Sistemas automáticos de control
Controlar es medir, comparar y corregir, una y otra vez. En electrónica industrial lo que se corrige casi siempre es potencia: cuánta energía se le entrega a un horno, a un motor o a una línea de calefacción, y con qué método se la entrega.
01Lazo abierto y lazo cerrado
Se aplica una acción y se confía en que produzca el efecto esperado. Un dimmer de perilla, un horno con la resistencia al 50 % por reloj: nadie mide el resultado.
Es simple y barato. Falla apenas cambia algo: la tensión de red, la carga, la temperatura ambiente.
Se mide la variable, se la compara con la consigna y la diferencia —el error— gobierna la acción. El sistema se corrige solo ante perturbaciones.
Es lo que convierte un circuito de potencia en un sistema de control, y lo que introduce el problema nuevo: la estabilidad.
- Consigna (setpoint): el valor que se quiere.
- Variable de proceso: lo que se mide.
- Error: consigna menos medición.
- Variable manipulada: lo que el controlador mueve —el ángulo de disparo, el ciclo de trabajo—.
- Perturbación: todo lo que afecta al proceso sin que el controlador lo decida: se abrió una puerta, entró material frío, cayó la tensión de red.
- Régimen transitorio y permanente: cómo llega y cómo se queda.
02Tipos de control
| Tipo | Cómo decide | Resultado |
|---|---|---|
| Todo-nada | Enciende o apaga con dos umbrales | Siempre oscila alrededor de la consigna. Simple y suficiente para muchas cosas (control con dispositivos). |
| Proporcional (P) | Acción proporcional al error | No oscila, pero deja un error permanente: si el error fuera cero, la acción también lo sería. |
| PI | Suma el error a lo largo del tiempo | Elimina el error permanente. Puede sobrepasar y volverse lento. |
| PID | Agrega la velocidad de cambio del error | Anticipa y frena antes de llegar. Es el estándar industrial, y se desarrolla en 7° año. |
| Todo-nada con tiempo proporcional | Enciende un porcentaje de cada ciclo de trabajo (por ejemplo, 7 s de cada 10) | Con un actuador de dos estados se consigue un efecto proporcional. Es lo que hacen muchos controladores de horno. |
Si la acción es salida = K · error, para que el horno entregue el 40 % de potencia
—lo que necesita para compensar las pérdidas— el error tiene que valer algo. Con error cero,
la salida sería cero y el horno se enfriaría. Ese desvío permanente se llama offset, y es
exactamente lo que resuelve el término integral.
03Control de potencia monofásico
Hay dos maneras de entregarle a una carga un porcentaje de la potencia de red, y la elección no es estética: cambia el nivel de interferencia y qué cargas admite.
| Recorte de fase | Ciclos enteros | |
|---|---|---|
| Cómo regula | Retrasando el disparo dentro de cada semiciclo | Dejando pasar N ciclos completos de cada M |
| Resolución | Continua | En pasos: con 100 ciclos de base, 1 % |
| Interferencia | Alta: escalón de corriente 100 veces por segundo | Prácticamente nula: siempre conmuta en cero |
| Parpadeo visible | No | Sí, en lámparas |
| Sirve para | Iluminación, motores universales, cargas rápidas | Hornos, resistencias, cualquier carga con inercia térmica |
| Factor de potencia | Lo empeora: desplaza y distorsiona | Lo mantiene: cada ciclo es una senoidal entera |
Carga resistiva de 2000 W en 220 V.
- Por fase: hay que resolver la ecuación de la tensión eficaz para llegar al 60 % de potencia; da un ángulo de disparo de aproximadamente 81°. La corriente tiene un escalón brusco cien veces por segundo.
- Por ciclos enteros: se dejan pasar 6 ciclos de cada 10 (120 ms de base). La corriente es senoidal pura mientras conduce.
- En los dos casos la carga recibe 1200 W promedio. La diferencia está en la calidad de la red y en si el parpadeo importa.
04Control de potencia trifásico
Con potencias mayores a unos pocos kilowatt, la carga se reparte entre las tres fases. Eso mejora el equilibrio de la instalación pero complica el control: hay que sincronizar tres disparos desfasados 120°.
- Un par de tiristores en antiparalelo —o un triac— por fase.
- La carga puede estar en estrella o en triángulo (circuitos trifásicos); la conexión cambia las corrientes por cada llave.
- Con neutro accesible se puede controlar cada fase por separado; sin neutro, las tres se afectan entre sí y el análisis es bastante más complejo.
- El sincronismo se toma de la propia red, con un detector de cruce por cero por fase.
- Secuencia de fases: si se invierte, los disparos quedan desordenados.
- Desequilibrio: si una fase no dispara, las otras dos toman más corriente y la carga se calienta de manera despareja.
- Armónicos: tres controles de fase simultáneos inyectan mucha distorsión. En hornos grandes se prefiere el control por ciclos enteros justamente por eso.
- Aislación: los disparos van referidos a fases distintas, así que cada uno necesita su propia aislación: transformador de pulsos u optotriac. No se pueden manejar los tres desde una masa común.
- Tres resistencias en estrella sobre 380 V: cada una recibe 220 V y consume 5 kW.
- Corriente por fase: 5000/220 = 22,7 A. Se eligen tiristores de 50 A y 800 V, con disipador y ventilación forzada.
- Control por ciclos enteros con base de 100 ciclos (2 s): resolución del 1 %, sin armónicos y sin parpadeo perceptible en una carga térmica.
- Lazo cerrado con termocupla tipo K y controlador PID, que decide qué porcentaje pedir.
- Protección independiente: termostato de seguridad de rearme manual y fusibles ultrarrápidos por fase.
05El circuito de disparo
- Sincronismo con la red: el ángulo se cuenta desde el cruce por cero de esa fase.
- Aislación entre el control y la potencia: transformador de pulsos u optoacoplador.
- Energía suficiente en el pulso: corriente de compuerta por encima de la especificada, durante el tiempo necesario para que el tiristor enganche.
- Tren de pulsos en cargas inductivas: con un solo pulso corto, la corriente puede no haber alcanzado la de mantenimiento cuando el pulso termina y el tiristor se apaga. Se manda una serie de pulsos hasta el final del semiciclo.
El circuito clásico —UJT o integrado dedicado tipo TCA785— sigue funcionando y no depende de software. Un microcontrolador es más flexible: permite rampas de arranque, límites de corriente, comunicación y diagnóstico. Lo que no cambia es que la seguridad no puede depender del programa: el enclavamiento y las protecciones se cablean igual.
06En el laboratorio
Con una lámpara y un sensor de luz, regular el brillo primero en lazo abierto —consigna fija de PWM— y después en lazo cerrado con el sensor. Tapar parcialmente la lámpara: en lazo abierto la luz medida cae y se queda; en lazo cerrado, el sistema sube la potencia y recupera. Graficar las dos respuestas.
Programar un control proporcional puro sobre una carga térmica chica y anotar el error en régimen para tres valores de ganancia. Se verá que el error baja pero nunca llega a cero, y que con ganancia muy alta el sistema empieza a oscilar. Agregar el término integral y comparar.
Con transformador de aislación y tensión reducida, controlar una lámpara con recorte de fase y una resistencia con ciclos enteros al mismo porcentaje de potencia. Comparar en el osciloscopio la corriente de línea, y acercar una radio de AM: la interferencia del recorte de fase se escucha, la de ciclos enteros no.
Disparar un tiristor sobre carga inductiva con un pulso corto y observar que a veces no engancha. Cambiar a tren de pulsos y verificar que ahora conduce siempre. Es la manera más directa de entender la corriente de mantenimiento.
07Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| El sistema oscila alrededor de la consigna | Ganancia demasiado alta, o retardo del proceso mayor que el previsto. |
| Nunca llega a la consigna | Control proporcional puro: error permanente. Falta la acción integral. |
| Corrige bien pero tarda muchísimo | Integral demasiado lenta, o actuador subdimensionado. |
| Una fase del horno calienta menos | Un tiristor no dispara: revisar pulso, aislación y sincronismo de esa fase. |
| Interferencia en la radio y en los equipos vecinos | Recorte de fase sin filtro. Pasar a ciclos enteros si la carga lo permite. |
| La lámpara parpadea de manera molesta | Control por ciclos enteros sobre una carga sin inercia. Ahí corresponde recorte de fase. |
| El tiristor no engancha con carga inductiva | Pulso demasiado corto: hace falta tren de pulsos. |
| Todo funciona en el banco y falla en la planta | Ruido en la señal de sincronismo o del sensor. Apantallar, filtrar y separar las masas. |
08Autoevaluación
¿Qué distingue un lazo cerrado de uno abierto?
La medición del resultado. En lazo cerrado la variable se mide, se compara con la consigna y el error gobierna la acción; el sistema se corrige solo ante perturbaciones.
¿Por qué un control proporcional puro deja error permanente?
Porque su salida es proporcional al error: para sostener una acción distinta de cero, el error no puede ser cero. Ese desvío se elimina con la acción integral.
¿Cuándo conviene control por ciclos enteros y cuándo por recorte de fase?
Ciclos enteros en cargas con inercia térmica —hornos, resistencias—: no genera interferencia. Recorte de fase en iluminación y cargas rápidas, donde el parpadeo de los ciclos enteros sería visible.
Un horno de 15 kW en estrella sobre 380 V: ¿qué corriente por fase?
Cada resistencia recibe 220 V y consume 5 kW: I = 5000/220 = 22,7 A por fase.
¿Por qué cada fase de un control trifásico necesita su propia aislación de disparo?
Porque los tiristores de cada fase están referidos a potenciales distintos. Manejarlos desde una masa común cortocircuitaría las fases entre sí a través del circuito de mando.
¿Qué es un tren de pulsos y para qué se usa?
Una serie de pulsos de disparo repetidos hasta el final del semiciclo. Se usa con cargas inductivas, donde la corriente crece despacio y con un pulso único puede no alcanzar la corriente de mantenimiento antes de que el pulso termine.
¿Qué es una perturbación y por qué importa?
Cualquier cambio que afecta al proceso sin que el controlador lo decida: material frío que entra, una puerta abierta, la tensión de red que cae. Es la razón de ser del lazo cerrado.
El control funciona bien y de golpe empieza a oscilar al cambiar la carga. ¿Qué pasó?
Cambió la dinámica del proceso: con menos masa térmica responde más rápido y la ganancia que antes era adecuada ahora es excesiva. Hay que reajustar los parámetros para el nuevo punto de trabajo.
¿Por qué el recorte de fase empeora el factor de potencia?
Porque la corriente deja de ser senoidal y además queda desplazada respecto de la tensión: aparecen componente de desplazamiento y de distorsión. Los capacitores corrigen la primera pero no la segunda.
¿Puede el software reemplazar a las protecciones cableadas?
No. El programa puede colgarse, el sensor puede desconectarse y el tiristor puede quedar en cortocircuito. La seguridad se resuelve con dispositivos independientes: termostato de rearme manual, fusibles, enclavamientos.