GENERALIDADES
Sin duda alguna, los relevadores electromecánicos han marcado un precedente en el campo del control eléctrico y como se comentó en su momento, su vigencia permanece pues son elementos que seguirán utilizandose debido a su practicidad y sencillez para operarlos.
No obstante su versatilidad, existen aplicaciones donde se requiere un elemento con el mismo principio de operación pero sin partes móviles.
Cuando se trata de evitar partes móviles, es momento de pensar en los Relevadores de Estado Sólido, pues su uso se ha expandido y en la actualidad es ampliamente utilizado en aplicaciones donde haya elementos que necesiten estar en constante conmutación como pueden ser aplicaciones de compuertas gobernadas con dispositivos neumáticos, resistencias de calefacción utilizadas en hornos, operación de equipos en ambientes explosivos, motores, etc.
La ausencia de partes móviles siempre será una gran ventaja pues además de alargar la vida útil del relevador, se asegura una operación confiable y precisa comparada con un elemento que tenga partes móviles, además de brindar seguridad en ambientes peligrosos donde un arqueo eléctrico pudiera provocar situaciones no deseadas.
USO DE LOS RELEVADORES DE ESTADO SÓLIDO
Existe una amplia variedad de relevadores de estado sólido por lo que en éste apartado se mencionan los elementos que mas comunmente se encuentran en los procesos.
Su uso mas frecuente es en la conmutación de cargas resistivas pero cuando se trata de conmutar cargas inductivas y de otro tipo, es necesario tomar en cuenta ciertas consideraciones y adecuar los equipos con sus respectivas protecciones para optimizar su operación. Es por ello que a continuación se dan a conocer algunas definiciones importantes relacionadas con los relevadores de estado sólido.
PROCESO DE SELECCIÓN DE RELEVADORES DE ESTADO SÓLIDO
La mayoría de los problemas que se suscitan al utilizar relevadores de estado sólido para corriente alterna es debido a que no se realiza un análisis completo sobre las condiciones de operación que las cargas específicas imponen sobre éstos.
A continuación se mencionan las situaciones mas recurrentes.
Son la aplicación más simple de los relés de estado sólido de C.A. pues las especificaciones de voltaje de bloqueo y corriente de estado estable resultarán en una aplicación sin problemas.
La tasa de aumento de corriente (di/dt) en una carga resistiva está limitada por las impedancias de linea y el encendido de los tiristores de salida.
En algunas aplicaciones donde se excede el incremento de corriente (di/dt), se hace necesario poner una inductancia en serie especialmente en ciclos de trabajo altos para limitar el incremento de corriente dentro de la capacidad del relé.
El uso de relés con conmutación de voltaje CERO es una forma efectiva de mantener el incremento de corriente (di/dt) dentro de la capacidad nominal del tiristor de salida, pues el encendido ocurre cerca del cruce por CERO del voltaje y por lo tanto es difícil tener un incremento alto de corriente a traves del relé.
Aunque son cargas resistivas, las lámparas incandecentes tienen algunos problemas especiales, pues la resistencia al frio de un filamento de Tugsteno es tan solo el 10% o menos de la resistencia al calor, por lo que se produce una gran corriente de irrupción la cual puede durar desde medio ciclo hasta varios ciclos dependiendo de la constante de tiempo térmica del filamento.
Es importante verificar que el relé soporte la corriente de irrupción ya que los incrementos de corriente (di/dt) son más severos en cargas de lámparas.
Ciertos tipos de lámparas pueden experimentar momentaneamente condiciones cercanas a un cortocircuito sobre el relé en el momento de su agotamiento, esto ocurre si un filamento se daña o si hubo algún problema en las líneas de entrada de tal manera que esto resulta en una impedancia muy reducida ó si existe una vía de descarga gaseosa de baja impedancia como ocurre en algunas lámparas cuando se queman.
Esto debe tomarse en cuenta para determinar las protecciones adecuadas como podrían ser fusibles de acción rapida para limitar la corriente de falla dentro de la capacidad del relé.
No son muy comunes pero se encuentran en bancos de descarga de capacitores de conmutación o en fuentes de alimentación de entrada de capacitores.
Debe tenerse precaución con cargas capacitivas de baja impedancia para verificar que no se excedan las capacidades de incremento de corriente (di/dt) del relé, pues el incremento de corriente de una carga capacitiva descargada sin impedancia limitadora tiende a infinito.
También se debe prestar interés al margen de seguridad de voltaje de bloqueo y a la limitación de los transitorios de voltaje al conmutar cargas capacitivas ya que la operación falsa con un voltaje de linea cercano al pico en una carga capacitiva descargada puede ocasionar incrementos de corriente (di/dt) muy grandes y potencialmente dañinos, por eso es recomendable limitar dichos incrementos con una impedancia en serie o sujeción de voltaje absoluto y proteger al relé contra los inevitables y ocasionales transitorios en la línea.
La mayoría de las aplicaciones de relés de estado sólido son con cargas inductivas. La situación mas recurrente es la falla del relé de estado sólido que utiliza un triac de salida siendo éste el problema del relé para apagarse correctamente, la falla ocurre en el instante de la desconexión (corriente CERO a traves de tiristor) de una carga con Factor de Potencia atrasado (inductiva), el valor instantaneo del voltaje de linea puede ser muy alto (voltaje pico si la carga es puramente inductiva). Éste valor instantaneo se aplica directamente a traves del triac en el relé cuando la corriente llega a CERO y puede aparecer como una tasa muy alta de incremento de voltaje (dv/dt). Esto provoca que el triac vuelva nuevamente al estado activado y se produzcan condiciones de "bloqueo".
El circuito de entrada ya no tiene control del relé y se debe quitar la energía del circuito de la carga para apagar la carga, este problema potencial se vé agravado por el hecho de que el alto incremento de voltaje (dv/dt) se aplica inmediatamente después de la conducción de corriente siendo el valor más bajo el que conmuta la capacidad dv/dt (típicamente 4V/microseg) del triac y no el valor más alto de la capacidad dv/dt (100V/microseg) el que determina si se realizara una conmutación exitosa.
Este problema se supera mediante el uso de la red amortiguadora R-C que limita el incremento de voltaje (dv/dt) aplicado al relé en el apagado a un nivel dentro de la capacidad de conmutación dv/dt del triac. Alternativamente se pueden usar dos SCR conectados en paralelo inverso para formar el interruptor de salida del relé.
Esta técnica permite que el valor mucho más alto del incremento de voltaje (dv/dt) de estado apagado, sea el factor limitante para asegurar el apagado.
Las redes de amortiguación también se utilizan con salidas SCR duales en aplicaciones con incrementos de voltaje ( dv/dt) extremadamente altos.
Una carga inductiva tiende inherentemente a limitar la tasa de incremento de la corriente (di/dt) y por lo tanto , los problemas de di/dt son relativamente poco comunes con cargas inductivas.
Además de las cargas inductivas pasivas, los motores de inducción a menudo experimentan fuertes corrientes de irrupción al arranque y producen un voltaje inusual durante el apagado, por eso es importante cuando se estén manejando cargas de alta inercia asegurarse de que estén dentro de la capacidad de sobretensión del relé.
Tanto la corriente de irrupción como la de operación, deben examinarse con un osciloscopio. Muchas aplicaciones de motores son de marcha intermitente y el efecto de la corriente de irrupción repetitiva en el punto de operación térmica del relé debe ser tomado en consideración, también debe atenderse la condición de rotor bloqueado donde la corriente llega a ser hasta seis veces la corriente nominal durante el arranque.
Una condición prolongada de rotor bloqueado puede requerir un relé de gran tamaño o protección con fusible. La FEM generada por ciertos circuitos de un motor puede requerir que un relé tenga un rango de voltaje de bloqueo mayor de lo que normalmente se esperaría según el voltaje de línea en estado estable aplicado.
Este asunto puede volverse bastante complejo, por lo que debe verificarse con un osciloscopio el voltaje aplicado a un circuito de motor durante el apagado para verificar que esté por debajo del voltaje nominal de bloqueo del relevador. De lo contrario, puede ocurrir un bloqueo o un apagado errático del motor.
Algunos circuitos del motor pueden requerir relés con voltajes de bloqueo más altos de lo normal, dispositivos limitadores de transitorios u otras técnicas para soportar el voltaje producido por un motor durante la desaceleración o la inversión.
Al conmutar el primario de un transformador se deben examinar las características de la carga secundaria porque se reflejan como la carga efectiva en el relé.
Los transitorios de voltaje de los circuitos de carga secundarios, del mismo modo se transforman con frecuencia y pueden imponerse al relé.
Los transformadores presentan un problema especial en el sentido de que, dependiendo del estado del flujo del transformador en el momento del apagado, el transformador puede saturarse durante el primer medio ciclo de operación en el siguiente encendido. Esta saturación puede resultar en una corriente muy grande (comunmente de 10 a 100 veces la corriente primaria nominal) a traves del relé que podría exceder la capacidad de sobretensión de medio ciclo.
Los relés que tienen la conmutación aleatoria pueden tener una mejor oportunidad de sobrevivir que aquellos con conmutación de voltaje CERO porque comunmente conducen solo una parte del primer medio ciclo de voltaje. Por otro lado, un relé de conmutación aleatoria se encenderá con frecuencia esencialmente en el cruce de voltaje por CERO y luego el relé debe soportar la corriente de saturación en el peor de los casos..
El relé de conmutación de voltaje CERO tiene la ventaja de que se enciende en un modo conocido y predecible, y normalmente demostrará de inmediato (depediendo de la polaridad del flujo de apagado) la condición del peor de los casos.
Se recomienda el uso de un osciloscopio para estudiar la condición del peor caso del primer medio ciclo para verificar que no se exceda la capacidad de sobretensión de medio ciclo del relé.
La severidad del problema de saturación del transformador varía mucho dependiendo de cosas tales como el material magnético de su nucleo, la impedancia primaria saturada y la impedancia de línea.
Una regla general segura al aplicar un rele de estado sólido de CA al primario de un transformador es seleccionar un relé que tenga un rango de corriente de sobretensión de medio ciclo mayor que el voltaje máximo aplicado dividido por la resistencia del primario del transformador.
I Irrupción (pico) = V Linea (pico) / R primaria
Donde:
I Irrupción (pico) = Corriente de pico de medio ciclo pico del transformador en el peor de los casos.
V linea (pico) = Valor pico del voltaje de línea aplicado.
R = Resistencia primaria del transformador.
La resistencia primaria del transformador se mide fácilmente y se puede confiar que es una impedancia mínima que limita la corriente mínima del primer medio ciclo de conducción.
La presencia de algún flujo residual más la reactancia saturada del primario limitará aún más en el peor de los casos, la sobretensión de medio ciclo dentro de la capacidad segura del relé.
Al conmutar solenoides de C.A., se produce una corriente de irrupción hasta que se asienta el émbolo. Cuanto más larga sea la carrera (distancia de recorrido del émbolo desde el reposo hasta la posición sentada) mayor será la corriente de irrupción. El relé seleccionado además de manejar la corriente de estado estable (émbolo asentado), tambien debe tener un rango de sobretensión capaz de manejar la corriente de irrupción. Se deben estudiar las características de operación del solenoide para determinar la amplitud y duración de la corriente de irrupción.
Una aproximación segura para determinar un relé que conmutará una carga de solenoide es seleccionar uno con un rango de corriente de carga igual ó mayor que la corriente de irrupción del solenoide. Si no se conoce la corriente de irrupción, se puede calcular la corriente en el peor de los casos a partir de lo siguiente.
V Linea (RMS) = I bobina x RDC.
Donde:
I bobina = Corriente de la bobina del solenoide en el peor de los casos.
V Linea (RMS) = Valor RMS del voltaje de linea aplicado.
R DC = Resistencia de C.C. de la bobina del solenoide.
La resistencia (R DC) Se selecciona realmente en función de la condición del peor de los casos y soportará la alta corriente si se produce un mal funcionamiento mecánico que impida que el émbolo del solenoide se introduzca.
RELEVADORES DE ESTADO SÓLIDO DISPONIBLES EN ALTECH
Existe una extensa variedad de relevadores de estado sólido, cada uno con un diseño especial y con cualidades operativas diferentes de acuerdo al uso que se les vaya a dar y a las condiciones en que vayan a estar trabajando.
Los relevadores de las seríes 001, 018 y 020 con diseño tipo "disco de hockey" tienen un diseño compacto y son aptos para aplicaciones donde se requiera controlar elementos de una fase. Se debe seleccionar el voltaje de control para poner en funcionamiento el relevador y para esto se tienen opciones tanto en corriente directa como en corriente alterna en distintos rangos para ser adaptados en aplicaciones nuevas o bien sustituir algún elemento de la manera mas transparente posible.
En lo que respecta al contacto de salida, las opciones que ofrecen estos relevadores son bastante amplias pues de acuerdo al modelo de relevador existen opciones para conmutar voltajes desde 24 hasta 660 VCA y para completar la selección se debe tener bien definida la capacidad de corriente que el relevador deba soportar, para ésto se cuenta con opciones que van desde 10 hasta 90 Amperes con el modelo seleccionado adecuadamente. Para culminar su perfecta operación, se debe utliizar con su respectivo disipador de calor de acuerdo al modelo seleccionado.
La optimización de espacios es factor determinante y si a ésto se le suman características técnicas especiales además de una excelente presentación y una perfecta funcionalidad, es oportuno mencionar que existen los relevadores de la serie DIN61 con un diseño estilizado que además permite montarse sobre riel DIN. Con una capacidad de 10 Amperes en su contacto de salida lo convierte en un elemento muy solicitado para la conmutación de cargas considerables, además se tienen opciones para alimentar en CA o en CD y la flexibilidad para conmutar voltajes desde 48 hasta 600 VCA. Estas y otras cualidades lo hacen un equipo ideal para diversas aplicaciones.
En ocasiones parece muy complicado encontrar todas las prestaciones en un solo equipo y siempre se termina por optar lo que se tiene al alcance. Es muy buen punto hacer de su conocimiento que si se requiere un relevador compacto para montaje en riel DIN que pueda conmutar cargas monofásicas de hasta 40 Amperes, se ofrece el relevador de la seríe DIN 30 que cumple con las características antes mencionadas y además incluye su propio disipador de calor para optimizar su operación.
Para una correcta integración, se debe hacer la selección correcta de acuerdo al voltaje de activación, el cual puede ser de CA ó CD y en cuanto a la capacidad de su contacto de salida, éste conmuta tensiones desde 24 hasta 480 VCA de acuerdo al equipo seleccionado.
El conjunto de opciones no estaria completo ofertando solamente relevadores de alta calidad destinados para conmutar cargas monofásicas. Con el propósito de expandir la oferta de soluciones funcionales, es preciso poner a su alcance el relevador de estado sólido de tres fases de la serie 012, con un diseño reforzado para soportar cargas trifásicas de gran capacidad desde 10 hasta 125 Amperes según el modelo seleccionado, además de otras caracteristicas técnicas como voltaje de control en CA o en CD y una capacidad en sus salidas para soportar tensiones desde 50 hasta 480 VCA. Se recomienda utilizarlo con disipador de calor para garantizar un trabajo constante y seguro.
Puede existir una aplicación en la cual exista una carga muy pequeña y el requerimiento sea un relevador miniatura. La solución no se hace esperar con la presencia del relevador de estado sólido DIN17D600500, de los más pequeños en toda la gama. Tiene un voltaje de control de 4 a 32 VCD y un rango de corriente de salida de 3 a 20 mA.
Tiene un contacto de un polo doble tiro que soporta una tensión de 48 a 600 VCA. Su diseño super compacto y su excelente capacidad para conmutar cargas, lo hacen un elemento muy demandado para los tableros de control.
Cuando se están ejecutando trabajos de automatización, seguramente se puede encontrar algún módulo de salidas de PLC que tenga que activar elementos finales.
Una manera de darle más tiempo de vida a dichos módulos es intercalando relevadores entre éstos y los dispositivos finales de control.
Si la aplicación requiere relevadores de estado sólido, los elementos de la serie CSER1 tipo clema son la solución perfecta para éstas y algunas otras aplicaciones en las que un elemento de pequeña capacidad sea suficiente. Para mayor facilidad de integración, se pueden seleccionar voltajes de control desde 24 VCD y 24 VCA hasta 230 VCA y a la salida puede seleccionarse el modelo para conmutar ya sea 48 VCD o 380 VCA y corrientes que pueden ser de 100 mA., 2 y 4 Amperes.
Y es así como la empresa Altech continúa haciendose presente en la busqueda de soluciones para mantenerse vigente en el mercado con productos de alta calidad además de las elevadas prestaciones que hacen imprescindible su inclusión en cualquier proyecto de ingeniería.
Esperando que los temas tratados hayan contribuido en buen forma, la empresa Altech agradece su amable atención y les dá las más cumplidas gracias.