Tema 9. controladores de corriente. unidad iii. ici. scm
1. Universidad de Oriente
Núcleo Monagas
Ingeniería de Sistemas
Cursos Especiales de Grado
Automatizacion y Control de Procesos Industriales
Equipo SCM
Fernández Norvelis. C.I: 18.462.758
Fernández David. C.I: 14.424.461
CONTROLADORES DE CORRIENTE
Seminario: Instrumentación y Control Industrial
PROFESOR:
Edgar Goncalvez
Maturín, Marzo 2014
2. INDICE
Introducción
Instrumentación y control de procesos
Aplicación en el área productiva
La corriente eléctrica o intensidad eléctrica
Electrónica
Sistema electrónico
Aplicaciones de la electrónica
Electrónica de Control
Los principales tipos de sistemas de control
Electrónica de potencia
Dispositivos
Rectificador controlado de silicio (SCR en inglés)
Triac
Transistor IGBT, sigla para Insulated Gate Bipolar Transistor, Transistor
Bipolar con compuerta aislada
Tiristor GTO, sigla para Gated Turnoff Thyristor, Tiristor apagado por
compuerta
Tiristor IGCT, sigla para Insulated Gate Controlled Thyristor, Tiristor controlado
por compuerta
Tiristor MCT, sigla para MOS Controlled Thyristor
Discusión
Conclusión
Bibliografía
3. 3
INTRODUCCIÓN
Desde los comienzo de la historia el hombre se ha visto impulsado en la
necesidad de crear objeto bien sea para su distracción como herramientas para
sus huso y actividades productivas, ejemplo de esto mencionado han sido los
autómatas en los anales de la historia donde la mayoría de estas creaciones
actuaban de manera continua bajo un proceso simple, el transcurrir del tiempo
ayudo a que estas ideas fueran mejorando y añadiendo mejores y complejas
actividades, la edad media significo un gran estanque cultural debido al control por
parte de la iglesia católica a mayoría de los inventores y grandes genios de la
humanidad, vale resaltar el caso de Nicolás Copérnico y Galileo Galilei, por citar
algunos.
Pero gracias a la evolución del pensamiento y a algunos cambios culturales
de la Europa del siglo XVII permitió la entrada de la industrialización y revolución
Industrial la cual desde su nacimiento hasta la actualidad ha tenido un crecimiento
exponencial que no ha parado, parte desarrollo se ha debido a que se logró tener
control e integración de máquina y procesos-productivo un ejemplo tangible es la
creación y desarrollo de controladores en la instrumentación industrial como los
son los controladores de corriente utilizados en procesos altamente complejos e
importantes de la industria.
4. 4
MARCO TEORICO
La instrumentación y control de procesos
Es una especialidad de la ingeniería que combina, a su vez, distintas ramas, entre
las que destacan: sistemas de control, automatización, electrónica e informática.
Su principal aplicación y propósito es el análisis, diseño y automatización de
procesos de manufactura de la mayor parte de las áreas
industriales: petróleo y gas, eléctrica, alimentaria, automovilística.
Aplicación en el área productiva
Derivado de que todo proceso de fabricación y manufactura requiere de un control,
la ingeniería de instrumentación y control de procesos tiene una aplicación en el
sector productivo en las siguientes áreas: diseño y mantenimiento.
La corriente eléctrica o intensidad eléctrica
Es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material. 1
Se
debe al movimiento de las cargas (normalmente electrones) en el interior del
material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s
(culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente
eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo
magnético, un fenómeno que puede aprovecharse en el electroimán.
1. Electrones
2. Sensor o sonda Hall
3. Imanes
4. Campo magnético
5. Fuente de energía
5. 5
Descripción
En la imagen A, una carga negativa aparece en el borde superior del sensor Hall
(simbolizada con el color azul), y una positiva en el borde inferior (color rojo). En B
y C, el campo eléctrico o el magnético están invertidos, causando que la polaridad
se invierta. Invertir tanto la corriente como el campo magnético (imagen D) causa
que la sonda asuma de nuevo una carga negativa en la esquina superior.
Electrónica
Es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea
sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo de
los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente.
Utiliza una gran variedad de conocimientos, materiales y dispositivos, desde
los semiconductores hasta las válvulas termoiónicas. El diseño y la gran
construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos forman
parte de la electrónica y de los campos de la ingeniería electrónica,
electromecánica y la informática en el diseño de software para su control. El
estudio de nuevos dispositivos semiconductores y su tecnología se suele
considerar una rama de la física, más concretamente en la rama de ingeniería de
materiales
Sistema electrónico
Un sistema electrónico es un conjunto de circuitos que interactúan entre sí para
obtener un resultado. Una forma de entender los sistemas electrónicos consiste en
dividirlos en las siguientes partes:
1. Entradas o Inputs – Sensores (o transductores) electrónicos o mecánicos
que toman las señales (en forma de temperatura, presión, etc.) del mundo
físico y las convierten en señales de corriente o voltaje. Ejemplo: El
termopar, la foto resistencia para medir la intensidad de la luz, etc.
2. Circuitos de procesamiento de señales – Consisten en artefactos
electrónicos conectados juntos para manipular, interpretar y transformar las
señales de voltaje y corriente provenientes de los transductores.
3. Salidas u Outputs – Actuadores u otros dispositivos (también transductores)
que convierten las señales de corriente o voltaje en señales físicamente
útiles. Por ejemplo: un display que nos registre la temperatura, un foco o
sistema de luces que se encienda automáticamente cuando esté
oscureciendo.
Básicamente son tres etapas: La primera (transductor), la segunda (circuito
procesador) y la tercera (circuito actuador).
6. 6
Aplicaciones de la electrónica
La electrónica desarrolla en la actualidad una gran variedad de tareas. Los
principales usos de los circuitos electrónicos son el control, el procesado, la
distribución de información, la conversión y la distribución de la energía eléctrica.
Estos usos implican la creación o la detección de campos
electromagnéticos y corrientes eléctricas. Entonces se puede decir que la
electrónica abarca en general las siguientes áreas de aplicación:
Electrónica de control
Telecomunicaciones
Electrónica de potencia
Electrónica de Control
Los sistemas de control son aquellos dedicados a obtener la salida deseada de
un sistema o proceso. En un sistema general se tienen una serie de entradas que
provienen del sistema a controlar, llamado planta, y se diseña un sistema para
que, a partir de estas entradas, modifique ciertos parámetros en el sistema planta,
con lo que las señales anteriores volverán a su estado normal ante cualquier
variación.
Un sistema de control básico es mostrado en la siguiente figura:
7. 7
Hay varias clasificaciones dentro de los sistemas de control. Atendiendo a su
naturaleza son analógicos, digitales o mixtos; atendiendo a su estructura (número
de entradas y salidas) puede ser control clásico o control moderno; atendiendo a
su diseño pueden ser por lógica difusa, redes neuronales. La clasificación principal
de un sistema de control es de dos grandes grupos, los cuáles son:
Sistema de lazo abierto
Sistema de lazo cerrado
Los principales tipos de sistemas de control son:
Sí/No. En este sistema el controlador enciende o apaga la entrada y es
utilizado, por ejemplo, en el alumbrado público, ya que éste se enciende
cuando la luz ambiental es más baja que un nivel predeterminado de
luminosidad.
Proporcional (P). En este sistema la amplitud de la señal de entrada al sistema
afecta directamente la salida, ya no es solamente un nivel prefijado sino toda la
gama de niveles de entrada. Algunos sistemas automáticos de iluminación
utilizan un sistema P para determinar con qué intensidad encender lámparas
dependiendo directamente de la luminosidad ambiental.
Proporcional derivativo (PD). En este sistema, la velocidad de cambio de la
señal de entrada se utiliza para determinar el factor de amplificación,
calculando la derivada de la señal.
Electrónica de potencia
Se utiliza para diferenciar el tipo de aplicación que se le da a dispositivos
electrónicos, en este caso para transformar y controlar voltajes y corrientes de
niveles significativos. Se diferencia así este tipo de aplicación de otras de la
electrónica denominadas de baja potencia o también de corrientes débiles.
En este tipo de aplicación se reencuentran la electricidad y la electrónica, pues se
utiliza el control que permiten los circuitos electrónicos para controlar la
conducción (encendido y apagado) de semiconductores de potencia para el
manejo de corrientes y voltajes en aplicaciones de potencia. Esto al conformar
equipos denominados convertidores estáticos de potencia.
De esta manera, la electrónica de potencia permite adaptar y transformar la
energía eléctrica para distintos fines tales como alimentar controladamente otros
equipos, transformar la energía eléctrica de continua a alterna o viceversa, y
controlar la velocidad y el funcionamiento de máquinas eléctricas, etc. mediante el
empleo de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores. Esto incluye
tanto aplicaciones en sistemas de control, sistemas de compensación de factor de
8. 8
potencia y/o de armónicos como para suministro eléctrico a consumos industriales
o incluso la interconexión de sistemas eléctricos de potencia de distinta frecuencia.
El principal objetivo de esta disciplina es el manejo y transformación de
la energía de una forma eficiente, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos,
potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule. Los principales dispositivos
utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así como semiconductores
trabajando en modo corte/saturación (on/off, encendido y apagado).
Dispositivos
Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos
semiconductores de potencia, todos los cuales derivan del diodo o el transistor.
Entre estos se encuentran los siguientes:
Rectificador controlado de silicio (SCR en inglés)
Triac
Transistor IGBT, sigla para Insulated Gate Bipolar Transistor, Transistor
Bipolar con compuerta aislada
Tiristor GTO, sigla para Gated Turnoff Thyristor, Tiristor apagado por
compuerta
Tiristor IGCT, sigla para Insulated Gate Controlled Thyristor, Tiristor controlado
por compuerta
Tiristor MCT, sigla para MOS Controlled Thyristor
El rectificador controlado de silicio (en inglés SCR: Silicon Controlled Rectifier)
Es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de materialsemiconductor con
estructura PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión
de Tiratrón (tyratron) y Transistor.
Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y gate (puerta). La puerta es la
encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona
básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la
corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta
del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha
tensión, el tiristor comienza a conducir. Trabajando en corriente alterna el SCR se
desexcita en cada alternancia o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se
necesita un circuito de bloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito.
9. 9
Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un
tiristor, éste puede dispararse y entrar en conducción aún sin corriente de puerta.
Por ello se da como característica la tasa máxima de subida de tensión que
permite mantener bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al
condensador parásito existente entre la puerta y el ánodo.
Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del
control, especialmente control de motores, debido a que puede ser usado como
interruptor de tipo electrónico.
TRIAC o Tríodo para Corriente Alterna
Es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con
un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional.
De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un interruptor capaz de
conmutar la corriente alterna.
Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían
dos SCRen direcciones opuestas.
Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo y
cátodo) y puerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente al
electrodo puerta
Aplicaciones comunes
Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas.
Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas
ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés.
Funciona como interruptor electrónico y también a pila.
Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones
como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en
los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No
obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos, se
10. 10
deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se
apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corriente alterna.
Debido a su poca estabilidad en la actualidad su uso es muy reducido.
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar
Transistor)
Es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor
controlado en circuitos de electrónica de potencia. Este dispositivo posee la
características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la
capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar,
combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor
bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT
es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son
como las del BJT.
Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían sido viables hasta
entonces, en particular en los Variadores de frecuencia así como en las
aplicaciones en máquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos
acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente
conscientes de eso: automóvil, tren, metro, autobús, avión, barco, ascensor,
electrodoméstico, televisión, domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o
SAI (en Inglés UPS), etc.
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 100 kHz y ha
sustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y
medias energías como fuente conmutada, control de la tracción en motores
y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos
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dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden
de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios.
Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido. Tiene la
capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de
base para mantenerse en conducción. Sin embargo las corrientes transitorias de
conmutación de la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de
electrónica de potencia es intermedio entre los tiristores y los mosfet. Maneja más
potencia que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los
primeros.
Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión
de control de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas
de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta
Tiristor GTO o simplemente GTO (del inglés Gate Turn-Off Thyristor)
Es un dispositivo de electrónica de potencia que puede ser encendido por un solo
pulso de corriente positiva en la terminal puerta o gate (G), al igual que el tiristor
normal; pero en cambio puede ser apagado al aplicar un pulso de corriente
negativa en el mismo terminal. Ambos estados, tanto el estado de encendido
como el estado de apagado, son controlados por la corriente en la puerta (G).
El proceso de encendido es similar al del tiristor. Las características de apagado
son un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a través de las
terminales puerta (G) y cátodo (C o K), la corriente en la puerta (ig), crece. Cuando
la corriente en la puerta (G) alcanza su máximo valor, IGR, la corriente de ánodo
comienza a caer y el voltaje a través del dispositivo (VAK), comienza a crecer. El
tiempo de caída de la corriente de ánodo (IA) es abrupta, típicamente menor a 1
us. Después de esto, la corriente de ánodo varía lentamente y ésta porción de la
corriente de ánodo es conocido como corriente de cola.
La razón (IA/IGR) de la corriente de ánodo IA a la máxima corriente negativa en la
puerta (IGR) requerida para el voltaje es baja, comúnmente entre 3 y 5. Por
ejemplo, para un voltaje de 2500 V y una corriente de 1000 A, un GTO
normalmente requiere una corriente negativa de pico en la puerta de 250 A para el
apagado.
12. 12
A bajos niveles de potencia los semiconductores de conmutación rápida son
preferibles. En la conversión de AC - DC, los GTO's, son útiles porque las
estrategias de conmutación que posee, pueden ser usadas para regular la
potencia, como el factor de potencia.
El tiristor controlado por Mosfet
Es una mejora sobre un tiristor con un par de MOSFET para encender y apagar
actual. El MCT por sus siglas en inglés supera varias de las limitaciones de la los
dispositivos existentes de poder y promete ser un cambio mejor para el futuro. Si
bien hay varios dispositivos en la familia MCT con distintas combinaciones de
canales y estructuras de la puerta.
Aplicaciones
El MCT se han utilizado en varias aplicaciones, algunas de las cuales se
encuentran en la zona de ac-dc y la conversión de corriente alterna-alterna, donde
la entrada es de 60 Hz de corriente alterna. Funcionamiento variable del factor de
potencia se logró mediante el MCT como una fuerza conmutado de interruptor de
alimentación. El circuito de potencia de un controlador de voltaje de corriente
alterna capaz de operar a una de las principales, por detrás, y el factor de potencia
se muestra en la Ilustración 3. Debido a la frecuencia de conmutación es baja, las
pérdidas de conmutación son insignificantes. Debido a la caída directa es baja, las
pérdidas de conducción son también pequeñas. La MCT también se utiliza en los
interruptores. Comparación de los MCT con otros dispositivos de potencia
13. 13
DISCUSION
Como futuros ingenieros de sistemas egresados de la Universidad de Oriente
Núcleo Monagas en el área de instrumentación y control de procesos deberemos
estar capacitados tanto en los conocimientos como en la comprensión por lo
menos de los procesos, técnicas y herramientas básicas de la Instrumentación,
también es de vital importancia tener muy pero muy claro cuáles son las otras
ramas de la ingeniería de las cuales asemos de su usos como lo es la electrónica
Es una especialidad de ese gran árbol de la ingeniería que combina o entrelaza a
su vez distintas otras ramas, entre las que destacan: sistemas de
control, automatización e informática.
En este trabajo de investigación referente a los controladores de corrientes
debimos de conceptualizar cada uno de esos elementos de esa variable de
estudio bajo un criterio muy personal para llegar una mejor comprensión
Iniciando por La intensidad eléctrica la cual Es la cantidad flujo de carga
eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material y esta es originada debido
al movimiento de las cargas (normalmente electrones) en el interior del material.
También pudimos observar sus unidades están definidas bajos estándares En
el Sistema Internacional de Unidades (quien también juega un papel muy pero
muy importante en la instrumentación a nivel internacional) y esta se expresa en
C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio.
Siguiendo con la discusión del presente tema y recordando que la ingeniería es un
árbol de conocimiento donde existen muchas ramas que la integran y producen
grandes frutos hicimos definición la definición de la Electrónica y sus aplicaciones
Es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea
sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo de
los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente. La cual Utiliza una gran
variedad de conocimientos, materiales y dispositivos desde los semiconductores
hasta las válvulas termoiónicas. El diseño y la gran construcción de circuitos
electrónicos para resolver problemas prácticos forma parte de la electrónica y de
los campos de la ingeniería electrónica, electromecánica y la informática en el
diseño de software para su control. El estudio de nuevos dispositivos
semiconductores y su tecnología se suele considerar una rama de la física, más
concretamente en la rama de ingeniería de materiales
Para poder existir los controladores de corriente en la automatización industrial
tuvo que haber existido la Electrónica de Control (para poder otorgar este fruto)
Los sistemas de control son aquellos dedicados a obtener la salida deseada de
un sistema o proceso. En un sistema general se tienen una serie de entradas que
provienen del sistema a controlar, llamado planta, y se diseña un sistema para
14. 14
que, a partir de estas entradas, modifique ciertos parámetros en el sistema planta,
con lo que las señales anteriores volverán a su estado normal ante cualquier
variación.
De los dispositivos estudiados podemos mencionar que estas son sus más
comunes aplicaciones:
Los SCR
Se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control,
especialmente control de motores, debido a que puede ser usado como interruptor
de tipo electrónico.
Los TRIAC
Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones
como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en los
sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante,
cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos, se deben tomar
las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apaga
correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corriente alterna.
El transistor bipolar de puerta aislada IGBT
Es usado en aplicaciones de altas y media energía como fuente conmutada,
control de la tracción en motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT
consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas
corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de
6.000 voltios.
Tiristor GTO
A bajos niveles de potencia los semiconductores de conmutación rápida son
preferibles. En la conversión de AC - DC, los GTO's, son útiles porque las
estrategias de conmutación que posee, pueden ser usadas para regular la
potencia, como el factor de potencia
El tiristor controlado por Mosfet
El MCT se ha utilizado en varias aplicaciones, algunas de las cuales se
encuentran en la zona de AC-DC y la conversión de corriente alterna donde la
entrada es de 60 Hz de corriente alterna.
15. 15
CONCLUSIONES
La combinación de varias ramas del conocimiento y desarrollo humano como lo
son la física la electrónica la ingeniería y la instrumentación han permitido
generar una gran variedad de conocimientos, materiales y dispositivos, desde
los semiconductores hasta las válvulas termoiónicas. El diseño y la gran
construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos ha
formado parte de la rutina diaria y continua de la electrónica y de los campos de
la ingeniería, electromecánica y la informática en el diseño de software para su
control. El estudio de nuevos dispositivos semiconductores y su tecnología se
suele considerar como uno de los grandes retos vencidos por esta generación
De esta manera, como pudimos observar en la presente investigación la sobre los
controladores de corriente que la electrónica de potencia ha permitido adaptar y
transformar la energía eléctrica para distintos fines tales como alimentar
controladamente otros equipos, transformar la energía eléctrica de continua a
alterna o viceversa, y controlar la velocidad y el funcionamiento de máquinas
eléctricas, etc. mediante el empleo de dispositivos electrónicos,
principalmente semiconductores. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de
control, sistemas de compensación de factor de potencia y/o de armónicos como
para suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión de
sistemas eléctricos de potencia de distinta frecuencia.
Lo cual nos lleva a concluir que el principal objetivo y ventaja de esta disciplina y
los dispositivos controladores de corriente es el manejo y transformación de
la energía de una forma eficiente, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos,
potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule. Los principales dispositivos
utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así como semiconductores
(SCR, Triac, IGBT, GTO, IGCT, MCT) mencionados y descritos anterior mente