1.- CIRCUITOS DE CONMUTACIÓN CON RELÉS.
1.1. Relés electromagnéticos.
1.2. Relés electrónicos.
2.- APLICACIONES Y CIRCUITOS TÍPICOS DE POTENCIA Y CONTROL DE MOTORES.
2.1. Arranque e inversión de giro de motores mediante contactores.
2.2. Control de velocidad de motores mediante tyristores.
1.- CIRCUITOS DE CONMUTACIÓN CON RELÉS.
Todo dispositivo, hidráulico, eléctrico, etc., que funciona como conmutador se caracteriza porque solo puede funcionar en modo binario, es decir, solo admite dos estados: abierto, en el que bloquea la acción, y cerrado, en el que permite la acción.
Un relé es un dispositivo, electromagnético o electrónico, que funciona en modo binario.
1.1. Relés electromagnéticos:
Son dispositivos cuyo funcionamiento se basa en un electroimán, de modo que el campo magnético generado por la corriente eléctrica que circula por una bobina arrollada sobre un núcleo magnético, desplaza la parte móvil del dispositivo abriendo o cerrando el circuito eléctrico a conmutar (fig.1).
Como características especiales de un relé, señalaremos:
a) El núcleo magnético está formado por un bloque de acero, si se utiliza corriente continua, o por un conjunto de chapas o láminas de hierro apretadas entre sí, en el caso de corriente alterna.
b) Las bobinas para corriente continua, que no presentan más resistencia que la propia del hilo, se construyen con muchas espiras de hilo muy fino, en tanto que para corriente alterna, hay que considerar la reactancia inductiva de la bobina, que ésta absorbe muy poca corriente cuando el circuito magnético está cerrado, pero cuando se abre la corriente absorbida aumenta considerablemente, así que se fabrican con hilo grueso y pocas espiras.
c) En el caso de corriente alterna, y para evitar las oscilaciones de la parte móvil, se añade una bobina o espira en cortocircuito, denominada espira de sombra. Dicha espira provoca un flujo auxiliar con desfase de 120o respecto del flujo principal, de modo que este flujo está alcanzando su valor máximo al tiempo que el flujo principal está alcanzando un valor nulo, lo que amortigua las oscilaciones del campo magnético alterno.
d) Los contactos de un relé, por estar sometidos a un continuo e intenso trabajo, deben reunir unas condiciones especiales: gran conductividad eléctrica y térmica; pequeña resistencia de contacto; gran resistencia al soldeo; gran resistencia a la corrosión producida por los arcos de extracorriente; suficiente dureza y resistencia mecánica; y poca tendencia a formar óxidos o sulfuros que posean elevada resistencia eléctrica.
Los materiales que reúnen estas condiciones, y por tanto son los más empleados, son aleaciones de plata-cadmio, plata-níquel y platino-iridio. Cuando las corrientes a que deban trabajar sean débiles, pueden fabricarse de oro o cobre.
e) La parte móvil del electroimán, muy próxima al núcleo, vuelve a su posición inicial debido a la acción de un resorte, cuando el campo magnético se ha extinguido.
Los relés electromagnéticos tienen un campo de aplicación muy amplio que abarca la casi totalidad de los sectores industriales, así que encontramos tantos tipos de relés como aplicaciones puedan dárseles, adaptados a las necesidades de cada caso. Existen desde los relés superminiatura de poca intensidad hasta los grandes y gigantescos contactores para corrientes elevadas.
Figura 1: Relé electromagnético Figura 2: Juego de contactos Figura 3: Circuito magnético de
un contactor.
Los contactores son conmutadores controlados a distancia. En un contactor hay que distinguir las siguientes partes: contactos principales, contactos auxiliares, sistema de soplado y soporte o estructura del aparato.
– Los contactos principales tienen por misión cerrar o abrir el circuito principal a través del cual se transporta la corriente al circuito de utilización. Dichos contactos, fijos y móviles, pueden ser unipolares, bipolares o tripolares (fig.2). Como los contactos están sometidos a un intenso calor por causa de la gran resistencia y de la intensa corriente, paran paliar los efectos de la erosión consiguiente se fabrican generalmente con aleaciones de plata-cadmio, plata-paladio o plata-níquel y, para intensidades bajas suelen ser de cobre electrolítico.
– Los contactos auxiliares tienen por misión el gobierno del contactor y su señalización, y como generalmente dan paso a pequeñas corrientes, su tamaño suele ser pequeño.
– El circuito electromagnético mayormente utilizado es para corriente alterna (fig.3), aunque también se fabrican para corriente continua. El circuito electromagnético consta de un núcleo en forma de E, que en su parte central lleva arrollada, siendo esta parte la parte fija del circuito; la armadura móvil es la que cierra el circuito magnético.
– El sistema de soplado tiene por misión reducir y apagar el arco eléctrico que se origina en el momento de la apertura de los contactos, pues además de la extracorriente que se genera en dicha apertura, el aire circundante se ha ionizado a causa del calor producido por efecto Joule y conduce entre los contactos en fase de separación. Para apagar el arco y evitar sus efectos destructivos se utilizan métodos como el soplado de aire a presión, el soplado magnético, la inmersión en baño de aceite y las cámaras desionizadoras.
– En el soporte o estructura del aparato se fijan los contactos principales y auxiliares y el circuito electromagnético. El conjunto se aisla del exterior y se introduce en una caja de material aislante y no higroscópico. Al exterior sólo salen los bornes de conexión del circuito de potencia y mando.
1.2. Relés electrónicos:
Las aplicaciones y usos de los relés electrónicos son similares a las de los relés electromagnéticos, pero su constitución y forma es totalmente diferente.
La principal característica de los relés electrónicos es la carencia de partes móviles y contactos que podrían estar sujetos a desgastes y averías mecánicas. Su estructura interna es la de un cristal y su funcionamiento se basa en las propiedades de varias uniones de semiconductores con diferente dopado.
Los relés electrónicos más empleados son: el transistor, el tiristor y el triac. El transistor como conmutador será objeto del tema siguiente.
1.2.1. El tiristor:
El tiristor es un rectificador que posee un electrodo de gobierno, denominado también de cebado.
El tiristor es un semiconductor de silicio formado por cuatro capas alternativamente P y N, que dispone de tres electrodos: dos de ellos, en las capas externas y que se denominan cátodo (K) y ánodo (A), y el tercero, en la capa contigua al cátodo, es el elemento de control o gobierno y se le denomina puerta (G). La capa situada entre las capas de gobierno y ánodo es la capa de bloqueo (fig. 4, a).
Figura 4: a) Sección de un tiristor; b) corriente de gobierno; c) símbolo.
La conducción entre ánodo y cátodo puede conseguirse de dos formas: aplicando una tensión entre ánodo y cátodo suficientemente elevada que provoque una circulación de corriente, o aplicando en la puerta una corriente (IG), que establece la conducción sin necesidad de que la tensión ánodo-cátodo sea elevada, siendo este el método más utilizado.
Para comprender su funcionamiento, dividimos el tiristor en dos partes: una constituye un transistor PNP y la otra un transistor NPN. La figura 5, muestra las corrientes que se generan en el interior del tiristor: la figura 5, a), nos muestra las corrientes en el primer transistor, de tipo NPN, sometido a una tensión directa y en el que la conducción es mayoritariamente por electrones, y la figura 5, b), nos muestra las corrientes del segundo transistor, de tipo PNP, sometido a una tensión inversa y en el que la conducción es mayoritariamente por huecos.
Figura 5: Corrientes en el tiristor: a) en el transistor NPN; b) en el transistor PNP.
Veamos qué ocurre en el circuito (fig. 6), cuando al terminal de puerta G, le llega un impulso de corriente (IG).
– El impulso IG, llega a la base del transistor T2, éste conduce y aparecen, por tanto, las corrientes de colector IC2, y la corriente de base IB1.
– En consecuencia, el transistor T1 entra en conducción y aparece la corriente IC1, que alimenta la base del transistor T2, que seguirá conduciendo, aunque suprimamos la corriente IG aplicada a la puerta.
Figura 6: Circuito de dos transistores equivalente a un tiristor.
Este proceso por el que se hace llegar una señal de corriente IG a la puerta, recibe el nombre de cebado del tiristor.
El proceso real del inicio de la conducción no es exactamente así, sino mucho más complejo. La explicación en base a dos transistores, es de fácil comprensión, pero el fenómeno real queda mejor explicado por la teoría de la avalancha local.
En primer lugar veamos la estructura de las capas de un tiristor:
– La capa de cátodo es de tipo N, muy delgada y muy dopada, por lo que contiene muchos electrones libres. Al establecerse una corriente directa a través de la unión de cátodo JK, esta capa inyecta numerosos electrones en la capa de gobierno. La unión de cátodo posee una corriente inversa elevada pero solo puede soportar una tensión inversa pequeña.
– La capa de gobierno es de tipo P, delgada y medianamente dopada, así que todos los electrones que le sean inyectados desde la unión JK, alcanzarán la unión JM.
– La capa de bloqueo es de tipo N y es la de mayor espesor de todas y la que está menos dopada. El tiristor debe a esta capa su pequeña corriente inversa y la elevada tensión inversa que puede soportar.
– La capa de ánodo es de tipo P, de espesor regular y muy poco dopada en las proximidades de la capa de bloqueo para que la unión de ánodo JA, tenga una corriente inversa pequeña, muy inferior a la de la unión JK, y soporte una tensión inversa elevada. Para disminuir el efecto de resistencia la capa está más dopada en las proximidades del contacto metálico del ánodo.
Veamos ahora el mecanismo de cebado (fig. 7) :
– Antes del cebado y con el tiristor bloqueado, el campo eléctrico en la unión de gobierno es muy grande por ser la única de las tres uniones que se encuentra bajo tensión inversa. Dicho campo acelera a los portadores minoritarios que se difunden hacia esta unión.
Figura 7: Inicio del proceso de cebado y de la avalancha.
– La corriente de mando, impulso IG, es una corriente directa a través de la unión JK, de huecos, que se dirigen hacia el cátodo, y de electrones, procedentes de dicho cátodo, que está muy dopado, hacia la capa de gobierno y que alcanzan fácilmente la unión JM. Los electrones en su recorrido a través de JM, arrancan, por choque, nuevos portadores a los átomos, que al ser acelerados por el campo multiplican este efecto: se ha producido el fenómeno de avalancha local al desplomarse la barrera de potencial en una pequeña zona del área de JM.
– Iniciada la avalancha, se extiende por sí misma a la totalidad de la superficie de la unión de gobierno, incluso aún cesando la corriente de gobierno. La resistencia del tiristor, que era muy elevada (100 W), se reduce considerablemente (0,01W), fenómeno denominado desplome de la resistencia directa del tiristor.
La curva característica de un tiristor representa la corriente del ánodo en función de la tensión ánodo-cátodo (fig. 8), y su interpretación es la que sigue:
Figura 8: Característica intensidad/tensión de un tiristor. Figura 9: Característica de la unión puerta-cátodo.
Cuando la tensión es nula, la corriente también lo es; si crece la tensión en sentido directo (VF), se alcanza un valor máximo Vcrit, que provoca el cebado; el tiristor conduce y cae la tensión ánodo-cátodo, mientras que la corriente de ánodo IF, aumenta. Polarizando el tiristor inversamente, con una tensión VR, existe una débil corriente, IR, de fuga, hasta llegar a una tensión máxima inversa, que provoca la destrucción del elemento (fig. 8).
La aplicación de una corriente de mando en la puerta desplaza el punto de disparo Vd, como se puede ver en la figura 8.
La característica de la unión puerta-cátodo de un tyristor es similar a la de un diodo semiconductor, por tratarse de una unión PN (fig 9).
Como no todos los tiristores, aunque sean del mismo tipo, tienen la misma característica de puerta, podemos dibujar en el sistema de coordenadas IG/VGK, las curvas características extremas de la unión puerta cátodo de una familia de tiristores (fig. 10), que nos indican que el disparo ha de producirse en un punto situado dentro de la zona comprendida entre A y B, aunque es necesario tener en cuenta otras limitaciones, como son: la tensión mínima de encendido de la familia, la corriente mínima que produce el encendido de todos los elementos de la familia, la tensión directa máxima admisible de los impulsores de encendido y la potencia máxima que puede disparar la unión de puerta.
Representando dichas limitaciones sobre las características de puerta de la familia de tiristores, obtenemos unas gráficas en las que se han señalado dos zonas (fig. 11):
– La zona S1, de encendido probable, en la que existe la posibilidad de que se encienda cualquier tiristor de la familia, pero no es seguro.
– La zona S2, en la que el encendido es seguro para todos los tiristores de la familia.
Figura 10: Curvas externas de la unión puerta-cátodo. Figura 11: Area de encendido de un tiristor
de una familia de tiristores. de una familia de tiristores.
Una vez efectuado el encendido del tiristor, si queremos que deje de conducir, debemos apagarlo, y para ello, debemos provocar una de las siguientes causas: disminuir la corriente de conducción por debajo del valor de mantenimiento IH, anular la tensión ánodo-cátodo, o invertir la tensión ánodo-cátodo, que es el método más utilizado.
1.2.2. El triac:
El triac, formado por seis capas semiconductoras NPNPN/N (fig. 12), pertenece a la familia de los tyristores, pero con la particularidad de ser bidireccional. Tiene tres electrodos, uno de mando y los otros dos son los principales de conducción. Se le puede considerar como una conexión antiparalelo de dos tyristores.
Su curva característica es la de la figura 13. En ella se observa que el triac puede conducir en sentido directo (IF) o inverso (IR). Según que los impulsos de encendido del dispositivo sean positivos o negativos, la conducción será directa o inversa, respectivamente.
Figura 12: Esquema y símbolo de un triac. Figura 13: Curva característica de un triac.
2.- APLICACIONES Y CIRCUITOS TÍPICOS DE POTENCIA Y CONTROL DE MOTORES.
2.1. Arranque e inversión de giro de motores mediante contactores:
A) Arranque directo de un motor trifásico:
La figura 14, a), muestra un modo para arrancar directamente un motor trifásico mediante contactores. El circuito completo consta de dos circuitos: el de potencia y el de control (fig. 14, b). El circuito de potencia comprende el motor, los fusibles o elementos de protección de línea, los contactos de fuerza del contactor C1, y los contactos bimetálicos del relé térmico RT. En el circuito de control se alimenta de las fases R y S, y consta de un interruptor M y de otro interruptor PT, de protección.
Su funcionamiento es el que sigue: al accionar sobre M, se excita la bobina del contactor C1, y se cierran tanto los contactos de fuerza o potencia y el de control del contactor, así que el motor recibe tensión y la bobina del contactor queda autoalimentada. La misión del relé térmico es desconectar el motor, en caso necesario, a través del interruptor PT, que actúa sobre el interruptor P, que a su vez, acciona el interruptor M.
Figura 14: Arranque directo de un motor trifásico. a) circuito completo; b) circuitos separados de potencia y control
El arranque directo debe realizarse siempre que se pueda, esto es, si la línea de alimentación del motor está suficientemente sobredimensionada para soportar la caída de tensión que se produce en el arranque sin afectar al resto de las demás instalaciones alimentadas por ella. El problema de la caída de tensión se presenta en grandes motores como los que abren las compuertas de una presa y que tienen miles de caballos de potencia; por ello estos motores suelen disponer de una línea de alimentación exclusiva.
B) Inversión del sentido de giro de un motor trifásico:
Para invertir el giro de un motor trifásico, basta con permutar la conexión de dos fases cualesquiera, lo que se consigue conectando dos contactores C1 y C2, según muestra el esquema de la figura 15. Cada contactor es activado por su correspondiente pulsador de marcha, M1 y M2 respectivamente, y alimentado por su correspondiente contacto de autoalimentación.
Tanto el pulsador de paro P, como el relé térmico RT, es común para ambos contactores. Los contactos cerrados que, recíprocamente, tienen en serie los contactores, tienen por misión evitar un cortocircuito del circuito de potencia, en la hipótesis de activación simultánea de ambos contactores. Para invertir la marcha, antes debe detenerse el motor mediante el pulsador de paro.
Figura 15: Circuito para la inversión de marcha de un motor trifásico.
Figura 16: Arranque estrella-triángulo de un motor trifásico.
C) Arranque estrella-triángulo de un motor trifásico:
Durante el arranque, un motor consume una punta elevada de potencia, del orden de 5 ó 6 veces la potencia nominal, así que el reglamento de baja tensión regula la limitación de estas puntas, en aras de la calidad del servicio.
Para disminuir notablemente dichas puntas, hasta 1/3 de la que se daría con arranque directo, suele utilizarse el arranque estrella-triángulo del motor. El método consiste en conexionar en estrella un motor que debería conexionarse en triángulo durante el tiempo necesario para alcanzar el 75%, aproximadamente, de la velocidad nominal, momento en el que se realizará su conexión normal a triángulo.
En el circuito de la figura 16, se emplean tres contactores: el contactor C1, conecta el motor a la red, el C2 realiza la conexiónes triángulo, y el C3 realiza la conexión en estrella. Además, se emplea un temporizador T, para que el control del cambio de conexión sea automático desde que accionamos el pulsador de marcha M.
El sistema funciona como sigue: al pulsar el interruptor de marcha M, se activa el contactor C1, y también el contactor C3, a través del temporizador T, que está cerrado para C3 y abierto para C2, al tiempo que el temporizador recibe alimentación de las fases R y S, quedando el motor conectado en estrella a la red. Esta situación permanece durante el tiempo en el que ha sido ajustado el temporizador; transcurrido dicho tiempo el temporizador permuta sus contactos, desactivándose el contactor estrella y activándose el contactor triángulo.
También se observa en el circuito el efecto de enclavamiento mutuo de los contactores C2 y C3, para evitar el cortocircuito en el circuito de potencia; que el relé térmico desconecta todo el circuito de potencia; y que el contactor C1 es común.
2.2. Control de velocidad de motores mediante tiristores:
Un sinfín de procesos industriales requieren del control de velocidad de los motores que utilizan, incluyendo o no la inversión de giro así como frecuentes paradas y arranques. instalaciones de mecanizado de bandas, máquinas de papel, instalaciones de la industria textil y de tratamiento de plásticos, trenes de laminación, máquinas transportadoras, ascensores, máquinas herramientas, accionamiento eléctrico de vehículos sobre calzada, automotores y locomotoras industriales con frenado por recuperación y con alimentación mediante catenaria o batería, etc. Nos vamos, pues, a limitar al estudio de los principios generales de control de los motores de c.c. y los de inducción.
A) MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA:
Tanto el inductor, alojado en el estátor, como el inducido, alojado en el rotor, se alimentan con c.c.
________________________________________________________________________
RECORDATORIO DE ALGUNAS FOMULAS DE MOTORES DE C.C.
F.c.e.m.: E’ = U – r I = n F (N’ p / 60 · 108 a) = k n F (1)
Velocidad: n = (U – r I) / k F (2)
Corriente del inducido: I = (U – k n F) / r (3)
Par motor: T = F I (N’ p / 61,64 · 108 a) = k’ F I (4)
________________________________________________________________________
El par T, es proporcional al flujo por polo y a la corriente del inducido I, y la velocidad angular n, es proporcional a la tensión de alimentación del inducido, U, e inversamente proporcional al flujo.
Un modo de efectuar el control de velocidad sería variar el flujo y mantener constante la tensión, pero entonces el par varía y la regulación es estrecha porque la velocidad puede aumentarse, reduciendo el flujo, pero proporcionalmente se ve reducido el par.
Variando la tensión y manteniendo el flujo constante, se consigue un amplio control y un mejor aprovechamiento del motor, pues para cualquier velocidad podemos obtener el par máximo. En este caso, el equipo requerido es más caro y voluminoso que el caso anterior, en el que se actúa sobre la excitación. Para arrancar el motor se parte de una tensión pequeña y se va elevando lentamente hasta alcanzar el valor deseado.
El circuito de potencia para el control de velocidad está formado por las conexiones ánodo-cátodo de los tyristores y el circuito de utilización del motor:
* Circuitos del convertidor trifásico de media onda (fig. 17, a) y de onda completa (fig. 17, b):
Se trata de controlar la velocidad de un motor de c.c. variando la tensión en el inducido, y como, generalmente, estos motores trabajan con grandes potencias, el puente trifásico es idóneo, ya que, además, la ondulación de salida pequeña y el factor de potencia alto. Para el control de la tensión de salida del transformador se emplea el tiristor.
Figura 18: Convertidor trifásico para el control de velocidad de un motor de c.c.
a) Puente de media onda; b) Puente de onda completa.
Para conseguir la inversión de giro, podemos invertir el sentido del flujo, solución económica pero muy lenta debido a la gran constante de tiempo del inductor, o invertir el sentido de la tensión, que sólo requiere algunas décimas de segundo.
La inversión de flujo se consigue alimentando el inductor con un convertidor de cuatro cuadrantes, en cuyo caso el inducido es alimentado por un convertidor de dos cuadrantes.
La inversión de tensión se consigue alimentando el inducido con un convertidor de cuatro cuadrantes y no se actúa sobre el inductor.
Si sólo se necesita variar la velocidad del motor, sin inversión de giro ni frenados rápidos, es suficiente alimentar el inducido con un convertidor de un cuadrante, que da un rizado menor y un menor consumo de potencia reactiva.
Figura 19: Convertidor puente de cuatro cuadrantes.
a) doble con tiristores en antiparalelo; b) de choppers regenerativo
* Circuitos del convertidor de cuatro cuadrantes.
Para hacer funcionar una máquina en los cuatro cuadrantes puede emplearse cualquiera de los sistemas que se citan a continuación:
– Mediante un puente doble con tiristores en antiparalelo (fig. 19, a).
– Mediante un puente de tiristores y un contactor conmutador.
– Mediante un puente de tiristores y un conmutador de inversión igualmente con tyristores.
– Mediante un montaje en puente de chopper regenerativo (fig. 19, b).
B) MOTORES DE INDUCCIÓN:
El motor de corriente continua puede variar su velocidad de forma continua y entre límites muy amplios con unos medios muy simples, pero es un motor caro y que necesita un mantenimiento frecuente por causa del colector.
El motor de inducción es mucho más barato y de gran robustez. Hoy ida, su empleo está aumentando y está sustituyendo al de c.c. en aplicaciones que le eran exclusivas. Ello se debe al control electrónico que está dando soluciones satisfactorias a la regulación de su velocidad y que la electrotecnia no había conseguido.
El inductor se aloja en el estátor, y el inducido, cortocircuitado, ya sea bobinado o ya formado por barras conductoras soldadas a unos anillos por sus extremos, se aloja en el rotor y su alimentación es directa, sin necesidad de escobillas ni anillos colectores.
El devanado estatórico crea un campo giratorio de velocidad angular, denominada velocidad síncrona, n = f / p, siendo f, la frecuencia de la tensión de alimentación y p, el número de pares de polos. La velocidad de giro viene dada por: nr = n (1-s), siendo s el deslizamiento.
Para variar la velocidad de giro, puede variarse la tensión de alimentación, alimentando el motor a través de un regulador de c.a., de modo que si disminuye la tensión, el deslizamiento s, aumenta y la velocidad de giro nr, disminuye.
Otra forma, más utilizada, consiste en actuar sobre la velocidad síncrona n, esto es, sobre la frecuencia f, lo que obliga a variar la tensión de alimentación proporcionalmente a la frecuencia para que el flujo se mantenga constante; el deslizamiento es pequeño y el rendimiento grande.
Para variar la frecuencia y la amplitud de la tensión de alimentación hay dos posibilidades: utilizar un cicloconvertidor, o rectificar la tensión de la red de c.a. y obtener mediante un inversor autónomo la frecuencia y amplitud requeridas, conectando el motor a la salida del inversor.
Figura 20: Circuito regulador de c.a. a) Motor monofásico; b) Motor trifásico.
* Circuitos de los reguladores de corriente alterna.
Los reguladores de c.a. deben permitir el paso de la corriente en ambos sentidos, siendo necesario prever un circuito de dos tiristores en antiparalelo, o el empleo de un circuito triac si la potencia a controlar es pequeña.
Las figuras 20, a) y b), corresponden a dos circuitos de potencia de dos reguladores de corriente, uno monofásico y otro trifásico, en los que los tiristores están montados en antiparalelo alimentando a sus correspondientes motores.
C) CIRCUITOS DE CONTROL:
Son circuitos auxiliares para control de los impulsos aplicados a la puerta del tiristor. De los diversos tipos de circuitos que existen, mencionaremos:
* Circuitos de control de fase.
Se trata de aplicar a la puerta del tiristor una serie o tren de impulsos periódicos, sincronizado con la señal alterna de la red, de forma que el tiristor conduzca periódicamente.
La figura 21, corresponde a un tiristor que alimenta una resistencia R, y la figura 22, nos muestra las formas de onda de las magnitudes que aparecen en este circuito: tensión alterna V, intensidad de corriente I, tren de impulsos que se aplica a la puerta del tiristor y tensión VR, que se aplica a la carga.
Figura 21: Circuito de tiristor Figura 22: Formas de onda de las magnitudes del circuito
El funcionamiento del circuito es el que sigue: al aplicar un impulso en la puerta, desfasado a grados respecto de la señal alterna de alimentación, el tiristor empieza a conducir, y deja de conducir cuando la tensión V, se hace cero, continua apagado durante el semiperiodo negativo, que lo polariza inversamente, y sigue así hasta que en el semiperiodo positivo siguiente, un nuevo impulso en la puerta provoca de nuevo su encendido.
El ángulo de desfase a, que existe entre la señal de entrada y el momento en que se produce el impulso de puerta, se expresa en grados y se conoce con el nombre de ángulo de encendido.
El tiempo durante el cual el tyristor conduce se llama ángulo de conducción y se representa por q, verificándose que a + q = 180º
El ángulo de encendido a, se puede variar eligiendo convenientemente el instante en que aplicamos el impulso a la puerta del tiristor, pudiendo controlar así el tiempo durante el cual circula corriente por la carga. Cuanto mayor sea el ángulo de encendido, menos tiempo conducirá el tiristor y menor será el valor medio de la señal de salida.
* Circuito por UJT.
El transistor uniunión, o de campo, se utiliza muy frecuentemente en el control de tiristores y de triacs, pues permite realizar un excelente relajador con muy pocos componentes.
La figura 23, muestra un circuito utilizado para el control de tiristores y triacs, sincronizado para que los impulsos se produzcan siempre en el mismo punto, esto es, para que los ángulos de encendido y de conducción sean iguales en todos los semiperíodos.
En este circuito, el condensador se carga a través de R1, hasta que la tensión de emisor alcanza el nivel Vp; en ese momento el UJT bascula y el C1 se descarga sobre RB1 y cuando la tensión de emisor cae a un valor de unos 2V, el emisor deja de conducir, el transistor se bloquea y vuelve a empezar el ciclo.
Figura 23: Circuito por UJT. Figura 24: Circuito oscilador de disparo con transistor
C) Circuito transistorizado:
Un sencillo y típico circuito de control de onda completa es el que se representa en la figura 24. Su funcionamiento es el siguiente:
Cuando la c.c. no filtrada aparece en bornes del diodo regulador D5 y del divisor de tensión R2 y R3, la base del transistor adquiere un potencial positivo a través del devanado a-b del transformador T y, por tanto, el transistor TR1 permanece bloqueado; pero, a través de R5 pasa la corriente de carga de C1, lo que origina que el potencial del emisor se eleve con una constante de tiempo dependiente del ajuste de R5. En un momento dado, el emisor se hace más positivo que la base, y TR1 empieza a conducir; Debido a la realimentación positiva entre la base y el emisor a través del transformador T, se produce un efecto acumulativo que provoca rápidamente la saturación de TR1 y entonces C1 se descarga rápidamente a través de TR1 y el potencial de emisor cae de nuevo por debajo del de la base, lo cual origina el bloqueo de TR1; el condensador C1 comienza de nuevo a cargarse a través de R5 y todo el ciclo se repite.
De otro lado, en las salidas del circuito de disparo, g y d, hay una serie de impulsos cuyo intervalo viene determinado por el ajuste de R5, de modo que éste resistor puede controlar el ángulo de disparo de CSR1 y CSR2.
El circuito de control obtiene su alimentación en continua desde el puente rectificador de diodos. La alimentación no filtrada sincroniza automáticamente el circuito de control con la alimentación del tiristor y asegura que, al finalizar cada semiciclo de la red C1 esté totalmente descargado y preparado para el comienzo del semiciclo siguiente.
R E S U M E N
A) Circuitos de conmutación con relés.
* Un relé es un dispositivo, electromagnético o electrónico, que funciona en modo binario.
A.1) Relés electromagnéticos:
* Los relés son dispositivos cuyo funcionamiento se basa en un electroimán: el campo magnético generado por la corriente eléctrica que circula por una bobina arrollada a su núcleo, desplaza la parte móvil del dispositivo, abriendo o cerrando el circuito eléctrico a conmutar.
* Los contactores son relés o conmutadores controlados a distancia, de construcción especial, debido a las grandes potencias de los circuitos que conmutan, por lo que incorporan unos contactos auxiliares y un sistema de soplado para apagar el arco eléctrico que se forma.
A.2) Relés electrónicos:
* Son conmutadores que carecen de partes móviles y de contactos y se basan en las propiedades de conducción y corte de dispositivos semiconductores como transistores, tiristores y triacs.
* El tiristor es un rectificador que posee un electrodo de gobierno, denominado puerta, de modo que los impulsos que llegan a dicho electrodo provocan su conducción. Está formado por cuatro capas alternativamente P y N.
* Los triacs, son tiristores que permiten la conducción en dos sentidos. Están formados por seis capas semiconductores NPNPN/N.
B) Aplicaciones y circuitos típicos de potencia y control de motores.
B.1) Arranque e inversión de giro de motores mediante contactores:
* Arranque directo de un motor trifásico.
* Inversión del sentido de giro de un motor trifásico.
* Arranque estrella-triángulo de un motor trifásico.
B.2) Control de velocidad de motores mediante tiristores:
* En los motores de corriente continua:
– El control de velocidad suele realizarse variando la tensión y manteniendo constante el flujo. Se utilizan los circuitos convertidores de media onda y de onda completa
– La inversión del giro se consigue, o invirtiendo el flujo, alimentando el inductor con un convertidor de cuatro cuadrantes y al inducido con un convertidos de dos cuadrantes, o invirtiendo la tensión, alimentando al inducido con un convertidor de cuatro cuadrantes y sin actuar sobre el inductor.
– Los circuitos convertidores de cuatro cuadrantes son de cuatro tipos.
* En los motores de inducción (corriente alterna):
– Para variar la velocidad de giro, suele actuarse sobre la velocidad síncrona, lo que obliga a variar la tensión de alimentación, proporcionalmente a la frecuencia, para que el flujo se mantenga constante.
– Se utilizan, a tal fin, circuitos reguladores de corriente alterna.
* Para el control de impulsos que se aplican a la puerta de los tiristores y triacs se emplean diversos tipos de circuitos.
– Circuitos de control de fase.
– Circuitos por UJT.
– Circuitos transistorizados.
BIBLIOGRAFIA
1. Electrónica industrial. Electrónica de potencia.
Hansruedi Bühler.
Ed. Gustavo Gili.
2. Control electrónico de los motores de corriente continua y alterna.
R. Chuprade.
Ed. Gustavo Gili.