUCIONES EN EL USO DE LA CORRIENTE ELECTRICA TRIFASICA

Las precauciones que se debe tener en el uso de la corriente eléctrica trifásica son las precauciones generales del uso de la corriente eléctrica, No se debe tener contacto físico directo, por que circula corriente por el cuerpo y es fatal para la integridad física de las personas, produciendo quemaduras y la muerte en la mayoría de los casos. Para evitar accidentes, se debe revisar bien las conexiones y los contactos de los circuitos, aislando adecuadamente los empalmes y las borneras expuestas, y en general todo punto de energía eléctrica que pueda ser tocado por el aprendiz o participante. No olvidar que en los circuitos de electrónica de potencia, partes del circuito de las experiencias pueden tener tensiones de 220 voltios AC, por lo que se recomienda, separar las etapas de mando de las etapas de fuerza, con la finalidad de trabajar con el máximo cuidado en la etapa de fuerza y procurando desconectar después de las mediciones y pruebas. Se debe utilizar sistemas de puesta a tierra para evitar que los cables sueltos que tuvieran energía, puedan ser tocados accidentalmente con la carcasa de un equipo y quedar energizado y al ser tocado pueda cerrar circuito a tierra a través de una persona. Debemos evitar que los circuitos de prueba y experimentos estén energizados, consumiendo energía eléctrica, cuando no se esta realizando mediciones o comprobaciones de su funcionamiento, tratando de usar racionalmente los recursos eléctricos y al mismo tiempo evitar poner en peligro a nuestros compañeros e incluso a nosotros mismos.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-01

28

CIRCUITO DE DISPARO DE SCR

Ω

Nº

ORDEN DE EJECUCIÓN

1

IDENTIFIQUE TERMINALES Y PRUEBE TIRISTORES ( SCR Y TRIAC).

2

IDENTIFIQUE TERMINALES Y PRUEBE UJT.

3

ARME CIRCUITO DE DISPARO PARA SCR.

4

ARME CIRCUITO DE DISPARO PARA TRIAC.

5

VERIFIQUE EL FUNCIONAMIENTO DE CADA CIRCUITO ELECTRONICO DE POTENCIA

HERRAMIENTAS / INSTRUMENTOS/MATERIALES

FUENTE DE ALIMENTACIÓN DC. COMPONENTES SCR, TRIAC, UJT. MULTIMETRO DIGITAL, PROTOBOARD CONDUCTORES VARIOS CALIBRE 18 Y 22 AWG Y ENCHUFE. PINZAS, ALICATE DE CORTE. RESISTENCIAS Y CINTA AISLANTE.

PZA

CANT

DENOMINACIÓN–NORMA/ DIMENSIONES

MATERIAL

MONTAJE DE CIRCUITOS DE DISPARO DE SCR HT Y TRIAC

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

Tiempo:4 Horas Escala: ------

OBSERVACIONES

REF: HT-02 HOJA: 1 / 1

2004 29

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES OPERACIÓN PROBAR ESTADO DE TIRISTORES

DESCRIPCIÓN

El SCR es un componente de potencia que conduce en un solo sentido, tiene una tensión de encendido y si no supera dicha tensión no conduce, después de superado aunque la tensión disminuya, continua conduciendo. El voltaje de encendido se puede disminuir poniendo un voltaje entre Gate y Cátodo de tal manera que a un menor voltaje conduzca, cuando mayor es la tensión Gate-Catodo, el componente conducirá a una menor tensión. El TRIAC es un componente de potencia que conduce en los dos sentidos, tiene una tensión de encendido y si no supera dicha tensión no conduce, después de superado aunque la tensión disminuya, continúa conduciendo. El voltaje de encendido se puede disminuir poniendo un voltaje entre Gate y el terminal A1 de tal manera que a un menor voltaje conduzca, cuando mayor es la tensión Gate-A1, el componente conducirá a una menor tensión.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Arme el circuito de prueba de SCR, mostrado.

Ω

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-05

1 / 3

30

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

2º PASO:

Verifique las conexiones y alimente el circuito.

3º PASO:

Presione por un momento el pulsador S1 y verifique lámpara se encienda y se mantiene encendida.

4º PASO:

Presione el pulsador S2 y verifique que la lámpara se apaga.

5º PASO:

Invierta los terminales del SCR y realice la prueba con el mismo circuito.

que la

Ω

6º PASO:

Verifique las conexiones y alimente el circuito.

7º PASO:

Presione por un momento el pulsador S1 y verifique lámpara no se enciende, aunque permanezca pulsado S1.

8º PASO:

Confirme el cumplimiento de los pasos anteriores para concluir que el SCR esta en buen estado.

que la

OBSERVACION Dependiendo de la tensión de encendido del SCR, se debe aumentar la tensión de la fuente de 9 V. a una tensión mayor. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-05

2 /3

31

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

9º PASO:

Arme el circuito de prueba de TRIAC, mostrado.

Ω

10º PASO: Verifique las conexiones y alimente el circuito.

11º PASO:

Presione por un momento el pulsador S1 y verifique lámpara se encienda y se mantiene encendida.

que la

12º PASO:

Presione el pulsador S2 y verifique que la lámpara se apaga.

13º PASO: Invierta los terminales del TRIAC en el circuito anterior y realice la misma prueba.

14º PASO:

Presione por un momento el pulsador S1 y verifique lámpara se encienda y se mantiene encendida.

que la

15º PASO:

Presione el pulsador S2 y verifique que la lámpara se apaga.

16º PASO: Confirme el cumplimiento de los pasos anteriores para concluir que el TRIAC esta en buen estado.

OBSERVACION Dependiendo de la tensión de encendido del TRIAC, se debe aumentar la tensión de la fuente de 9 V. a una tensión mayor.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-05

3 /3

32

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN PROBAR ESTADO DEL UJT DESCRIPCIÓN

El UJT es un componente electrónico que disminuye su resistencia entre sus bases, cuando el voltaje de su emisor supera un nivel de tensión determinado. Esta característica se utiliza para realizar circuitos osciladores de relajación y con ello probaremos el estado del UJT.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Arme el circuito de prueba de UJT, mostrado.

Ω

Ω

Ω

Ω

2º PASO:

Verifique conexiones y alimente el circuito con tensión de 12 V.

3º PASO:

Observe con un osciloscopio las señales de oscilación terminales del condensador, en la Base 1 y en la Base 2.

4º PASO:

Grafique las formas de Onda, mida y registre los voltajes pico y el periodo de la onda.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-06

1 /1

en los

33

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES OPERACIÓN ARMAR CIRCUITO DE DISPARO PARA SCR DESCRIPCIÓN El SCR permite rectificar una señal alterna con un inicio de conducción distinto a la conducción natural del diodo, pudiéndose controlar el ángulo de inicio e la conducción. Dependiendo del ángulo de inicio de la conducción, varía el nivel de la tensión de salida.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Arme el circuito mostrado

2º PASO:

Verifique conexiones y alimente el circuito con tensión de 220 Voltios AC., y luego cierre el switch.

3º PASO:

Observe con un osciloscopio las señales de oscilación terminales del condensador y en el gate del SCR.

4º PASO:

Grafique las formas de Onda, determine y registre los voltajes pico y el periodo de la onda.

5º PASO:

Varíe el potenciómetro del circuito y verifique que varía la iluminación del foco, desde un nivel de apagado hasta un nivel de iluminación máxima.

6º PASO:

Repita los pasos 3 y 4.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-07

1 /1

en los

34

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES OPERACIÓN ARMAR CIRCUITO DE DISPARO PARA TRIAC DESCRIPCIÓN

El TRIAC conduce en ambos sentidos y permite controlar el nivel de tensión eficaz, utilizando para ello el tiempo de conducción del triac. Si el disparo se realiza al inicio del semi ciclo, mayor será el nivel de tensión, por que mayor será el tiempo de conducción y si el disparo es a medio ciclo o más, el nivel de tensión será menor porque el tiempo de conducción será menor.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Arme el circuito mostrado

2º PASO:

Verifique conexiones y alimente el circuito con tensión de 220 Voltios AC., y luego cierre el switch.

3º PASO:

Observe con un osciloscopio las señales de oscilación terminales del condensador y en el gate del TRIAC.

4º PASO:

Grafique las formas de Onda, determine y registre los voltajes pico y el periodo de la onda.

5º PASO:

Varíe el potenciómetro del circuito y verifique que varia la iluminación del foco, desde un nivel de apagado hasta un nivel de iluminación máxima.

6º PASO:

Repita los pasos 3 y 4.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-08

1 /1

en los

35

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

CIRCUITOS DE DISPARO DE SCR Y TRIAC

GENERALIDADES Los tiristores son componentes de la electrónica de potencia, que tiene una conducción natural como los diodos, para lo cual se debe superar la tensión de encendido o conducción, pero esta tensión de encendido puede variarse disminuyendo en su valor, si se alimenta con una tensión adecuada a su terminal llamado gate. Generalmente al gate se alimenta con un pulso de disparo, de corta duración, en el instante que se desea que se inicie la conducción; los pulsos de disparo, tienen que poseer ciertas características para que cumplan su función, la amplitud debe ser del orden en las decenas de mA y la duración mayor que 10 ms, ambas magnitudes son bastantes pequeñas con relación a la corriente l a controlar y al periodo de la red de 60Hz. Los pulsos de disparo tiene que estar sincronizados con la tensión de suministro y debe poder desplazarse entre 0 y π, este desplazamiento debe ser controlado por medio de una tensión, variando un potenciómetro.

TIRISTORES El termino tiristor viene del griego y significa puerta, y se comporta como una puerta que se abre y permite el paso a través de ella y debemos considerarlo como un tipo de interruptor. El Tiristor es un dispositivo semiconductor que utiliza realimentación interna para producir un tipo de conmutación, y la principal aplicación de estos dispositivos es el control de grandes corrientes de carga para motores, calentadores, sistemas de iluminación, etc.

TIPOS Los tiristores son diodos de cuatro capas, algunos de ellos con una compuerta de control y podemos considerar cuatro tipos de tiristores. TIRISTOR DIODO O DIODO DE CUATRO CAPAS.- similar al diodo rectificador común, solo que tiene cuatro capas y su tensión de encendido o inicio de conducción no es 0.7voltios, si no una tensión mayor que es característica del componente. DIAC.- es un componente de cuatro capas, con un comportamiento similar al diodo de cuatro capas, pero bidireccional, y se puede reemplazar por dos diodos de cuatro capas en antiparalelo, o espalda-espalda. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

36

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES SCR.- el SCR o Rectificador Controlado de Silicio, es un componente de similar al diodo de cuatro capas con una determinada tensión de encendido o inicio de conducción y con un terminal de control llamado gate o puerta. TRIAC.- es un componente de cuatro capas, con un comportamiento similar al SCR, pero bidireccional, y se puede reemplazar por dos SCR en antiparalelo, o espaldaespalda. En general a los cuatro se les conoce como tiristores, pero algunos autores diferencian el término, utilizando término Tiristor solo para identificar al SCR y otros autores para identificar al SCR y al Triac.

RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO - SCR Un SCR es un dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura PNPN con tres uniones PN, tiene tres terminales: ánodo, cátodo y compuerta o gate. Los SCR se fabrican por difusión y crecimiento epitaxial. Cuando la tensión del ánodo se hace positiva con respecto al cátodo, las uniones J1 y J3 tiene polarización directa. La unión J2 tiene polarización inversa, y solo fluirá una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo, el SCR esta en condición de bloqueo directo o en estado desactivado. A A P N G

G

P N

J1 J2 J3

K K

Si la tensión del ánodo-cátodo se incrementa a un valor lo suficientemente grande, la unión J2 polarizada inversamente entra en ruptura y el SCR entra en conducción, a esto se conoce como ruptura por avalancha y la tensión correspondiente se llama tensión de ruptura directa, también conocida como tensión de encendido. Al aplicar un pulso positivo al gate, con respecto al cátodo, se incrementan los pares electrón-hueco y dado que las uniones J1 y J3 ya tiene polarización directa, habrá un movimiento libre de portadores a través de las tres uniones, que provocara una gran corriente directa del ánodo al cátodo, quedando el dispositivo en conducción. La caída de tensión se deberá a la caída ohmica de las cuatro capas y será pequeña, de 1 voltio; en el estado de conducción, la corriente del ánodo solo esta limitada por la CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

37

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES resistencia externa, la corriente del ánodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche IL, a fin de mantener la conducción, la corriente de enganche IL, es la corriente del ánodo mínima requerida para mantener el SCR en estado de conducción inmediatamente después que ha sido activado y se ha retirado el pulso de la compuerta o gate. Una vez que el SCR, esta conduciendo se comporta como un diodo en conducción y ya no hay control sobre el dispositivo; si se reduce la corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento IH, el SCR dejara de conducir y pasará al estado de bloqueo. La corriente de mantenimiento (IH) es del orden de los miliamperios y es menor que la corriente de enganche (IL). Cuando la tensión del ánodo es negativa con respecto al cátodo, la unión J2 tiene polarización directa, pero las uniones J1 y J3 tienen polarización inversa. El SCR estará en estado de bloqueo inverso con una corriente de fuga inversa.

CURVA CARACTERISTICA DEL SCR

ID

Zona de bloqueo en sentido directo

Ic UI

UD UE

Zona de bloqueo en sentido inverso

I

TRIAC El TRIAC o TRIODE ALTERNATING CURRENT, es un componente de la electrónica de potencia similar al SCR pero de conducción bidireccional, que apareció basado en el éxito del SCR, que indujo a los investigadores a desarrollar un SCR más apto, para conducción controlada en circuitos de corriente alterna, esto es una conducción bidireccional, su disparo es similar al del SCR, pero difiere de este en que puede conducir en ambas direcciones en respuestas a un pulso positivo o negativo.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

38

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Los términos ánodo y cátodo no son aplicables al TRIAC y los terminales son designados por números, el terminal A1 es el punto de referencia para las mediciones de voltaje y de corriente, y con respecto a este terminal se miden el terminal de compuerta y el terminal A2. En el siguiente grafico se muestra el símbolo y la estructura de un Triac y su comportamiento interno es similar al SCR, pero conduciendo en ambos sentidos.

CURVA CARACTERISTICA DEL TRIAC

I12

Zona de paso 1

- U E0

Ic

- U12

U 12 Ic

U E0

Zona de paso 2

- I 12

CIRCUITOS DE DISPARO Los circuitos de disparo pueden servir tanto para disparar al SCR o al Triac, aun cuando en algunos casos se debe hacer algunas pequeñas modificaciones. El disparo real de un tiristor esta influenciado por la temperatura de la juntura, que si es elevada facilita el disparo debido al enriquecimiento de portadores en las uniones por los pares generados térmicamente.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

39

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

DISPARO POR TENSION EXCESIVA Cuando la tensión ánodo-cátodo se acerca al valor de ruptura en sentido directo, una reacción en cadena a nivel de portadores pasa al SCR a estado de conducción, la tensión ánodo-cátodo cae al valor de 1 a 2 voltios, al desaparecer la zona de carga especial de la unión de control y el circuito exterior permitirá el aumento de corriente por el SCR, considerándose que el componente ha entrado en conducción, cuando la corriente ha superado el valor de la intensidad de enclavamiento (IL) Esta forma de disparo es raramente empleada para pasar intencionalmente a conducción, sin embargo se da en forma fortuita provocada por sobretensiones anormales en los equipos.

DISPARO POR PULSO EN LA COMPUERTA El procedimiento norma para disparar un SCR consiste en la aplicación en la compuerta, de un impulso positivo de corriente, mediante la conexión de un generador de pulsos entre los terminales de puerta y cátodo; siempre que el SCR este polarizado directamente y mantiene un tensión positiva ánodo –cátodo. El pulso produce una corriente local cerca de la compuerta al catado y si la intensidad de corriente es suficiente, se iniciará la conducción y se mantendrá independiente del impulso de compuerta y se extenderá el área de conducción a toda la pastilla, en forma automática en décimas de microsegundo, asumiendo que el circuito exterior permite la conducción con una corriente mayor a la corriente de mantenimiento.

CIRCUITOS DE DISPARO DE SCR En un SCR, con carga resistiva, se define el ángulo de disparo ( ∝ ) como el ángulo o tiempo durante el cual el SCR no conduce, medido a partir del paso de la onda sinusoidal por cero, y con voltaje ánodo-cátodo mayor que cero. EL

tb El ángulo de conducción ( ø ), es el ángulo o tiempo durante el cual el SCR se encuentra conduciendo. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

40

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES El tiempo de bloqueo natural (tb) es el tiempo durante el cual el SCR no conduce y se ha bloqueado en forma natural porque su voltaje ánodo-cátodo es menor que cero o negativo y por lo tanto la corriente de ánodo es menor que la corriente de mantenimiento (Ih). Para disparar al SCR es necesario aplicar una tensión VGT entre compuerta y cátodo que debe ser mayor que 0.6 a 0.8 V. que es el voltaje de la juntura PN existente entre compuerta y cátodo para SCR con corriente de ánodo desde 0.8 Amp. hasta 35 Amp. Los fabricantes especifican un valor de VGTmax que no debe ser superado por el circuito de disparo bajo riesgo de deteriorar al SCR. De igual modo se especifica una corriente de compuerta IG Tmin que varía desde 0.2 mA hasta 40 mA para SCR con corriente de ánodo desde 0.8 Amp. hasta 35 Amp.

DISPARO POR DIVISOR DE TENSION Es el circuito de disparo de un SCR más simple, se emplea cuando la alimentación es continua, y donde es suficiente un pulso positivo aplicado a la compuerta o gate por R2 al cerrar el interruptor S1.

24 V RL

1800 R1

150 R2

VGT

El siguiente circuito, se utiliza el SCR ECG5496, cuyas características son: 10 A/ 600 Voltios, VG Tmax = 2Voltios y IG Tmin = 15 mA Para calcular el valor de R1 y R2, debemos dispararse que: 0.8 V ≤ VGT ≤ 2 V VGT =

Vcc xR 2 R1 + R 2

recordar que el SCR requiere para

R1 Vcc = −1 R 2 VGT

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

41

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES a) VGT = 0.8 V

y Vcc = 24 V

R1 24 = − 1 = 29 R 2 0.8 b) VGT = 2 V.

y

R1 = 29 R2

Vcc = 24 V

R1 24 = − 1 = 11 R2 2

R1 = 11 R2

11 R2 ≤ R1 ≤ 29 R2 Por lo tanto se debe escoger una resistencia R1 que sea entre 11 y 29 veces R2.

DISPARO POR CONTROL DE FASE En el disparo por control de fase, la tensión de alimentación de ánodo se aplica a la compuerta mediante una resistencia limitadora de corriente y un potenciómetro para tomar parte de la corriente y disparar el SCR. RL

R1

VAK VAK

Vac P1

El ángulo de disparo está determinado por la posición del potenciómetro P1 quien controla la magnitud de la corriente (IG). Si el valor de P1 es pequeño, la corriente de compuerta será suficiente para disparar al SCR, el ángulo de disparo será pequeño y habrá un gran voltaje en la resistencia de carga RL. Si el valor P1 es grande, la corriente de compuerta será pequeña y podría no ser suficiente para disparar al SCR, permaneciendo bloqueado el SCR. DISPARO POR CONSTANTE RC SIMPLE En el disparo por constante RC simple, la tensión de alimentación de ánodo se aplica a la compuerta mediante una resistencia limitadora de corriente y un potenciómetro para cargar un condensador y el voltaje de carga al condensador dispara al SCR. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

42

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES El ángulo de disparo está determinado por la constante de tiempo RC: T = ( R1 + P1 ) x C EL SCR entrará en conducción cuando en la compuerta alcance el valor mínimo de IGT o VGT que para el caso del SCR ECG5496 es:

IGTmin = 15 mA 0.8 ≤ VGT ≤ 2V LAMPARA 220V RL P1 50K

Va c =220V

R1 30K 10W C 0.1uF

En el instante t = 0, el voltaje ánodo-cátodo es positivo, y también el voltaje en el condensador; el condensador se va cargando, el tiempo de carga esta determinado por la posición del potenciómetro P1. Cuando el voltaje del condensador alcanza un valor igual al voltaje de compuerta que origina la corriente IGT mínima que necesita el SCR para entrar en conducción, el voltaje ánodo-cátodo cae hasta el valor de aproximadamente 1ó 2 voltios; circula entonces una gran corriente de ánodo limitada únicamente por la carga RL. Con la formula que se muestra se puede calcular el ángulo de disparo

⎛ V ⎞ t = R.C.Ln ⎜ ⎟ ⎝ V − Uc ⎠ t es el valor del Ángulo ∝ en función de la frecuencia angular de la onda de corriente alterna de 60 Hz, y para el SCR será 8.3 milisegundos el valor máximo de t, que corresponde a un ángulo ∝ igual a 180 grados. Si variamos el valor de R en dicha ecuación, el ángulo ∝ variará en razón directa, obteniendo valores de ∝ 1, ∝ 2 y ∝ 3 cómo indica el gráfico. La consideración que se debe tener para este circuito es que la constante RC = (R1 + P1) x C CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

43

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Para el caso de una alimentación de 60 Hz debe estar en el rango de T es : 1 ms ≤ RC ≤ 30 ms , Lo cual garantizará un disparo seguro.

ANGULO DE DISPARO DEL CIRCUITO RC SIMPLE

Va c T3

T1 T2

VGT I GT

2π

π

0

EL

0

π

1

EL

0

π

2

EL

0

3

π

Con este circuito el ángulo de disparo se extiende a más de 90 grado.

DISPARO POR DOBLE RED RC El principio de funcionamiento es similar al circuito RC Simple, el voltaje de carga del condensador C1 es utilizado para cargar al condensador C2. La consideración para obtener un disparo seguro en el rango de 60 Hz, es que el valor de constante de tiempo T deberá estar dada por: T1 = ( R1 + P1 )x C

y

T2 = R2 x C2

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

44

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES T1 aproximado a T2 y para a garantizar un un buen disparo el rango de t: 1 m seg ≤ T ≤ 30 mseg.

220V RL

100K P1

V a c =220V

R1 10K

R2 33K

C1 0.22uF

C2 0.22uF

DIAC UTILIZADO PARA CIRCUITOS DE DISPARO El Diac es un elemento bidireccional, donde la polaridad de su tensión de alimentación es indiferente, el diac se mantiene bloqueado y por lo tanto no circula corriente a través de el, hasta que no se supere el voltaje de ruptura VBO.

Cuando este voltaje VBO es alcanzado, se incrementa la corriente, por el Diac y la caída de tensión entre sus extremos cae aproximadamente 10 voltios. Tomando como ejemplo el DIAC ECG6408, el fabricante nos proporciona las siguientes características: VBO (+) = 32 ± 4 V. IBOmax (+) = 1mA.

VBO ( - ) = 32 ± 4 V. IBOmax ( - ) = 1 mA.

CIRCUITO DE DISPARO DE SCR CON DIAC En el circuito de disparo de SCR, cuando el voltaje en el condensador alcanza el voltaje VBO del DIAC, este entrara en franca conducción, aplicando un pulso de corriente a la compuerta del SCR y lo activará. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

45

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES El circuito mostrado presenta un circuito de disparo de SCR con Diac

30K

220V

R1

RL

50K P1

Va c

ECG5496

ECG6408 C

0.1uF

Al variar el potenciómetro P1 y variar la constante de tiempo (R1 + P1) C, se tendrá diferentes ángulos de disparo tales como ∝ 1, ∝ 2 y ∝ 3. La condición de disparo, para una alimentación de 60 Hz. es que la constante de tiempo T deberá estar dentro de los siguientes límites: 1 ms ≤ ( R1 + P1 ). C ≤ 30 ms.

UJT PARA CIRCUITO DE DISPARO El UJT O TRANSISTOR DE UNIUNION, esta constituido por una barra de silicio (material N) a cuyos extremos se definen las bases B! y B2, en el terminal de emisor existe un material P, conformando una juntura PN, se presenta su símbolo y su estructura interna. B2

B2

N E

E

B1 CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

P

B1 HIT-02

46

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES CIRCUITO DE DISPARO CON UJT El transistor UJT es un dispositivo que permanece bloqueado entre base 1 y base 2 hasta que el voltaje de emisor Ve supere la tensión del voltaje de punto de pico Vp, cuando ello ocurre el UJT se enciende. En el circuito de disparo de un SCR usando el UJT, se observa que durante el semiciclo positivo, la tensión de alimentación alterna Vac es limitada al valor de la tensión zener para el transistor UJT, y el condensador C inicia su carga a través de la resistencia R, dicha tensión sube exponencialmente hasta que alcanza el valor de la tensión de emisor VE, que es cuando inicia su conducción el transistor UJT. Al conducir el transistor UJT, el condensador se descarga a través del emisor base 1 y el primario del transformador de pulsos; dicha descarga es fuerte y violenta originando un pulso en el primario de dicho transformador, el cual por acoplamiento magnético genera un pulso en el secundario y con ello el pulso para la compuerta del SCR, activándolo y empezando a conducir por el resto del semiciclo positivo, es decir hasta π . El UJT continua produciendo pulsos; pero, solo el primero tiene trascendencia para lograr el disparo de SCR, de π hasta 2 π , el diodo zener está polarizado inversamente, y su voltaje ánodo-cátodo es igual a 0.7 voltios, cortando el funcionamiento del UJT. La frecuencia de los pulsos de salida esta dada por la siguiente ecuación:

⎛ 1 ⎞ T = R.C Ln ⎜ ⎟ ⎝1− n ⎠

donde f = 1 / T

CIRCUITO DE DISPARO CON UJT PARA SCR

15K

220V RL

Rz 220V V ac

100K R

470 R2 B2

E

Vz Dz

EL

+

VE

E SCR

B1

ECO5496

C

0.1

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

47

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Para el transistor UJT ECG6401, según el fabricante n min = 0.56 y n max = 0.75. Para la elección adecuada de los valores de R y C es necesario considerar que: 0 ≤ T ≤ 8.3 ms, para una tensión de alimentación cuya frecuencia de 60 Hz.

CIRCUITO DE DISPARO DE TRIAC CON DIAC Un circuito típico del uso de Triac con disparo de DIAC es el DIMMER o control de intensidad de luz, que se muestra a continuación. CIRCUITO DE DISPARO CON DIAC PARA TRIAC

30K

EL

500K

RL

P1 D1

R1=4K7

T1

Va c 220V

ECG5496

ECG6408

0.1uF C2 C1

FORMAS DE ONDA DEL CIRCUITO CON DIAC PARA TRIAC

Vac 0 EL

0

+

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

48

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES El circuito de disparo al trabajar con el diac que es un componente de conducción bidireccional, puede trabajar con la corriente alterna para realizar los disparos en ambos semiciclos y propiciar la conducción del Triac, que también conduce en los dos sentidos y por lo tanto en ambos semiciclos. La resistencia RL es reemplazada por una lámpara incandescente y el TRIAC permite el control de ambos semiciclos de la tensión alterna que se complementa con el DIAC por ser ambos bidireccional. DISPARO CON AMPLIFICADOR OPERACIONAL El amplificador operacional reemplazó a los componentes semiconductores discretos para el disparo de los tiristores, su facilidad de diseño, reducido tamaño y bajo costo contribuyeron a la gran difusión de este circuito integrado en el campo de la electrónica industrial. El presente circuito de mando requiere los siguientes elementos: TRANSFORMADOR DE SINCRONISMO.Conformado por un transformador reductor, típicamente de 220 voltios a 6.3 voltios o 7.5 voltios, su finalidad es lograr el sincronismo entre la fase del circuito de disparo y el circuito de fuerza.

0

2π

π

220V

0

π 2π

CONVERTIDOR DE ONDA SENOIDAL A ONDA CUADRADA.- Se logra mediante un amplificador operacional en la configuración de amplificador inversor en lazo abierto, cuya ganancia es muy elevada y nos permite obtener la onda cuadrada sin perder la frecuencia de 60 hertz.

0

V1

π 2π

+ Vcc 741 +

2π

V0 0

π

- Vcc INTEGRADOR.- Con este circuito se logra convertir la onda cuadrada de 60 hertz a una onda triangular de igual frecuencia de acuerdo a la ecuación. Vo =

−1 t Vi (t ).dt R1.C ∫o

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

49

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Esta ecuación es válida para frecuencias de entrada > fc, para la elección de los valores, de los componentes, según la teoría de circuitos, debe considerarse, lo siguiente: 1 Rs ≈ 1O R1 Fc = 2πRs.C Dando valores, obtenemos que la frecuencia de entrada ( 60 Hz. ) es >> fc, luego el circuito será un buen integrador.

Rs: 10 m C + Vcc 2π 0

V1

π

R1 1M

- Vcc

0.01

741 +

π

V0 0

2π

SUMADOR INTEGRADOR.- La gran versatilidad del amplificador operacional nos permite configurar este circuito, donde una de las entradas es la onda cuadrada y la otra entrada la constituye una tensión continua variable, mediante el potenciómetro P1, y que permitirá controlar. En la salida obtenemos, por efecto de la integración de la onda cuadrada, una onda triangular y por la acción de suma, el desplazamiento en sentido vertical, pasando por cero, da la onda triangular, el desplazamiento de dicha onda triangular es función del voltaje Vo.

+ Vcc R1

2π 0

π

1M

- Vcc

R2

115V +Vcc 10K P1

2K

1M

10M RF C 0.01

741 +

0

π 2π

0

VN

VN

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

50

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES AMPLIFICADOR DE POTENCIA.- Con un transistor de potencia y teniendo como carga el primario de un transformador de pulsos, se logrará obtener en el secundario del transformador los pulsos de salida, que dispararán al SCR.

+ 15V +Vcc 270 3w R10

EL RL ECO5496

T1 Vac 220 R8 10K 270 R5

- Vcc - 15V

-

IC2 +

330 R6

T2 10K R9

8U x 84

10K P2 P2 12V

R7 330

CIRCUITO FINAL DE DISPARO.- El circuito completo es la integración adecuada y correcta de los elementos, logrando un Circuito de disparo confiable, basado en amplificadores operacionales. Las señales que se presentan en cada una de las etapas se presentan en el grafico, iniciando con la señal a controlar, la señal de sincronismo obtenida mediante el trasformador reductor, la onda cuadrada del comparador en base a la señal de sincronismo, y de ella se logra la onda triangular, luego los pulsos desfasados adecuadamente para tener el inicio de la conducción, el recorte y amplificación de los pulsos de disparo y finalmente la conducción en la carga. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

51

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

Vac 0

Vs

Ic1 0 Ic2 0 - VE

Ic3

Ig

EL

FORMAS DE ONDA DEL CIRCUITO DE DISPARO CON OPERACIONAL CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

52

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

CIRCUITOS DE DISPARO DE SCR Y TRIAC

GENERALIDADES Los tiristores son componentes de la electrónica de potencia, que tiene una conducción natural como los diodos, para lo cual se debe superar la tensión de encendido o conducción, pero esta tensión de encendido puede variarse disminuyendo en su valor, si se alimenta con una tensión adecuada a su terminal llamado gate. Generalmente al gate se alimenta con un pulso de disparo, de corta duración, en el instante que se desea que se inicie la conducción; los pulsos de disparo, tienen que poseer ciertas características para que cumplan su función, la amplitud debe ser del orden en las decenas de mA y la duración mayor que 10 ms, ambas magnitudes son bastantes pequeñas con relación a la corriente l a controlar y al periodo de la red de 60Hz. Los pulsos de disparo tiene que estar sincronizados con la tensión de suministro y debe poder desplazarse entre 0 y π, este desplazamiento debe ser controlado por medio de una tensión, variando un potenciómetro.

TIRISTORES El termino tiristor viene del griego y significa puerta, y se comporta como una puerta que se abre y permite el paso a través de ella y debemos considerarlo como un tipo de interruptor. El Tiristor es un dispositivo semiconductor que utiliza realimentación interna para producir un tipo de conmutación, y la principal aplicación de estos dispositivos es el control de grandes corrientes de carga para motores, calentadores, sistemas de iluminación, etc.

TIPOS Los tiristores son diodos de cuatro capas, algunos de ellos con una compuerta de control y podemos considerar cuatro tipos de tiristores. TIRISTOR DIODO O DIODO DE CUATRO CAPAS.- similar al diodo rectificador común, solo que tiene cuatro capas y su tensión de encendido o inicio de conducción no es 0.7voltios, si no una tensión mayor que es característica del componente. DIAC.- es un componente de cuatro capas, con un comportamiento similar al diodo de cuatro capas, pero bidireccional, y se puede reemplazar por dos diodos de cuatro capas en antiparalelo, o espalda-espalda. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

36

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES SCR.- el SCR o Rectificador Controlado de Silicio, es un componente de similar al diodo de cuatro capas con una determinada tensión de encendido o inicio de conducción y con un terminal de control llamado gate o puerta. TRIAC.- es un componente de cuatro capas, con un comportamiento similar al SCR, pero bidireccional, y se puede reemplazar por dos SCR en antiparalelo, o espaldaespalda. En general a los cuatro se les conoce como tiristores, pero algunos autores diferencian el término, utilizando término Tiristor solo para identificar al SCR y otros autores para identificar al SCR y al Triac.

RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO - SCR Un SCR es un dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura PNPN con tres uniones PN, tiene tres terminales: ánodo, cátodo y compuerta o gate. Los SCR se fabrican por difusión y crecimiento epitaxial. Cuando la tensión del ánodo se hace positiva con respecto al cátodo, las uniones J1 y J3 tiene polarización directa. La unión J2 tiene polarización inversa, y solo fluirá una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo, el SCR esta en condición de bloqueo directo o en estado desactivado. A A P N G

G

P N

J1 J2 J3

K K

Si la tensión del ánodo-cátodo se incrementa a un valor lo suficientemente grande, la unión J2 polarizada inversamente entra en ruptura y el SCR entra en conducción, a esto se conoce como ruptura por avalancha y la tensión correspondiente se llama tensión de ruptura directa, también conocida como tensión de encendido. Al aplicar un pulso positivo al gate, con respecto al cátodo, se incrementan los pares electrón-hueco y dado que las uniones J1 y J3 ya tiene polarización directa, habrá un movimiento libre de portadores a través de las tres uniones, que provocara una gran corriente directa del ánodo al cátodo, quedando el dispositivo en conducción. La caída de tensión se deberá a la caída ohmica de las cuatro capas y será pequeña, de 1 voltio; en el estado de conducción, la corriente del ánodo solo esta limitada por la CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

37

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES resistencia externa, la corriente del ánodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche IL, a fin de mantener la conducción, la corriente de enganche IL, es la corriente del ánodo mínima requerida para mantener el SCR en estado de conducción inmediatamente después que ha sido activado y se ha retirado el pulso de la compuerta o gate. Una vez que el SCR, esta conduciendo se comporta como un diodo en conducción y ya no hay control sobre el dispositivo; si se reduce la corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento IH, el SCR dejara de conducir y pasará al estado de bloqueo. La corriente de mantenimiento (IH) es del orden de los miliamperios y es menor que la corriente de enganche (IL). Cuando la tensión del ánodo es negativa con respecto al cátodo, la unión J2 tiene polarización directa, pero las uniones J1 y J3 tienen polarización inversa. El SCR estará en estado de bloqueo inverso con una corriente de fuga inversa.

CURVA CARACTERISTICA DEL SCR

ID

Zona de bloqueo en sentido directo

Ic UI

UD UE

Zona de bloqueo en sentido inverso

I

TRIAC El TRIAC o TRIODE ALTERNATING CURRENT, es un componente de la electrónica de potencia similar al SCR pero de conducción bidireccional, que apareció basado en el éxito del SCR, que indujo a los investigadores a desarrollar un SCR más apto, para conducción controlada en circuitos de corriente alterna, esto es una conducción bidireccional, su disparo es similar al del SCR, pero difiere de este en que puede conducir en ambas direcciones en respuestas a un pulso positivo o negativo.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

38

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Los términos ánodo y cátodo no son aplicables al TRIAC y los terminales son designados por números, el terminal A1 es el punto de referencia para las mediciones de voltaje y de corriente, y con respecto a este terminal se miden el terminal de compuerta y el terminal A2. En el siguiente grafico se muestra el símbolo y la estructura de un Triac y su comportamiento interno es similar al SCR, pero conduciendo en ambos sentidos.

CURVA CARACTERISTICA DEL TRIAC

I12

Zona de paso 1

- U E0

Ic

- U12

U 12 Ic

U E0

Zona de paso 2

- I 12

CIRCUITOS DE DISPARO Los circuitos de disparo pueden servir tanto para disparar al SCR o al Triac, aun cuando en algunos casos se debe hacer algunas pequeñas modificaciones. El disparo real de un tiristor esta influenciado por la temperatura de la juntura, que si es elevada facilita el disparo debido al enriquecimiento de portadores en las uniones por los pares generados térmicamente.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

39

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

DISPARO POR TENSION EXCESIVA Cuando la tensión ánodo-cátodo se acerca al valor de ruptura en sentido directo, una reacción en cadena a nivel de portadores pasa al SCR a estado de conducción, la tensión ánodo-cátodo cae al valor de 1 a 2 voltios, al desaparecer la zona de carga especial de la unión de control y el circuito exterior permitirá el aumento de corriente por el SCR, considerándose que el componente ha entrado en conducción, cuando la corriente ha superado el valor de la intensidad de enclavamiento (IL) Esta forma de disparo es raramente empleada para pasar intencionalmente a conducción, sin embargo se da en forma fortuita provocada por sobretensiones anormales en los equipos.

DISPARO POR PULSO EN LA COMPUERTA El procedimiento norma para disparar un SCR consiste en la aplicación en la compuerta, de un impulso positivo de corriente, mediante la conexión de un generador de pulsos entre los terminales de puerta y cátodo; siempre que el SCR este polarizado directamente y mantiene un tensión positiva ánodo –cátodo. El pulso produce una corriente local cerca de la compuerta al catado y si la intensidad de corriente es suficiente, se iniciará la conducción y se mantendrá independiente del impulso de compuerta y se extenderá el área de conducción a toda la pastilla, en forma automática en décimas de microsegundo, asumiendo que el circuito exterior permite la conducción con una corriente mayor a la corriente de mantenimiento.

CIRCUITOS DE DISPARO DE SCR En un SCR, con carga resistiva, se define el ángulo de disparo ( ∝ ) como el ángulo o tiempo durante el cual el SCR no conduce, medido a partir del paso de la onda sinusoidal por cero, y con voltaje ánodo-cátodo mayor que cero. EL

tb El ángulo de conducción ( ø ), es el ángulo o tiempo durante el cual el SCR se encuentra conduciendo. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

40

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES El tiempo de bloqueo natural (tb) es el tiempo durante el cual el SCR no conduce y se ha bloqueado en forma natural porque su voltaje ánodo-cátodo es menor que cero o negativo y por lo tanto la corriente de ánodo es menor que la corriente de mantenimiento (Ih). Para disparar al SCR es necesario aplicar una tensión VGT entre compuerta y cátodo que debe ser mayor que 0.6 a 0.8 V. que es el voltaje de la juntura PN existente entre compuerta y cátodo para SCR con corriente de ánodo desde 0.8 Amp. hasta 35 Amp. Los fabricantes especifican un valor de VGTmax que no debe ser superado por el circuito de disparo bajo riesgo de deteriorar al SCR. De igual modo se especifica una corriente de compuerta IG Tmin que varía desde 0.2 mA hasta 40 mA para SCR con corriente de ánodo desde 0.8 Amp. hasta 35 Amp.

DISPARO POR DIVISOR DE TENSION Es el circuito de disparo de un SCR más simple, se emplea cuando la alimentación es continua, y donde es suficiente un pulso positivo aplicado a la compuerta o gate por R2 al cerrar el interruptor S1.

24 V RL

1800 R1

150 R2

VGT

El siguiente circuito, se utiliza el SCR ECG5496, cuyas características son: 10 A/ 600 Voltios, VG Tmax = 2Voltios y IG Tmin = 15 mA Para calcular el valor de R1 y R2, debemos dispararse que: 0.8 V ≤ VGT ≤ 2 V VGT =

Vcc xR 2 R1 + R 2

recordar que el SCR requiere para

R1 Vcc = −1 R 2 VGT

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

41

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES a) VGT = 0.8 V

y Vcc = 24 V

R1 24 = − 1 = 29 R 2 0.8 b) VGT = 2 V.

y

R1 = 29 R2

Vcc = 24 V

R1 24 = − 1 = 11 R2 2

R1 = 11 R2

11 R2 ≤ R1 ≤ 29 R2 Por lo tanto se debe escoger una resistencia R1 que sea entre 11 y 29 veces R2.

DISPARO POR CONTROL DE FASE En el disparo por control de fase, la tensión de alimentación de ánodo se aplica a la compuerta mediante una resistencia limitadora de corriente y un potenciómetro para tomar parte de la corriente y disparar el SCR. RL

R1

VAK VAK

Vac P1

El ángulo de disparo está determinado por la posición del potenciómetro P1 quien controla la magnitud de la corriente (IG). Si el valor de P1 es pequeño, la corriente de compuerta será suficiente para disparar al SCR, el ángulo de disparo será pequeño y habrá un gran voltaje en la resistencia de carga RL. Si el valor P1 es grande, la corriente de compuerta será pequeña y podría no ser suficiente para disparar al SCR, permaneciendo bloqueado el SCR. DISPARO POR CONSTANTE RC SIMPLE En el disparo por constante RC simple, la tensión de alimentación de ánodo se aplica a la compuerta mediante una resistencia limitadora de corriente y un potenciómetro para cargar un condensador y el voltaje de carga al condensador dispara al SCR. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

42

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES El ángulo de disparo está determinado por la constante de tiempo RC: T = ( R1 + P1 ) x C EL SCR entrará en conducción cuando en la compuerta alcance el valor mínimo de IGT o VGT que para el caso del SCR ECG5496 es:

IGTmin = 15 mA 0.8 ≤ VGT ≤ 2V LAMPARA 220V RL P1 50K

Va c =220V

R1 30K 10W C 0.1uF

En el instante t = 0, el voltaje ánodo-cátodo es positivo, y también el voltaje en el condensador; el condensador se va cargando, el tiempo de carga esta determinado por la posición del potenciómetro P1. Cuando el voltaje del condensador alcanza un valor igual al voltaje de compuerta que origina la corriente IGT mínima que necesita el SCR para entrar en conducción, el voltaje ánodo-cátodo cae hasta el valor de aproximadamente 1ó 2 voltios; circula entonces una gran corriente de ánodo limitada únicamente por la carga RL. Con la formula que se muestra se puede calcular el ángulo de disparo

⎛ V ⎞ t = R.C.Ln ⎜ ⎟ ⎝ V − Uc ⎠ t es el valor del Ángulo ∝ en función de la frecuencia angular de la onda de corriente alterna de 60 Hz, y para el SCR será 8.3 milisegundos el valor máximo de t, que corresponde a un ángulo ∝ igual a 180 grados. Si variamos el valor de R en dicha ecuación, el ángulo ∝ variará en razón directa, obteniendo valores de ∝ 1, ∝ 2 y ∝ 3 cómo indica el gráfico. La consideración que se debe tener para este circuito es que la constante RC = (R1 + P1) x C CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

43

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Para el caso de una alimentación de 60 Hz debe estar en el rango de T es : 1 ms ≤ RC ≤ 30 ms , Lo cual garantizará un disparo seguro.

ANGULO DE DISPARO DEL CIRCUITO RC SIMPLE

Va c T3

T1 T2

VGT I GT

2π

π

0

EL

0

π

1

EL

0

π

2

EL

0

3

π

Con este circuito el ángulo de disparo se extiende a más de 90 grado.

DISPARO POR DOBLE RED RC El principio de funcionamiento es similar al circuito RC Simple, el voltaje de carga del condensador C1 es utilizado para cargar al condensador C2. La consideración para obtener un disparo seguro en el rango de 60 Hz, es que el valor de constante de tiempo T deberá estar dada por: T1 = ( R1 + P1 )x C

y

T2 = R2 x C2

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

44

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES T1 aproximado a T2 y para a garantizar un un buen disparo el rango de t: 1 m seg ≤ T ≤ 30 mseg.

220V RL

100K P1

V a c =220V

R1 10K

R2 33K

C1 0.22uF

C2 0.22uF

DIAC UTILIZADO PARA CIRCUITOS DE DISPARO El Diac es un elemento bidireccional, donde la polaridad de su tensión de alimentación es indiferente, el diac se mantiene bloqueado y por lo tanto no circula corriente a través de el, hasta que no se supere el voltaje de ruptura VBO.

Cuando este voltaje VBO es alcanzado, se incrementa la corriente, por el Diac y la caída de tensión entre sus extremos cae aproximadamente 10 voltios. Tomando como ejemplo el DIAC ECG6408, el fabricante nos proporciona las siguientes características: VBO (+) = 32 ± 4 V. IBOmax (+) = 1mA.

VBO ( - ) = 32 ± 4 V. IBOmax ( - ) = 1 mA.

CIRCUITO DE DISPARO DE SCR CON DIAC En el circuito de disparo de SCR, cuando el voltaje en el condensador alcanza el voltaje VBO del DIAC, este entrara en franca conducción, aplicando un pulso de corriente a la compuerta del SCR y lo activará. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

45

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES El circuito mostrado presenta un circuito de disparo de SCR con Diac

30K

220V

R1

RL

50K P1

Va c

ECG5496

ECG6408 C

0.1uF

Al variar el potenciómetro P1 y variar la constante de tiempo (R1 + P1) C, se tendrá diferentes ángulos de disparo tales como ∝ 1, ∝ 2 y ∝ 3. La condición de disparo, para una alimentación de 60 Hz. es que la constante de tiempo T deberá estar dentro de los siguientes límites: 1 ms ≤ ( R1 + P1 ). C ≤ 30 ms.

UJT PARA CIRCUITO DE DISPARO El UJT O TRANSISTOR DE UNIUNION, esta constituido por una barra de silicio (material N) a cuyos extremos se definen las bases B! y B2, en el terminal de emisor existe un material P, conformando una juntura PN, se presenta su símbolo y su estructura interna. B2

B2

N E

E

B1 CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

P

B1 HIT-02

46

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES CIRCUITO DE DISPARO CON UJT El transistor UJT es un dispositivo que permanece bloqueado entre base 1 y base 2 hasta que el voltaje de emisor Ve supere la tensión del voltaje de punto de pico Vp, cuando ello ocurre el UJT se enciende. En el circuito de disparo de un SCR usando el UJT, se observa que durante el semiciclo positivo, la tensión de alimentación alterna Vac es limitada al valor de la tensión zener para el transistor UJT, y el condensador C inicia su carga a través de la resistencia R, dicha tensión sube exponencialmente hasta que alcanza el valor de la tensión de emisor VE, que es cuando inicia su conducción el transistor UJT. Al conducir el transistor UJT, el condensador se descarga a través del emisor base 1 y el primario del transformador de pulsos; dicha descarga es fuerte y violenta originando un pulso en el primario de dicho transformador, el cual por acoplamiento magnético genera un pulso en el secundario y con ello el pulso para la compuerta del SCR, activándolo y empezando a conducir por el resto del semiciclo positivo, es decir hasta π . El UJT continua produciendo pulsos; pero, solo el primero tiene trascendencia para lograr el disparo de SCR, de π hasta 2 π , el diodo zener está polarizado inversamente, y su voltaje ánodo-cátodo es igual a 0.7 voltios, cortando el funcionamiento del UJT. La frecuencia de los pulsos de salida esta dada por la siguiente ecuación:

⎛ 1 ⎞ T = R.C Ln ⎜ ⎟ ⎝1− n ⎠

donde f = 1 / T

CIRCUITO DE DISPARO CON UJT PARA SCR

15K

220V RL

Rz 220V V ac

100K R

470 R2 B2

E

Vz Dz

EL

+

VE

E SCR

B1

ECO5496

C

0.1

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

47

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Para el transistor UJT ECG6401, según el fabricante n min = 0.56 y n max = 0.75. Para la elección adecuada de los valores de R y C es necesario considerar que: 0 ≤ T ≤ 8.3 ms, para una tensión de alimentación cuya frecuencia de 60 Hz.

CIRCUITO DE DISPARO DE TRIAC CON DIAC Un circuito típico del uso de Triac con disparo de DIAC es el DIMMER o control de intensidad de luz, que se muestra a continuación. CIRCUITO DE DISPARO CON DIAC PARA TRIAC

30K

EL

500K

RL

P1 D1

R1=4K7

T1

Va c 220V

ECG5496

ECG6408

0.1uF C2 C1

FORMAS DE ONDA DEL CIRCUITO CON DIAC PARA TRIAC

Vac 0 EL

0

+

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

48

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES El circuito de disparo al trabajar con el diac que es un componente de conducción bidireccional, puede trabajar con la corriente alterna para realizar los disparos en ambos semiciclos y propiciar la conducción del Triac, que también conduce en los dos sentidos y por lo tanto en ambos semiciclos. La resistencia RL es reemplazada por una lámpara incandescente y el TRIAC permite el control de ambos semiciclos de la tensión alterna que se complementa con el DIAC por ser ambos bidireccional. DISPARO CON AMPLIFICADOR OPERACIONAL El amplificador operacional reemplazó a los componentes semiconductores discretos para el disparo de los tiristores, su facilidad de diseño, reducido tamaño y bajo costo contribuyeron a la gran difusión de este circuito integrado en el campo de la electrónica industrial. El presente circuito de mando requiere los siguientes elementos: TRANSFORMADOR DE SINCRONISMO.Conformado por un transformador reductor, típicamente de 220 voltios a 6.3 voltios o 7.5 voltios, su finalidad es lograr el sincronismo entre la fase del circuito de disparo y el circuito de fuerza.

0

2π

π

220V

0

π 2π

CONVERTIDOR DE ONDA SENOIDAL A ONDA CUADRADA.- Se logra mediante un amplificador operacional en la configuración de amplificador inversor en lazo abierto, cuya ganancia es muy elevada y nos permite obtener la onda cuadrada sin perder la frecuencia de 60 hertz.

0

V1

π 2π

+ Vcc 741 +

2π

V0 0

π

- Vcc INTEGRADOR.- Con este circuito se logra convertir la onda cuadrada de 60 hertz a una onda triangular de igual frecuencia de acuerdo a la ecuación. Vo =

−1 t Vi (t ).dt R1.C ∫o

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

49

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Esta ecuación es válida para frecuencias de entrada > fc, para la elección de los valores, de los componentes, según la teoría de circuitos, debe considerarse, lo siguiente: 1 Rs ≈ 1O R1 Fc = 2πRs.C Dando valores, obtenemos que la frecuencia de entrada ( 60 Hz. ) es >> fc, luego el circuito será un buen integrador.

Rs: 10 m C + Vcc 2π 0

V1

π

R1 1M

- Vcc

0.01

741 +

π

V0 0

2π

SUMADOR INTEGRADOR.- La gran versatilidad del amplificador operacional nos permite configurar este circuito, donde una de las entradas es la onda cuadrada y la otra entrada la constituye una tensión continua variable, mediante el potenciómetro P1, y que permitirá controlar. En la salida obtenemos, por efecto de la integración de la onda cuadrada, una onda triangular y por la acción de suma, el desplazamiento en sentido vertical, pasando por cero, da la onda triangular, el desplazamiento de dicha onda triangular es función del voltaje Vo.

+ Vcc R1

2π 0

π

1M

- Vcc

R2

115V +Vcc 10K P1

2K

1M

10M RF C 0.01

741 +

0

π 2π

0

VN

VN

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

50

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES AMPLIFICADOR DE POTENCIA.- Con un transistor de potencia y teniendo como carga el primario de un transformador de pulsos, se logrará obtener en el secundario del transformador los pulsos de salida, que dispararán al SCR.

+ 15V +Vcc 270 3w R10

EL RL ECO5496

T1 Vac 220 R8 10K 270 R5

- Vcc - 15V

-

IC2 +

330 R6

T2 10K R9

8U x 84

10K P2 P2 12V

R7 330

CIRCUITO FINAL DE DISPARO.- El circuito completo es la integración adecuada y correcta de los elementos, logrando un Circuito de disparo confiable, basado en amplificadores operacionales. Las señales que se presentan en cada una de las etapas se presentan en el grafico, iniciando con la señal a controlar, la señal de sincronismo obtenida mediante el trasformador reductor, la onda cuadrada del comparador en base a la señal de sincronismo, y de ella se logra la onda triangular, luego los pulsos desfasados adecuadamente para tener el inicio de la conducción, el recorte y amplificación de los pulsos de disparo y finalmente la conducción en la carga. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

51

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

Vac 0

Vs

Ic1 0 Ic2 0 - VE

Ic3

Ig

EL

FORMAS DE ONDA DEL CIRCUITO DE DISPARO CON OPERACIONAL CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-02

52

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

CALCULO DE TENSIONES Y CORRIENTES DE DISPARO PARA SCR Y TRIAC Cada componente electrónico, tiene sus propias características y de acuerdo a ellas se debe diseñar el circuito de disparo, los datos típicos para disparar al SCR son: una tensión VGT entre compuerta y cátodo que debe ser mayor que 0.6 V. que es el voltaje de la juntura PN existente entre compuerta y cátodo, para SCR con corriente de ánodo de 0.8 Amp. a 35 Amp. La corriente de compuerta IGTmin, varía desde 0.2 mA hasta 40 mA para el SCR con corriente de ánodo de 0.8 Amp. a 35 Amp. CALCULO DE TENSION DE DISPARO En el circuito mostrado, calcular el voltaje que dispara al SCR, el SCR utilizado es el ECG5418, cuyos parámetros según el manual son: VDRM = 400 V. IG Tmin = 15 mA.

ITrms = 10 Amp. VGTmax = 1.5 V.

150 I GT = 15mA VGT

Se considera VGK= 0.8 Voltios, y tendremos que: VGT = IGT X 150 ohms + VGK VGT = 15 mA x 150 ohms + 0.8 Voltios = 3.05 Voltios. Para el circuito mostrado, la tensión de disparo será VGT = 3.05 voltios. CALCULO DE CORRIENTE Y TENSION DE DISPARO CIRCUITO CONTROL DE FASE En el circuito mostrado se alimenta con 220 VAC, las resistencias tiene los siguientes valores RL= 01 Ohmios R1= 3.3k P1= ¿? Para que se dispare a 90° CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-02

53

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Una parte de la tensión de alimentación de ánodo para aplicarlo a la compuerta y disparar el SCR. RL

R1

VAK VAK

Vac P1

De las características del SCR, sabemos que IGT mínimo = 15 mA. y tensión instantánea en 90° será voltaje pico. V = 220

RT =

2 = 311 V.

P1= RT - R1 = 20.73 - 3.3 =

V 311V = = 20.73K IGT 15mA

17.43 K

La caida de tensión en RL será: VL = RL x IGT = 10 x 15 mA = 0.15 voltios La caida de tensión Gate – Cátodo será el especificado en las características: VGT = 0.8 V.

IG T = 15 mA.

GENERACION Y REGENERACION DE PORTADORES EN SEMICONDUCTORES

SEMICONDUCTORES INTRINSECOS Un semiconductor intrínseco es un semiconductor puro, un cristal de silicio es un semiconductor intrínseco si cada átomo de cristal es un átomo de silicio; a temperatura ambiente, un cristal de silicio se comporta más o menos como un aislante, ya que tiene solamente unos cuantos electrones libres y sus huecos producidos por excitación térmica.

FLUJO DE PORTADORES ELECTRONES LIBRES En la figura se muestra parte de un cristal de silicio entre dos placas metálicas cargadas. Suponiendo que la energía térmica ha producido un electrón libre y un hueco, el electrón libre se halla en una orbita grande en el extremo derecho del cristal. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-02

54

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Debido a la placa cargada negativamente, el electrón libre es repelido hacia la izquierda, este electrón puede pasar de una orbita grande a la siguiente hasta alcanzar la placa positiva.

Electrón libre

+ + + + + + + + + +

HUECO

A C D F E B

+ +

-

FLUJO DE PORTADORES HUECOS El hueco a la izquierda, en la figura, atrae a un electrón de valencia del punto A, lo que provoca que el electrón de valencia se mueva hacia el hueco, esta acción no es la misma que la recombinación, en la cual un electrón libre cae en un hueco. En vez de un electrón libre, se tiene un electrón de valencia moviéndose hacia un hueco. Cuando el electrón de valencia en el punto A se mueve hacia la izquierda, crea un nuevo hueco en el punto A, el efecto es el mismo que si el hueco original se desplazara hacia la derecha, el nuevo hueco en el punto A puede atraer y capturar otro electrón de valencia. De esta forma, los electrones de valencia pueden desplazarse a lo largo de la trayectoria indicada por las flechas. Esto quiere decir que el hueco se puede mover en el sentido opuesto, en la trayectoria A-B-C-D-E-F. En un semiconductor intrínseco se tiene el mismo número de electrones libres que de huecos, esto se debe a que por acción de la energía térmica se producen los electrones libres y los huecos por pares, la tensión aplicada forzará a los electrones libres a circular hacia la izquierda y los huecos hacia la derecha. Cuando los electrones libres llegan al extremo izquierdo de cristal, entran al conductor externo y circulan hacia el terminal positivo de la batería. Los electrones libres en el terminal negativo de la batería fluirán hacia el extremo derecho del cristal, en este punto, entran en el cristal y se recombinan con los huecos que llegan al extremo derecho del cristal. Así, se produce un flujo estable de electrones libres y huecos dentro del semiconductor. Los electrones libres y los huecos se mueven en direcciones opuestas, en lo sucesivo concebiremos la corriente en un semiconductor como el efecto combinado de los dos tipos de flujo: el de los electrones libres en una dirección y el de los huecos en dirección opuesta: los electrones libres y los huecos reciben a menudo la denominación común de portadores, debido a que transportan la carga eléctrica de un lugar a otro. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-02

55

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES DOPADO DE UN SEMICONDUCTOR Una forma de aumentar la conductividad de un semiconductor es mediante el dopado. El dopado supone que deliberadamente se añadan átomos de impurezas a un cristal intrínseco para modificar su conductividad eléctrica, un semiconductor dopado se llama semiconductor extrínseco. REGENERACION DE PORTADORES Los Portadores de cargas eléctricas electrones libres y huecos, se recombinan permanentemente, teniendo un tiempo de vida desde 100 nanosegundos, hasta unos microsegundos, desde que un electrón sale de la banda de valencia y se convierte en electrón libre hasta que se acerca a un hueco, es atraído por ella y cae, produciéndose la recombinación. AUMENTO DEL NÚMERO DE ELECTRONES LIBRES El proceso de dopado de un cristal de silicio tiene el siguiente procedimiento: El primer paso consiste en fundir un cristal puro de silicio para romper los enlaces covalentes y cambiar el estado de silicio de sólido, con el fin de aumentar el número de electrones libres, se añaden átomos pentavalentes al silicio fundido. Los átomos pentavalentes tienen 5 electrones en la orbita de valencia. El arsénico, antimonio y el fósforo son ejemplos de átomos pentavalentes. Como estos materiales donaran un electrón extra al cristal de silicio se les conoce como impurezas donadoras.

Electrón libre

En la figura muestra como queda el cristal de silicio después de enfriarse y volver a tomar su estructura de cristal sólido. En el centro se halla un átomo pentavalente rodeado por cuatro átomos de silicio. Como antes, los átomos vecinos comparten un electrón con el átomo central. Pero en este caso queda un electrón adicional. Reacuérdese que cada átomo pentavalente tiene 5 electrones de valencia. Como únicamente pueden situarse 8 electrones en la órbita de valencia, el electrón adicional queda en una órbita mayor y se obtiene un electrón libre. Cada átomo pentavalente, o donador, en un cristal de silicio produce un electrón libre. al fabricar se controla la conductividad de un semiconductor dopado, cuantas mas impurezas se añadan, mayor será la conductividad, un semiconductor se puede dopar ligera o fuertemente, el semiconductor dopado ligeramente tiene una gran resistencia eléctrica y uno fuertemente dopado tiene una resistencia pequeña. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-02

56

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES AUMENTO DEL NÚMERO DE HUECOS Utilizando una impureza trivalente, es decir, una impuraza cuyos átomos tengan solo 3 electrones de valencia, como el aluminio, el boro o el galio.

En la figura se muestra un átomo trivalente en el centro, esta rodeado por cuatro átomos de silicio, cada uno compartiendo cada uno de sus electrones de valencia. Como el átomo trivalente tenia al principio solo 3 electrones de valencia y comparte un electrón con cada uno de sus vecinos, hay solo 7 electrones en la orbita de valencia. Por ello, hay un hueco en la orbita de valencia de cada átomo trivalente, un átomo trivalente se denomina también átomo aceptor, porque cada uno de los huecos con que contribuye puede aceptar un electrón libre durante la recombinación.

SIMBOLOGIA

Los símbolos de los tiristores se muestran a continuación:

SIMBOLO DEL TIRISTORDIODO

SIMBOLO DEL SCR

SIMBOLO DEL UJT

B2

A

A

E

G

K

K

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

B1 HIC-02

57

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES SIMBOLO DEL TRIAC

SIMBOLO DEL DIAC

A2

A2

A1

A1

G

RECOMENDACIONES PARA EL MANEJO DE TIRISTORES

El parámetro de mayor importancia en los tiristores y en general en todos los componentes electrónicos es la temperatura, y en los tiristores por las potencias que manejan cobra una especial importancia, por ello deben tomarse especiales precauciones para disipar el calor al ambiente y evitar excesivas subidas de temperatura en el componente. Para disipar el calor en calor de aluminio u otro adherido al componente disipadora para rellenar como del disipador.

un componente de potencia se debe utilizar disipadores de material para disipadores, el cual debe estar completamente para una perfecta transferencia del calor, utilizando silicona las imperfecciones de las superficies tanto del encapsulado

En realidad el calor al disiparse debe pasar tres puntos de resistencia térmica, una entre el componente y su encapsulado, otro entre el encapsulado y el disipador, y finalmente entre el disipador y el ambiente, y para casos críticos se realiza cálculos de cada resistencia térmica y su tratamiento para una optima disipación. Insistimos en que debemos evitar que los circuitos de prueba y experimentos estén energizados, consumiendo energía eléctrica, cuando no se esta realizando mediciones o comprobaciones de su funcionamiento, tratando de usar racionalmente los recursos eléctricos y al mismo tiempo evitar poner en peligro a nuestros compañeros e incluso a nosotros mismos. El uso racional de los recursos es un compromiso que tenemos todos los habitantes de la tierra con nuestro futuro y el futuro de nuestros hijos, por que debemos preservar el medioambiente y evitar su depredación y contaminación.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-02

58

TRANSFORMADOR DE PULSOS

VCC

R2

VI 1

V01

VI 2

V02

RECTIFICADOR CONTROLADO DE MEDIA ONDA V1

T1

L1 EL EF

V2

L2

T2

V3

L3

T3

EDC

IDC

Nº

ORDEN DE EJECUCIÓN

HERRAMIENTAS / INSTRUMENTOS/MATERIALES

FUENTE DE ALIMENTACIÓN DC.

1

IDENTIFIQUE TERMINALES Y PRUEBE TRANSFORMADOR DE PULSOS.

2

ARME CIRCUITO DE PRUEBA DE TRANSFORMADOR DE PULSO.

MULTÍMETRO DIGITAL, PROTOBOARD.

3

ARME CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFASICO CONTROLADO.

CONDUCTORES VARIOS CALIBRE 18 Y 22 AWG Y ENCHUFE.

4

VERIFIQUE EL FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO ELECTRONICO DE POTENCIA.

PINZAS, ALICATE DE CORTE.

COMPONENTES SCR,

RESISTENCIAS Y CINTA AISLANTE.

PZA

CANT

DENOMINACIÓN–NORMA/ DIMENSIONES

MONTAJE DE CIRCUITOS RECTIFICADORES TRIFASICOS CONTROLADOS

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

MATERIAL

OBSERVACIONES

HT

REF: HT-03

Tiempo:4 Horas

HOJA: 1 / 1

Escala: ------

2004 59

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES OPERACIÓN PROBAR TRANSFORMADOR DE PULSOS

DESCRIPCIÓN

Para evitar que la etapa de Mando tenga contacto eléctrico con la etapa de Fuerza y exista un aislamiento eléctrico se utiliza un transformador de pulsos para realizar el disparo de los SCR y Triac. El transformador permite transferir el pulso recibido en el primario al secundario que esta conectado al gate del SCR o del TRIAC.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Realice las mediciones de continuidad de las bobinas primaria y secundaria del transformador de pulsos, y el aislamiento entre las bobinas.

2º PASO:

Arme el circuito mostrado

+ 15V +Vcc 270 3w R10

EL RL ECO5496

C

D

T1 Vcc 24

VIN

B

T2 8U x 84

10K R9 GND

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-09

1 / 2

60

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

3º PASO:

Verifique conexiones y alimente el circuito de disparo con tensión de 15 Vdc. y el circuito de fuerza 24 Vdc. con fuentes independientes.

4º PASO:

Alimente en la entrada VIN del circuito con un generador de onda cuadrada. A.- Conecte el terminal de tierra del generador de onda al punto de tierra del circuito de disparo, punto GND. B.- Conecte la punta de señal del generador de onda a la entrada VIN.

5º PASO:

Con un osciloscopio verificar la señal de entrada al transistor y la señal de entrada del primario del transformador. A.- Conecte el terminal de tierra del osciloscopio al punto de tierra del circuito de disparo, punto GND. B.- Conecte la punta de prueba transistor, punto B.

del canal 1

a la base del

C.- Conecte la punta de prueba del canal 2 a la entrada del primario del transformador, punto C.

6º PASO:

Mida los valores de la señal y grafique la forma de onda y los valores de la señal de entrada al transistor y al primario del transformador.

7º PASO:

Con un osciloscopio verificar la señal de entrada al transistor y la señal de salida del secundario del transformador. A.- Conecte el terminal de tierra del osciloscopio al punto de tierra del circuito de disparo, punto GND. B.- Conecte la punta de prueba transistor, punto B.

del canal 1

C.- Conecte la punta de prueba del canal 2 secundario del transformador, punto D.

8º PASO:

a la base del

a la salida del

Mida los valores de la señal y grafique la forma de onda y los valores de la señal de entrada al transistor y la salida del secundario del transformador.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-09

2 /2

61

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN ARMAR CIRCUITOS RECTIFICADORES TRIFASICOS CONTROLADOS DESCRIPCIÓN

Los circuitos Rectificadores Trifásicos Controlados utilizan como elemento rectificador a los SCR y a los diodos, y utilizan corriente alterna trifásica. Los rectificadores trifásicos pueden ser de media onda y onda completa tipo puente mixto o totalmente controlado.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Arme el circuito RECTIFICADOR TRIFASICO CONTROLADO DE MEDIA ONDA, mostrado.

V1

T1

L1 EL EF L2

V2 V3

L3

T2 T3

EDC

IDC

2º PASO:

Verifique las conexiones y alimente con 220 V. - 60Hz trifásico.

3º PASO:

Verifique, sin conectar el circuito de disparo a las compuertas, las tensiones del circuito; con el osciloscopio observe en un canal, la tensión de fase del secundario y en el otro canal, la tensión en la carga EDC.

4º PASO:

Dibuje la forma de onda y determine el voltaje máximo y mínimo de la señal.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-10

1 /2

62

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES 5º PASO:

Mida con un voltímetro DC la tensión en la carga EDC, calcule el valor teórico, y compare el valor calculado con el valor medido.

6º PASO:

Conecte el circuito de disparo a las compuertas del SCR, y verifique las tensiones en el circuito, con el osciloscopio observe en un canal, la tensión de fase del secundario y en el otro canal, la tensión en la carga EDC, para un determinado punto disparo.

7º PASO:

Repita los pasos 4 y 5, para este punto de disparo.

8º PASO:

Variando el punto de disparo del circuito de disparo, verifique nuevamente las tensiones del circuito con el osciloscopio, para ello repita los pasos 4 y 5.

9º PASO:

Arme el circuito RECTIFICADOR TRIFASICO CONTROLADO DE ONDA COMPLETA MIXTO, mostrado.

V1

L1

T1

T3

T5

EL V2

EDC

L2

L3

V3

D4

IDC D6 D2

10º PASO: Verifique las conexiones y alimente con 220 V. - 60Hz trifásico.

11º PASO: Repita los pasos de 3 al 8 para el rectificador de onda completa controlado mixto.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-10

2 / 2

63

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

RECTIFICADORES CONTROLADOS Los circuitos rectificadores Controlados, utilizan para rectificar, a los rectificadores controlados de silicio o SCR y su conducción se inicia cuando el SCR se polariza directamente y recibe el pulso de disparo y deja de conducir cuando la tensión se invierte y el SCR queda polarizado inversamente. La conducción del SCR depende de la tensión que ingresa al rectificado y de la tensión de disparo externa que controla el inicio de la conducción de los SCR, por ello, a estos rectificadores se les llaman RECTIFICADORES CONTROLADOS. TIPOS Los principales circuitos rectificadores trifásicos controlados son: RECTIFICADOR TRIFASICO DE MEDIA ONDA.- es un rectificador que solo conduce parte del semiciclo positivo de cada fase o línea. RECTIFICADOR TRIFASICO DE ONDA COMPLETA MIXTO.- es un rectificador que conduce parte del semiciclo positivo y parte del semiciclo negativo de cada fase o línea y el control del inicio de la conducción controlado por SCR y el retorno por diodos. RECTIFICADOR TRIFASICO DE ONDA COMPLETA TOTALMENTE CONTROLADO.es un rectificador que conduce parte del semiciclo positivo y parte del semiciclo negativo de cada fase o línea y el control del inicio de la conducción controlado todo por SCR. CARACTERISTICAS Rectificadores controlados pueden ser monofásicos y trifásicos, y utilizaran componentes electrónicos de potencia como los diodos, SCR y circuitos de disparo para controlar el inicio de la conducción y con ello el nivel de tensión y corriente, y con ello la potencia. Los valores característicos de los rectificadores, que se presentaron para los rectificadores no controlados no tienen aplicación para los rectificadores controlados, pero si nos sirve para tener idea que el rectificador trifásico controlado tipo puente es el que mejores características proporcionan como rectificador controlado. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Cada circuito rectificador controlado tiene su propia forma de funcionamiento y en este caso, también el transformador es un elemento fundamental del rectificador, por las dos razones antes indicadas: a.- Aislar eléctricamente la salida de corriente continua de la entrada de la red alterna. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-03

64

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES b.- Acomodar el valor de la tensión de salida, al valor exigido, gracias a una adecuada relación de transformación, elevando o reduciendo la tensión de entrada. Los rectificadores que no necesitan transformador por no requerir elevar o reducir la tensión de entrada, para cumplir el punto a, utilizan transformador de relación de espiras 1 a 1. A continuación se detalla la estructura y el funcionamiento de los rectificadores más importantes. RECTIFICADOR CONTROLADO TRIFÁSICO DE MEDIA ONDA Los rectificadores controlados trifásicos suministran una tensión de salida más alta que los rectificadores controlados monofásicos, y la frecuencia del rizado es mayor y por lo tanto de menor periodo, lo que facilita el filtrado para suavizar la corriente y la tensión de carga, por esta razón, los rectificadores trifásicos controlados son de amplia aplicación en el control de velocidad de alta potencia. CIRCUITO DE RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

V1

L1 EL EF L2

V2 V3

L3

T1 T2 T3

EDC

IDC

Se observa en el gráfico de las formas de onda del rectificador de Media Onda, que en el tramo de π /6 hasta 5π /6, la tensión más positiva corresponde a V1 y por ello el SCR T1 esta polarizado directamente y en condiciones de conducir, requiriendo para iniciar la conducción el pulso de disparo, por lo tanto en este tramo es posible controlar al SCR T1, iniciando la conducción al recibir el pulso de disparo. En el tramo de 5π /6 hasta 9π /6, la tensión más positiva, corresponde a V2 y se puede controlar al SCR T2, iniciando la conducción cuando llega el pulso de disparo al SCR T2. En el tramo de 9π /6 hasta 13π /6, la tensión más positiva, corresponde a V3 y se puede controlar al SCR T3, iniciando la conducción cuando llega el pulso de disparo al SCR T3. El ciclo de conducción se repite controlando sucesivamente los SCR T1, SCR T2 y SCR T3, sin embargo se debe tener en cuenta que el pulso de disparo solo tiene efecto en el SCR cuando el componente esta polarizado directamente, o sea en los tramos CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-03

65

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES antes indicados; cuando el SCR esta polarizado inversamente, no conduce, aunque reciba un pulso de disparo. SECUENCIA DE CONDUCCION DE LOS SCR

V1

2

V

V1

V3

2

1

3 2

0

5

6

9

6

ϖτ

6

Vg1 2

ϖτ

2

ϖτ

2

ϖτ

0

Vg2 0

Vg3 0

VL

V1

V2

0

V3

2

ϖτ

Los puntos de intersección de las ondas V1, V2 y V3 en los semiciclos positivos son los puntos de relevo y polarizan directamente a los SCR; en el punto 1, el SCR T1 inicia su conducción, si llega el pulso de disparo, pero tiene oportunidad de iniciar la conducción en cualquier instante dentro del tramo de π /6 hasta 5π /6. En el punto 2, el SCR T2 inicia su conducción, si recibe el pulso de disparo, y puede iniciar la conducción en cualquier instante dentro del tramo de 5π /6 hasta 9π /6, en el punto 3, el SCR T3 inicia su conducción, si llega el pulso de disparo y puede iniciar la conducción en cualquier instante dentro del tramo de 9π /6 hasta 13π /6. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-03

66

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES En el diagrama de formas de onda, se considera α =30º ó α = π /6, por lo tanto el pulso de disparo para el SCR T1 llegará en π /6 + π /6 y el SCR T1 se disparará en 2π /6, como se observa en el diagrama de Vg1. Para el SCR T2, el pulso de disparo deberá llegar en 5π /6 + π /6, por lo que el SCR T2 se disparará en 6π /6 en el diagrama de Vg2. Para el SCR T3, el pulso de disparo deberá llegar en 9π /6 + π /6, por lo que el SCR T3 se disparará en 10π /6 en el diagrama de Vg3. Como resultado de aplicar los pulsos con un retrazo de 30º en cada tramo de conducción se obtiene la forma de onda indicada en VL, que es la tensión en la carga. TENSIÓN DC EN LA CARGA DE UN RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA Para calcular la tensión media o DC en la carga, se debe tener en cuenta que justo en 30º de retraso para enviar el pulso de disparo, desde el punto de intersección o relevo de dos tensiones, se produce una continuidad en el nivel cero, entre la onda que termina y la que inicia su conducción por el disparo, como se muestra en el gráfico.

VL

V2

V1

V3

ϖτ

2

0

Si el ángulo es menor de 30º, el relevo se da un nivel mayor que cero y la onda en la carga es continua, si el ángulo es mayor de 30º, no se da un relevo continuo, existe un tiempo en que no hay tensión ni conducción de corriente en la carga, permaneciendo durante ese tiempo la tensión en cero y la onda en la carga es discontinua. De acuerdo al ángulo en que se da el disparo, el nivel de tensión en la carga variará y se puede calcular utilizando dos tramos, uno cuando la conducción en la carga es continua y otro tramo cuando se presenta una discontinuidad en la conducción en la carga, en la siguiente forma: 1.- PARA 0º ≤ α ≤ 30º CONDUCCIÓN CONTINUA EN LA CARGA FORMULA PARA HALLAR VDC: VDC =

3V 6 Cosα 2π

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-03

67

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES SI V = VAC

Para α = 0º Para α = 30º

VDC = 1.17 V VDC = 1.01 V

2.- PARA 30º ≤ α ≤ 150º CONDUCCIÓN DISCONTINUA EN LA CARGA FORMULA PARA HALLAR VDC: VDC =

SI V = VAC

Para α = 30º Para α = 150º

3V 2 ⎡ ⎞⎤ ⎛π 1 + Cos⎜ + α ⎟⎥ ⎢ 2π ⎣ ⎠⎦ ⎝6 VDC = 1.01 V VDC = 0V

Se observa que con ambas ecuaciones se obtiene el mismo resultado para α = 30º. CIRCUITO DE DISPARO Para el circuito de mando o disparo, es necesario que los pulsos de disparo de los SCR estén sincronizados con la tensión de línea. Este sincronismo se efectúa, generalmente, con pequeños transformadores de sincronismo. Como son tres fases (L1, L2 y L3), es necesario un circuito de disparo por cada fase, para ello se puede utilizar cualquiera de los circuitos de disparo estudiados anteriormente. En la actualidad la tecnología nos ofrece soluciones en circuitos integrados, por ello generalmente para realizar circuitos de mando confiables y precisos se utiliza el circuito integrado TCA785. Con el TCA785, se requiere un solo potenciómetro para variar el ángulo de disparo α de las tres fases simultáneamente y el acoplamiento de los pulsos de disparo se efectúa, mediante transformadores de pulso o aisladores ópticos. RECTIFICADOR CONTROLADO TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA Los rectificadores controlados trifásicos de onda completa pueden utilizar para rectificar solo SCR o una combinación de SCR con diodos. TIPOS El rectificador controlado trifásico de onda completa, puede ser de dos tipos: 1. Rectificador trifásico controlado mixto. 2. Rectificador trifásico totalmente controlado. RECTIFICADOR CONTROLADO TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA MIXTO. Este tipo de rectificador, mixto o combinado, esta formado por tres diodos y tres SCR, la conducción se realiza mediante la pareja diodo-SCR; sin embargo el inicio de la conducción esta determinado por la llegada del pulso de disparo al SCR y el diodo conduce de acuerdo a su comportamiento natural de polarización. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-03

68

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES El circuito de mando o disparo es similar al circuito utilizado en el rectificador trifásico controlado de media onda, el circuito de fuerza o rectificador incluye un juego de tres SCR para conducir cuando su ánodo tenga el mayor nivel de tensión que los otros dos y reciba el disparo de inicio de conducción, y tres diodos para el retorno después de la carga, y conducirá el diodo que tenga en su cátodo el nivel de tensión mas bajo o sea el más negativo. CIRCUITO DE RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA MIXTO

V1

L1

T1

T3

T5

EL V2

EDC

L2

V3

L3

IDC D4

D6

D2

TENSIÓN DC EN LA CARGA DEL RECTIFICADOR TRIFASICO MIXTO Para calcular la tensión media o DC en la carga, se debe tener en cuenta que para el rectificador trifásico tipo puente, se tiene seis componentes ondulatorios en cada ciclo y por ello la onda en la carga generalmente es continua, se tendría que dejar de enviar pulsos de disparo en dos tramos de control para que se produzca una discontinuidad en cero en la carga. A continuación se tiene la formula para hallar el nivel de tensión en la carga para un rectificador mixto. TENSION EN LA CARGA DEL RECTIFICADOR MIXTO

ϖτ

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-03

69

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES FORMULA PARA HALLAR VDC: VDC =

SI V = VAC

Para α = 30º Para α = 150º

3V 6 (1 + cosα ) 2π

VDC = 1.01 V VDC = 0V

RECTIFICADOR TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA TOTALMENTE CONTROLADO Esta clase de rectificador se utiliza ampliamente en aplicaciones industriales hasta el nivel de 220 KW, en las que se requiere de una operación de dos cuadrantes. CIRCUITO DE RECTIFICADOR DE TOLTAMENTE CONTROLADO

Isrms

T1 T3 T5

L1 EL

EL

EDC

L2 EF L3 IDC

T4 T6 T2 Los SCR se disparan a intervalos de π /3. Este rectificador en el caso de una carga altamente inductiva, se comportar como un inversor, es decir el voltaje promedio de salida se vuelve negativo, a partir de cierto ángulo de disparo, si la carga es resistiva, el nivel de tensión siempre será positivo. El circuito esta formado por seis SCR y se podría pensar que se requiere seis pulsos de disparo, uno para cada SCR; sin embargo, se necesitan doce pulsos de disparo, seis que llamaremos pulsos negros y 6 que llamaremos pulsos blancos. El motivo por el que requiere doce pulsos es porque, como sabemos, siempre deben conducir dos SCR, pero el relevo no es simultáneo, sino intercalado, de modo que un SCR inicia conduciendo con una pareja SCR X y a la mitad cambia por otra pareja SCR Y, y el SCR que ya esta conduciendo, cuando cambia de pareja SCR, requiere nuevamente otro pulso, a fin de no interrumpir su conducción. Estos pulsos deben llegar en la siguiente secuencia: CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-03

70

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES SECUENCIA DE PULSOS DE DISPARO

T1 T2 T3 T4 T5 T6 0

60

120

180

240

300

360

Por ejemplo, cuando el SCR T2 es disparado con un pulso negro para conducir corriente por la carga junto con el SCR T1; y como SCR T1 ya esta conduciendo, se asume que solo se debe disparar SCR T2. Pero ocurre que si no se envía el pulso blanco para disparar, o mejor dicho redisparar el SCR T1, no existe la seguridad de que continúe conduciendo la corriente por la carga; para asegurar se vuelve a disparar el SCR T1. La separación entre los pulsos negros y blancos debe ser de 60º con el objeto de mantener pareja y simétrica la corriente en la carga, los pulsos negros son generados directamente por el circuito de disparo, mientras que los pulsos blancos se obtienen indirectamente, mediante un arreglo lógico; el ángulo α debe hacer variar simultáneamente a todos los pulsos. TENSIÓN DC EN LA CARGA DEL RECTIFICADOR TOTALMENTE CONTROLADO El ángulo α se empieza a medir a partir de los puntos naturales de conmutación de los SCR y la secuencia de conducción de los SCR es igual a la secuencia de los diodos en el circuito rectificador no controlado trifásico de onda completa y analizaremos la forma de onda obtenida en la carga para un ángulo α igual a 30º. Para obtener esta forma de onda en la carga, el circuito lógico de disparo debe cumplir la siguiente secuencia: SCR T1 se debe disparar con la onda V13, SCR T2 con la onda V23, SCR T3 con V21, SCR T4 con V31, SCR T5 con V32 y el SCR T6 con V12. El sincronismo de los pulsos se logra con pequeños transformadores de sincronismo y circuitos lógicos, para enviar los pulsos negros y blancos para disparar a los seis SCR y el acoplamiento de los pulsos se puede realizar con transformador de pulsos o mediante aisladores ópticos. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-03

71

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES TENSION EN LA CARGA DEL RECTIFICADOR TOTALMENTE CONTROLADO

ϖτ

TENSIÓN DC EN LA CARGA DEL RECTIFICADOR TOTALMENTE CONTROLADO La señal en la carga mantiene su continuidad en el intervalo α < 60º, y a partir de α > 60, la conducción en la carga es discontinua, solo trabajaremos para α < 60º. Con la siguiente formula se calcula la tensión DC en la carga.

EDC =

3V 6

π

Cosα

Recordemos que V = Voltios rms. APLICACIONES

Las aplicaciones de los rectificadores controlados trifásicos son los mismos de los rectificadores trifásicos No controlados, pero donde se requiera tener un nivel de tensión continua variable, controlado por alguna parte del proceso, a fin de variar el funcionamiento de un actuador y participar en el control del proceso. Como indicamos antes en la Industria Productiva como las refinerías de metales, alimentación de motores de corriente continua, galvanoplastia, etc. las magnitudes de corriente continua necesarias son altos, donde se requieren corrientes entre 50 a 10,000 Amperios con tensiones entre 5 a 400 voltios. Existen aplicaciones de rectificadores controlados monofásicos para diferentes sistemas de control, en la industria de las Telecomunicaciones y en la industria de la Radiodifusión Comercial y también en Sistemas y Equipos Médicos. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-03

72

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

CALCULO DEL ANGULO DE DISPARO DE LOS TIRISTORES En un rectificador controlado, el ángulo de disparo del rectificador permite controlar el nivel de tensión continua VDC, de la salida del rectificador, por lo tanto variando el ángulo de disparo en valores adecuados, variamos la tensión de salida del rectificador.

CALCULOS EN EL RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA ANGULO DE DISPARO Y SECUENCIA DE CONDUCCION DE LOS SCR

V1

2

V

V3

V1 2

1

3 2

0 5

9 6

6

ϖτ

6

Vg1 2

ϖτ

2

ϖτ

2

ϖτ

0

Vg2 0

Vg3 0

VL

V1

V2

0

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

V3

2

ϖτ

HIC-03

73

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES En el tramo de π /6 hasta 5π /6, la tensión más positiva corresponde a V1 y el SCR T1 esta polarizado directamente y en condiciones de conducir si recibe el pulso de disparo. Si el ángulo es menor de 30º, el relevo se da un nivel mayor que cero y la onda en la carga es continua, si el ángulo es mayor de 30º, no se da un relevo continuo, existe un tiempo en que no hay tensión ni conducción de corriente en la carga, permaneciendo durante ese tiempo la tensión en cero y la onda en la carga es discontinua. De acuerdo al ángulo en que se da el disparo, el nivel de tensión en la carga variará y se puede calcular utilizando dos tramos, uno cuando la conducción en la carga es continua y otro tramo cuando se presenta una discontinuidad en la conducción. De acuerdo al ángulo de disparo se tendrá un determinado nivel de tensión DC en la salida del rectificador y despejando la función coseno en la formula de tensión DC, se puede tener el ángulo de disparo para un determinado voltaje requerido. FORMULA PARA HALLAR VDC: PARA 0º ≤ α ≤ 30º CONDUCCIÓN CONTINUA EN LA CARGA

VDC =

3V 6 Cosα 2π

SI V ES EL VAC DE ENTRADA AL RECTIFICADOR Para α = 0º Para α = 15º Para α = 30º

VDC = 1.17 V VDC = 1.13 V VDC = 1.01 V

PARA 30º ≤ α ≤ 150º CONDUCCIÓN DISCONTINUA EN LA CARGA

VDC =

Para Para Para Para Para

α α α α α

= 30º = 45º = 60º = 120º = 150º

VDC = VDC = VDC = VDC = VDC =

3V 2 ⎡ ⎞⎤ ⎛π 1 + Cos⎜ + α ⎟⎥ ⎢ 2π ⎣ ⎠⎦ ⎝6

1.01 V 0.85 V 0.67 V 0.09 V 0.00 V

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-03

74

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Se observa que con ambas ecuaciones se obtiene el mismo resultado para α = 30º y debemos recordar que V es le voltaje alterno o VAC o Vrms., de entrada al rectificador. CALCULOS EN EL RECTIFICADOR TRIFASICO MIXTO Para una necesidad especifica de tensión DC de salida, se puede calcular el ángulo de disparo despejando de la formula de la tensión DC como en el caso de Onda media. FORMULA PARA HALLAR VDC: VDC =

SI V = Para α Para α Para α Para α Para α Para α

VAC = 30º = 45º = 60º = 90º = 120º = 150º

VDC = VDC = VDC = VDC = VDC = VDC =

3V 6 (1 + cosα ) 2π

1.01 V 1.01 V 1.01 V 1.01 V 1.01 V 0V

TENSION EN LA CARGA DEL RECTIFICADOR MIXTO

ϖτ

DIAGRAMAS DE BLOQUES El diagrama de bloques mostrado representa los bloques del rectificador controlado, tiene un transformador para reducir o elevar la tensión de alimentación al nivel adecuado para la tensión de salida deseada, el transformador de sincronismo, el circuito rectificador trifásico con SCR, el circuito de disparo y la salida con tensión de corriente continua o DC. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-03

75

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

DIAGRAMAS DE BLOQUES DEL RECTIFICADOR CONTROLADO

TRANSFOR-

CIRCUITO

TERMINALES

MADOR

RECTIFICADOR

CON

CON

TENSION

SCR

DC

TRIFASICO

TRANSFORMADOR

CIRCUITO

DE SINCRONISMO

DE DISPARO

PRECAUCIONES EN EL USO DE LOS RECTIFICADORES TRIFASICOS Las precauciones que se debe tener en el uso de los rectificadores trifásicos en general, son las precauciones generales del uso de la corriente eléctrica; No se debe tener contacto físico directo, por que circula corriente por el cuerpo y es fatal para la integridad física de las personas, produciendo quemaduras y la muerte. Los rectificadores, por el nivel de potencia que manejan, deben tener facilidad para disipar el calor, por ello los componentes de rectificación como el diodo Y el SCR deben tener un buen contacto con los disipadores cuando los tengan y de lo contrario tener una ventilación adecuada, que haga circular el aire suficiente para enfriar a los componentes. No olvidar que en los circuitos de electrónica de potencia, tanto en los circuitos de aplicación como en los experimentos de práctica, pueden tener tensiones de 220 voltios AC, por lo que se recomienda, separar las etapas de mando de las etapas de fuerza, con la finalidad de trabajar con el máximo cuidado en la etapa de fuerza y procurando desconectar después de las mediciones y pruebas. En las prácticas de laboratorio, debemos evitar que los circuitos de prueba y experimentos estén energizados, consumiendo energía eléctrica, cuando no se esta realizando mediciones o comprobaciones de su funcionamiento, tratando de usar racionalmente los recursos eléctricos y al mismo tiempo evitar poner en peligro a nuestros compañeros e incluso a nosotros mismos.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-03

76

CIRCUITO INVERSOR

T1

T3 VC

12V

+

A

-

B

CARGA

T4

REF.

T2

BATERIA

-

+ ETNA

Nº

1

2

ORDEN DE EJECUCIÓN

HERRAMIENTAS / INSTRUMENTOS/MATERIALES

MIDA LA TENSION DE LA BATERIA CON EL FUENTE DE ALIMENTACIÓN DC . MULTIMETRO DIGITAL COMPONENTES SCR, TRIAC, UJT MONTE CIRCUITO INVERSOR CON SCR Y MULTÍMETRO DIGITAL , PROTOBOARD. VERIFIQUE LAS CONEXIONES. ALIMENTE EL CIRCUITO FUNCIONA DEL CIRCUITO

4

VERIFIQUE CON UN OSCILOSCOPIO LA PINZAS, ALICATE DE CORTE. FORMA DE ONDA Y LOS VALORES DE LA RESISTENCIAS Y CINTA AISLANTE SEÑAL

PZA

CANT

Y

PRUEBA

EL CONDUCTORES VARIOS CALIBRE 18 Y 22 AWG Y ENCHUFE.

3

DENOMINACIÓN–NORMA/ DIMENSIONES

MONTAJE Y COMPROBACION DE CIRCUITOS INVERSORES CON SCR

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

MATERIAL

OBSERVACIONES

HT

REF: HT-04

Tiempo:4 Horas

HOJA: 1 / 1

Escala: ------

2004 77

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES OPERACIÓN PROBAR ESTADO DE BATERIA DE 12 V DESCRIPCIÓN

Una batería de 12 voltios, tiene dos electrodos con algunas sustancias químicas sobre ellos, entre los electrodos hay separadores. Durante la descarga de la batería entrega corriente a una carga, y se produce una reacción química que genera electricidad y durante la carga de la batería esta reacción es invertida.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Identifique los terminales de la batería de acuerdo al color del terminal o al signo que figura el costado del terminal.

-

+ ETNA

2º PASO:

Mida la tensión de la batería con un multimetro en la escala de 20 voltios DC o corriente continua. A.- Conectar la punta de prueba terminal positivo de la batería. B.- Conectar la punta de prueba terminal negativo de la batería.

positiva

del multimetro al

negativa

del multimetro al

C.- Leer en el multimetro la tensión de la batería y registrar el valor. 3º PASO:

Si el voltaje de la batería es de 12.5 voltios o mas la batería esta bien cargada, si el voltaje que marca esta entre 12 y 12.5 voltios la batería tiene carga normal y se puede utilizar, en ambos casos se puede utilizar para los circuitos inversores.

4º PASO:

Si la batería tiene menos de 12 voltios, la batería esta descargada y debe mandarse a recargar, antes utilizar en el circuito.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-11

1 /1

78

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN ARMAR CIRCUITO INVERSOR CON SCR DESCRIPCIÓN

Los circuitos inversores con SCR, permiten convertir la corriente eléctrica continua DC en una corriente pulsante alterna en la carga. Basado en activar y bloquear la conducción de los SCR, el circuito inversor hace circular la corriente en la carga, en un instante en un sentido y en el siguiente instante en el sentido contrario.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Arme el circuito mostrado

T1

T3 VC

12V

+

-

A

CARGA

B

T4

2º PASO:

REF.

T2

Conecte un circuito de disparo secuencial a los terminales de los SCR que cumpla con el diagrama de tiempo que muestra.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-12

1 /2

79

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

T1,T2 C

NC

C

NC

C

NC

NC

ϖτ

C

ϖτ

0

T3,T4

0

Vc E ϖτ 0

-E 3º PASO:

Verifique las conexiones y alimente el circuito con los 12 V. de la batería.

4º PASO:

Verifique con un osciloscopio la señal de disparo y la tensión de salida en la carga. A.- Conecte el terminal de tierra del osciloscopio al puno de tierra del circuito, punto GND. B.- Conecte la punta de prueba del canal 1 a la señal de disparo. C.- Conecte la punta de prueba del canal 2 a la tensión de salida, punto A del circuito.

5º PASO:

Mida los valores de la señal y grafique la forma de onda y los valores de la señal de disparo y la tensión de salida en la carga.

6º PASO:

verifique, si las formas de onda son como los mostrados en el paso 2.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-12

2 / 2

80

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

CIRCUITOS INVERSORES GENERALIDADES Los circuitos conversores o convertidores de la corriente alterna y la corriente continua, se pueden considerar de cuatro tipos de acuerdo a que corriente utiliza y a que corriente se convierte u obtiene en su salida. CIRCUITO RECTIFICADOR.- convierte la corriente alterna en corriente continua. CIRCUITO INVERSOR.- convierte la corriente continua en corriente alterna. CIRCUITO TROCEADOR O CHOPPER.- convierte la corriente continua en corriente continua de otras características. CIRCUITO CICLOCONVERSOR O CICLOCONVERTIDOR.- convierte la corriente alterna en corriente alterna de otras características. En el gráfico, se observa los cuatro tipos de convertidores.

RECTIFICADOR

CICLOCONVERSOR

AC

DC

CHOPPER O TROCEADOR

INVERSOR

CIRCUITO INVERSOR Como indicamos el circuito Inversor convierte la corriente continua en corriente alterna, también se conoce como los convertidores de DC a AC. La función de un inversor es cambiar una tensión DC de entrada en una tensión simétrica de salida en AC, con la magnitud y frecuencia deseada, y tanto el nivel de la tensión como la frecuencia pueden fijos o variables.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-04

81

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Si la tensión de entrada DC se puede variar y la ganancia del inversor se mantiene constante, es posible obtener una tensión variable de salida. Y si la tensión DC de entrada es fija y no es controlable, se puede obtener una tensión de salida variable si se varía la ganancia del inversor.

TIPOS Por el tipo de corriente alterna que entrega en su salida, los Inversores pueden ser: INVERSOR MONOFASICO.- cuando utiliza entrega corriente eléctrica monofásica. INVERSOR TRIFASICO.- cuando utiliza entrega corriente eléctrica trifásica.

Por el tipo el tipo de componente que utiliza puede ser: INVERSOR A TRANSISTORES.- utiliza transistores de potencia para generar una onda sinusoidal de corriente eléctrica alterna, mediante un circuito oscilador; pero su uso se limita a potencias medianas y pequeñas. INVERSOR CON SCR.- utiliza para la corriente continua y mediante la alternancia de los SCR o conmutación de los SCR, se realiza la conducción de la corriente eléctrica en un momento en un sentido y en el otro en sentido contrario; se utiliza para inversores de mayor potencia y para inversores trifásicos.

CARACTERISTICAS En los inversores ideales, las formas de ondas de la tensión en la salida son sinusoidales. Sin embargo, en los inversores reales estas no son sinusoidales y contienen ciertas armónicas. Para aplicaciones de mediana y baja potencia, se pueden aceptar las tensiones de onda cuadrada o casi cuadrada; para aplicaciones de alta potencia, son necesarias las ondas de formas sinusoidales de baja distorsión. Para obtener en la una onda sinusoidal perfecta en la salida del inversor, se requiere contar con un microcontrolador, que reproduce una onda sinusoidal perfecta, en base a que el microcontrolador tiene en memoria todos los valores de la función seno, y con ello produce una onda sinusoidal perfecta. Si la tensión DC de entrada es fija y no es controlable, se puede obtener una tensión de salida variable si se varía la ganancia del inversor, y esto por lo general se hace controlando la modulación del ancho de pulso, (PWM) dentro del inversor.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-04

82

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES En la actualidad, dada la disponibilidad de los semiconductores de potencia de alta velocidad, es posible minimizar o reducir significativamente el contenido armónico de la tensión de salida mediante las técnicas de conmutación. Los inversores emplean dispositivos con activación y desactivación controlada, es decir usan BJT, Mosfet, IGBT, GTO, o SCR de conmutación forzada, según la aplicación. Estos inversores utilizan por lo general señales de control PWM, para producir una tensión de salida en CA.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

CIRCUITO INVERSOR MONOFASICO La fuente de corriente continua proporciona la tensión DC y de acuerdo a la secuencia de disparo de los SCR, la corriente en la carga circulará en un sentido y luego en el otro sentido.

INVERSOR

C.C

C.A

En el grafico se muestra la conducción cuando el circuito de disparo ha llevado a la conducción a los SCR T1 y T2 circulando la corriente en la carga, entrando por el punto A y saliendo por el punto B, circulando en el semiciclo positivo.

T1

T3 VC

+

-

A

CARGA

T4

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

B

REF.

T2

HIT-04

83

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES En el grafico siguiente se muestra la conducción cuando el circuito de disparo ha llevado a la conducción a los SCR T3 y T4, circulando la corriente en la carga, entrando por el punto B y saliendo por el punto A, circulando en el semiciclo negativo.

T1

T3 VC

+

A

-

B

CARGA

REF.

T4

T2

En el gráfico de las formas de onda se observa que cuando se disparan T1 y T2, y conducen estos dos SCR, se produce el semiciclo positivo y cuando se disparan T3 y T4, se produce el semiciclo negativo.

T1,T2 C

NC

C

NC

C

NC

NC

ϖτ

C

ϖτ

0

T3,T4

0

Vc E ϖτ 0

-E CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-04

84

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

Dependiendo de los ángulos de disparo de los SCR, y si se disparan simultáneamente dos SCR, o cada SCR con un pulso distinto, con un ángulo conveniente, se tendrá la forma de onda, cuadrada o casi cuadrada.

En el grafico se muestra las ondas para disparos con cuatro pulsos.

C

T1

ϖτ

C

NC

0

T2

C

NC

C

NC

C

NC

ϖτ

0

T3

C

ϖτ

0

T4

C

NC

NC

ϖτ

0

Vc E

τ2

0

τ1

τ3

-

´i ϖτ

τ4

-E

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-04

85

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

CIRCUITO INVERSOR TRIFÁSICO Los inversores trifásicos se utilizan normalmente en aplicaciones de alta potencia, y es capaz de generar tres tensiones alternas con valor promedio igual a cero de tendencia senoidal y desfasadas en 120º una con respecto a la otra. El circuito de mando del inversor trifásico debe generar seis pulsos de disparo, para comandar seis componentes de estado sólido, que pueden ser SCR, transistores BJT de potencia, MOSFET de potencia o IGBT, en una secuencia predefinida para producir tres tensiones de salida desfasadas entre si en 120º. Se pueden realizar diversas configuraciones en el circuito de control, uno de estos circuitos se inicia con una frecuencia de reloj generado por un oscilador, que envía sus pulsos a un divisor por seis y a un contador en anillo, el cual genera los seis pulsos en la secuencia deseada, quienes pasan a unas compuertas lógicas AND configuradas como circuito de Habilitación / deshabilitación, y conectados a acopladores ópticos para el aislamiento de dichos puntos de disparo. El circuito de fuerza se configura con el puente trifásico formado por seis transistores BJT o MOSFET de potencia o pueden se seis IGBT y su carga lo constituye el primario de un transformador trifásico, generalmente conectado en estrella.

APLICACIONES Las principales aplicaciones de los inversores son para requerimientos de obtener corriente eléctrica alterna a partir de corriente eléctrica continua o DC. El uso de los inversores es muy común variadores de frecuencia para el control calefacción por inducción, etc.

en aplicaciones industriales como los de velocidad de motores de CA, la

Las Fuentes de alimentación ininterrumpida o Uninterrumplible Power Supply – UPS, utilizan como parte de sus circuitos un inversor, siendo de dos tipos: UPS Stand By y UPS On Line. UPS STAND BY.- el inversor solo funciona cuando no hay energía eléctrica comercial o es demasiada deteriorada la calidad de la onda sinusoidal. UPS ON LINE.- el inversor funciona todo el tiempo y la energía eléctrica comercial sirve solo para alimentar al rectificador /cargador de batería. El uso del circuito inversor es necesario cuando se genera energía eléctrica DC y debe ser almacenada en baterías para su posterior conversión en AC, como es el caso de las energías renovables, de generadores Eólicos, de celdas solares u otra fuente de tensión DC. La salida típica monofásica es de 220 voltios a 60 Hertz, y en los sistemas trifásicos, son de 220/380 voltios 60 Hertz. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-04

86

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

CALCULO PARA LA SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS Y COMPONENTES CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA DIODOS RECTIFICADORES Y TRANSFORMADORES Los componentes más importantes de los rectificadores son el transformador, los diodos y los SCR, aunque para estos últimos los parámetros son mismos. Para garantizar la seguridad de servicio u operación de los circuitos rectificadores deben los diodos reunir dos condiciones muy importantes, la corriente directa y la tensión inversa, y por un lado, la máxima intensidad de corriente por cada rama, corriente Ip que circulará por el diodo, si se supera esta corriente el diodo corre el peligro de quemarse. Por otro lado, debe bloquear con confiabilidad las tensiones inversas que puedan aparecer en el funcionamiento del circuito rectificador, la máxima tensión inversa periódica, URRM, aparecen indicadas en las hojas de características para cada diodo rectificador, debe ser mayor que la máxima tensión inversa calculada. En la práctica se eligen los diodos rectificadores de modo que su funcionamiento correcto este asegurado para sobre tensiones de la red del 10% como mínimo. Para los SCR, se tienen los mismos parámetros de corriente directa y tensión inversa, que deben ser calculados para evitar un mal funcionamiento por deterioro del componente al estar trabajando en el margen o límite de sus características. El transformador debe ser un transformador trifásico y debe estar en condiciones de conducir una corriente igual o superior a la necesaria para alimentar a los equipos que suministrará energía el rectificador.

CALCULOS EN EL RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA El voltaje o tensión continua, EDC, proporcionado por el rectificador de media onda, en la carga, se obtiene mediante la siguiente formula: 3V 6 EDC = 2π En el Rectificador de media Onda cada diodo permite el paso de una tercera parte de la corriente directa del rectificador IDC ID1 = 3 En el Rectificador de media Onda el voltaje pico inverso o PIV será: PIV = V 6 CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-04

87

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES La corriente alterna del secundario del transformador se calcula con la siguiente formula:

ISrms = IDC (0.587) La potencia del transformador se calcula con la siguiente formula: POTENCIA DEL TRANSFORMADOR = 1.5 x EDCxIDC CALCULOS EN EL RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA El voltaje o tensión continua, EDC, proporcionado por el rectificador de onda completa, en la carga, se obtiene mediante la siguiente formula: 3V 2 EDC =

π

En el Rectificador de Onda completa cada par de diodos permite el paso de una tercera parte de la corriente directa del rectificador IDC ID1 = 3 En el Rectificador de Onda completa el voltaje pico inverso o PIV será: PIV = V 2 La corriente alterna del secundario del transformador se calcula con la siguiente ISrms = IDC (0.817) formula: La potencia del transformador se calcula con la siguiente formula: POTENCIA DEL TRANSFORMADOR = 1.047xEDCxIDC

GENERACION DE ONDAS SENOIDALES Un oscilador electrónico elemental consta básicamente de un capacitor y una bobina conectados en paralelo, para comprender como puede hacerse oscilar un circuito, así, examinemos lo que ocurre al cargar y descargar un capacitor. A B

+

-+ -+ -+ +- +- +-

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-04

88

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Un capacitor descargado tiene igual, cantidad de cargas positivas y negativas en cada una de sus placas, tal como vemos en el grafico mostrado. Conectando el capacitor a una fuente de tensión DC, cerrando el switch con el punto A, una de las placas se cargará negativamente y la otra positivamente, lo que ha ocurrido es que ahora hay más electrones que antes en la placa negativa y menos electrones que antes en la placa positiva. Además el exceso de electrones en la placa negativa es exactamente, igual a la falta de electrones en la placa positiva. Si Ponemos en cortocircuito el capacitor cargado, desconectando el switch del punto A y conectando al punto B, el exceso de electrones es atraído a través del conductor a la placa positiva, cuando el capacitor se encentra descargado cada placa tiene de nuevo, igual cantidad de cargas positivas y negativas, volviendo al estado inicial como mostramos en el grafico anterior. Conectando una bobina al capacitor cargado los resultados son diferentes, cuando circula corriente a través de una bobina, se genera al rededor de ella un campo magnético. Cuando conectamos el capacitor cargado a los extremos de la bobina, tal como se muestra en la figura que sigue, los electrones almacenados en la placa negativa no pueden precipitarse hacia la placa positiva del capacitor atravesando la bobina por lo que la tensión en el circuito es máxima.

E

+

-

-

+ +

2

E

0 1

Tan pronto como algunos electrones atraviesan la bobina, empieza a crearse un campo magnético, se induce una tensión a través de la bobina que se opone al flujo de electrones de la placa negativa. El capacitor y la bobina se comportan como dos pilas conectadas en serie, pero en oposición (positivo con positivo u negativo con negativo). En consecuencia, el capacitor cargado no puede descargarse de inmediato a través de la bobina. Cuando mayor sea la bobina mas tarda el capacitor para descargarse. Al descargarse el capacitor el campo de la bobina se va haciendo cada vez mas intenso y la tensión continúa decreciendo. Cuando el capacitor se ha descargado completamente, toda su energía eléctrica se ha transformado en energía magnética alrededor de la bobina, tan pronto como empieza a CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-04

89

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES disminuir la corriente a través de la bobina, el campo magnético a través de la bobina va diminuyendo. Las líneas magnéticas del campo decreciente cortan las espiras de la bobina e inducen una tensión a través de ella. Esta tensión inducida se opone a la disminución de la corriente que atraviesa la bobina, y tiene polaridad contraria a la primitiva del capacitor. Ahora el capacitor y la bobina se comportan como dos pilas en serie, sumando sus tensiones (negativo con positivo). A causa de esta tensión inducida, los electrones circulan a través de la bobina en el mismo sentido. Los electrones son desalojados de la placa superior del capacitor y obligados a trasladarse la placa inferior a través de la bobina. Toda la energía del campo magnético que desaparece, hace aumentar la carga negativa de la placa inferior del capacitor. Cuando el campo magnético se ha anulado por completo, toda la energía eléctrica a sido devuelta al capacitor en forma de carga eléctrica y la tensión entre los extremos del capacitor tiene precisamente la polaridad opuesta a la de la carga primitiva. Cuando todos los electrones se han acumulado en la placa inferior del capacitor, su carga es precisamente contraria a como lo era primeramente, y los electrones son atraídos ahora por la placa superior positiva a través de la bobina, tal como se muestra en el gráfico.

El campo magnetico ha desaparecido completamente No circula corriente E 0

4

El condensador ha vuelto a cargarse completamente con polaridad contraria.

+ -

+ -

4

Luego el capacitor empieza a descargarse, produciendo un aumento del campo magnético, repitiéndose luego el ciclo, y la energía eléctrica se almacena alternativamente en forma de carga del capacitor y en forma de campo magnético alrededor de la bobina, es decir se produce una oscilación. Si conectamos un osciloscopio en paralelo con la bobina y el capacitor, las elevaciones y caídas de tensión aparecerán como una onda sinusoidal, tal como se mostró. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-04

90

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

C

A B

Si conectamos un osciloscopio en paralelo con la bobina y el capacitor, las elevaciones y caídas de tensión aparecerán como una onda sinusoidal, tal como se mostró. Si el circuito no tuviera resistencia, las oscilaciones continuaran indefinidamente. Sin embargo, la resistencia no puede eliminarse por completo de ningún circuito y cierta parte de la energía de oscilación es disipada por la resistencia de la bobina en forma de calor. Debido a esta perdida de energía eléctricamente la tensión va disminuyendo a cada oscilación, hasta que finalmente desaparece. Para hacer que las oscilaciones continúen indefinidamente, es necesario restituir suficientemente energía al circuito LC (llamado circuito tanque) para vencer las perdidas debido a la resistencia. Además esta energía eléctrica debe restituirse al circuito en el momento preciso, de modo que le de un “empujón” en el instante adecuado. Este empujón corresponde al envión que se da a un columpio en el extremo del arco recorrido. Una manera de proporcionar este empujón eléctrico al circuito LC, es conectar un fuente de tensión a través del capacitor, y la tensión de la fuente debe ser aplicada en el momento en que el capacitor esta llegando a su plena carga, este impulso que recibe el circuito oscilador no es mas que una pequeña fracción de voltio necesaria para vencer la caída de tensión provocada por la resistencia del circuito. El método para suministrar la energía que hace falta al circuito LC es usando un interruptor sumamente, rápido y efectivo tal como un transistor, conectando el circuito LC a un transistor, la tensión de oscilación puede amplificarse. Si una pequeña porción de esta tensión amplificada puede realimentarse en la fase adecuada, se restituirá suficiente energía eléctrica en el circuito LC.

L

C

Amplificador

Circuito de realimentación

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-04

91

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Esta energía es suficiente para vencer las perdidas debidas a la resistencia eléctrica en el circuito LC. CIRCUITO OSCILADOR PUENTE WIEN Uno de los circuitos osciladores sinusoidales, más utilizados en los circuitos electrónicos, es el oscilador de puente de Wien, cuya frecuencia de oscilación se puede calcular con la formula: 1 fr = 2πRC CIRCUITO OSCILADOR PUENTE WIEN

R

2R´

+ Vcc

C + + A V-error -

R

C

R´

RL - VEE

SIMBOLOGIA Los símbolos eléctricos que se utilizan en los circuitos inversores son: el SCR, las resistencias, el amplificador operacional, transistores, el símbolo del circuito inversor, etc. cuyos gráficos se presentan:

C

+

B

E

AMPLIFICADOR OPERACIONAL

TRANSISTOR

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-04

92

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

C.C

INVERSOR

C.A

DIAGRAMAS DE BLOQUES

El diagrama de bloques mostrado representa al circuito inversor, que produce una tensión alterna a partir de una tensión continua o DC, generalmente proporcionada por una batería, que alimenta al circuito conmutador y al circuito de disparo, obteniéndose a la salida de los terminales del circuito una tensión alterna, producido en base a la conmutación de los SCR en la conducción de la corriente DC, de tal forma que en la carga conduzca un tiempo en un sentido y en otro tiempo en sentido contrario.

DIAGRAMAS DE BLOQUES DEL CIRCUITO INVERSOR

SALIDA TENSION

CIRCUITO

ALTERNA

DC

CONMUTADOR

SINUSOIDAL 220V 60 HZ

CIRCUITO DE DISPARO

ESQUEMAS DE FORMAS DE ONDA A continuación presentamos las formas de onda de la salida de un inversor realizado con un microcontrolador, que reproduce una onda sinusoidal perfecta, en base a que el microcontrolador tiene en memoria todos los valores de la función seno, y con ello produce una onda sinusoidal perfecta. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-04

93

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

´t

1

´t 2

´t 3

´t 4

´t 5

´t 6

´t 7

PRECAUCIONES PARA EL MONTAJE DE CIRCUITOS INVERSORES

Las precauciones que se debe tener en el montaje de los circuitos Inversores, son en general las precauciones que se tienen que tener al montar cualquier circuito electrónico de potencia, primero identificar correctamente los terminales de cada componente electrónico y confirmar que el componente corresponde al considerado en el diseño del circuito. Verificar que las características o parámetros, de los componentes son los adecuados para el uso previsto para el circuito, en lo referente a tensión, corriente, potencia, temperatura, etc. Tener cuidado al diseñar y realizar el montaje, de separar la tarjeta de control o mando de la tarjeta de potencia o fuerza, para evitar que se confunda el nivel de voltaje que tiene cada parte del circuito y por equivocación o falta de precaución se pueda tocar la corriente eléctrica trifásica. Y siempre tener en cuenta que No se debe tener contacto físico directo, por que circula corriente por el cuerpo y es fatal para la integridad física de las personas, produciendo quemaduras y la muerte en la mayoría de los casos. Para evitar accidentes, se debe revisar bien las conexiones y los contactos de los circuitos, aislando adecuadamente los empalmes y las borneras expuestas, y en general todo punto de energía eléctrica que pueda ser tocado por el aprendiz o participante. No olvidar que en los circuitos inversores la salida y algunas partes tienen tensiones de 220 voltios AC, por lo que se recomienda, separar las etapas de mando de las etapas de fuerza, con la finalidad de trabajar con el máximo cuidado en la etapa de fuerza y procurando desconectar después de las mediciones y pruebas. Debemos evitar que los circuitos de prueba y experimentos estén energizados, consumiendo energía eléctrica, cuando no se esta realizando mediciones o comprobaciones de su funcionamiento, tratando de usar racionalmente los recursos eléctricos y al mismo tiempo evitar poner en peligro a nuestros compañeros e incluso a nosotros mismos.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-04

94

CIRCUITO CHOPPER

T1

E

+

RL

-

T1

NC

C

DRL

Vc

NC

C

t

0

Vc E VDC t 0 Nº

1

2

ORDEN DE EJECUCIÓN

HERRAMIENTAS / INSTRUMENTOS/MATERIALES

MIDA LA TENSION DE LA BATERIA O FUENTE FUENTE DE ALIMENTACIÓN DC . CON EL MULTIMETRO DIGITAL COMPONENTES SCR, TRIAC, UJT MONTE CIRCUITO CHOPPER CON SCR Y MULTÍMETRO DIGITAL , PROTOBOARD. VERIFIQUE LAS CONEXIONES. ALIMENTE EL CIRCUITO FUNCIONA DEL CIRCUITO

4

VERIFIQUE CON UN OSCILOSCOPIO LA PINZAS, ALICATE DE CORTE. FORMA DE ONDA Y LOS VALORES DE LA RESISTENCIAS Y CINTA AISLANTE SEÑAL

PZA

CANT

Y

PRUEBA

EL CONDUCTORES VARIOS CALIBRE 18 Y 22 AWG Y ENCHUFE.

3

DENOMINACIÓN–NORMA/ DIMENSIONES

MONTAJE Y COMPROBACION DE CIRCUITOS TROCEADORES

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

MATERIAL

OBSERVACIONES

HT

REF: HT-05

Tiempo:4 Horas

HOJA: 1 / 1

Escala: ------

2004 95

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES OPERACIÓN PROBAR ESTADO DE MOTOR DC

DESCRIPCIÓN

Un motor de corriente continua o DC, es una máquina eléctrica que genera un movimiento mecánico a partir de un tensión de corriente continua. La velocidad del motor de corriente continua depende de la tensión que alimente al motor. Para verificar el estado se debe se debe probar la continuidad y el aislamiento de cada uno de los bobinados.

PROCESO DE EJECUCIÓN 1º PASO:

Identifique los terminales del motor DC

ARMADURA

ARMADURA

CAMPO

CAMPO

2º PASO:

Mida la continuidad de las bobinas del motor, con el multimetro en la escala de Ohmímetro: bobina de ARMADURA y bobina de CAMPO. Y debe obtener baja resistencia

3º PASO:

Mida el aislamiento entre las bobinas del motor, con el multimetro en la escala de ohmios, y debe obtener muy alta resistencia.

4º PASO:

Verifique si cumple con presentar baja resistencia entre los terminales de cada bobina y una alta resistencia de aislamiento entre un terminal de la bobina de campo y un terminal de la armadura.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-13

1 / 1

96

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN ARMAR CIRCUITO CHOPPER

DESCRIPCIÓN

Los circuitos Chopper, permiten convertir la corriente eléctrica continua DC en otra corriente eléctrica DC, generalmente de nivel variable. Basado en activar y bloquear la conducción de los SCR, el circuito Chopper hace circular la corriente en la carga, en determinados instantes y en otros instantes no deja circular la corriente

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Arme el circuito mostrado

T1

E

+

-

2º PASO:

RL

DRL

Vc

Conecte un circuito de disparo a los terminales del SCR, para permitir la conducción del SCR en un instante y no permitir la conducción en otro instante, de acuerdo con el diagrama de tiempo que se muestra.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-14

1 /2

97

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

T1

C

NC

C

NC

t

0

Vc E VDC t 0

3º PASO:

Verifique las conexiones y alimente el circuito con los 12 V. de una batería o una fuente DC.

4º PASO:

Verifique con un osciloscopio la señal de disparo y la tensión de salida en la carga. A.- Conecte el terminal de tierra del osciloscopio al puno de tierra del circuito, punto GND. B.- Conecte la punta de prueba del canal 1 a la señal de disparo. C.- Conecte la punta de prueba del canal 2 a la tensión de salida, en la carga RL.

5º PASO:

Mida los valores de la señal y grafique la forma de onda y los valores de la señal de disparo y la tensión de salida en la carga.

6º PASO:

verifique, si las formas de onda son como los mostrados en el paso 2.

7º PASO:

Mida con el multimetro la tensión DC en la carga, en la escala de tensión DC y el rango de 20 voltios.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-14

2 /2

98

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

CIRCUITOS TROCEADORES GENERALIDADES La Electrónica de Potencia o electrónica de las corrientes fuertes es una técnica que se ha desarrollado gracias al avance tecnológico en la fabricación de los semiconductores y distintamente de lo que ocurrió en la Electrónica de las corrientes débiles, donde se da prioridad a la ganancia y fidelidad, en la Electrónica de potencia la característica mas importante es el rendimiento, y los elementos activos han de trabajar en Conmutación, es decir, en todo o nada a fin de minimizar las perdidas. Un equipo electrónico consta fundamentalmente de: a) Un circuito de potencia, compuesto de semiconductores de potencia como diodos, SCR, triacs, GTO, etc. y elementos pasivos como resistencias, condensadores o bobinas que conectan la fuente de alimentación con la carga. b) Un circuito de mando, que procesa la información proporcionada por el primero y genera unas señales de excitación que determinan la conducción de los semiconductores controlados con una fase y secuencia conveniente.

TROCEADOR O CHOPPER El circuito Troceador o Chopper es un regulador de continua o convertidor directo DC/DC, y permite convertir una tensión continua fija en una tensión continua variable. En este circuito, variando el ángulo de disparo del SCR se varía la tensión media de salida VDC, y en su límite máximo se comporta como un interruptor estático de continua, que cierra y abre un circuito, El mínimo Angulo de disparo debe ser igual a 0.1 T y el máximo ángulo de disparo debe ser igual a 0.9 T. TIPOS POR EL NIVEL DE SALIDA RESPECTO A LA ENTRADA Existen dos tipos principales de troceadotes: CHOPPER REDUCTORES.- cuando la salida es menor que la entrada y son los mas comunes. CHOPPER ELEVADORES.- cuando la salida es mayor que la entrada y son para usos específicos. POR EL TIPO DE CARGA A CONTROLAR CHOPPER BASICO.- se utiliza con cargas resistivas y en este circuito Chopper la corriente solo circula la corriente en dirección a la carga y la tensión en la carga es siempre positiva. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-05

99

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES CHOPPER REGENERATIVO.- se utiliza en cargas que tienen capacidad regenerativa, que pueden generar tensiones mayores que la tensión de la batería, y se puede cargar la batería desde la carga, en este circuito Chopper la corriente circula la corriente en dirección a la carga y de la carga al circuito. CHOPPER INVERSOR Y REGENERATIVO.- se puede considerar como dos Chopper regenerativos que pueden alimentar a la carga con corrientes en ambos sentidos, como un inversor. CHOPPER BASICO

T1 V B

a D1

Carga b

CHOPPER REGENERATIVO

D1 T1

V B

a T2

Carga

D2

b

CHOPPER INVERSOR Y REGENERATIVO

V B

T1 T2

D1

D3

a

b

T3

Carga D2

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

D4

T4 HIT-05

100

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES CARACTERISTICAS En los circuitos Chopper se utilizan mucho los interruptores de estado sólido y transistores de potencia, pero en las aplicaciones de alta potencia, el componente de conmutación principal es el SCR, requiriendo conmutación forzada cuando funcionan desde una alimentación de tensión continua DC. Se utilizan diodo de potencia para los circuitos de protección y derivación de los voltajes de retorno. En los circuitos también se utiliza condensadores para mantener el nivel de tensión y evitar oscilaciones por conducción y corte de la corriente por la carga. El circuito Chopper elevador comparado con el Chopper reductor tiene como principal diferencia, es que el Chopper elevador funciona almacenado energía en una inductancia durante el periodo en el que el transistor esta conduciendo y transfiriendo la energía almacenada a la carga cuando el transistor no conduce. La energía en la carga de un circuito Chopper se alimenta de una serie de pulsos, normalmente se añade un condensador C para dar un nivel algo de suavizado. El circuito básico de control de un chopper, consiste en un mecanismo de conexión del semiconductor de conmutación principal al inicio de un ciclo y desconectarlo cuando un ciclo ha terminado. Si este interruptor principal es un SCR, puede conmutarse disparando un SCR auxiliar. El circuito Chopper debe tener alguna forma de detección de tensión para mantener la tensión de la carga constante bajo condiciones de corriente variable o fluctuaciones de la tensión de alimentación, y debe detectar la corriente hacia la carga y si excede un valor predeterminado se aplica limitación de corriente. El control de tensión del chopper, utiliza un control de frecuencia variable y alimenta a un generador pulsos monoestable, que da una salida de ancho de pulso fija a un ritmo determinado por el generador de frecuencia, el generador de pulsos ataca al circuito de control del semiconductor de potencia, cuya naturaleza exacta variará dependiendo del circuito de conmutación utilizado; si consiste en un simple circuito de ataque a un transistor de potencia, o un pulso de disparo para el SCR de conmutación principal, seguido por un pulso a un SCR de conmutación auxiliar al final del periodo de conducción. Los interruptores de potencia alimentan a la carga, y la corriente de la carga y la tensión se alimentan y se utilizan para ajustar la frecuencia del chopper según se necesite, logrando el nivel de tensión deseado.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El circuito Chopper se alimenta de una fuente de alimentación de tensión continua DC, que puede ser una batería o una fuente DC con un rectificador a partir de una alimentación AC. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-05

101

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES CIRCUITO CHOPPER O TROCEADOR BASICO

T1

E

+

RL

-

DRL

Vc

El elemento conmutador principal, conduce durante un determinado tiempo y permanece sin conducir otro determinado tiempo, haciendo un ciclo de operación que repite periódicamente, el nivel de tensión de la salida depende del valor medio de la señal pulsante en la carga, cuanto mayor es el tiempo de conducción y menor el tiempo de no conducción, el nivel de tensión continua en la salida será mayor; en el limite, cuando todo el tiempo conduce y el tiempo de no conducción es cero, la tensión en la carga es igual a la tensión DC de la entrada. Cuanto menor es el tiempo de conducción y mayor el tiempo de no conducción, el nivel de tensión continua en la salida será menor; en el limite, cuando el tiempo de conducción es cero y todo el tiempo no conduce, la tensión en la carga es igual cero. Las formas de ondas del Chopper básico cuando el ciclo de trabajo es el 50%. en la conducción del SCR. Y luego se muestra para una conducción del SCR en más del 50% y por último para menos del 50%.

DISPAROS A 50% DE CICLO DE TRABAJO

T1

C

NC

C

NC

t

0

Vc E VDC t 0

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-05

102

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES DISPAROS A MAS DEL 50% DEL CICLO DE TRABAJO

T1

C

C

NC

NC

t

0

Vc E VDC t 0

DISPAROS A MENOS DEL 50% DEL CICLO DE TRABAJO

T1

C

NC

C

NC

C

t

0

Vc E VDC

t 0

APLICACIONES Usualmente hay dos aplicaciones principales de los Chopper: FUENTE DE ALIMENTACION VARIABLE Una de las aplicaciones mas utilizadas es proporcionar una fuente de alimentación estabilizada, esta aplicación requieren alguna forma de detección de la tensión para mantener la tensión de la carga constante bajo condiciones de corriente variable o fluctuaciones de la tensión de alimentación. CONTROL DE MOTOR DC Otra de las aplicaciones es controlar la velocidad de un motor DC y para ello se debe variar la tensión DC en sus bornes, y así variar la velocidad del motor. Un Chopper entrega una tensión DC variable y con ello se puede alimentar el motor y controlar su velocidad, variando el voltaje DC, además, se detecta la corriente hacia la carga y si excede un valor predeterminado se aplica limitación de corriente. OTRAS APLICACIONES Toda necesidad de tener un voltaje DC variable para alimentar equipos, juguetes y aparatos domésticos y de laboratorio, se pueden controlar con el circuito Chopper o circuito troceador. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-05

103

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

DETERMINACION DE PERIODO Y FRECUENCIA PERIODO El periodo es el tiempo T, que necesita una función periódica para completar un ciclo, esto es el tiempo desde que empieza la función tomar los valores hasta termine su variación antes de volver a iniciar un recorrido similar al recorrido anterior. FRECUENCIA La frecuencia es el número de ciclos que tiene una función periódica en la unidad de tiempo o sea en un segundo de tiempo. RELACION PERIODO Y FRECUENCIA

f =

La siguiente fórmula relaciona la Periodo con la Frecuencia:

1 T

El periodo es la inversa de la frecuencia. VOLTAJE Y CORRIENTE SINUSOIDALES Para las tensiones y las corrientes sinusoidales, se utiliza la formula para hallar los valores correspondientes, por ejemplo, la frecuencia de la energía eléctrica comercial, conocida por todos es 60 ciclos por segundo, también llamado 60 Hertz que es la unidad de la frecuencia y significa 1 ciclo por segundo, y 60 Hertz significa 60 ciclos por segundo. Para hallar el periodo se usa la formula y se determina el periodo partiendo de la frecuencia. 1 1 T= = = 0.0167 s f 60 Por lo tanto el periodo es 0.0167s = 16.7 milisegundo. Si una señal periódica tiene un periodo de 5 milisegundos, para hallar la frecuencia se usa la formula y se calcula: 1 1 f = = = 0.2 KHz = 200 Hz T 5ms En la gráfica se muestra la forma de onda sinusoidal y se indica el Periodo.

ϖτ

0

T CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-05

104

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES GENERACION DE ONDAS CUADRADAS Para generar Ondas Cuadradas se puede diseñar muchos circuitos, algunos basados en un oscilador sinusoidal y mediante un comparador de tensión generar la onda cuadrada. Un circuito muy usado para generar directamente la onda cuadrada es el que esta compuesto por una báscula de Schmitt no inversora que genera una onda rectangular y que excita a un circuito integrador, la salida del integrador es una onda triangular, esta se realimenta y se emplea para excitar la bascula de Schmitt. Así se tiene un circuito muy interesante, donde la primera etapa excita a la segunda, y la segunda excita a la primera, como se muestra en el grafico.

R1 R1

C

+VCC R2 -

+VCC

R3 -

V0

+ + - VEE

- VEE

02 01

La función de transferencia de la báscula de Schmitt, permite que cuando la salida esta en nivel bajo, la entrada debe incrementarse hasta el Punto de Conmutación Superior PCS, para conmutar la salida a nivel alto y asimismo cuando la salida esta a nivel alto, la entrada debe decrementarse hasta el Limite de Conmutación Inferior PCI, para conmutar la salida a nivel bajo. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-05

105

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES La onda triangular del integrador es perfecta para excitar la báscula de Schmitt, cuando la salida de esta se halla a nivel bajo, el integrador produce una rampa positiva, esta se incrementa hasta alcanzar el PCS, como se ve en la figura. y luego en este punto a salida de la bascula Schmiit conmuta al estado alto y obliga a la onda triangular en la dirección contraria; la rampa negativa disminuye ahora hasta alcanzar el PCI, donde tiene lugar otro cambio en la salida de la bascula. Cuando se enciende el circuito, la salida de la báscula de Schmiit puede estar en nivel bajo o en nivel alto, sea cualquiera el valor, la forma de onda triangular ha arrancado y la realimentación positiva lo mantendrá en operación.

´t

1

´t 2

´t3

´t 4

´t5

´t 6

DIAGRAMAS DE BLOQUES DIAGRAMAS DE BLOQUES DEL TROCEADOR

SALIDA TENSION

CIRCUITO

DE

DC

CONMUTADOR

TENSION

FIJA

DC VARIABLE

CIRCUITO DE DISPARO

El diagrama de bloques mostrado representa al circuito troceador, que produce una tensión continua a partir de una tensión continua o DC, generalmente proporcionada por una batería, que alimenta al circuito conmutador y al circuito de disparo, obteniéndose a la salida de los terminales del circuito una tensión continua, producido CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-05

106

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES en base a la conmutación de los SCR en la conducción de la corriente DC, de tal forma que en la carga conduzca durante un tiempo y no conduzca durante otro tiempo.

SIMBOLOGIA Los símbolos eléctricos que se utilizan en los circuitos troceadores son: el SCR, las resistencias, el amplificador operacional, transistores, el símbolo del circuito troceador, etc. cuyos gráficos se presentan:

C.C

CHOPPER

C.C

RECOMENDACIONES PARA EL MANTENIMIENTO DE CIRCUITOS TROCEADORES Las precauciones que se debe tener en el mantenimiento de los circuitos troceadores, deben aplicarse también a todos los circuito electrónicos de potencia en general, cuando se someten a mantenimiento. En primer lugar para intervenir a un circuito se debe verificar que el circuito no este alimentando a algún equipo o circuito de carga, en caso de ser así, previamente se debe desconectar la carga. Realizar las descargas de los condensadores, a fin de eliminar las cargas residuales e igualmente en los elementos inductivos si los hubiera. Uno de los principales problemas de la operación de los circuitos electrónicos, es la temperatura de operación del circuito, debiendo evitarse que la temperatura alcance niveles muy altos, para ello periódicamente se debe limpiar los circuitos a fin de tener una ventilación adecuada, sin coberturas adicionales de polvo, que impidan la transferencia de calor al medio ambiente. Si los componentes electrónicos de potencia requieren de un dispositivo disipador, este debe estar adecuadamente instalado y en el mantenimiento verificar si el disipador esta adherido al componente con la silicona disipadora. Se debe tener un cuidado adicional en verificar si las conexiones, empalmes, borneras, etc. estén debidamente aisladas y protegidas para evitar mal funcionamiento y poner en peligro a los trabajadores. Y siempre tener en cuenta que No se debe tener contacto físico directo, por que circula corriente por el cuerpo y es fatal para la integridad física de las personas, produciendo quemaduras y la muerte en la mayoría de los casos. Para evitar accidentes, se debe revisar bien las conexiones y los contactos de los circuitos, después del mantenimiento, antes de conectar nuevamente los circuitos. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-05

107

CIRCUITO CICLOCONVERTIDOR GRUPO POSITIVO

T1 T2

Vs

T4 RL

VL

T3

GRUPO NEGATIVO

V5 t

V6 1

3

Nº

1

2

3

4

PZA

2

1

2

t

4

ORDEN DE EJECUCIÓN

3

4

HERRAMIENTAS / INSTRUMENTOS/MATERIALES

MIDA LA TENSION Y FRECUENCIA DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN DC . ENTRADA DE ENERGIA ALTERNA AC. COMPONENTES SCR, TRIAC, UJT MONTE CIRCUITO CICLOCONVERTIDOR CON MULTÍMETRO DIGITAL, PROTOBOARD, SCR Y VERIFIQUE LAS CONEXIONES. OSCILOSCOPIO. ALIMENTE EL CIRCUITO Y PRUEBA EL CONDUCTORES VARIOS CALIBRE 18 Y 22 FUNCIONA DEL CIRCUITO AWG Y ENCHUFE. VERIFIQUE CON UN OSCILOSCOPIO LA FORMA DE ONDA Y LOS VALORES DE LA PINZAS, ALICATE DE CORTE. SEÑAL RESISTENCIAS Y CINTA AISLANTE .

CANT

DENOMINACIÓN–NORMA/ DIMENSIONES

MONTAJE Y COMPROBACION DE CIRCUITOS CICLOCONVERTIDORES

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

MATERIAL

OBSERVACIONES

HT

REF: HT-06

Tiempo:4 Horas

HOJA: 1 / 1

Escala: ------

2004 108

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN PROBAR ESTADO DE C.I. ANALOGICOS Y DIGITALES

DESCRIPCIÓN Los circuitos integrados o CHIPs, analógicos y digitales, son componentes electrónicos que contiene una gran cantidad de transistores, formando internamente circuitos complejos y teniendo terminales para el exterior de las principales salidas del circuito. En el manual de componentes electrónicos se tienen los códigos, las características y los terminales de los C.I.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Ubique en el componente CI el código que lo identifica en la parte superior del chip o cápsula de CI.

2º PASO:

Ubique en el manual de componentes electrónicos ECG, el diagrama de distribución del C.I, para ello busque en el manual ECG la sección ANALOGIC ICs o DIGITAL ICs, o el tipo de componente que se busca.

3º PASO:

Busque dentro de la sección DIGITAL ICs o la sección correspondiente, las hojas de la subsección hasta encontrar los datos del componente.

4º PASO:

Identifique los terminales del componente y las características de aplicaciones prácticas.

5º PASO:

Pruebe el IC en un circuito de prueba simple en el Protoboard, aplicando los voltajes de alimentación adecuados y ingrese los niveles y señales correctas a las entradas del IC.

6º PASO:

Conecte a los terminales de salida, los componentes compatibles con la salida del IC, y verifique con una señal de entrada la respuesta del IC.

7º PASO:

Determine si el comportamiento del IC esta dentro de lo esperado y defina su estado, para ser usado en las prácticas o para descartarlo y considerarlo en mal estado.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-15

1/1

109

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES OPERACIÓN PROBAR ESTADO DE TRANSFORMADOR REDUCTOR DESCRIPCIÓN

Los transformadores reductores tiene la función de recibir en su entrada una tensión de corriente alterna de un nivel determinado y entregar una tensión de salida a la carga de un nivel menor en una proporción previamente definida. En este tipo de transformador, el primario tiene mayor número de espiras que el secundario.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Mida la continuidad de las bobinas primaria y secundaria del transformador reductor, con el multimetro en la escala de Ohmímetro:

2º PASO:

Mida el aislamiento entre las bobinas primaria y secundaria, con el multimetro en la escala de ohmios.

3º PASO:

Conecte a la entada del primario el voltaje de entrada de 220 VAC y aísle correctamente para evitar peligro.

4º PASO:

Mida la tensión en vacío, tanto de la entrada en el primario como de la salida del secundario.

5º PASO:

Conecte a la salida del secundario una carga de 500 ohmios y mida en forma indirecta la corriente en el circuito a través de la tensión de carga.

6º PASO:

Registre los valores de los datos y defina si el transformador esta en buen estado, de acuerdo a los resultados.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-16

1 /1

110

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN ARMAR CIRCUITO CICLOCONVERTIDOR DESCRIPCIÓN

Los circuitos cicloconvertidor con SCR, permiten convertir la corriente eléctrica alterna AC en una corriente alterna AC en la carga, de diferente frecuencia. Basado en activar y bloquear la conducción de los SCR, el circuito cicloconvertidor hace circular la corriente en la carga, en cada instante en un determinado sentido y lograr una frecuencia diferente a la frecuencia de entrada.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Arme el circuito mostrado

GRUPO POSITIVO

T1 T2

Vs

T4 RL

VL

T3

GRUPO NEGATIVO

2º PASO:

Conecte un circuito de disparo secuencial a los terminales de los SCR que cumpla con el diagrama de tiempo que muestra.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-17

1 /2

111

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES V5 t

V6 1

1

2 3

2

4

t 3

4

1 2

3

4

3º PASO:

Verifique las conexiones y alimente energía eléctrica comercial.

4º PASO:

Verifique con un osciloscopio la señal de entrada y la tensión de salida en la carga.

5º PASO:

Mida los valores de la señal y grafique la forma de onda y los valores de la señal de entrada y la tensión de salida en la carga.

6º PASO:

verifique, si las formas de onda son como los mostrados en el paso 2.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

el circuito con 220 V. de

HO-17

2 / 2

112

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

CIRCUITOS CICLOCONVERTIDOR GENERALIDADES Un circuito cicloconvertidor es un circuito conversor que realiza la conversión de una alimentación de corriente eléctrica alterna – AC, de una determinada frecuencia en otra alimentación de corriente eléctrica alterna de diferente frecuencia. El circuito cicloconvertidor realiza esta conversión directamente utilizando la señal de la frecuencia original y a partir de ella obtiene la señal con al nueva frecuencia. También se puede lograr una señal de una frecuencia distinta a la original, mediante el uso de otros conversores, como es primero rectificar la corriente alterna AC en corriente continua DC, y luego con un inversor generar la señal alterna de la frecuencia requerida. Los ciclo convertidores utilizan los SCR para poder realizar la conducción adecuada en los instantes previstos a fin de realizar la modificación de los semiciclo de conducción y hacer circular por la carga en el sentido requerido y no tal como llegan los semiciclos naturales de la onda sinusoidal. Para ello el circuito de control permitirá disparar el SCR adecuado para rectificar el semiciclo al lado positivo o al lado negativo o dejar pasar el semiciclo tal como llega. TIPOS POR EL TIPO DE CORRIENTE ALTERNA Los circuitos cicloconvertidores se pueden agrupar en dos: CICLOCONVERTIDORES MONOFÁSICOS.- cuando la corriente alterna que se utiliza es alterna monofásica CICLOCONVERTIDORES TRIFÁSICOS.- cuando la corriente alterna que se utiliza es la corriente alterna trifásica. POR EL MODO DE FUNCIONAMIENTO Los cicloconvertidores pueden ser de dos tipos por el modo de funcionamiento, en ambos sistemas la disposición del circuito es idéntica, y lo que determina el tipo de conversor es el modo de funcionamiento: CICLOCONVERTIDOR POR CONTROL DE FASE.- el cicloconvertidor esta formado por dos grupos de conversores, denominados uno grupo positivo y el otro grupo negativo, y conducen por pares de SCR, dependiendo del semiciclo que tiene la entrada y del semiciclo que debe tener la salida, de tal forma que el circuito permite que los SCR conduzcan en determinados ángulos de inicio y fin, y no durante todo el semiciclo, rectificando hacia el lado positivo o hacia el lado negativo; un determinado CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-06

113

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES semiciclo puede ser rectificado la mitad o parte del semiciclo para un lado y la otra parte para el otro lado. CICLOCONVERTIDOR POR ENVOLVENTE.- para aplicaciones donde la relación entre la frecuencia de entrada y la frecuencia de salida están relacionadas, es múltiplo y fija, los conversores de envolventes son más simples y más económicos; este cicloconvertidor permite modificar todo el semiciclo, no por partes del semiciclo, rectificando, para ser semiciclo positivo o negativo según convenga.

Grupo negativo

Grupo positivo

T2

T1 T4

T3

+V

A B

+

A B

Carga

T7 T5

T8

T6

CARACTERISTICAS Los Cicloconvertidores tendrán como características principales la frecuencia y la amplitud. Si la salida de una alimentación monofásica donde la relación entre la frecuencia de entrada y la de salida es tres. Los SCR del conversor se activan al inicio de cada semiciclo, de forma que siguen la envolvente de la forma de onda de la alimentación de corriente alterna AC. Cuando la Frecuencia de la entrada y la salida no son múltiplos, se tiene que utilizar un cicloconvertidor de control por fase. El nivel de Tensión de la salida o control de tensión de salida se obtiene mediante una elección correcta de las relaciones de primario y secundario en el transformador de entrada, de tal manera que se reduzca o eleve el nivel de tensión al valor requerido. Un cicloconvertidor puede funcionar con mayores frecuencias de salida que las frecuencias de entrada, y este sistema se llama cicloconvertidor elevador o más comúnmente, cicloinversor. La diferencia importante entre el cicloinversor y el inversor, es que en el cicloinversor alimentación a nivel de corriente continua. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-06

114

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

Tensión media

t3 t0

t1

t4

t5

t6

t2

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO CICLOCONVERTIDOR ENVOLVENTE El cicloconvertidor envolvente es el más simple para entender su funcionamiento: GRUPO POSITIVO

T1 T2

Vs

T4 RL

VL

T3

GRUPO NEGATIVO

En el circuito cicloconvertidor mostrado, se tiene cuatro SCR, que serán, disparados uno a la vez, de acuerdo a como corresponda para tener dos semiciclos positivos seguidos y dos semiciclos negativos seguidos y luego repetir la secuencia, con ello se tiene que la frecuencia de la salida será la mitad de la frecuencia de la entrada y se tendrá la forma de onda que se ve en el gráfico. En este circuito cicloconvertidor se observa el grupo positivo formado por los SCR T1 y T2, y el grupo negativo formado por los SCR T3 y T4, entonces cuando se requiere, un semiciclo positivo conducirá T1 si el semiciclo de entrada es positivo y conducirá T2 si el semiciclo de entrada es negativo, igual cuando se requiere un semiciclo negativo debe conducir T3 si el semiciclo de entrada es positivo y T4 si el semiciclo de entrada es negativo. Como se observa en el gráfico, la frecuencia de la salida será la mitad de la frecuencia de entrada, por que, el periodo es el doble del periodo de la señal de entrada, como se CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-06

115

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES nota tiene dos semiciclos positivos y dos semiciclos negativos y después se repite el nuevo ciclo.

V5 t

V6 1

1

2 3

2

4

t 3

4

1 2

3

4

APLICACIONES El circuito cicloconvertidor es parte de muchos circuitos que requieren la variación de la frecuencia para controlar el funcionamiento de la maquinas industriales y equipos. Los variadores de velocidad de motores AC utilizan en algunos casos cicloconvertidores y en otros un inversor de frecuencia variable, utilizando un nivel de tensión continua para alimentar al inversor. Las aplicaciones en las que se requiere una frecuencia que es múltiplo de la de la frecuencia de la entrada, es más conveniente utilizar un cicloconvertidor, que otras formas de circuitos que varíen la frecuencia. El cicloconvertidor tiene aplicación inmediata en todos los automatismos donde se requiera una fina variación de la velocidad, tales como fajas transportadoras, dosificación, máquinas llenadoras, máquinas textiles. Una aplicación de este tipo se da en el ventilador de aire de combustión de los calderos, en la solución tradicional, este ventilador opera a plena carga y se gradúa el caudal del aire de combustión mediante una válvula de compuerta, es decir, ya sea que se necesite poco o mucho aire el motor siempre opera a plena carga. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-06

116

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

RELACIONES DE FRECUENCIA La frecuencia de los de los circuitos cicloconvertidores envolventes se relaciones entre ellos por un factor entero, por son múltiplos, pues el cicloconvertidor envolvente no es capaz de trabajar a frecuencia variable, y ya que los SCR del conversor funcionan como diodos durante cualquier semiciclo, no pueden regenerar corriente de la carga de nuevo a la alimentación. Por lo tanto la relación de la frecuencia de entrada con la frecuencia de salida estará dado por la formula: fe fs = n Donde: fs : frecuencia de salida fe : frecuencia de entrada n : Numero entero. En los convertidores controlados por fase, la frecuencia tiene una relación similar pero no existe la restricción de un número entero, por que el ángulo de disparo puede desplazarse fácilmente para llegar a cualquier necesidad de dirección de flujo de corriente de la carga, y n: Numero real.

VARIACION DE LA AMPLITUD CON LA VARIACION DE LA FRECUENCIA El cicloconvertidor o convertidor de frecuencia, toma energía eléctrica de la red y suministra al motor energía eléctrica de frecuencia variable, para poder variar la velocidad de un motor AC, que es dependiente de la frecuencia de alimentación. Al variar la frecuencia generada, se logra variar la velocidad del motor en forma casi proporcional y en un amplio rango, pero se debe tener en cuenta la relación de la Amplitud de la alimentación con la Frecuencia. El nivel de la tensión aplicada al motor, la frecuencia de la tensión de alimentación y el flujo magnético están relacionados con la siguiente formula:

V = 4.44 × f × N × φ Si se varia solo la frecuencia, también se produce una variación en el flujo inducido, y tiene un efecto en el torque, por lo tanto, para un voltaje constante, si la frecuencia baja demasiado el flujo tendría que compensar, produciéndose una saturación del núcleo, para ello, es debe tener en cuenta la relación constante entre amplitud y frecuencia como en la formula mostrada: V = 4.44 × N × φ = constante f Por lo tanto si se baja la frecuencia debe bajarse la amplitud y si se sube la frecuencia también debe subirse la amplitud, y mantener constante la relación entre el voltaje eficaz o VAC de la alimentación y la frecuencia de alimentación. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-06

117

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES DIAGRAMAS DE BLOQUES El diagrama de bloques mostrado representa al circuito cicloconvertidor, a generación de las ondas trifásica que tiene un rotor que es movido mecánicamente y produce un campo magnético giratorio el cual induce una diferencia de potencial o tensión en los bobinados, ubicados físicamente con un desplazamiento de 120º, generando ondas sinusoidales desfasadas en 120ª en el tiempo. DIAGRAMAS DE BLOQUES DEL CIRCUITO CICLOCONVERTIDOR

TENSION

TENSION

ALTERNA

CIRCUITO

ALTERNA

AC

DE

AC

60HZ

CONMUTACION

30 HZ

CIRCUITO DE DISPARO

CONSIDERACIONES SOBRE VARIACIONES DE PARAMETROS ELECTRICOS Los parámetros eléctricos pueden sufrir variaciones por diversos motivos, en la electrónica de potencia una de los causantes de las variaciones es la temperatura, por que los valores característicos de los semiconductores varían por la abundancia de los portadores eléctricos, electrones libres y huecos, y la producción de estos depende de la temperatura. Al variar los valores característicos de los de los componentes, también se varía los valores de las variables del circuito, pudiendo afectar el comportamiento de todo o una parte del sistema e incluso puede deteriorar a otras partes del sistema. Los circuitos realimentados negativamente, son ideales para evitar que el efecto de la variación de los parámetros afecte a todo el circuito, por cuanto cuando una variable aumenta la realimentación, trata de compensar disminuyendo otro parámetro del circuito, a fin eliminar la variación del conjunto. Los parámetros eléctricos de los circuitos de potencia en general, dependen también de las características de la carga, si son reactivas, generan un adelanto o atraso de entre la corriente o la tensión y puede afectar el comportamiento de todo sistema. La inducción puede generar la variación de los parámetros eléctricos, por efecto de las señales electromagnético que existen en el medio ambiente y que se inducen en los componentes de los circuitos eléctricos que no tienen apantallamiento. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-06

118

MANDO ELECTRONICO DE MOTOR MONOFASICO

L1 L2 Vcc 5V

47 Ω

1W 1 2

4

A2 G

6

Vcc 5V MARCHA

Vcc

7 PR

U

Q

5V

Nº

BC 549

CL 1K 8

V

220 Ω

Vcc PARO

1W

1K

5 0.01 up

Ω

A1

13

ORDEN DE EJECUCIÓN

HERRAMIENTAS / INSTRUMENTOS/MATERIALES

1

MONTE CIRCUITO MANDO ELECTRONICO DE FUENTE DE ALIMENTACIÓN DC Y MOTOR MONOFASICO. MOTOR MONOFASICO CON SCR

2

VERIFIQUE LAS CONEXIONES Y ALIMENTE COMPONENTES SCR, IC, RESISTENCIAS, PULSADORES, LED, ETC. EL CIRCUITO CON 220VAC Y 5 VDC.

3

DIGITAL, PROTOBOARD, PRUEBE EL FUNCIONA DEL CIRCUITO Y DEL MULTÍMETRO MOTOR CON LOS PULSADORES MARCHA Y OSCILOSCOPIO. PARO CONDUCTORES VARIOS CALIBRE 18 Y 22 VERIFIQUE CON UN OSCILOSCOPIO LA AWG Y ENCHUFE. FORMA DE ONDA Y LOS VALORES DE LA PINZAS, ALICATE DE CORTE Y CINTA SEÑAL AISLANTE .

4

PZA

CANT

DENOMINACIÓN–NORMA/ DIMENSIONES

MONTAJE DE CIRCUITOS DE MANDO ELECTRONICO DE MOTORES

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

MATERIAL

OBSERVACIONES

HT

REF: HT-07

Tiempo:4 Horas

HOJA: 1 / 1

Escala: ------

2004 119

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN PROBAR ESTADO DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS

DESCRIPCIÓN Los dispositivos electrónicos son los diferentes elementos que funcionan en un circuito electrónico y tienen sus terminales definidos. En el manual de componentes electrónicos se tienen los códigos, las características y los terminales de los dispositivos e electrónicos.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Defina el nombre del componente electrónico y el código que lo identifica

2º PASO:

Ubique en el manual de componentes electrónicos ECG u otro similar, el diagrama de los terminales del dispositivo y sus características.

3º PASO:

Identifique los terminales del componente y las características de aplicaciones prácticas.

4º PASO:

Pruebe el dispositivo electrónico en un circuito de prueba simple en el Protoboard, aplicando los voltajes de alimentación adecuados y ingrese los niveles y señales correctas a las entradas.

5º PASO:

Conecte a los terminales de salida, los componentes compatibles con la salida del dispositivo y verifique con una señal de entrada la respuesta del dispositivo.

6º PASO:

Determine si el comportamiento del dispositivo esta dentro de lo esperado y defina su estado, para ser usado en las prácticas o para descartarlo y considerarlo en mal estado.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-18

1/1

120

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN PROBAR RELE DE ESTADO SÓLIDO DESCRIPCIÓN Los rele de estado sólido son circuitos con SCR o triac, permiten la conducción o la interrupción de la conducción en un circuito de fuerza. Basado en activar y bloquear la conducción de los SCR o triac, el circuito rele de estado sólido hace circular la corriente en la carga, en el instante en un pulso inicia su conducción y quedándose enclavado hasta que llega el bloqueo.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Arme el circuito mostrado

T1 T2 VS

I0 RL

V0

2º PASO:

Conecte un circuito de disparo en los terminales de los SCR que mantenga enclavado la conducción.

3º PASO:

Verifique las conexiones y alimente energía eléctrica comercial.

4º PASO:

Verifique con un multimetro que en la carga se tiene la misma tensión que en la entrada.

5º PASO:

Verifique con un osciloscopio la señal de entrada y la tensión de salida en la carga.

6º PASO:

Mida los valores de la señal y grafique la forma de onda y los valores de la señal de entrada y la tensión de salida en la carga.

7º PASO:

verifique, si en las formas de onda, no se presenta una caida de tensión de más de 2 voltios, el rele opera bien.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

el circuito con 220 V. de

HO-19

1 /1

121

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES OPERACIÓN PROBAR CONDENSADOR DE ARRANQUE DESCRIPCIÓN

Un condensador de arranque es componente eléctrico que permite el arranque de un motor. El estado de un condensador de arranque se prueba como todo condensador con un ohmímetro

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Identifique los terminales del condensador de arranque

2º PASO:

Realice las mediciones de resistencia del condensador de arranque, con el multimetro en la escala de Ohmímetro: A.- Conecte las puntas de prueba del multimetro, en cada uno de los terminales. B.- El multimetro debe avanzar en dirección de una baja resistencia y luego regresar a una alta resistencia..

3º PASO:

Verifique si el condensador de arranque cumple con la medición del paso anterior, si es así el condensador esta en buen estado, y si no, esta en mal estado.

4º PASO:

Verifique si el condensador de arranque en la medición del paso 2, presenta siempre alta resistencia, entonces el condensador esta deteriorado al igual que si se queda en baja resistencia siempre.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-20

1 / 1

122

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN PROBAR CONTACTOR DE ESTADO SÓLIDO DESCRIPCIÓN

Los contactores de estado sólido son circuitos con SCR o triac, que permiten la conducción o la interrupción de la conducción en un circuito de fuerza, la diferencia con el rele es su potencia, siendo mayor el del contactor. Basado en activar y bloquear la conducción del triac, el circuito contactor de estado sólido hace circular la corriente en la carga, en el instante en un pulso inicia su conducción y quedándose enclavado hasta que llega el bloqueo.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Arme el circuito mostrado

I0 VS

T1 RL

V0

2º PASO:

Conecte un circuito de disparo en los terminales del triac que mantenga enclavado la conducción.

3º PASO:

Verifique las conexiones y alimente energía eléctrica comercial.

4º PASO:

Verifique con un multimetro, que en la carga se tiene la misma tensión que en la entrada.

5º PASO:

Verifique con un osciloscopio la señal de entrada y la tensión de salida en la carga.

6º PASO:

Mida los valores de la señal y grafique la forma de onda y los valores de la señal de entrada y la tensión de salida en la carga.

7º PASO:

verifique, si las formas de onda, no presenta una caida de tensión de más de 2 voltios, el contactor opera bien.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

el circuito con 220 V. de

HO-21

1 /1

123

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES OPERACIÓN PROBAR ESTADO DE MOTOR MONOFASICO DESCRIPCIÓN

Un motor monofásico, es una máquina eléctrica que genera un movimiento mecánico a partir de una tensión de corriente alterna AC. Para verificar el estado se debe probar la continuidad y el aislamiento de cada uno de los bobinados.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Identifique los terminales de los bobinados del motor AC

2º PASO:

Realice las mediciones de continuidad de las bobinas del motor, con el multimetro en la escala de Ohmímetro: A.- Conecte las puntas de prueba del multimetro, uno en cada terminal del estator B.- El multimetro debe mostrar una baja resistencia. C.- Repetir los pasos para los terminales rotor.

3º PASO:

Realice las mediciones de aislamiento entre las bobinas del motor, mida con el multimetro en la escala de ohmios, y obtendrá muy alta resistencia: A.- Conecte una punta de prueba en un terminal del estator y el otro en un terminal de rotor. B.- El multimetro debe mostrar muy alta resistencia.

4º PASO:

Verifique si cumple con presentar baja resistencia entre los terminales de las bobinas y una alta resistencia de aislamiento entre un terminal de la bobina del estator y un terminal del rotor.

5º PASO:

Verifique el estado del motor, si cumple con el paso anterior el motor esta en buen estado y se puede usar en la práctica.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-22

1 / 1

124

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN ARMAR CIRCUITO DE MANDO ELECTRONICO DESCRIPCIÓN Los circuitos de mando electrónicos para el control de motores utilizan como elementos básicos a los contactores de estado sólido y estos reemplazan a los contactores convencionales utilizados para realizar los automatismos de las máquinas industriales. Basado en activar y bloquear la conducción de los SCR, el circuito contactor de estado sólido hace circular la corriente por el Motor, en el instante en un pulso inicia su conducción y quedándose enclavado hasta que llega el pulso que bloqueo al contactor. PROCESO DE EJECUCIÓN 1º PASO:

Arme el circuito mostrado

L1 L2 Vcc 5V

47 Ω

1W 1 2

4 6

Vcc 5V MARCHA

Vcc

Ω

PARO

A1 1W

7 PR

U

Q

Vcc

5V

G

1K

5 0.01 up

A2

220 Ω BC 549

CL 1K 8

V

13

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-23

1 /2

125

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

2º PASO:

Conecte un motor monofásico en los terminales u y v, del circuito de mando electrónico de motor.

3º PASO:

Verifique las conexiones y la potencia del motor, que no sea mayor que la del mando electrónico, y alimente el circuito con 220 V. de energía eléctrica en las entradas L1 y L2, y 5 VDC al circuito de mando.

4º PASO:

Pulse el pulsador de Marcha y verifique que el motor empieza a funcionar.

5º PASO:

Verifique con un multimetro, que el motor recibe la misma tensión que se tiene en la entrada.

6º PASO:

Pulse el pulsador de Paro y verifique que el motor se detiene y deja de funcionar.

7º PASO:

Verifique con un multimetro, que el motor no recibe tensión cuando el mando detiene el motor.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-23

2 / 2

126

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN VERIFICAR FUNCIONAMIENTO DE CIRCUITO DE MANDO ELECTRONICO DESCRIPCIÓN

El Circuito de mando electrónico, no solo debe hacer funcionar al motor, si no que debe tener un funcionamiento óptimo para poder garantizar una continuidad del servicio. Los componentes electrónicos, como todo componente por el que circula corriente eléctrica, disipa color y los componentes electrónicos de potencia, por trabajar con mayor potencia, están sometidas a una mayor disipación de color. Se debe verificar que la temperatura no sea alta, se mantenga entre 30°C y 40°C, y cuando utiliza disipadores, estos deben estar adecuadamente conectados y en contacto directo con el componente.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Verifique que los componentes no estén demasiado calientes; si están calientes apague el circuito y verifique conexiones y cálculos.

2º PASO:

Compruebe que los niveles de tensión en los terminales de los componentes electrónicos de potencia, sean aproximados a los valores calculados.

3º PASO:

Utilice un osciloscopio para observar las formas de onda en los puntos adecuados del circuito mando electrónico de motor.

4º PASO:

Registre las mediciones realizadas y dibuje las formas de onda observadas.

5º PASO:

Registre sus comentarios respecto al funcionamiento del circuito, aprobando el circuito, si la temperatura esta en niveles normales y los niveles de tensión entre los esperados.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-24

1 / 1

127

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

MANDO ELECTRÓNICO DE MOTORES GENERALIDADES En electrotecnia se representan una gran variedad de mandos, para comprender los mandos electrónicos, revisaremos los mandos convencionales. En el gráfico se tiene un mando simple, que nos muestra las dos partes del sistema: el dispositivo de mando y el sistema gobernado.

SISTEMA DE MANDO

M

Dispositivo de mando

CONTACTOR

Sistema gobernado

MOTOR

El dispositivo de mando puede ser un contactor o un interruptor y el sistema gobernado un motor, como el esquema mostrado.

VISION GENERAL SOBRE LOS MANDOS Todo mando viene determinado para la magnitud de referencia o piloto w, aplicada a la entrada, magnitudes pilotos pueden ser temperatura, tensión, luz o también programas enteros en las más diversas formas. La magnitud de referencia es una magnitud prefijada desde el exterior que determina el funcionamiento del sistema de mando. Los pueden clasificarse según la forma de proporcionar la magnitud de referencia:

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-07

128

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES MANDOS

Con elemento mantenedor

Por Programa

De tiempo

Variable

Secuencial

De recorrido

En el mando con elemento mantenedor la magnitud gobernada permanece inalterada aunque desaparezca la magnitud piloto, solo cuando llegue una nueva magnitud piloto volverá a variar la magnitud gobernada. MANDO CON ELEMENTO MANTENEDOR L

+ Magnitudes de referencia: Señales 1 y 2

S2 S1 Señal 1 K

Elemento de ajuste: Contactor

K

L-

Al activar el pulsador 1, la señal 1 es la magnitud piloto 1, el contactor K quedará activado, y permanecerá así debido a su propio contacto k, el contactor K es el elemento de ajuste, con el que pueden conectarse sistemas gobernados de los mas diversos tipos, ejemplo lamparas, motores, etc. El estado de conexión solo puede ser interrumpido, activando el pulsador 2, que es la señal 2 y es la magnitud piloto 2. En el mando variable la magnitud gobernada sigue a la magnitud de referencia, o sea, que cuando la magnitud de referencia varíe también variará la magnitud gobernada. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-07

129

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES En el mando por programa, se tiene de tres tipos: por programa de tiempo, por programa de secuencia y por programa de recorrido. DISPOSITIVOS DE MANDO Un sencillo dispositivo de mando es el interruptor, con el que pueden conectarse, por ejemplo, un contactor o un motor, que serían pues los elementos de ajuste, un interruptor pueden presentar dos estados diferentes: contactos cerrados y contactos abiertos, su comportamiento es por tanto binario, si o no. MANDO MEDIANTE CONTACTOS INTERRUPTORES Los interruptores corrientes permanecen en el estado de conexión correspondiente después de accionarlos, pueden ser conmutadores de dos posiciones, cerrados o abiertos o conmutadores-selectores con varias posiciones de conexiones. Los interruptores de enclavamiento suelen emplearse para conectar aparatos e instalaciones eléctricos, se accionan a mano y mantienen el correspondiente estado de conexión, para desconectarlos se pulsa un botón de menor tamaño, que precisa una fuerza mucho menor. Los pulsadores solamente están activados durante el tiempo que dura la pulsación como un timbre, al soltarlos las piezas de contacto vuelven a la posición de partida bajo la influencia de muelles o resortes. La disposición de los contactos en los contactores es similar, solo que, su accionamiento se realiza electromagneticamente, cuando circula la corriente por una bobina la armadura con los contactores queda atraída, existen contactores para corriente continua y para corriente alterna. En los relés el cierre de los contacto también se realiza electromagnéticamente. Los reles se diferencian por su construcción y el valor de las potencias que pueden conectar, mucho menor que los contactores. Existen diversos tipos de circuitos de mando: mando con resistor CPT, mando con termistores CNT, mando mediante fotorresistor, etc.

CIRCUITOS DE MANDO CARACTERISTICAS La diferencia principal, entre los elementos de los circuitos de mando convencionales y los elementos de mando electrónicos o estáticos o de estado sólido, radica en la forma en que se efectúa el corte y el reestablecimiento del circuito eléctrico. En los interruptores convencionales, el corte del circuito es real, en los interruptores estáticos, no hay corte del circuito sino una verdadera inserción de una alta impedancia, que puede conseguirse casi instantáneamente porque no hay partes móviles. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-07

130

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Las características principales son: 1.- No hay arco eléctrico, y por lo tanto, no hay ruido eléctrico, generado por este concepto ni desgaste. 2.- La actuación del interruptor es prácticamente instantánea: varios microsegundos para el cierre y algunas centenas de microsegundos para la apertura en los circuitos de bloqueo forzado. 3.- La vida de los elementos estáticos es independiente del número de maniobras y su frecuencia de actuación puede ser muy elevada. 4.- No produce ruido mecánico ni vibraciones y puede explosivas sin ninguna precaución adicional.

emplearse en atmósferas

5.- Los interruptores estáticos de corriente alterna permiten una conexión gradual haciendo un control de fase en los primeros ciclos a fin de evitar las puntas de corriente cuando en la carga hay elemento a magnéticos, y la apertura puede hacerse en un paso por cero de la intensidad, para suprimir las sobretensiones causadas por las inductancias. Los interruptores estáticos pueden clasificarse en dos tipos: 1.- Interruptores estáticos de corriente alterna 2.- Interruptores estáticos de corriente continúa. Los interruptores estáticos monofásicos y trifásicos.

de corriente alterna pueden dividirse, a su vez en

Como interruptores estáticos de AC, los SCR son conmutados por línea o en forma natural y la velocidad de conmutación queda limitada por la frecuencia de la alimentación AC y el tiempo de desactivación de los SCR. Los interruptores estáticos de DC son de conmutación forzada y la velocidad de conmutación dependerá de la circuitería auxiliar y del tiempo de desactivación de los SCR.

FUNCIONAMIENTO Los circuitos de mando electrónicos más difundidos son:

CIRCUITO DE MANDO CON INTERRUPTOR ESTATICOS DE SCR Un interruptor estático monofásico de onda completa, tiene dos SCR que se encuentran en conexión Back to Back, espalda - espalda o antiparalelo, los SCR actúan como interruptores y se conmutan por línea.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-07

131

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

T1 I0

T2 VS

RL

V0

Los pulsos de compuerta aplicados al SCR pueden ser pulsos cortos, cuando las cargas son resistivas. Sin embargo para cargas inductivas, estos pulsos no son adecuados, y normalmente se utiliza un tren de pulsos de corta duración o, dicho en otras palabras, un pulso ancho segmentado. El interruptor estático monofásico es parte principal de un mando electrónico de motores, y funciona en forma similar contactores de los mandos convencionales, y permite a los circuitos de mando tener algunas ventajas respecto a los convencionales. El circuito de mando puede ser cualquiera de los empleados para el control de SCR, tomando la precaución de ajustar el ángulo de disparo a = 0º. Un circuito de mando usado es el de rampa de crecimiento, que permite que la tensión alterna, aplicada a la carga, no llegue bruscamente, se aplica con una rampa de crecimiento, que puede ser variable en el tiempo a fin de evitar puntas de corriente.

DIAGRAMA DE BLOQUES DE INTERRUPTOR ESTATICO CON RAMPA AC DE SINCRONISMO TCA785

AC DE FUERZA COMPARADOR

AMP. DE PULSOS

CKTO DE FUERZA

GEN DE RAMPA

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-07

132

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Las formas de onda del funcionamiento del interruptor con dos SCR se muestran en los gráficos, el SCR T1 se dispara en wt = 0 y el SCR T2 en wt = л, la forma de onda de la salida es igual a la tensión de entrada. Los SCR actúan como interruptores y se conmutan por línea, también se muestran las formas de ondas de la tensión de entrada Vs, la tensión de salida Vo y la corriente de salida lo.

FORMA DE ONDA PARA CARGA RESISTIVA VS V 2 0

2

ϖτ

Vg1

0

Vg2

0

2

2

ϖτ

ϖτ

I0

0

2

ϖτ

2

ϖτ

V0 V 2 0

CIRCUITO INTERRUPTOR ESTATICO CON TRIAC El interruptor estático con triac es idéntico al interruptor anterior sin más que sustituir la pareja de SCR por un TRIAC, y el control es facilitado al no haber más que un terminal de mando.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-07

133

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Este circuito tiene una gran aplicación para las potencias y frecuencias bajas: hasta unos 6KVA y unos 400 Hertz respectivamente, para frecuencias más altas el bloqueo empieza a ser dificultoso. Para las cargas inductivas el bloqueo se hace igualmente más difícil y es necesario disponer una red RC en paralelo con el TRIAC para evitar disparos no controlados.

I0 VS

T1 RL

V0

APLICACIONES Los mandos electrónicos de motores en la actualidad están reemplazando a los mandos convencionales, por las ventajas que se explicaron en las características de los mandos electrónicos de motores. Los automatismos y los telemandos son aplicaciones típicas para los reles y contactores de estado sólido, permitiendo un accionar de mayor velocidad que los convencionales y donde el número de maniobras casi no tiene efecto por no tener elementos mecánicos sujetos a desgaste. Los mandos electrónicos en general, tiene aplicaciones en el hogar, en equipos domésticos y juguetes, en equipos de oficina, en el encendido de aparatos, y su aplicación en el área de la medicina es importante. En general en todo equipo que para encenderse requiere solo un pulsador, se tiene un rele de estado sólido para mantener encendido el equipo.

RELES DE ESTADO SOLIDO Un rele estático tiene varias características deseables cuando se compara con sus homólogos mecánicos, no hay partes móviles que se desgasten o que se quemen; es mecánicamente robusto y sin ruido de funcionamiento; puede trabajar muy rápidamente en menos de 0,1ms, comparado con unos 50ms para un rele mecánico; y se adapta rápidamente a un control electrónico sofisticado.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-07

134

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Se incluye conmutación a nivel cero, de forma que el rele cierra en el punto de tensión cero de la forma de onda de alimentación, y por lo tanto evita interferencias en las líneas, se puede aplicar a la carga un crecimiento gradual de tensión para evitar sobrecargas de corriente; y un aislamiento y desconexión rápida en caso de avería. Sin embargo, el rele estático no se utiliza tan frecuentemente como su homologo mecánico, por algunas buenas razones. Generalmente es más caro y físicamente más grande, es más propenso a fallos debido a sobrecargas de corriente y de tensión; y no proporciona un completo aislamiento entre la alimentación y la carga debido a la corriente de fuga a través de los semiconductores de potencia. Hay varias aplicaciones donde se utiliza frecuentemente, por ejemplo en atmósferas explosivas donde los arcos de los contactos podrían ser peligrosos, en ambientes donde un contactor convencional podría generar una interferencia intolerable, como en instalaciones de computadora. Cuando el rele está situado en sitios inaccesibles donde no podría hacerse el mantenimiento, ya que un rele estático no necesita mantenimiento; donde se necesita que funcione con frecuencia; ya que los contactores estáticos no se desgastan; y cuando se necesita que el rele responda a señales de tensión generadas por algún otro proceso, como la detección de averías, ya que los reles estáticos pueden controlarse fácilmente mediante señales electrónicas. Los reles pueden utilizarse para trabajar con alimentaciones AC o DC, y en general, los reles mecánicos pueden tener la misma construcción para ambas fuentes, afectando solo a sus características máximas. Ya que algunos semiconductores de potencia, como los tiristores y triacs, se pueden desconectar solo cuando la corriente a través de ellos cae por debajo de un cierto valor, los reles estáticos que utilizan estos componentes difieren en detalles de circuito cuando funcionan en AC ó DC.

RELE DE ESTADO SOLIDO MONOFASICO

T1 A T2

C

Alimentación c.a. Monofásica

CARGA D

B

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-07

135

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

CALCULO DE PARAMETROS ELECTRICOS Los parámetros eléctricos de los circuitos eléctricos son los valores que representan que determinan el comportamiento del circuito, tienen que ver con las magnitudes y sus representaciones. La señal eléctrica o corriente eléctrica alterna, tiene una forma sinusoidal y explicaremos la relación existente entre la función matemática seno y la curva sinusoidal de la tensión alterna.

LA FUNCION SENO El seno de un ángulo triangulo rectángulo es el cociente entre el cateto opuesto y la hipotenusa, si hacemos una tabla con los valores de los ángulos y los correspondientes valores de seno, podemos observar que los senos de los ángulos entre 0° y 90° toman valores entre 0 y 1, los ángulos varían uniformemente, los valores de los senos no, para ángulos pequeños las variaciones del seno son mucho mayores que para los ángulo próximos 90°. Si trazamos en una grafica los valores del seno en función del ángulo α , obtendremos la curva representada a la derecha de la figura que se adjunta, se ha destacado los valores de los senos para los ángulos de 30 °, 60 ° y 90°, la hipotenusa es la misma para todos los ángulos, pues es el radio del circulo. Si tomamos un radio fijo de, por ejemplo, 1 cm, la longitud del cateto opuesto equivaldrá al valor del seno, que podemos trazar en la grafica, por tanto podemos construir una curva sinusoidal con ayuda de un circulo que llamaremos circulo de radio unidad, la curva que obtengamos representa a la tensión alterna sinusoidal obtenida en el generador.

Sen α 90º 60º 30º

180º

270º

360º

0º 30º 60º 90º

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-07

136

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES PARAMETROS IMPORTANTES. Las ondas sinusoidales de la corriente alterna tienen parámetros importantes que generalmente se emplean en los cálculos, estos son de amplitud y valor instantáneo, ciclo, periodo, frecuencia, valor eficaz, etc. AMPLITUD La Amplitud o VALOR PICO umax, es el máximo valor posible de una tensión alterna. VALOR INSTANTANEA El valor instantáneo u, es el valor que tiene la tensión al observarla en un instante determinado, los valores instantáneos de tensión o intensidad de corriente alternas, se simbolizan con letras minúsculas. CICLO Un ciclo es una oscilación completa de una tensión o una corriente alterna sinusoidal. PERIODO El periodo es el tiempo que dura un ciclo. FRECUENCIA La frecuencia indica el número de ciclos transcurridos en un segundo. VALORES EFICACES Aunque los valores y los sentidos de las tensiones y corrientes alternas varían continuamente, en la electrotecnia se indican siempre unos valores fijos, denominados valores eficaces. Existe un factor que relaciona los valores eficaces con las amplitudes, factor que puede obtenerse dividiendo la amplitud por el valor eficaz: Ejemplo: para la energía eléctrica comercial, que tiene 220 voltios eficaz y 311 como valor pico, 311V = 1,41 220V El valor numérico es, aproximadamente, 1,41. Estudios detallados nos darían un valor 2 = 1,414. Por tanto, podemos escribir la relación entre la amplitud y el valor de eficaz con las formulas siguientes: û=Ux

2

Î = I x.

2

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-07

137

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES La potencia eléctrica es el producto de la tensión por la intensidad de la corriente. Como estas no son constantes, la potencia variará permanentemente. La potencia disipada en una resistencia en un circuito de corriente alterna, es en cada instante, la potencia se ha calculado con la fórmula p = u x i. La potencia en la resistencia será máxima, cuando también lo sean la intensidad de la corriente y la tensión, y esto se da para 45º, 135º, etc. La potencia será nula cuando la intensidad de corriente y la tensión también lo son, esto es en 0º, 90º, º80º. En la transformación de energía eléctrica en calor lo importante no es la potencia máxima, sino la potencia media en un período. Esta potencia puede calcularse gráficamente doblando los máximos de la potencia sobre los mínimos una tensión alterna y una intensidad de corriente de amplitudes 311 V y 1,6 A dan lugar a una potencia media de 250 W. Para calcularla, deberemos emplear los valores eficaces en lugar de las amplitudes: 220 V x. 1,14 A ≈ 251 W Estos 251 W pueden obtenerse igualmente mediante tensiones y corrientes continuas. Los valores empleados también habrían de ser 220 V. y 1,14 A. Los valores eficaces de las tensiones y corrientes alternas equivalen a las tensiones y corrientes continuas que darían lugar a la misma potencia.

CAMPO MAGNETICO La causa del campo magnético es la intensidad de la corriente I, que junto con el número de espiras N y con la longitud de las líneas de campo l nos permitirá calcular la intensidad del campo magnético H. Como efecto de la circulación de la corriente aparece un flujo magnético φ , que se propaga a través del hierro y el entrehierro. Generalmente, en lugar del flujo total se suele indicar en el flujo por unidad de superficie, magnitud denominada densidad de flujo magnético o inducción magnética B. En la ecuación que relaciona la intensidad de campo y la inducción magnética aparecen también la constante µο (permeabilidad del vacío) y el factor µ , , llamado permeabilidad relativa, que indica cuantas veces mayor es la inducción magnética por efecto de la materia (por ejemplo, hiero) que la que habría en el vacío. Las líneas de campo recorren el hierro y el entrehierro cerrado, que se denomina circuito magnético. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

describiendo un camino

HIC-07

138

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES En los entrehierros de los distintos aparatos, por ejemplo, entre el estator y el rotor de un motor, se precisan inducciones magnéticas de valores determinados, fijados de antemano. Es posible calcular el valor de la intensidad de corriente (causa) necesaria para obtener la inducción magnética deseada (efecto). La Intensidad de Campo Magnético es el cociente entre la fmm y la Longitud de línea de campo Intensidad de Campo Magnético:

H =

I.N L

TENSION INDUCIDA

Según la ley de Faraday, la causa de la tensión inducida es la variación del flujo en un determinado tiempo (velocidad de variación). Hemos trazado la variación del flujo ∆Φ en diferentes puntos de la curva de flujos para intervalos de tiempo iguales ∆ t, o sea para variación del ángulo también iguales.

VARIACION DEL FLUJO Y TENSION

u

∆Φ

u

∆Φ 0º

90º

180º

270º

360º

α

En ella podemos ver claramente que la disminución no es constante, sino que también aumenta al aumentar el ángulo. La variación es nula para 0 ° y máxima para 90 ° por lo que la tensión será nula para 0° y máxima par 90 °. Si trazamos estas variaciones del flujo en con sentido positivo en una grafica (a mayor escala pero con intervalos de tiempo y variaciones del ángulo iguales), obtenemos directamente la curva de la tensión, que tiene forma sinusoidal. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-07

139

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Al hacer girar una espira conductora en un campo magnético homogéneo, se obtiene una tensión sinusoidal. Hasta ahora no nos hemos preocupado de la polaridad de la tensión, podemos deducirla con ayuda de la ley de Lenz, cuando la tensión aumenta (por ejemplo, al conectar), la corriente en una bobina secundaria L2 tiene un sentido tal que el campo secundario se opone al campo que lo genera, y el campo primario queda debilitado. La polaridad de la tensión inducida se obtiene a partir del sentido de la corriente. Si la tensión disminuye (por ejemplo, al desconectar), las dos corrientes circulan en el mismo sentido, y el campo secundario intenta compensar la reducción, la polaridad de la tensión inducida vuelve a deducirse de sentido de la corriente. La bobina primaria puede sustituirse por un imán permanente. Para obtener los mismos efectos, el imán permanente debería moverse en dirección a la bobina L2, con lo que aumentaría el flujo, el imán debería alejarse de la bobina. En ambos casos l polo norte debe señalar a la bobina L2. La tensión inducida da lugar a una corriente de sentido tal que su campo magnético se opone siempre la causa del fenómeno de la inducción. Una disminución del flujo magnético, provoca una tensión inducida y una corriente por el conductor tales que su campo magnético se opone a la reducción, por ello los dos campos se representan el mismo sentido, con lo que pueden determinarse el sentido de la corriente y con ello la polaridad de la tensión en los bornes.

PRECAUCIONES EN EL MANEJO DE MAQUINAS ROTATIVAS

Una maquina rotativa provee de un movimiento giratorio en un eje con la finalidad de ser aprovechada en un proceso de producción, y la primera precaución que se debe tener es el cuidado con el movimiento y los engranajes y fajas conectadas a este eje. Las precauciones de tipo eléctrico, que se debe tener en cuenta son: los controles de operación de las maquinas rotativas deben estar debidamente aisladas, deben estar adecuadamente señalizadas, no deben haber cables sueltos ni instalaciones provisionales que lleven conductores que obstaculicen el transito de los operadores. Para realizar las actividades propias del mantenimiento, se debe desconectar las llaves de control para desenergizar los motores y sus controles, evitando poner en riesgo a los encargados de mantenimiento, tanto mecánico como eléctrico, asegurando que nadie pueda acceder a maniobrar las llaves de control, sin autorización. Las maquinas rotativas tiene elementos sujetos a desgastes, como son los cojinetes, colectores, los anillos rozantes y las escobillas, etc, los cuales deben ser revisados, y reemplazados, si el desgaste no permitirá una buena operación. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-07

140

CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR DC L1

L1

L1

ECO5496

ECO5496

T1

T1

T1

U

U

U

Vcc

91

R1 L1 L2 L3

TCA785

V1 Vcc

92

R2

TCA785

V2 Vcc

93

R3 V3

Nº

1

2

3

4

TCA785

ORDEN DE EJECUCIÓN

HERRAMIENTAS / INSTRUMENTOS/MATERIALES

MONTE CIRCUITO DE FUERZA DE CONTROL FUENTE DE ALIMENTACIÓN Y MOTOR DC. DE VELOCIDAD DE MOTOR DC. COMPONENTES SCR, I C TCA 785, MONTE CIRCUITO DE MANDO DE CONTROL POTENCIOMETRO DE VELOCIDAD DE MOTOR DC. MULTÍMETRO DIGITAL, PROTOBOARD, VERIFIQUE CONEXIONES Y ALIMENTE EL OSCILOSCOPIO. CIRCUITO CON 220 V. CONDUCTORES VARIOS CALIBRE 18 Y 22 PRUEBA EL FUNCIONA DEL CIRCUITO AWG Y ENCHUFE. VARIANDO LA VELOCIDAD CON EL PINZAS, ALICATE DE CORTE. POTENCIOMETRO DEL CIRCUITO. RESISTENCIAS Y CINTA AISLANTE

PZA

CANT

DENOMINACIÓN–NORMA/ DIMENSIONES

MATERIAL

MONTAJE DE CIRCUITOS PARA EL CONTROL HT DE VELOCIDAD DE MOTORES DC Y AC

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

Tiempo:4 Horas Escala: ------

OBSERVACIONES

REF: HT-08 HOJA: 1 / 1

2004 141

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES OPERACIÓN PROBAR ESTADO DE MOTOR DC DESCRIPCIÓN

Un motor de corriente continua o DC, es una máquina eléctrica que genera un movimiento mecánico a partir de un tensión de corriente continua. La velocidad del motor de corriente continua depende de la tensión que alimente al motor. Para verificar el estado se debe se debe probar la continuidad y el aislamiento de cada uno de los bobinados.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Identifique los terminales del motor DC; terminales de armadura y terminales de campo.

2º PASO:

Mida la continuidad de las bobinas del motor, con el multimetro en la escala de Ohmímetro: Bobina de ARMADURA y bobina de CAMPO y debe obtener baja resistencia.

3º PASO:

Mida el aislamiento entre las bobinas del motor, con el multimetro en la escala de ohmios, y debe obtener muy alta resistencia.

4º PASO:

Verifique si cumple con presentar baja resistencia entre los terminales de cada bobina y una alta resistencia de aislamiento entre un terminal de la bobina de campo y un terminal de la armadura.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-25

1 / 1

142

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN ARMAR CIRCUITO DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR

DESCRIPCIÓN

Un circuito de control de velocidad de motor DC, se puede realizar con un rectificador controlado de media onda y un circuito de disparo adecuado, de tal modo que se controla la tensión de la armadura, y con ello la velocidad del motor. Para alimentar al campo se debe utilizar un rectificador no controlado y alimentar con un voltaje DC fijo.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Arme el circuito mostrado, para cada una de las líneas de alimentación, conectando L1 a la Red y u al motor.

L1

ECO5496

T1

U

2º PASO:

Repita el paso 1 para L2 y v, y para L3 y w, modo que el circuito de fuerza conecte las tres líneas de alimentación a la red AC y después del rectificador controlado se alimente al motor.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-26

1/2

143

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES 3º PASO:

Arme el circuito disparo mostrado, para el disparo de los SCR y poder variar el ángulo de disparo del rectificador controlado y alimentar con un voltaje variable a la armadura del motor DC y con ello variar la velocidad del motor.

Vcc

91

R1 L1 L2 L3

TCA785

V1 Vcc

92

R2

TCA785

V2 Vcc

93

R3 V3

TCA785

4º PASO:

Conecte un rectificador trifásico no controlado para alimentar el campo del motor.

5º PASO:

Verifique conexiones y alimente el circuito con tensión de 220 V y con tensión DC al circuito de mando electrónico.

6º PASO:

Varíe el potenciómetro para variar la velocidad del motor y comprobar el funcionamiento del circuito de control de velocidad de motor de DC.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-26

2 / 2

144

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES DC Y AC GENERALIDADES Un motor eléctrico tiene como función convertir la energía eléctrica en movimiento o energía mecánica. Los Motores eléctricos pueden ser de dos tipos por el tipo de energía eléctrica que utiliza: motor de corriente continua o DC y motor de corriente alterna o AC. Por lo tanto, los circuitos de control de velocidad también serán de dos tipos generales, para motor DC y para motor AC. Los métodos de control de la velocidad de motores DC son muy simples y menos costosos que el empleado para controlar la velocidad de un motor de inducción AC. Debido a los conmutadores, los motores DC no son adecuados para aplicaciones de muy alta velocidad y además requieren más mantenimiento que los motores AC. Los últimos adelantos en la conversión de la energía, las técnicas de control y la microelectrónica, el control de velocidad de los motores AC se vuelve cada vez mas competitivo en relación con el control de velocidad de los motores DC. En la actualidad, la tendencia es hacia uso de los motores AC, difundiéndose el uso del control de velocidad de motores AC.

por estar

CIRCUITOS DE CONTROL DE VELOCIDAD

CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR DC Debido a que los motores DC desarrollan altos torques de arranque y su velocidad es ajustable dentro de amplios limites, estos han predominado sobre los motores de inducción trifásicos, para usos de impulsión muy exigentes. Los motores DC, ya sea el de serie o el de excitación independiente, se utilizan normalmente en propulsores de velocidad variable, aunque, tradicionalmente, los motores serie se han utilizado para las aplicaciones de tracción. En un motor, la interacción de dos campos magnéticos da como resultado la generación de fuerza y la formación del torque; en un motor DC, se tiene un sistema fijo, usualmente el devanado del campo o excitación en el estator, y un sistema en movimiento en el devanado de armadura sobre un eje giratorio o rotor. La armadura o inducido se encuentra alojada en el circuito magnético giratorio por lo que debe ser alimentada a través de contactos (escobillas) que inciden sobre un colector de delgas, las escobillas y el colector son una de las partes débiles del motor, lo que obliga a una atención especial, porque es el origen frecuente de averías. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-08

145

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Las escobillas se fabrican de aleaciones de grafito y cobre.

CONTROL DE MOTORES PEQUEÑOS En motores pequeños, el campo de excitación frecuentemente es provisto por imanes permanentes, mientras que en motores grandes, se necesita una corriente de armadura y una corriente de excitación con el fin de crear los dos campos magnéticos.

DIAGRAMA DE UN MOTOR DC

ARMADURA

CAMPO

CARACTERISTICAS La idea central del control de velocidad, control de armadura, requiere la siguiente configuración. DIAGRAMA DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR DC

C.a

RECTIFICADOR CONTROLADO MONOFÁSICO O TRIFÁSICO

RECTIFICADOR NO CONTROLADO MONOFÁSICO O TRIFÁSICO

Alimentar al sistema con corriente alterna AC, y mediante un rectificador NO CONTROLADO alimentar con corriente DC al campo y mediante un rectificador CONTROLADO alimentar con corriente DC variable a la armadura, y variando la corriente por la armadura se variará la velocidad del motor. El circuito equivalente e un motor DC de excitación independiente se muestran a continuación. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-08

146

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES CIRCUITO EQUIVALENTE DE MOTOR DC

Ia

If Lf

La

VF Ra VA Rf + E -

W

Cl

Cm

Donde: Va : La : Ra : E : Ia : Lf : Rf : Vf : If : w : Cm : CL :

tensión de armadura (V) Inductancia de armadura (H) Resistencia del circuito de armadura(Ω) FCEM (tensión de velocidad (V) Corriente de armadura (A) Inductancia del campo (H) Resistencia del campo (Ω) Tensión del campo (V) Corriente del campo (A) Velocidad del motor (rad/s) Par desarrollado por el motor (N-m) Par motor de la carga (N-m)

FUNCIONAMIENTO En el instante que aplicamos tensión DC al motor, la fcem es igual a cero, la armadura esta detenida y su corriente es limitada solamente por la resistencia de su circuito que generalmente es muy baja. Conforme el motor va incrementando su velocidad, fcem empieza a aumentar y la corriente a disminuir, debido a que la polaridad de la fcem es opuesta a la de la fuente de alimentación DC, a la tensión de bornes de la armadura se le conoce como fcem. El valor de la tensión que realmente genera la corriente a través del motor es la tensión diferencial igual a la tensión de la fuente DC – fcem. Cuando se aplica una carga mecánica al eje del motor, se origina una disminución proporcional de la velocidad y por lo tanto la fcem disminuye lo que trae como consecuencia que la tensión diferencial aumente y ello se traduce en un aumento de la corriente del motor. Cuando un motor de excitación independiente es excitado mediante una corriente del campo If) y en el circuito de armadura fluye una corriente de armadura Ia, el motor desarrolla una f.c.e.m. (E) y un par motor (Cm) a una velocidad determinada (w) para equilibrar el par motor de la carga (CL). CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-08

147

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES La corriente del campo If de un motor de excitación separada es independiente de la corriente de armadura Ia, por lo que cualquier modificación en la corriente de armadura no tiene efecto sobre la corriente de campo, la corriente del campo es, por lo general, mucho menor que la corriente de armadura. Basado en el circuito equivalente y después de simplificaciones para condiciones de régimen permanente, para los cálculos de los parámetros del circuito se deben usar alas formulas: Vf = Rf x If

Va = Ra x Ia + E

Va = Ra x Ia + Kv x w x If

y

ω =

E = Kv x w x If

Va − raIa Va − Ra.Ia = Vf Kv.If Kv Rf

Cm = Kt x If x Ia Y la potencia desarrollada Pd = Cm x w Podemos afirmar; ahora que la velocidad del motor DC puede variarse mediante 1.- El control de la tensión de armadura (Va) y se conoce como control por armadura. 2.- El control de la corriente del campo (if) conocido como control por campo. 3.- La demanda del par motor que corresponde a una corriente de armadura Ia, para una corriente de campo fijo. La velocidad que corresponde a la tensión especificada de la armadura, a la corriente especificada del campo y a la corriente especificada de la armadura se conoce como velocidad base. Para una velocidad menor que la velocidad base, la corriente de campo se mantiene constante y a fin de controlar la velocidad del motor, se varía la tensión de armadura. Va. Para velocidades mayores que la velocidad base, la tensión de armadura se mantiene constante y, a fin de controlar la velocidad del motor, se varía la corriente del campo If. sin embargo, la potencia desarrollada por el motor se mantiene constante. Potencia = Par motor x velocidad

CONTROL DE MOTORES GRANDES Un motor grande generalmente es alimentado por corriente alterna trifásica y así consideramos en este manual. En el gráfico se presenta un circuito para el control de velocidad de un motor DC en lazo abierto. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-08

148

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES CIRCUITO DE CONTROL DE LAZO ABIERTO

L1

L1

L2

L2

L3

L3

CIRCUITO DE DISPARO

Para potencias menores de 2 Kw, es típico usar rectificadores monofásicos y para potencias mayores se debe emplear rectificadores trifásicos. En el circuito de disparo, mediante una tensión CC a través de un potenciómetro, ajustamos el ángulo de disparo de los SCR para obtener la velocidad deseada, disparando los SCR con el ángulo adecuado, el rectificador controlado proporcionara la tensión promedio necesaria para la armadura. La tensión para el campo o excitación se obtiene a través de un rectificador no controlado, pero si se desea el control de la tensión del campo puede usarse un rectificador controlado. No siempre los requisitos de accionamiento, como la regulación de la velocidad, puede ser alcanzado por un sistema en lazo abierto, en ciertos casos debe usarse el sistema en lazo cerrado. En El sistema de control de velocidad de lazo cerrado, la velocidad del motor es detectada por medio de la extracción de una señal DC proporcional a la velocidad, esta señal proviene de un circuito que detecta la f.e.m. de la armadura o es proporcionada por un dínamo tacométrico. Con el circuito de la fem de la armadura se logra capacidades de regulación de ± 2%, y con el dínamo tacométrico, que proporciona una tensión de referencia proporcional a la velocidad de rotación, se obtiene ± 0,1% de regulación. Para mejorar esta capacidad de regulación, en la actualidad, se usa técnicas digitales para sensar la velocidad, y se puede obtener regulaciones de velocidad de ± 0,002% con el sistema PLL. En el sistema PLL, la evolución del motor se convierte en un tren de pulsos digitales, mediante un codificador de velocidad, que se compara con el tren de pulsos de referencia (o frecuencia) generando una tensión de salida en PWM proporcional a la diferencia de fases o frecuencias de ambos trenes de pulsos, que irá al convertidor de potencia, modificando por lo tanto, la velocidad del motor. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-08

149

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR AC El convertidor de frecuencias es un equipo electrónico basado en microprocesador, diseñado para variar la velocidad y la cupla de los motores asíncronos trifásicos convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables.

CARACTERISTICAS Se utiliza este equipo cuando las necesidades de aplicación son: -

Dominio de par y velocidad Regulación sin golpes mecánicos Movimientos complejos Mecánica delicada

FUNCIONAMIENTO El convertidor de frecuencia, toma energía eléctrica de la red y suministra al motor energía eléctrica de frecuencia variable. Al variar la frecuencia generada, se logra variar la velocidad del motor en forma casi proporcional y en un amplio rango. 60 xf Vs = Npp Donde: Vs = velocidad del motor (rpm) f = frecuencia del variador (Hz) Npp = Número de pares de polos del motor Los convertidores de frecuencia están preparados para trabajar con motores trifásicos asíncronos de rotor jaula de ardilla, la tensión de alimentación del motor no podrá ser mayor que la tensión de red. El dimensionamiento del motor debe ser tal que, la cupla resistente a la carga no supere la cupla nominal del motor, y que la diferencia entre una y otra prevea la cupla acelerante y desacelerante suficiente para cumplir los tiempos de arranque y parada. Los convertidores de frecuencia rectifican la tensión alterna de la red, y por medio de transistores trabajando en modulación de ancho de pulso generan una corriente trifásica de frecuencia y tensión variable. Un transistor más, llamado de frenado, permite direccionar la energía que devuelve el motor (durante el frenado regenerativo) hacia una resistencia exterior. La estrategia de disparo de los transistores del ondulador, es realizado por un microprocesador que logra el máximo desempeño del motor dentro de todo el rango de velocidad, y utiliza para ello un programa almacenado en el microprocesador. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-08

150

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES A tensión y frecuencia de placa del motor se comporta de acuerdo al gráfico siguiente:

CORRIENTE Y VELOCIDAD

Corriente /Par Corriente de Arranque 6…8ln

Corriente máxima 3..4ln Par máximo 2.5 Par nominal Par de arranque 1.5 Par nominal Par nominal

Velocidad de Sincronismo

Ns =

60 xf Npp

Velocidad Velocidad mínima

Este programa, por medio de los conocimiento de los parámetros del motor y las variables de funcionamiento (tensión, corriente, frecuencia, etc.), realiza un control preciso del flujo magnético en el motor, manteniéndolo constante independiente de la frecuencia de trabajo, al ser el flujo constante, el par previsto para el motor también será constante. PAR MOTOR Y VELOCIDAD 2 Par nominal 1.7 Par nominal

Par

0.2s 60s

50 Hz/60 Hz Par nominal

Velocidad ( rpm , Hz) Velocidad mínima

En el gráfico se observa que desde 1 Hz hasta los 50 Hz el par nominal del motor esta disponible para uso permanente, el 170% del par esta disponible durante 60 segundos y el 200% del par esta disponible durante 0,2 seg. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-08

151

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES APLICACIONES Los convertidores de frecuencia para motores de inducción, pueden mejorar enormemente el control, eficacia productiva y ahorro energético de cualquier proceso, siempre y cuando los equipos estén perfectamente configurados. Proveen todas las protecciones requeridas por un motor: protección térmica, desbalance de tensión, perdida de fase, etc. El convertidor tiene aplicación inmediata en todos los automatismos donde se requiera una fina variación de la velocidad, tales como fajas transportadoras, dosificación, máquinas llenadotas, máquinas textiles. Otro tipo de aplicación es aquella en la cual permite graduar la potencia que fluye a la carga y de esta forma ahorra cantidades significativas de energía eléctrica. Una aplicación de este tipo se da, por ejemplo, en el ventilador de aire de combustión de los calderos; en la solución tradicional, este ventilador opera a plena carga y se gradúa el caudal del aire de combustión mediante una válvula de compuerta, es decir, ya sea que se necesite poco o mucho aire el motor siempre opera a plena carga. Si variamos la velocidad del ventilador con el convertidor, no será necesaria la válvula de compuerta, ya que el motor variara su velocidad a fin de entregar el caudal estrictamente necesario. Esto permite un importante ahorro de energía eléctrica, por ejemplo, si la velocidad del ventilador se reduce en un momento dado a la mitad, la potencia consumida se reduce a 12, 5%, esto como consecuencia del comportamiento de todo ventilador, cuya energía variará con el cubo de la velocidad, ahorrándose en este proceso u 87,5% de la energía. Otra aplicación se da en el control de velocidad de las plantas de bombeo, ya que estas son diseñadas en relación a la capacidad máxima de la planta, por tanto es necesario dotarla de alguna forma de control que regule el caudal en fundón de la variaciones de la demanda. Este tipo de control es generalmente controlado por diversos métodos, entre los cuales están: el control por estrangulamiento mediante una válvula, control de la bomba por arranque y parado, y una opción mediante el convertidor de frecuencias. En la actualidad; el control por estrangulamiento es el método mas utilizado en aplicaciones industriales, su eficiencia sin embargo, es muy baja en comparación con el control de velocidad el cual puede proporcionar un ahorro de energía de hasta un 50%. El control de estrangulamiento consiste en restringir el flujo del liquido en las tuberías mediante una válvula; lo cual origina una perdida de energía, pues la bomba trabaja continuamente en contra de la alta presión que impone la válvula. Como la potencia requerida depende directamente del caudal del bombeo, y este puede regularse mediante el control de velocidad haciendo que sea lo estrictamente necesario para cada nivel de demanda, representando un ahorro de energía, si se toma en consideración el tiempo empleado en cada máquina.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-08

152

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES REGULACION DE CAUDAL VALVULA ANTIRETORNO GRIFO

SENSOR PRESION REALIMENTACION

M + VARIADOR

PRESION AJUSTE

El convertidor de frecuencias ofrece grandes ventajas frente a las alternativas convencionales ( mecánica e hidráulica), tales como l alta confiabilidad, mínimo mantenimiento, autodiagnóstico de fallas, fácil instalación y uso, fácil de integrar en un automatismo eléctrico o electrónico, altas prestaciones de comunicación que le permiten integrarse en un sistema de monitoreo por computadora. El convertidor puede configurarse para las aplicaciones. - De par variable - De par constante - Sobrepar para garantizar el arranque en caso e rozamiento seco o de resistencia mecánica. - Par máximo disponible sin ajuste desde las velocidades bajas.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-08

153

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

RELACIONES DE FRECUENCIA Y AMPLITUD La relación de la frecuencia con la amplitud de una señal de corriente alterna AC, es muy importante para el correcto funcionamiento de un sistema de control de velocidad. La tensión aplicada al estator, la frecuencia de la tensión de alimentación y el flujo magnético están relacionados con la siguiente formula:

V = 4.44 × f × N × φ

Si se varia solo la frecuencia, también se produce una variación en el flujo inducido, y tiene un efecto en el torque, por lo tanto, para un voltaje constante, si la frecuencia baja demasiado el flujo tendría que compensar, produciéndose una saturación del núcleo, para ello no se produzca se debe tener en cuenta la relación constante entre amplitud y frecuencia, con en la formula mostrada:

V = 4.44 × N × φ f

= constante

Por lo tanto si se baja la frecuencia debe bajarse la amplitud y si se sube la frecuencia también debe subirse la amplitud. Para una correcta variación de la velocidad del motor, el circuito variador de Velocidad debe mantener constante la relación entre el voltaje eficaz o VAC de la alimentación y la frecuencia de alimentación.

SIMBOLOGIA Los símbolos de los componentes de los circuitos de control de velocidad son: el SCR, el diodo, la resistencia, el amplificador operacional, variador de frecuencias, etc.

A.C

VARIADOR DE FRECUENCIA

A.C

DIAGRAMAS DE BLOQUES

El diagrama de bloques mostrado representa el circuito de control de velocidad de un motor DC, por armadura; el sistema es alimentado por corriente alterna AC y con dos rectificadores, uno controlado y otro no controlado, para alimenta al campo y a la armadura respectivamente y al mismo tiempo se controlar la velocidad del motor. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-08

154

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

DIAGRAMAS DE BLOQUES DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR DC

MOTOR ALIMENTA-

RECTIFI-

RECTIFI-

CION

CADOR

CADOR

CORRIENTE

ARMA-

ALTERNA AC

CONTRO-

DURA

220V. 60HZ

LADO

CIRCUITO DE DISPARO

CAMPO

NO CONTROLADO

VELOCIDAD VARIABLE DE MOTOR DC

El diagrama de bloques siguiente representa el control de velocidad de un motor AC, mediante un variador de frecuencia con microprocesador.

DIAGRAMAS DE BLOQUES DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR AC

VARIADOR ALIMENTACION CORRIENTE ALTERNA AC 220V. 60HZ

DE FRECUENCIA CON

MOTOR

VELOCIDAD

CORRIENTE

VARIABLE

ALTERNA

DE MOTOR

AC

AC

MICROPROCESADOR

PANEL DE OPERACIÓN DE VARIADOR DE FRECUENCIA

SENSORES DE VELOCIDAD

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-08

155

COMPONENTES DE UN SISTEMA EOLICO

Nº

ORDEN DE EJECUCIÓN

HERRAMIENTAS / INSTRUMENTOS/MATERIALES

1

MIDA LA VELOCIDAD DEL VIENTO EN EL TORRE O MASTIL PARA AEROGENERADOR. LUGAR A PROYECTAR LA INSTALACIÓN DEL AEROGENERADOR Y REGULADOR SISTEMA

2

SELECCIONAR LUGAR DE INSTALACIÓN Y BANCO DE BATERIAS YCONDUCTORES COMPROBAR EL CUMPLIMIENTO DE LOS VARIOS CALIBRE 18 Y 22 AWG Y ENCHUFE. REQUERIMIENTOS, ARTEFACTOS ELECTRICOS PARA PRUEBAS INSTALAR COMPONENTES DE UN SISTEMA DE GENERACION EOLICAEN EL LUGAR PINZAS, ALICATE DE CORTE. SELECCIONADO. RESISTENCIAS Y CINTA AISLANTE VERIFIQUE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA. .

3

4

PZA

CANT

DENOMINACIÓN–NORMA/ DIMENSIONES

INSTALACION Y MANTENIMIENTO DE SISTEMAS DE GENERACION EOLICO

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

MATERIAL

OBSERVACIONES

HT

REF: HT-09

Tiempo:4 Horas

HOJA: 1 / 1

Escala: ------

2004 156

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN VERIFICAR MEDICIONES DE GENERACION EÓLICA

DESCRIPCIÓN

Para realizar para la instalación de un sistema de generación eólica se debe confirmar la existencia de un nivel de viento adecuado, que supere al mínimo necesario. La medición se puede realizar por varios métodos y de forma preliminar se puede basar en la energía eólica estimada de las estaciones meterelógicas.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Leer en la tabla de velocidad media y energía eólica nacional estimado en el Perú; los datos a velocidad media y energía producible para la ciudad mas cercana al lugar donde se desea instalar el sistema eólico.

2º PASO:

Ubíquese en un lugar abierto y coloque el anemómetro sobre el mástil a una altura de 5 m. y mida la velocidad instantánea.

3º PASO:

Mida la corriente de aire durante 5 minutos, cada 10 segundos.

4º PASO:

Determine la velocidad máxima de la medición anterior.

5º PASO:

Mida la presión, la temperatura y calcule la densidad del viento: Si

ρ = 1.225 x (288.15 T ) x ρ (1013.3)

Donde:

ρ = Densidad en Kg/m. T = Temperatura ( °K) = ( T = t en °C + 273.15) B = Presión (mbar)

6º PASO:

Calcule la potencia con: P=

7º PASO:

ρ /2 V 3 [w / m 2 ]

Verifique si la velocidad y la potencia son las requeridas o superen los niveles mínimos.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-27

1 /1

157

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN SELECCIONAR LUGAR DE INSTALACION

DESCRIPCIÓN

Determinar el lugar óptimo para colocar el aerogenerador, es fundamental para el máximo aprovechamiento de la corriente de aire. El lugar comprende la ubicación del aerogenerador, del regulador, de baterias y el balastro.

las

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Seleccione un lugar sin obstáculos para que el viento llegue al aerogenerador por todas las direcciones.

2º PASO:

Seleccione la ubicación del regulador y de las baterías cerca de la torres del molino, para evitar el uso de cables largos y evitar pérdidas de energía.

3º PASO:

Ubique el lugar teniendo en cuenta que la distancia de la generación eléctrica al lugar de uso de la energía o destino, también debe ser cerca.

4º PASO:

Seleccione el lugar de instalación del sistema de aerogeneración teniendo en cuenta que debe estar protegido contra vandalismo y robos.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-28

1 /1

158

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

OPERACIÓN INSTALAR ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE GENERACION EOLICA

DESCRIPCIÓN

El Sistema de Generación Eólica esta compuesto por varios elementos como son el mástil, el aerogenerador, el regulador y las baterías. Todos los componentes debidamente instalados permiten el funcionamiento adecuado y la generación de la corriente eléctrica requerida.

PROCESO DE EJECUCIÓN

1º PASO:

Instale y/o verifique que el mástil este correctamente instalado.

2º PASO:

Coloque el aerogenerador en el mástil y fíjelo en la estructura del mástil.

3º PASO:

Coloque el regulador y la batería en los lugares seleccionados para su instalación.

4º PASO:

Conecte el aerogenerador y el regulador de la batería del aerogenerador: A.- Conecte los conductores de la batería del aerogenerador. B.- Conecte el aerogenerador C.- Conecte la carga D.- Verifique el voltaje de la batería.

5º PASO:

Verifique las conexiones y deje el aerogenerador libre para girar.

6º PASO:

Mida siempre el voltaje de la batería y use la energía en artefactos eléctricos.

7º PASO:

Verifique el funcionamiento general.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HO-29

1 /1

159

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

PRINCIPIOS DE GENERACIÓN DE ENERGIA USANDO AIRE HISTORIA Los molinos existen desde hace mucho tiempo, hace unos 2000 años atrás, ya se utilizaba el molino tipo vela de Creta, y los molinos mas utilizados hoy en día son los de propulsión. Molinos multipala de tipo americano (girasol) para bombeo de agua Estos molinos son construidos para durar por décadas. El diámetro del rotor va desde 1 a 8 metros, el número de palas es de 16 a 32, y su potencia es hasta de unos cuantos cientos de Watts. Trabajan a bajas velocidades (coeficiente de velocidad lambda, λ = 1). Actualmente, existen más o menos unos 10,000 alrededor del mundo. Aún se fabrica en países como Argentina, Estados Unidos y Australia. Molinos Modernos para bombeo de agua Con el fin de ahorrar dinero, por lo general son mas livianos y giran mas rápido, coeficiente de velocidad lambda de 1.5 a 4, y el número de palas es menor, entre 4 y 8. Probablemente se han construido miles de ellos. Cargadores eólicos Son máquinas rápidas y modernas, el diámetro del rotor oscila entre 1 y 7 metros y genera una potencia de hasta 10 kW. Hasta el momento se han vendido alrededor de diez mil cargadores. Sirven para aplicaciones autónomas que requieren poca energía como refrigeradoras, sistemas de alumbrado, bombas de agua eléctricas, telecomunicaciones, etc.

Aerogeneradores grandes, tambien llamados SCEE (WECS en ingles) Son sistemas de conversión de Energía Eólica (SCEE) generalmente acoplados a una red eléctrica.

de 100 a 1000 kW,

REQUERIMIENTOS PARA GENERAR ENERGIA USANDO AIRE A pesar de que la energía eólica es una tecnología renovable y amigable al ambiente, para utilizar energía eólica, debe considerar cuidadosamente los siguientes rubros: CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-09

160

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES VELOCIDAD PROMEDIO DE VIENTO Dado que la cantidad de energía en el viento es proporcional al cubo de la velocidad del viento, es muy importante conocer la velocidad del viento para saber si la energía eólica es económica. INDICACIÓN DE LA VIABILIDAD DE LA ENERGÍA EÓLICA. Velocidad promedio anual Posibilidades de usar la energía eólica del viento a 10 m sobre el nivel del suelo Por debajo No muy factible, a menos que existan circunstancias especiales de 3 m/s 3 - 4 m/s 4 – 5 m/s Mayor que 5 m/s Mayor que 6 m/s

Podría ser una opción para aerobombas, pero no para los aerogeneradores. Las aerobombas podrían competir con los equipos diese, los aerogeneradores autónomos pueden ser una opción. Factible, tanto para aerobombas como para aerogeneradores

Factible para aerobombas, aerogeneradores autónomos conectados a red.

SUMINISTROS Y DEMANDAS Las reglas dadas anteriormente pueden usarse para obtener un primer cálculo de la potencia promedio del viento, la que puede compararse con la demanda de potencia, si hay suficiente potencia sobre la base de un año, entonces debe hacerse el análisis por meses, contestando las preguntas ¿Cuáles son las variaciones del suministro y la demanda a lo largo de los meses? ¿Los patrones son similares? ¿Si no son similares, que sucedería durante el mes más critico? ¿Que cantidad de almacenamiento se requiere?. No olvide que a un almacenamiento de mas de unos cuantos días es, por lo general, poco factibles en términos económicos. INFRAESTRUCTURA DE MANTENIMIENTO El mantenimiento de todo sistema eléctrico es vital para garantizar el servicio, por ello al decidir por un sistema eolico se debe tener la seguridad de tener garantizado el mantenimiento, responder a las preguntas, ¿Qué sucede si un aerogenerador se malogra? ¿Hay los repuestos disponibles? ¿Hay un taller a una distancia razonable?. FAMILIARIDAD CON EL VIENTO Es importante saber si las personas estan familiarizadas con la energía eólica y electricidad, si no lo están se deberá poner mucho interés en explicar los puntos esenciales necesarios para evitar que el proyecto falle. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-09

161

y

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES OTRAS OPCIONES Siempre debe fijarse en otras opciones. Tal vez la energía eólica no sea una buena solución para ciertas circunstancias. POSIBILIDADES Y LIMITACIONES DE LOS SISTEMAS EOLICOS Un primer paso para evaluar la posibilidad de aplicar la energía eólica es analizar sus ventajas y desventajas. VENTAJAS Las principales ventajas de energía eólica son: 1) La energía eólica no cuesta. 2) Hay una gran experiencia en el uso de molinos mecánicos (100 años). Además, el uso de los molinos modernos tambien esta incrementándose. 3) Los aerogeneradores operan automáticamente y requieren poco mantenimiento. 4) Los aerogeneradores estan diseñados para 15 – 20 años durante los cuales no se necesita inversión alguna. 5) La tecnología de fabricación puede ser adaptada parcial o totalmente a cualquier país (por ejemplo las torres o cabezas del aerogenerador). Se esta produciendo una gran cantidad de aerogeneradores en coyunturas aventuradas. 6) No se produce ni dióxido de carbono ni productos tóxicos. 7) Los aerogeneradores viene en cualquier potencia desde 50 W hasta 1 MW.

DESVENTAJAS Las principales desventajas son: 1) Los WECS grandes no pueden estar muy alejados de la red (máximo A 100 KM) y la conexión a la red es costosa. 2) El suministro de potencia varía notablemente y el almacenamiento siempre es necesario. Un depósito de agua o una batería pueden servir de almacenes. En el caso de los WECS acoplados a una red, esta se usa como lugar de almacenamiento. 3) En periodos con bajas velocidades de viento, el aerogenerador puede resultar insuficiente para satisfacer la demanda. En algunos casos, es necesario emplear sistemas de apoyo (generadores diesel, bombas manuales), lo que incrementa los costos. 4) En muchas zonas, el mercado potencial no es lo suficientemente grande como para sostener la ingeniería y equipos. 5) Como en el caso de todas las tecnologías de energías renovables, la inversión inicial es algo elevada. Esto podría presentar a los aerogeneradores como equipos poco atractivos para los clientes, aún cuando representan ahorro a largo plazo (10 – 20 años). 6) Los WECS grandes son maquinas complicadas de alta tecnología. La producción e instalación requiere mucha habilidad y equipo especializado. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-09

162

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES PRINCIPIOS DEL MOVIMIENTO DEL MOLINO Si un objeto es puesto en un flujo de aire (viento), experimentará dos fuerzas: la de sustentación y la de arrastre (resistencia). Por definición, el arrastre es la fuerza en la dirección del flujo de aire y la sustentación es la perpendicular al flujo del viento. Cuando se emplea en un aspa con buen perfil la fuerza de sustentación (lift) es mucho más grande que la fuerza de arrastre (drag). Cuando se esta manejando un auto y se saca la mano por la ventana, el viento la empujara hacia la parte trasera del auto, este es el arrastre, las maquinas de arrastre son las mas fáciles de entender, y es por eso que los inventores construyeron los de este tipo. El rotor de tipo Savonius es una maquina de tipo arrastre. La sustentación es la fuerza que impide a los aviones caerse en el cielo: porque vuelan a grandes velocidades, se crea una fuerza hacia arriba en las alas lo que contrarresta la gravedad, es también la fuerza que hace posible navegar en un barco, incluso contra el viento. El rotor Darrieus y el tipo hélice son máquinas de tipo sustentación. Se puede mostrar que usar sustentación permite un mejor funcionamiento que utilizando el arrastre. Esto no es solo una cosa práctica sino fundamental.

TIPO DE PROPULSION Eficiente máxima (teórica) Máxima eficiencia (práctica)

SUSTENTACION

ARRASTRE

16/27=59%

30%

50%

15%

A esto debe agregársele que las maquinas de arrastre son menos económicas en el uso de material.

COMPONENTES DE UN SISTEMA DE GENERACION EOLICA Los componentes un sistema de generación Eolica son: ROTOR La función del rotor es la extraer energía del viento de la manera más eficiente, y mantiene en un nivel mínimo las fuerzas y peso del rotor mismo y de todo el aerogenerador. Los rotores más comunes son: a) Savonius de eje vertical b) Tipo hélice de eje horizontal c) Darrieus de eje vertical CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-09

163

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES La característica más importante del rotor es la curva de potencia/velocidad del viento o curva P-V, esta curva nos da la potencia extraída del viento como una función de la velocidad del rotor. La curva esta dada por la formula:

P = Cp × Donde: A Cp P V p

ρ 2

× A ×V 3

área barrida por el rotor = pR2 m2 coeficiente de funcionamiento (o de potencia) potencia del eje del rotor (W) velocidad del viento (m/s) densidad del aire (Kg/m3)

La potencia extraída del viento depende del giro el rotor, si el rotor esta quieto nada está haciendo y la potencia es cero, si el rotor está girando muy rápido la potencia es tambien es cero. Entre estos dos valores esta la velocidad óptima que da una potencia máxima a cierta velocidad de viento. Teóricamente el coeficiente Cp no puede ser mayor que 0.59, en la práctica los valores máximos razonables son:

NORMAL

MAXIMO

Bombas de agua

0.25

0.35

Cargadores de viento

0.35

0.40

Aerogeneradores grandes

0.45

0.50

TIPO DE TURBINA

Para aerogeneradores grandes (D > 20 m), las palas son hechas de fibra de vidrio reforzada con poliéster (como el casco de un barco) o con Wood-epoxy (muchas capas finas de enchape pegadas juntas), dado que la producción es de todos modos un proceso costoso, se hacen muchos esfuerzos en obtener formas torneadas óptimas y perfiles de pala sofisticados. Para aerogeneradores pequeños, existen otras posibilidades como el plástico, metal y madera, para facilitar la manufactura de palas generalmente no tienen torsión, y a pesar del hecho de que el aluminio es ligero, no es bueno utilizarlo para las palas, porque el aluminio siempre fallará bajo eventuales condiciones variables de carga. Si una pala recibe una cierta cantidad de energía del viento, dos palas reciben el doble de esa energía, tres palas y el triple y así sucesivamente. Este razonamiento nos llevaría a la conclusión de que rotores con muchas palas deben usarse todo el tiempo, pero no es así, hay un parámetro muy importante, es la velocidad especifica de la punta, que es la velocidad del la punta de la pala dividida por la velocidad del viento. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-09

164

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Cuando un rotor tiene una gran velocidad especifica, significa que gira rápido. Utilizando la aerodinámica puede mostrarse que para altas velocidades especificas de la punta y buenos perfiles de pala (con alta relación de sustentación / arrastre), no tiene sentido usar muchas palas, pues pocas de estas son suficientemente buena. Para bajas velocidades especificas y malos perfiles (como planchas sencillamente dobladas) muchas palas dan más energías. Una explicación intuitiva es la siguiente: si el rotor esta girando lentamente solo con algunas palas, mucho viento puede pasar a través del rotor sin ser visto por las palas, por lo tanto se requiere muchas palas. Si el rotor esta girando rápidamente, pocas palas son suficientes para atrapar todo el aire. Un efecto adicional es que cada pala perturba el flujo de aire de la siguiente pala. esto no es un problema para las aerobombas lentas (que tiene baja eficiencia de todas maneras) pero este efecto si cuenta para los aerogeneradores grandes. VELOCIDAD ESPECÍFICA Y NUMEROS DE PALAS Velocidad Específica (m/s)

1

2

3

4

5-8

8 -15

Número de palas

6 - 20

4-12

3-6

2-4

2-3

1 -2

FUERZAS EN EL ROTOR Las fuerzas que intervienen en el rotor son: 1) Cargas de Fatiga.- estas cargas no son tan grandes, pero cambian en magnitud todo el tiempo, como son las cargas de viento, la gravedad y las cargas giroscópicas (cuando el rotor y el cabezal están girando al mismo tiempo). 2) Cargas Extremas: son cargas causadas por las velocidades máximas de viento. SISTEMAS DE CONTROL Y SEGURIDAD Su función es fijar límites en la potencia y en las fuerzas sobre el molino. La potencia en el viento se eleva con el cubo de la velocidad de viento. Suponga que deseamos operar el rotor a su máximo Cp = 0.4 en todos los casos, entonces la potencia para un rotor con una unidad de área barrida determinada sería: AREA A = 4 m/s, A = 8 m/s, A = 12 m/s,

POTENCIA P = 16 W P = 125 W P = 423 W

Esto significa que toda la turbina debe ser diseñada para tomar una máxima potencia de 423 W, mientras que gran parte del tiempo la potencia es menor que esta, diseñar CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-09

165

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES de esta forma es poco económico y la potencia a velocidades máximas es limitada de alguna manera por el sistema de seguridad. De otro lado, si queremos obtener la potencia máxima del viento a velocidades de viento menores: el rotor debe mantenerse perpendicular al viento, por ejemplo con una cola, frecuentemente este mecanismo es combinado con el mecanismo de seguridad.

TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL Y SEGURIDAD Ningún sistema de seguridad Algunos aerogeneradores no tienen sistemas de control y seguridad de potencia, para aerogeneradores pequeños, donde el costo de materiales es relativamente bajo, puede resultar ser una opción de hacer la turbina tan pesada que pueda soportar cualquier carga de viento. En estos casos se usaría un rotor con cola frente a la torre o un rotor detrás de la torre. La ventaja del rotor detrás de la torres es por supuesto que no se requiere de cola. Sistemas de rotor excéntrico Para un aerogenerador más grande, debe limitarse la potencia, una estrategia común es darle al rotor una excentricidad pequeña, la cola se conecta al cabezal con una bizagra. El viento hará girar el rotor fuera de su dirección si las velocidades se elevan, al mismo tiempo la cola mantendrá la dirección del viento, si se coloca un resorte entre el cabezal y la cola se crea un equilibrio de momentos. Sistema con cola rotativa Para velocidad pequeña, el rotor esta perpendicular con respecto al viento, la cola esta vertical. Para velocidad moderada, el rotor esta girando, la cola esta levantada. Para velocidad grande, el rotor esta paralelo con respecto al viento, la cola esta horizontal Sistema de control del paso del álabe. En lugar de mover el rotor tambien es posible girar los alabes, a velocidad del viento altas cambia de ángulo para dejar pasar el aire. Básicamente esta idea no tiene nada de malo pero en aerogeneradores pequeños mecanismos de inclinación son generalmente muy costosos y poco confiables. No es tan difícil ver porque debido a que las palas deben girar, se requiere de algún tipo de sujetador.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-09

166

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Los sujetadores no funcionan bien cuando estan girando porque no se puede garantizar una buena lubricación. Por tanto tienden a atascarse, especialmente dado que es bastante difícil realmente sellar los sujetadores del ambiente, esta observación también es válida para la construcción del contrapeso y el resorte, invariablemente quedan atascados con el polvo y suciedad.

GENERADOR La función del generador es convertir la energía electrica.

giratoria del rotor

en energía

Los generadores de mayor uso en aerogeneradores son: Generador de imán permanente Generador asíncrono Generador de velocidad variable.

Los cargadores eólicos generalmente funciona con generadores de imán permanentes, estos generadores pueden funcionar a bajas velocidades de rotación, que hace posible colocar el rotor de la turbina directamente en el eje del generador sin usar una caja de engranajes. Los aerogeneradores grandes conectados a red, utilizan generadores que no tienen imanes permanentes sino electroimanes (bobinas) en el centro. Estos generadores pueden girar a una velocidad que es diferente por muy poco de la frecuencia de 1,500 r.p.m. de la red, por ejemplo 1,510 ó 1,520 r.p.m.. En este caso se tiene generadores asíncronos. Si la diferencia con la frecuencia de la red, es muy grande debe usar generadores de velocidad variable.

GENERADORES DE IMANES PERMANENTES El centro del generador, llamado rotor, tiene varios juegos de imanes empotrados en fierro dulce que pueden ser magnetizados muy fácilmente, el eje esta hecho de acero inoxidable no magnetizado y por ello se crea un campo magnético. La cantidad de imanes se elige de tal manera, que la máxima fuerza del campo magnético se alcance en la bobinas, llamado estator; los imanes son colocados de manera oblicua para evitar que el rotor se pegue. Si el núcleo rota se crea un campo magnético cambiante en las bobinas, y se produce una corriente alterna, fijando las bobinas de diferentes maneras pueden hacerse corrientes de 2 ó 3 fases; como la frecuencia de la corriente depende de la velocidad del rotor y no es constante, la corriente es enviada a través de un rectificador. Los generadores de imán permanente pueden comprarse como parte de una turbina, o comprar un generador asíncrono; estos generadores son usualmente hechos para funcionar a 1,500 rpm. Es posible eliminar el rotor estándar y reemplazarla por un CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-09

167

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES centro de imanes permanentes, haciendo al generador mas conveniente para funcionar a 50-500 rpm. En este procedimiento solo el eje y el centro necesitan reemplazarse, los soportes estándar pueden usarse nuevamente, toda la operación no es sencilla, y se requieren de herramientas sofisticadas.

GENERADORES ASÍNCRONOS Los generadores asíncronos estándar funcionan a velocidad cercanas a la frecuencia de la red o múltiplo de ella, para aerogeneradores grandes se usa frecuentemente 1,500 r.p.m. = 25 Hz. Estos generadores se caracterizan por el desplazamiento, que es la diferencia entre la velocidad del generador a potencia nominal y la frecuencia derivada de la red. Un generador puede funcionar por ejemplo a 1,515 r.p.m. Entonces el deslizamiento es 1,515 = 15 r.p.m. Esto corresponde a 15/1500 = 0.01 = 1% de deslizamiento. Por tanto los generadores asíncronos funcionan casi de manera asíncrona, lo que hace necesario que el rotor funcione a una velocidad específica fija, el rotor no puede funcionar siempre a una eficiencia óptima. Generadores de velocidad variable pueden funcionar eficientemente en un rango bastante amplio de velocidades, por ejemplo, entre 1200 – 1800 rpm. esto se logra con unos circuitos electrónicos avanzados, este tipo de generadores pueden combinarse con rectificadores y un inversor para obtener un voltaje y corriente sinusoidal de buen comportamiento. BATERIAS La función de las baterías es de almacenar la energía electrica por periodos cuando no hay viento, es poco satisfactorio que no haya una buena manera de almacenar electricidad que es extraída del viento, a excepción de algunos casos, como el bombeo de agua, con la electricidad la única manera es utilizando una batería. Un molino o un panel solar pueden usarse por 10 a 20 años, y la vida de una batería es generalmente 1000 a 2000 ciclos de carga / descarga, si no hay ciclos de carga/ descarga cada día la batería dura aproximadamente de 3 a 5 años. La batería tiene mucho peso, por ser parte de plomo, para almacenar poca electricidad, pesa aproximadamente de 4 a 6 kilos para almacenar 1 Kw.-h. y solo la mitad de la capacidad oficial puede usarse si no se quiere estropear la batería muy rápidamente, sólo alrededor del 80% de lo que entra a la batería puede recuperarse. La batería tiene muchas sustancias tóxicas y peligrosas en la batería, como el plomo, ácido sulfúrico o alternativamente el cadmio, si hay un corto circuito la batería se recalienta y puede escaparse ácido sulfúrico. Una batería requiere de mantenimiento regular, casi todas las baterías deben recargarse con agua destilada, y la cantidad de energía en una batería es difícil de CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-09

168

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES determinar, .y la única manera de averiguar cuanta energía hay en una batería, es determinando la densidad del ácido, que es un procedimiento bastante inexacto. A pesar de todas estas desventajas las baterías son la almacenar y transportar electricidad.

única manera práctica de

CARACTERISTICAS DE LAS BATERIAS Cualquier batería esta hecha de un número de células conectadas en serie por lo que sus voltajes suman un valor estándar, como 12 ó 24 V. Una célula costa de dos electrodos (barras o planchas) con alguna sustancia química sobre ellos, entre los electrodos hay separadores y durante la descarga hay una reacción química que genera electricidad, durante la carga esta reacción es invertida. La capacidad de una batería es la cantidad de energía que se le puede dar o recibir, la unidad de carga es el amperio hora (Ah). Una batería con 80 Ah de capacidad puede, teóricamente, producir 8A durante 10 horas o 20 A durante 4 horas y así sucesivamente. si es una batería es de 12 V, esto significa que la cantidad de energía es 12 x 10 x 8 = 960 Wb = 0.96 kWh. El estado de carga es la cantidad de energía aún disponible en la batería, si el estado de carga es de 30% en la batería arriba mencionada entonces 0.3 x 0.96 kWh = 0.29 kWh estan aun disponibles antes que la batería antes de agotarse. En la práctica la máxima cantidad nunca puede utilizarse. Para la mayoría de las baterías es fatal vaciarlas completamente. En realidad las baterías de los carros no deben descargarse por más del 20% a 30%, para que siempre haya un 70% a 80 % sobrante, y aún para las mejores baterías, las llamadas descargas profundas, le acortan su tiempo de vida. La capacidad depende tambien del grado de descarga. A un grado bajo de descarga, puede usarse mas energía de la batería que bajo un grado descarga alto. El grado de descarga esta designado como C, C/10 ó C10 significa que el grado de descarga es el grado que causa descarga completa en 10 horas. Una secuencia de carga y descarga se llama ciclo, un ciclo profundo significa que mucha energía ha sido liberada (digamos 70%), y un ciclo superficial significa lo opuesto, la vida de la batería esta definida como el número de ciclos despues del cual la capacidad total cargada es sólo el 80% de lo que era al principio. La autodescarga significa que la energía se pierde dentro de la batería, aún sino se le aplica carga alguna, la autodescarga es bastante rápida, Uno no debe sorprenderse si un porcentaje de la carga se pierde en un día. La sobrecarga puede ocurrir cuando todo el material en la batería a sido convertida a la forma de carga, la batería esta llena, si la carga continua pueden suceder diferente reacciones químicas que producen oxígeno e hidrógeno. Esto se llama gasificar. La gasificación lenta no es problema, es aún algo bueno ya que el líquido en la batería es mezclado. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-09

169

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Algunos diferentes tipos de baterías son: • • • •

Batería sellada que es completamente cerrada. No hay riesgo de contacto con el otro y no requiere de reposición de agua. Batería seca (galled battery), donde el líquido es convertido en una especie de gelatina, impidiendo que fluya. Batería ventilada que tiene una especie de tapa especial que puede abrirse por seguridad. Stand By (tambien en flotación) significa que la batería se mantiene cargada todo el tiempo, sólo se utiliza en emergencias.

COMPONENTES ELECTRÓNICOS CONTROLADOR DE VOLTAJE Un controlador de voltaje o regulador es necesario para evitar la sobrecarga y descarga profunda de las baterías, el tipo mas sencillo de controlador simplemente revisa si el voltaje sobre los terminales de la batería no esta muy alto, básicamente es un transistor de circuito sencillo, si el voltaje limite es alcanzado, la carga se detendrá hasta que el voltaje de la batería haya descendido hasta un cierto límite, o la carga puede continuar a una proporción muy pequeña solo para compensar la autodescarga. Como el voltaje es dependiente de la temperatura, los controladores de volateje suelen tener dispositivos para compensar temperatura. Los modelos mas sofisticados tambien revisan si la batería no se ha descargado demasiado. Esto puede indicarse por ejemplo con una luz o la carga puede desconectarse. Los controldores de estados sólidos deben preferirse sobre los controladores con conmutadores de Relay, antiguas porque son más confiables. A menos que sea un experto en Electrónica no es recomendable construir controladores y comprar hecho. INVERSOR Un inversor es un dispositivo que convierte la corriente continua (CC) a corriente alterna (CA). Se utilizan para artefactos que requieren CA o para ser conexiones a una red CA. BALASTRO (dump load) Un balastro se utiliza cuando la batería esta llena y el viento sigue soplando, Como es aconsejable tener el rotor funcionando sin carga, la energía debe ser enviada a algún lugar, un balastro es simplemente un resistor o un transistor de potencia que puede concebirse como un calentador eléctrico. En algunos casos es posible hacer corto circuito en el generador, lo que actuará como un freno. CABLES Además de la confiabilidad, el único criterio para escoger cables es la caída de voltaje, debido a que los sistemas solares y eólicos a pequeña escala operan CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-09

170

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES típicamente a bajos voltajes (12 ó 24V) los cables grandes se requieren para evitar grandes perdidas de energía y caídas en el voltaje, si el voltaje cae mucho los dispositivos no funcionaran. Incidentalmente, una mala conexión electrica es un sistema de bajo voltaje tiene el mismo efecto que el cable que es demasiado delgado, es una resistencia grande, por tanto es una buena política revisar todas las conexiones meticulosamente. TORRE La función de la torre es llevar al rotor a una altura donde haya viento suficiente, es decir, por encima de los obstáculos cercanos. Se utiliza comúnmente tres tipos de torre: • • •

Torre tubular de acero Torre tubular de acero con tensores Torre estructural con perfiles de acero

El viento siempre baja la velocidad cerca al nivel del suelo. Este fenómeno de llama deslizamiento de viento. La figura muestra que el perfil del viento depende de la rugosidad del terreno ZO. A mayor rugosidad, más bajará la velocidad del viento, y la torre deberá estar a una mayor altura para que el rotor experimente la misma velocidad de viento. Para calcular el aumento de la velocidad de viento con la altura, se puede usar la siguiente fórmula: V2 = V1

In(h2 / Zo) In(h1 / Zo)

Donde: h2 h1

altura (altura al eje del rotor( (m) altura de referencia = altura donde se conoce la velocidad de viento (m) V(h1) velocidad de viento a altura de referencia (m/s) V(h2) velocidad de viento a altura (altura al eje del rotor) (m/s) Zo rugosidad del terreno TORRE TUBULAR Una torre tubular consiste de tubos de acero, conectados rígidamente a la base, generalmente un bloque de concreto. Ventajas • • • •

La construcción es fácil de fabricar. Prevención contra corrosión y pintura toman poco tiempo. Los cables pueden colocarse dentro de la torre. La torre puede construirse por partes que pueden unirse en el lugar elegido.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-09

171

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Desventajas •

• • •

Si el mismo tamaño de tubo es utilizado para toda la torre, el estrés de doblez (fatiga) mas alto se da cerca a la base. Este estrés determina el tamaño de la torre, haciendo el resto de la misma innecesariamente pesada. Por lo tanto las torres para aerogeneradores grandes se hacen siempre de forma cónica, tiene menor diámetro a medida que suben. La carga de viento en la torre es alta. Subir por la torre puede ser difícil. Los tubos pueden ser costosos.

TORRE TUBULAR CON TENSORES

Si la torre tubular esta sujeta por tensores (tres o mas) ya no tendrá que ser tan pesada porque los tensores toman fuerza. Sin embargo usar tirante requiere de bloques de concreto extra y más espacio. Tambien los tensores generalmente deben revisarse para asegurarse de que no hayan aflojado. TORRE ESTRUCTURAL Una torre estructural consiste en perfiles de fierro o de palos tubulares conectados. Puede ser triangular o cuadrado. Ventajas • • • • •

Es fácil de fabricar Se requiere de pocos materiales (por que la torre puede tener deseada) Puede ensamblarse en el lugar y es fácil de transportar Las cargas de vientos en la torre pueden ser menores. La torre puede escalarse fácilmente.

la forma

Desventajas • • • •

La construcción es una labor intensa, tanto como para fabricarla como para ensamblarla. Prevención de corrosión y pintado toman tiempo. Se requiere de inspección continua de cerradura. Los cables no pueden colocarse dentro.

CAJA DE ENGRANAJES Una caja de engranajes es un componente muy delicado, y es difícil de fabricar, es mejor evitarlas en cargadores de viento. Las cajas de engranajes se usan en aerogeneradores grandes, en esos casos siempre son fabricados por firmas especializadas. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIT-09

172

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

DIMENSIONAMIENO DE LOS ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE GENERACION EOLICA DISEÑO DEL SISTEMA Para diseñar un sistema eolico se deben tener presente las pautas para determinar que tan grande debería ser toda la instalación y como pueden seleccionarse todos los componentes individuales, la mejor estrategia es utilizar componentes probados y que pueden comprarse, por tanto la tarea de diseñar componentes por usted mismo no se trata en este caso. Los temas que se deben tener en cuenta son: calculo de la demanda y el suministro de la energía, determinación del tamaño de los componentes, etc.

COMPONENTES DEL SISTEMA Estos componentes son: 1.

Turbina de viento (generador). Función generación de electricidad. La turbina de viento generalmente incluye un rectificador para obtener corriente directa de 12 o 24 V.

2.

Unidad de control. Función: mantener el voltaje correcto, protección sobre carga y descarga de baterías. Posible frenado del rotor.

3.

Baterías. Función: almacenamiento de energía para períodos sin viento.

4.

Dispositivos para DC de 12 o 24 V.

Otros componentes podrían ser: 1.

Balastro (Dump load). Función: tomar la electricidad si la batería esta llena y la producción es mayor que el consumo.

2.

Inversor: Función: convierte la corriente directa a 110 o 220 V (corriente alterna)

3.

Dispositivos para AC de 220 V.

DEMANDA DE ENERGIA Lo primero que se debe hacer al diseñar un sistema es determinar cuales son las demandas el usuario, y luego tomar una decisión sobre que sistema usar, recuerde que es posible tener otra opción de energía diferente a la energía eólica sea una mejor alternativa. DEMANDA PROMEDIO Si los artefactos que desean utilizar son conocidos al momento del diseño, el consumo de energía puede hallarse. Es cuestión de multiplicar y sumar. Suponga que CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-09

173

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES un radio utiliza 10 W y funciona durante 5 horas, entonces el consumo de energía durante ese tiempo es 10 W por 5 horas = 50 Wh = 0.050 kWh. Al funcionar, el refrigerador usará 100 W, pero no funcionará todo el tiempo. El refrigerador tiene un termostato (interruptor de temperatura). suponga que la temperatura máxima permitida es de 4 grados centígrados, entonces el termostato pondrá el refrigerador en acción cuando se alcancen los 4 grados. Para evitar el encendido si fin, el refrigerador seguirá funcionando hasta que la temperatura alcance por ejemplo 1 grado centígrado. Entonces el termostato desconecta el refrigerador dentro de este se eleva nuevamente, hasta que se alcance los 4 grados centígrados. Luego hay otro encendido, etc. Por lo tanto que el refrigerador que esta en “ON” todo el día, esta estimado a funcionar solo la mitad de este tiempo. Calculo del consumo de energía para un día.

ARTEFACTO Lámpara de tubo comedor Lámpara de tubo de cocina Foco lavandería Foco dormitorio Televisión a color Radio casetera Refrigerador

POTENCIA (W)

TIEMPO horas/día

ENERGIA (Wh/día)

8 8 10 20 50 5 100

4 2 1 1 4 4 12

32 16 10 20 200 20 1,200

TOTAL

1,498

En el ejemplo el requerimiento de energía es de 1,498 Wh por día = 1.5 k Wh. Esto equivale a una potencia de consumo promedio de (dividir entre 24 h): P=

1,498Wh = 62 W 24h

Calcular la demanda promedio es algo directo. Sin embargo, debe tomarse en cuenta que si la electricidad esta disponible, la demanda irá en aumento. Para sistemas mas grande es posible separar la demanda en esencial y la demanda no esencial, si las baterías están bajas, las cosas no esenciales pueden desconectarse automáticamente. Examinado con cuidado lo que realmente es necesario, puede reducirse costos de inversión. PATRÓN DE DEMANDA Para establecer la cantidad de baterías requeridas, debe calcularse un patrón de demanda, asumamos que todas las lámparas y la TV se usan por las tardes desde las CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-09

174

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES 19:00 hasta las 23:00 horas, todas junta necesitan 300 W en este tiempo, y si estos 300 W se reparten durante 4 h obtenemos 300/4 = 75 W de consumo promedio. Dado que las noches son más frías que el día, el refrigerador funcionará durante el día mas que en la noche. La potencia promedio durante el día es de 50 W. Para simplificar las cosas, asumamos que desde las 08:00 hasta las 20:00 horas la potencia promedio es de 75 W y que desde las 02:00 hasta las 08:00 horas 25 W. Finalmente el patrón de demanda es como se ve en la tabla mostrada, notar que los artefactos pequeños han sido agrupados por simplicidad; el margen de error en los cálculos de demanda y suministro es tan grande que no tiene caso incluir todos los detalle. Patrón de consumo de energía para un día TIEMPO (Hrs) 0–8 8 – 19 19 – 20 20 – 23 23 - 0

ARTEFACTOS

Refrigerador (bajo) Refrigerador (alto) Refrigerador (alto) luces, TV, radio casetera Refrigerador (bajo) luces, TV, radio casetera Refrigerador (bajo)

POTENCIA (w)

ENERGIA (Wh)

25 75 150

200 825 150

100

300 25 1500

25 Promedio = 62

CALCULO DEL ASPECTO FINANCIERO COSTOS DE LA GENERACION DE ELECTRICIDAD Si bien el viento no cuesta, la turbina de viento si. El costo anual es determinado, en gran medida, por la inversión inicial, el tiempo de vida estimado y las tasas de interés, ya que los costos operacionales de la turbina son bajos. Los costos capitales corresponden a la compra de las turbinas de viento, transporte al lugar escogido, cimentación y obras civiles, y el almacenamiento (banco de batería, de ser necesario). Además, se debe cubrir el costo de la instalación. Los costos periódicos de una turbina de viento equivalen a los costos operacionales y los de mantenimiento. Es imposible conocer los costos exactos de operación y de mantenimiento, por lo general se estima que estos equivalen del 1 al 3% del costo anual de la maquina, aunque pueden ser considerablemente mas altos para los lugares remotos o distantes. CALCULOS DE LOS COSTOS DE INVERSION PARA AEROGENERADORES Presentamos un promedio de cifras que pueden ser utilizadas para calcular los costos de un sistema en el análisis económico, estas cifras solo darán una referencia, al CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-09

175

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES comprar el sistema, el costo exacto siempre deberá ser evaluado pidiendo una opinión a varios proveedores. Los precios que se detallan son del año 1995, y han sido obtenido de publicaciones y verificados con información de los fabricantes. AEROGENERADORES PEQUEÑOS En la tabla presenta los costos de cuatro tipos de aerogeneradores pequeños, de hasta 7 metros de diámetro del rotor, el tiempo de vida de un aerogenerador pequeño es de 10 a 15 años, y los precios incluyen el sistema eléctrico y la instalación. Costos de aerogeneradores pequeños y la energía mensual esta calculada a una altura de 19.2 m COSTOS DE AEROGENERADORES PEQUEÑOS MARCA

Diámetro

WAIRA BERGEY 1 (peruano) (Americano) (m)

Costo llave en mano (US$) Potencia

(kW)

Energía mensual* KWh/mes

BERGEY 2 (Americano)

WHISPER (Americano)

3

5

7

2.7

4,000

14,500

50,700

6,500

1.2

1.5

10

1

198

216

2,060

273

AEROGENERADORES GRANDES (100 Kw A MAS) El precio común para aerogeneradores grandes, generador, estos son costos para un proyecto referenciales.

es de US$ 1,250 por kW del completo y solo son valores

El costo de la inversión dependerá también de la forma de financiamiento y posiblemente de subsidios del gobierno y créditos en los impuestos, el tiempo de vida de un aerogenerador grande es de 15 a 20 años. BATERIAS El precio referencia oficial de baterias es de US$ 1 por Ah, lo que equivales a US$ 83 por kWh., para baterías de 12 V. pero en el mercado la información de los proveedores indica un precio de 100 a 110 dolares por kWh. La cifra de US$ 100 por kWh es probablemente un buen promedio, lo que significa un precio de: - para baterías de 12 V ; US$ 1.2 por Ah - para baterías de 24 V : US$ 2.4 por Ah CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-09

176

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES COMPONENTES ELECTRONICOS CONTROLADOR: El precio de los controladores depende de su capacidad de corriente. Existen de 4 a 24 Amp, costando entre 40 y 120 US$. INVERSOR:

El precio de un inversor depende de su potencia. Puede calcularse en US$ 700 por kW. Los precios para los dispositivos varían mucho y deberán obtenerse de los proveedores.

COSTOS DE LA ELECTRICIDAD Los costos de la electricidad indicadas son referenciales, los cálculos exactos de los costos deben hacerse para cada proyecto de electrificación, incluyendo los costos de instalación, mantenimiento, transporte, guardianía, etc. Los precios hacen referencia viviendas es decir:

a los costos

de la obtención

de electricidad para

- Para aerogeneradores: aerogeneradores y baterías - Para equipos diesel: motor diesel y generador. Todos los cálculos de precios se realizan utilizando el método del tiempo de recuperación de la inversión y con la renta vitalicia, método del descuento, el descuento se hace con d = 10% y la inflación i = cero.

AEROGENERADORES PEQUEÑOS El costo de la electricidad generada por aerogeneradores depende del tamaño de la turbina, los aerogeneradores grandes son mas baratos por unidad de área barrida, y del régimen de viento, más viento provee mas energía con la misma inversión para la turbina. Como ejemplo, consideremos al aerogenerador Bergey Excel, que cuesta US$ 20,000 y tiene un motor de 5 m de diámetro. Cálculos exactos dan el siguiente producto anual de salida:

Salida anual y precio de la electricidad para una aerogenerador pequeño (Bergey Excel) Velocidad de viento a altura del eje del rotor (m/s) (a nivel del mar, 15 °C) 4 5 6

Salida estimada (kWh) Año Dia 21 7600 39 14300 59 21700

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

Precio de la electricidad (US$/kWh) Recuperación descuento 0.86 0.53 0.46 0.44

HIC-09

177

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Además, se requieren baterías para aerogeneradores, asuma que es necesario un almacenamiento de 5 días, esto significa por ejemplo que con 4 m/s: 5x21 = 105 kWh. Con 70% de descarga, se deben adquirir baterías de 105/0.70 = 150kWh. Con sus US$ 100 por kWh, entonces deberán comprarse 4 juegos de baterías en 20 años. La inversión total será:

US$ 20,000 + 4 x 15,000 = US$ 80,000.

Por este dinero se obtiene 20 x 7,600 = 152,000 kWh, resultando un precio de US$ 0.53 por Kwh. COSTOS (Tiempo de recuperación de la inversión) A US$ 100 por kWh, el costo de inversión de un juego de 20 kW es de US$ 20,000. El tiempo de vida de un equipo diesel es de 15,000 horas; por lo tanto, con 6 horas diarias de uso, la vida del diesel es de 7 años, por lo que se requieren 3 equipos en 20 años. En este mismo periodo, se necesitan 245,280 litros de combustible. A US$ 0.50 por litro, esto significa una inversión de US$ 122,600. La inversión total se convierte en 3 x 20,000 + 122,600 = US$ 182,600, y el precio de la electricidad sería de US$ 182,600/613,200 = US$ 0.30 por kWh. COSTO (10% DE DESCUENTO) Los equipos diesel deben comprarse en el año cero, año 7 y año 14. la inversión descontada sería de: I = 20,00 + 0.51 X 20,000 + 0.26 X 20,000 = US$ 35,400 El costo del combustible es el mismo cada año, por lo tanto el factor el factor de descuento acumulado que puede usarse sería D = 8.51. Esto nos da una inversión en combustible de 8.51/20x613,200 = 260,900 kWh. Entonces, el precio de la electricidad sería de: (35,400 + 52,200)/260,900 = US$ 0.34 Un análisis similar se debe realizar para tener la factibilidad económica y ejecutarse el proyecto. EL AIRE SU CONSTITUCION El aire es un fluido incoloro, inodoro e insípido, formado por una mezcla de veintiuna partes de oxígeno, setenta y ocho de nitrógeno y una de argo y otros gases, ácido carbónico, vapor de agua y corpúsculos orgánicos. El aire forma la atmósfera terrestre y es necesario para la respiración de los seres humanos, el viento es la corriente de aire producida en la atmósfera por la variación de la temperatura. Un litro de aire a la temperatura de 0° y bajo la presión normal de 760 mm de mercurio, pesa 1,293 g. y sirve de unidad para medir la densidad y el peso especifico de los gases. El aire puro no tiene olor ni sabor, y su color azulado es solamente apreciable en capas muy espesas. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-09

178

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Las bajas temperaturas de aire líquido se aprovechan en física y en química para estudiar las propiedades de los cuerpos; en metalurgia, para el temple de aceros especiales, etc. El aire enriquecido en oxigeno y mezclados con substancias porosas, constituye un explosivo. El aire es un elemento indispensable tanto biológicamente como para el tratamiento de las combustiones y el funcionamiento de motores, combustión, refrigeración. Su constituyente esencial es el oxigeno, al cual se deben prácticamente todos los efectos químicos del aire salvo los que son provocados por el vapor del agua y el gas carbónico. VELOCIDAD DEL AIRE La energía eólica o del viento es energía solar. El sol provoca diferentes temperaturas en el aire que rodea a la tierra, lo que origina que haya regiones con alta y baja presión. Estas zonas de presión, junto con el movimiento rotativo de la tierra, crean los principales sistemas de viento.

Circ ulac i ón

Ros sby

Caliente Frio

60 ºN

MAS FRIO Y SECO

CIRCULACION HADLEY

CALIENTE Y HÚMEDO

ECUADOR

La velocidad del viento se acepta como es, para tener una idea de la velocidad del viento, se ha incluido un mapa mundial eólico y da una idea general de la velocidad del viento pero no son aplicables para determinados lugares por la influencia del terreno local. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-09

179

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Se requiere hacer una evaluación exacta de la potencia eólica disponible, en el lugar donde se pretende realizar un proyecto, entonces será necesario realizar mediciones, especialmente en el caso de terrenos montañosos. DATOS DE MEDICION DEL VIENTO EN EL PERU. VELOCIDAD MEDIA Y ENERGIA EOLICA NACIONAL ESTIMADA EN EL PERU No.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

NOMBRE

Iquitos Tumbes Talara Piura Yurimaguas Chiclayo Cajamarca Chachapoyas Tarapoto Chimbote Trujillo Huanuco Pucallpa Anta Aeropuerto Marcapomacocha Cerro de Pasco Pto. Maldonado Cuzco Huancayo Huancavelica Ayacucho Curahuasi San J. de Marcota Laguna Grande Juliaca Arequipa Punta Atico Punta de coles Desaguadero Tacna

DEPTO.

Loreto Tumbes Piura Piura Loreto Lambayeque Cajamarca Amazonas San Martín Ancash La Libertad Huanuco Pucallpa Ancash Lima Junín Cerro de Pasco Madre de Dios Cuzco Junín Huancavelica Ayacucho Apurimac Ica Ica Puno Arequipa Arequipa Moquegua Puno Tacna

ALTITUD (m.s.n.m.)

VELOCIDAD MEDIA V (m/s)

ENERGIA PRODUCIBLE E(kWh/m2/año)

104 25 50 46 184 27 2620 1834 356 11 33 1859 145 2748 13 4413 4333 256 3399 3350 6670 2761 2678 31 10 3824 2518 20 50 3809 452

1 2.6 8.5 4 1.1 5.1 1.9 2.4 0.9 5.5 5 3.6 1.6 3.8 3.4 3.5 1.7 1.8 3.8 2.6 1.8 1.5 4.4 6.4 6.5 1.9 3.6 6.7 5 4.5 2.5

31 252 4993 642 34 1281 1157 271 31 1157 1243 554 156 638 507 499 94 188 692 457 105 59 1052 2329 2465 113 452 2701 1223 935 363

DATOS DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO Para determinar cuales son las posibilidades de energía eólica, uno necesita tener datos de la velocidad del viento. Lo mejor es hacer las mediciones en el lugar donde se llevará a cabo el proyecto.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-09

180

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES A veces esto no es posible: alguien debe ir hasta allá a colocar equipos de medición, que son costosos, y por lo menos deben registrarse datos durante unos cuantos meses. Por lo tanto la mayoría de los casos, la primera opción es obtener datos de una estación meteorológica. El estado generalmente posee algunas estaciones y los aeropuertos también suelen ser una alternativa. En el caso ideal, los datos obtenidos de una estación metereológica pueden ser utilizados para evaluar el régimen del viento en el lugar proyectado, sin embargo, primero deben hacerse algunas revisiones, los datos de una estación metereológica deben ser completados con datos del propio lugar.

UNIDADES DE VELOCIDAD DEL VIENTO DESIGNACION Km/h Mph Nudos

EXPLICACION Kilómetro por hora Millas por hora Nudos

CONVERSION 1 km /h = 0.278 m/s 1 mph = 0.447 m/s 1 nudo = 0.5 m/s

Es posible también que se hayan hecho mediciones del soplar del viento, es decir, que se haya medido la cantidad de kilómetros de viento que circuló. SIMBOLOGIA NORMALIZADA La medición de acuerdo a los estándares de la OMM1 para las estaciones metereológicas es una asunto complicado, pues todos los detalles y requerimientos se remiten a la Guía de Instrumentos Metereológicos y métodos de Observación de la OMM1. VELOCIDAD DEL VIENTO Y DIRECCION Un primer método para conocer la velocidad y dirección aproximada del viento en una determinada área consiste en observar el paisaje y las deformaciones de los árboles y arbustos. Si los árboles se ven marcadamente deformados por el viento, ello le dará una idea del viento y de su fuerza. El instrumento mas común es el anemómetro de taza, la velocidad de la taza es del orden de la velocidad del viento, mientras que el anemómetro está girando, se van generando pulsaciones eléctricas, las mismas que son contabilizadas, el aparato solo mide la velocidad del viento horizontalmente, pero es independiente de su dirección. Es importante que el anemómetro tenga un momento de inercia mínimo o sea de construcción liviana, pues un anemómetro pesado tenderá a sobre estimar la velocidad del viento. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-09

181

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Hay muchos instrumentos que miden la velocidad del viento y la dirección del mismo.

ESCALA DE MEDICION DEL VIENTO DE BEAUFORT

0 I

II

III

IV

V

VI

VII

Si se tienen datos de una estación metereológica y cumplen los siguientes requerimientos, los datos de la estación metereologica pueden utilizarse: 1. Los datos de la estación deben ser confiables. 2. La estación no debe estar muy alejada, digamos dentro de los 100 km. 3. Entre la estación y el lugar de instalación del equipo debe haber un terreno plano ininterrumpido y homogéneo.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-09

182

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES Esto significa que una área montañosa los datos que no son del lugar son virtualmente inservibles, en esos casos deben obtenerse datos locales. En el esquema mostramos un cargador eolico, que sirve para aplicaciones pequeñas a nivel domiciliario o en el campo para vivienda.

CARGADOR EOLICO

IMPORTANCIA DEL EMPLEO DE ENERGIAS RENOVABLES Un primer paso para evaluar la posibilidad de aplicar la energía eólica es analizar sus ventajas y desventajas: Las ventajas más importantes del uso de la energía eólica son: 1) La energía eólica no cuesta. 2) Los aerogeneradores operan automáticamente y requieren poco mantenimiento. 3) Los aerogeneradores están diseñados para 15 a 20 años durante los cuales no se necesita inversión alguna. 4) No se produce ni dióxido de carbono ni productos tóxicos. Las Energías Renovables, como se ha observado en las ventajas del uso de energía Eólica, no contamina el medio ambiente y ayudan a preservar la naturaleza, y además tiene un costo operativo muy bajo o cero, por que son de libre disponibilidad y son como su nombre lo indica, renovables o inagotables. Por ello debemos propiciar el uso de las energías renovables, difundiendo la tecnología, realizando demostraciones de los equipos instalados, realizando investigación y proyectos pilotos del uso de energía eólica para uso local y capacitando a los profesionales técnicos para brindar el servicio de instalación y mantenimiento. Los otros tipos de energías renovables como la energía fotovoltaica, energía hidráulica, las termas solares, etc. también deben ser difundidas. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

HIC-09

183

CONTROL ELECTRÓNICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

HOJAS DE TRABAJO

1. DISEÑAR E IMPLEMENTAR CIRCUITO DE MANDO ELECTRONICO

2. DISEÑAR E IMPLEMENTAR CIRCUITO CICLOCONVERTIDOR

3. DISEÑAR E IMPLEMENTAR CIRCUITO INVERSOR CON TRANSISTORES

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

184

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

HOJA DE TRABAJO No. 1 OPERACIÓN: DISEÑAR E IMPLEMENTAR CIRCUITO DE MANDO ELECTRONICO

PLANTEAMIENTO DE LA TAREA: Montar un circuito de mando electrónico que permita poner en marcha un motor trifásico al pulsar un pulsador y apagar con otro pulsador. ESQUEMA DEL CIRCUITO: 5V = Vcc 47 Ω

220Ω 1W 1

4

2

6

A2 G

A1

330 Ω 1W 47 Ω

220Ω 1W 1 2

4

A2 G

6

A1

330 Ω 1W 47 Ω

220Ω 1W 1 2

4 6

Vcc 5V MARCHA

Vcc

PARO

A1

330 Ω 1W

7 PR

U

Q

Vcc

5V

G

1K

5 0.01 up

A2

W

220 Ω BC 549

CL 1K 8

V

13

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

185

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

HOJA DE TRABAJO No. 2 OPERACIÓN: DISEÑAR E IMPLEMENTAR CIRCUITO CICLOCONVERTIDOR

PLANTEAMIENTO DE LA TAREA: Montar un entrada.

circuito cicloconvertidor que permita tener la mitad de la frecuencia de

ESQUEMA DEL CIRCUITO: SCR1

12V

220V AC

SCR2

ON

RL

SCR4 12V

SCR3 7400 +5V

7404

220 Ω

7408 Q0

-5V

100 Ω

10K

Q1

FF JJ 7479

Q2

Q3

V

V

t F= 60HZ ONDA DE ENTRADA t F0= 30HZ ONDA DE SALIDA

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

186

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

HOJA DE TRABAJO No. 3 OPERACIÓN: DISEÑAR E IMPLEMENTAR CIRCUITO INVERSOR CON TRANSISTORES

PLANTEAMIENTO DE LA TAREA: Montar un circuito inversor con transistores.

ESQUEMA DEL CIRCUITO:

Ω

Ω BD1047

5002 100 Ω

100K 4.7/100V 220 AC

0

100K 100

Ω

12VC

360 Ω

+

330 Ω 4.7 Ω

BD1047 15 AMP

10W

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

187

CONTROL ELECTRONICO DE MAQUINAS INDUSTRIALES

BIBLIOGRAFIA FF Mazda. Electrónica de Potencia – Componentes, circuitos y Aplicaciones. Editorial paraninfo S.A.

W. Muller (y otros). Electrónica de Potencia – curso superior. Editorial Reverte, S.A. – Barcelona.

Albert Paul Malvino. Principios de Electrónica – Quinta Edición. McGraw-Hill Interamericana de España S.A.

Joseph A. Edminister . Circuitos Electricos – Compendios Schaum. Segunda edición. McGraw-Hill Interamericana de México S.A.

Joseph A. Edminister. Mahmood Nahvi. Circuitos Electricos Compendios Schaum. Tercera edición. McGraw-Hill Interamericana de España S.A.

Generación de Electricidad a Pequeña Escala con Energía Eólica. Programa teórico de entrenamiento. SENATI, Cenergía Ecofys -1999.

Diagnostico, Mantenimiento y Reparación de Sistemas Electrónicos De Potencia - I parte. SENATI, Programa de formación de formadores.

Diagnostico, Mantenimiento y Reparación de Sistemas Electrónicos De Potencia - II parte. SENATI, Programa de formación de formadores.

Instalación del Convertidor de Frecuencias, Técnico de Nivel operativo – SENATI. Guía de Practicas. Electrónica de Potencia - SENATI Sistemas Estáticos para control de Motores. Electricista Industrial – SENATI.

CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES

188

PROPIEDAD INTELECTUAL DEL SENATI PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN Y VENTA SIN LA AUTORIZACIÓN CORRESPONDIENTE

CÓDIGO DE MATERIAL 0364

EDICIÓN JUNIO 2004