Los reguladores de potencia como controladores del calor

En un gran número de aplicaciones de procesos térmicos con calentamiento por resistencias eléctricas existe un parámetro que a menudo requiere una mayor precisión de su regulación: se trata del calor. Los objetivos son importantes dado que las corrientes alternas que se manejan pueden alcanzar desde algunas centenas hasta varios miles de amperios. Para ello, los reguladores de potencia con tiristores disponen de diversos modos de control de la corriente a fin de adaptarse mejor al tipo de resistencia utilizada. Además, los nuevos modelos van más allá incorporando la posibilidad de coordinar el funcionamiento de grupos de varios equipos y suprimir perturbaciones en el lazo de control (tales como variaciones de la red, falta de linealidad y/o variaciones temporales de la carga).

El control del calor es esencial para la buena marcha, la calidad, la frecuencia, y la mejora de la productividad en instalaciones de transformación como vidrierías, siderurgias, plásticos, etc. Esta función se garantiza mediante módulos especializados conocidos antiguamente con el nombre de bloques o graduadores de potencia y hoy como controladores de potencia por tiristores o simplemente como reguladores de potencia. Esta última denominación se aplica especialmente en aquellos casos en que realiza la función propiamente dicha de regulación de potencia.

Para lograr tal objetivo se requiere mantener constante la tensión, la corriente o la potencia aplicada a las resistencias calefactoras. Todas las perturbaciones originadas, especialmente por las variaciones de la tensión de la red o las variaciones de la impedancia de la carga, deberán ser compensadas. Al elegir un regulador de potencia que disponga de los controles sobre estas perturbaciones se compensarán las posibles oscilaciones en la curva de temperatura deseada y así la respuesta del lazo de regulación térmica mejorará enormemente.

La temperatura y la atmósfera en el interior de un horno determinan el tipo de elemento calefactor a utilizar. Lo más habitual es que se trate de elementos de tipo resistivo o inductivo (o la combinación de ambos). También ciertas resistencias precisan tensiones de alimentación bajas y aisladas de la red, cosa que requiere de un transformador intermedio.

Los reguladores de potencia deberán ser capaces de adaptarse a cualquier aplicación. Para ello se han investigado y mejorado las dos técnicas básicas de conducción: recorte del ángulo de conducción (también denominada control del ángulo de fase) y paquetes de impulsos (también llamada trenes de ondas). Evidentemente existe también la combinación de ambos modelos.

Los distintos modos de conducción se pueden clasificar en:

· Modo ‘Todo-Nada’ o tren de ondas: La carga no se alimenta hasta que se aplica una tensión en la entrada de control. El inicio y el paro de la conducción se realiza al pasar la tensión por 0V. Este modo es apropiado en instalaciones simples que posean una cierta inercia y que admitan una ligera oscilación alrededor de la consigna.

Los tiristores conducen hasta alcanzar este valor y la conducción se reiniciará cuando la desviación del valor actual de la temperatura respecto la consigna sea la programada.

· Modo tren de ondas sincopados (TAKT): Actúa sobre la potencia media aplicada sobre la carga al suprimir un número entero de alternancias completas (20 ms para red de 50Hz) de la tensión de alimentación. Este modo de control es adecuado para la mayor parte de aplicaciones. La tensión sólo se aplica a la carga en el momento de pasar por 0V.

· Modo tren de ondas sincopado rápido: Este modo, bautizado QTM (quick TAKT mode) es idéntico al anterior excepto que permite la conducción en una base de tiempo de 10ms. Este funcionamiento permite controlar resistencias con una inercia muy débil como los infrarrojos cortos puesto que disminuye fuertemente el parpadeo de la luz.

· Ángulo de fase (VAR): Aquí se controla la potencia media aplicada al cortar cada alternancia de la senoide según un ángulo preciso y variable en función de la demanda. Este modo de funcionamiento se propone para cargas inductivas (bobinas, transformadores, etc.). El control por ángulo de fase también es apropiado para una regulación muy fina, porque siempre se aplica una tensión a la carga. El mayor inconveniente de este modo es que genera perturbaciones sobre la red eléctrica (harmónicos), componentes continuas y empeora el factor de potencia.

· Modo mixto: Este modo, bautizado como SSSD (Soft Start Soft Down), combina los dos modos precedentes; es decir, un inicio en ángulo de fase y un mantenimiento en tren de ondas. El tiempo de arranque será parametrizable desde 10ms (es decir, una semi alternancia) hasta varias centenas de milisegundos. Este modo constituye una buena alternativa al precedente ya que no genera perturbaciones más que en el momento de arranque. Este modo mixto se emplea normalmente para magnetizar los transformadores suprimiendo la sobreintensidad de su conexión.

También un algoritmo especializado denominado ‘MOSI’ mejora los resultados usando este modo mixto para las cargas con un fuerte coeficiente Rcaliente/Rfrío, tales como las resistencias de disiliciuro de molibdeno. En frío, la resistencia se controla en ángulo de fase y después en caliente con tren de ondas cuando, la resistividad ha aumentado. Esta gestión del modo mixto es totalmente transparente para el usuario.

Las instalaciones comportan en general varias resistencias calefactoras y por tanto, varios reguladores de potencia. Esto puede conllevar el ‘efecto flicker’. En efecto, cuando sobre una misma red de alimentación se enlazan varios reguladores de potencia, las solicitaciones de corriente pueden producirse todas al mismo tiempo. Es una situación muy desfavorable para la instalación eléctrica porque provoca un estrés en los equipos “aguas arriba”: transformador TGBT, cableado, … y también un sobrecoste de la factura de electricidad por los picos de corriente. Para remediar esto los constructores de reguladores de potencia han integrado sistemas de sincronización. Se han ideado dos soluciones: la sincronización estática en un primer tiempo, y más recientemente la sincronización dinámica.

La sincronización estática determina el momento exacto de conexión de cada regulador de potencia. Este momento será siempre el mismo y no modificado si la consigna potencia de cada equipo se modifica. Para realizar esta función, es necesario poseer un módulo independiente y externo al regulador de potencia. Éste está equipado con varias salidas y cada salida controla un regulador. El módulo de sincronización envía un impulso eléctrico desplazado en el tiempo a cada regulador de potencia presente en la red. Los impulsos de sincronización son inmutables y no tienen en cuenta las variaciones de carga de los diferentes reguladores.

Por otro lado, la sincronización dinámica está patentada y se bautizó como ‘ASM’ (Automatic Synchronisation Mode). Para instalaciones con múltiples reguladores de potencia, consiste en ajustar automáticamente el momento de conexión de cada uno de ellos a fin de lograr un alisamiento de la demanda de potencia de la red. Este momento de conexión se calcula permanentemente para cada regulador de potencia en función de su valor de consigna y de la carga de la red para los otros equipos. Estos sistemas ‘anti-flicker’ reducen considerablemente los picos de intensidad debidos a la conexión simultánea de reguladores de potencia configurados en modo tren de ondas sincopado. En consecuencia, los ‘picos de corriente’ serán minimizados en la factura y los componentes montados en la línea de potencia estarán mucho menos solicitados.

Los constructores han estudiado la posibilidad de conexión de los reguladores de potencia a través de los bus de campo existentes en el mercado. Algunos productos ya están disponibles y la oferta continuará creciendo. Este tipo de regulador permite simplificar enormemente el cableado integrando las funciones de tipo central de medidas adaptadas a las resistencias calefactoras. En efecto, con un modelo de señales analógicas son necesarios muchos hilos de cableado para llevar las consignas y traer las informaciones U, I, P, estado de los relés de alarma, etc. Con los bus de campo sólo son necesarios dos hilos para llevar y traer todas las informaciones accesibles de los reguladores de potencia y ello además, con velocidades de comunicación muy elevadas.

Otra evolución de los reguladores de potencia es que comportan desde ahora numerosas funciones de control que definen su nivel tecnológico:

· limitaciones de corriente, tensión o potencia

· alarmas, con contactos secos o por la red de comunicación, para informar de una ruptura parcial o total de la carga (un valor anormal de la red de alimentación), una sobreintensidad anormal en la carga (un defecto interno, un tiristor o un fusible que falla), etc.

· función ‘datalogger’ de recogida de datos para conocer la fecha y hora en que se produjeron las diferentes anomalías

Gracias a sus múltiples modos de funcionamiento y sus funciones integradas, los reguladores de potencia de nueva generación pueden actuar en aplicaciones difíciles:

· ‘Horno boosting’ en la industria vidriera

El vidrio tiene la particularidad física de ser conductor de la electricidad en estado líquido. Su conductividad varía con la temperatura. Muchas aplicaciones para hornos de vidrio aprovechan este hecho para calentar el vidrio directamente. El vidrio actúa entonces de resistencia y unos electrodos de molibdeno sumergidos en el mismo permiten la circulación de la corriente eléctrica. Según el tipo de horno es posible encontrar aplicaciones que precisan corrientes de hasta 3000 amperios. Además de la intensidad demandada, el tipo de regulador de potencia utilizado debe respetar un cierto número de criterios técnicos: debe presentar especialmente un MTBF muy elevado (tiempo medio de buen funcionamiento) porque un horno de vidrio no se para nunca; no debe generar componentes continuas que provoquen una degradación de los electrodos y por último, debe tener en cuenta las muy importantes variaciones de la impedancia del vidrio.

· Primario del transformador

Ciertos tipos de resistencia como las de disiliciuro de molibdeno, de grafito, o de carburo de silicio necesitan una tensión baja para funcionar. Para disminuir esta tensión se intercala un transformador reductor de tensión entre el regulador de potencia y la resistencia. En este tipo de aplicación, el regulador de potencia debe ser capaz de trabajar con dos formas de conducción diferentes. En un primer momento, durante el tiempo de magnetización del transformador, debe trabajar en modo de ángulo de fase. En un segundo momento, debe pasar al modo tren de ondas enteras “cero de tensión”.

El control en ángulo de fase sobre la primera senoide se realiza en el instante correspondiente a corriente cero (debe tenerse en cuenta que existe un desfase entre la tensión y la corriente). Si este control en ángulo de fase no se hiciera exactamente en el momento preciso de la senoide (en ángulo y tiempo) la corriente que atraviesa el transformador podría crecer de una manera exponencial y tomar valores muy importantes causando la deterioración de los tiristores y/o los fusibles de protección asociados. A continuación, el pasar al modo de conducción ‘tren de ondas’ se evita la generación de harmónicos y los efectos dañinos que le acompañan.

La solución propuesta por Pyro-Controle Chauvin Arnoux

Pyro-Controle Chauvin Arnoux domina este tipo de tecnología. Es posible realizar un control del transformador con un montaje trifásico controlando solamente dos fases. Este tipo de montaje es muy económico. En efecto, el regulador de potencia está equipado solamente de dos grupos de tiristores en vez de tres. La corriente que atraviesa el transformador a través de la fase L2 está controlada por los tiristores de las fases L1 y L3 con un tiempo de magnetización de 10 milisegundos. El nivel total de harmónicos generados con este modo es idéntico al de un modo con tren de ondas, es decir, muy débil.

La familia de reguladores de potencia Thyritop 40 asegura todas las necesidades de control en cargas resistivas de los procesos de temperatura. Integra un procesador Risc 32 bits y está disponible en 3 versiones (1, 2 ó 3 fases) y más de 100 modelos distintos. Completamente electrónico, garantiza una rapidez y una conmutación de cargas de 37 a 2900 amperios y esto con una precisión de medida de 0,25% del rango. Es apto para todos los tipos de cargas resistivas e inductivas, sobre redes mono o trifásicas de 230 a 690 voltios, operando sobre 2 ó 3 fases.

Su módulo indicador/programador con pantalla de cristal líquido, desmontable y portátil, muestra valores de U, I y P (curvas y valores) y las consignas de control. Este módulo registra, en función programación, los parámetros seleccionados sobre un Thyritop 40 y permite transferirlos a otros Thyritop 40. Este regulador de alta gama dispone de numerosas funciones: regulaciones I2, U2 y P2, limitaciones I, U y P, tres salidas de medida de recopia, sincronización dinámica, detección de ruptura de carga, diagnóstico, alarmas, etc. Para la programación y la supervisión a distancia mediante un ordenador utiliza la comunicación por red Modbus o Profibus.