Dispositivos electrónicos para control de motores eléctricos
Dispositivos electromecánicos versus dispositivos de estado sólido
Los dispositivos electromecánicos utilizados durante años en el control y comando de motores eléctricos siguen siendo fiables y funcionan en muchas instalaciones. Se utilizan para proporcionar tareas de secuenciación y entrelazado.
Son de construcción simple, de uso flexible y tienen muchas combinaciones de contactos. También pueden manejar grandes corrientes y cortar el circuito según sea necesario.
Los dispositivos de estado sólido no tienen partes móviles ni contactos para limpiar, reemplazar o ajustar. Utilizan transistores, triacs, diacs y SCR para realizar la conmutación. Estos elementos lógicos pueden realizar las mismas funciones en un sistema de estado sólido que los relés en los sistemas electromecánicos.
El dispositivo de control de estado sólido tiene muchas ventajas que lo hacen deseable para los diversos entornos en los que tiene que operar. No tiene contactos que se ensucien o funcionen mal cuando sea necesario para controlar una secuencia crítica de operaciones. Los dispositivos de control de estado sólido son más confiables que los dispositivos electromecánicos.
Vienen en módulos sellados que pueden conectarse a un bastidor y reemplazarse como una unidad si algo sale mal con el circuito.
Arranque con voltaje reducido
El arranque de motores con voltaje reducido se puede lograr de varias maneras. Sin embargo, en circuitos de estado sólido es algo más simple. Los detalles exactos de las funciones del circuito son algo más complejos que los del sistema electromecánico; sin embargo, no es necesaria una comprensión completa de la física y/o la electrónica del estado sólido para comprender el funcionamiento de los dispositivos simples utilizados para realizar las operaciones de conmutación y control del estado sólido.
Rectificadores controlados de silicio
El rectificador controlado por silicio (en inglés SCR: silicon controlled rectifier) es el dispositivo más utilizado para controlar motores eléctricos. El nombre propio de un SCR es tiristor. Sin embargo, el uso popular del término SCR lo ha hecho parte de la literatura y aceptado por todos los que trabajan en el campo. Es un tipo especializado de semiconductor utilizado para el control de circuitos eléctricos.
Un SCR conduce la corriente solo en dirección directa. El símbolo de un SCR se muestra en la Fig. 1.
Fig. 1. - Símbolo para SCR.
La corriente fluye a través de un SCR desde el cátodo (C) al ánodo (A). La ilustración indica que el SCR también tiene una puerta (G).
Fig. 2. - Esquema del circuito controlado por SCR. |
El Rectificador
controlado
de silicio (SCR) actúa como conmutador, rectificador y amplificador a la vez. Es similar
a un diodo rectificador, al que se ha añadido un tercer terminal llamado
puerta, gracias al cual se puede controlar con precisión el instante
en que se inicia la conducción del mismo. Se trata de un cristal semiconductor
con 4 zonas de dopado (PNPN) y 3 uniones, que conduce únicamente
en un sentido cuando la puerta se excita positivamente o cuando se supera
su tensión de ruptura. El método más empleado para producir su conducción
es el disparo de puerta por pulso de tensión. En polarización inversa
se comporta como un diodo normal. Se utiliza para la rectificación
de grandes potencias, en la regulación de velocidad de motores eléctricos
y como sustituto del relé electromagnético, proporcionando una conmutación
más rápida y segura al no poseer contactos móviles. |
La función del SCR se muestra en el diagrama de circuito de la Fig. 2. El uso más típico de un SCR es para un circuito controlado. Los ejemplos incluyen un atenuador de luz o un control de velocidad para un motor. Este tipo de circuito se ilustra en la Fig. 2. La resistencia en este circuito, R, es un reóstato o resistencia ajustable. Esto se usa para controlar la cantidad de voltaje entregado a la puerta del SCR.
Cuanto más voltaje se entrega, mayor es el flujo. Por lo tanto, ajustar el reóstato puede servir para controlar el circuito. Si el circuito enciende una lámpara, la reducción del voltaje al reóstato atenúa la bombilla. Si la carga es un motor, su velocidad se reduce. La 3 muestra el aspecto de los SCR típicos con sus conductores identificados según las conexiones de cátodo, puerta y ánodo.
Fig. 3 - Diferentes modelos de tiristores (Cortesía GM Electrónica)
Una de las principales razones para usar dispositivos semiconductores para el control de motores es la capacidad del dispositivo para arrancar un motor en condiciones de voltaje reducido y, por lo tanto, permitir que el motor acelere a la velocidad máxima con un nivel de par más bajo. Al reducir la irrupción de alta corriente, se reduce el impacto mecánico en el equipo accionado.
Un arrancador de motor de estado sólido de voltaje reducido utiliza SCR para el control de potencia. Dado que un SCR conduce en la dirección de la flecha en el símbolo, significa que la corriente fluye en un solo sentido en un SCR. Para utilizar un SCR con ventaja en corriente alterna, es necesario utilizar dos de ellos en paralelo inverso (figura 4). Los SCR deben estar encendidos para conducir la corriente a través de ellos; es decir, necesitan un pulso de puerta para encenderlos. Una vez que un SCR se enciende o activa, no detiene el flujo de corriente directa. El control de onda completa utiliza dos SCR en cada fase. La operación trifásica debe utilizar seis diodos, conectados como se muestra en la Fig. 5.
Fig. 4 - SCRs en paralelo para una fase.
Fig. 5 - Disposición SCR trifásica
La corriente a través de un SCR se puede controlar activando el SCR en diferentes momentos dentro del medio ciclo.
Esto también controla el tiempo de aceleración del motor. Si el pulso de puerta se aplica temprano en el medio ciclo, la salida es alta. Si el pulso de puerta se aplica tarde en el medio ciclo, solo pasa una pequeña parte de la forma de onda y la salida es baja. Entonces, al controlar el voltaje de salida del SCR, se pueden controlar las características de aceleración del motor. (Figura 6).
Fig. 6 - Salidas para diferentes gatillados del SCR
DIAC
El diac es básicamente un dispositivo de dos terminales. Tiene una combinación paralela-inversa de capas semiconductoras. Esta combinación de capas permite la activación del dispositivo en cualquier dirección (fig. 7). Como recordarán lo visto, el SCR permitía disparar en una sola dirección. Por lo tanto, el diac tiene la capacidad de conducir en ambas direcciones cuando se aplica un voltaje de señal de ca a través de sus terminales. Hay una serie de aplicaciones para dicho dispositivo. Uno de ellos está en el control de motores eléctricos de corriente alterna. También se pueden utilizar en detectores de proximidad.
Fig. 7 - Símbolos para un diac. |
Es un elemento simétrico formado por dos diodos de cuatro capas conectados
en paralelo y en oposición, sin terminal de puerta. Conduce en ambos
sentidos cuando se le aplica una tensión directa superior a la de ruptura
de la unión polarizada. Se utiliza como dispositivo auxiliar para producir
los impulsos necesarios para la conducción del SCR y del triac. |
Nótese en el símbolo que el diac no tiene compuerta ni elemento de control. Puede usarse como un diodo disparador bidireccional (Fig. 8). La corriente puede fluir en cualquier dirección cuando se suministra suficiente voltaje para la ruptura. Normalmente, el potencial de disparo es de unos 30 V en cualquier dirección. El diac está en su estado apagado hasta que el voltaje a través de las terminales T1 y T2 excede el voltaje de ruptura. En los circuitos de control de potencia, se puede usar un diac para un control más efectivo del punto de encendido del electrodo de compuerta de un triac o un SCR.
Fig. 8 - (A) circuito de demostración de Triac; (B) triac usando un diac para activar la compuerta.
Fig 8 C - Este ejemplo es un regulador de luminosidad
para una lámpara de potencia
no superior a 500 W.
El potenciómetro permite regular
el tiempo de carga del
condensador. Al alcanzarse
la tensión de ruptura del diac,
este entra en conducción
y se produce la descarga del
condensador hacia la puerta
del triac, provocando
su conducción. Variando el valor
de R2, se modifica el período de
conducción del triac y la potencia
de la lámpara.
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En algunas ocasiones necesitamos
regular la velocidad de los motores
de CC utilizados en el taller de tecnología Existen diferentes métodos para conseguirlo, de entre los
cuales podemos destacar el circuito que se propone a la izquierda, mediante un transistor TIP32C y un BD135, un diodo 1N4007 y un potenciómetro de 5k. |
TRIAC
El triac es básicamente un diac con un terminal de compuerta. El terminal de compuerta controla las condiciones de encendido de este dispositivo bidireccional. La corriente de compuerta puede controlar la acción del dispositivo en cualquier dirección. Esto es similar a la del SCR. Sin embargo, las características del triac son algo diferentes a las del diac. La figura 9 muestra el símbolo y la ubicación de la terminal de compuerta.
Fig. 9 - Símbolo de un triac. |
Se comporta como dos SCR invertidos en paralelo. Puede pasar de un estado
de bloqueo a un estado de conducción en ambos sentidos de polarización,
aplicando un pulso de tensión en la puerta. La polaridad del impulso
de disparo de puerta depende de la polaridad de la tensión aplicada
entre ánodo y cátodo. Se utilizan en control y regulación de potencia
en CA. |
Al colocar el triac en un circuito, es posible indicar cómo funciona (Fig. 8). En esta disposición, el interruptor se usa para seleccionar varias condiciones para el triac. La carga puede ser una bombilla o un motor de corriente alterna.
Cuando el interruptor está en la posición 1, no hay conexión de compuerta. El triac no conduce. El motor no funciona. No hay tensión de activación aplicada a la puerta.
En la posición 2, se coloca un diodo en el circuito y con su polaridad dispuesta para permitir que se aplique un voltaje de activación a la compuerta en el pulso positivo de la CA aplicada al circuito. El triac conduce, pero solo la mitad de la onda sinusoidal de CA.
Esto significa que solo se aplica al motor aproximadamente la mitad de la corriente normal. Este es el mismo arreglo que con un SCR. Un motor de CA puede tener un problema con este tipo de voltaje de CC pulsante. Cuando el interruptor se mueve a la posición 3, se aplica a la compuerta todo el voltaje de onda sinusoidal de CA, con, por supuesto, una reducción en el valor causada por la resistencia R. Ahora que ambas mitades de la onda sinusoidal de CA se aplican a la puerta compuerta, el triac conduce todo el tiempo y el valor total de CA se aplica al motor de CA.
Entonces el motor funciona a toda velocidad. R puede convertirse en un tipo variable y su valor controlaría la cantidad de corriente alterna que pasa a través del triac y hacia el motor.
En la figura 8B se muestra otro arreglo para el triac. Aquí se usa un diac para activar el triac. El voltaje de disparo es controlado por la resistencia variable.
Esto permite una mejor regulación del motor. Los triacs se ensamblan en los mismos tipos de encapsulados que los SCR, por lo que es difícil o imposible saber mediante una inspección visual qué tipo hay en el encapsulado. Los números en el encapsulado indican si es un SCR o un triac.
Hay triacs disponibles en la actualidad que pueden manejar cargas superiores a 10 kW.
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