Gestión de la corriente de entrada
Es posible que un relé de estado sólido de cruce cero sea el peor método para encender un transformador o una carga altamente inductiva. Se ha demostrado1 que el encendido de cruce cero de estas cargas puede provocar una sobrecorriente de entre 10 y 40 veces la corriente de estado estacionario, mientras que el encendido en el pico de voltaje provoca una sobrecorriente escasa o nula.
La corriente de sobretensión de tal magnitud puede acortar en gran medida la vida útil del SSR de cruce cero, a menos que el SSR tenga una clasificación de corriente muy superior a la carga. Crean EMI y RFI (a lo largo de la línea de carga) que pueden destruir las puertas lógicas y causar el encendido no deseado de los interruptores semiconductores. Además, estas corrientes de sobretensión crean tensiones térmicas y mecánicas en los devanados de la inductancia y en las láminas del núcleo del transformador. Estas tensiones pueden conducir a una falla temprana del dispositivo.
La causa de la corriente de entrada de tal magnitud es la saturación del núcleo. Los transformadores están diseñados para operar por debajo del ángulo de la curva de saturación del material del núcleo, es decir, por debajo del punto A de la Figura 1. Sin embargo, la saturación ocurre y, cuando lo hace, la inductancia disminuye a un valor muy bajo. Luego, la impedancia cae un poco más que la resistencia de la CC del circuito primario. (Esto puede ser cierto para cualquier reactancia saturable).
Cuando una inductancia cuyo núcleo no contiene magnetismo remanente se energiza inicialmente en el pico de voltaje, la velocidad de cambio de corriente (di/dt) genera un máximo de contraelectromotriz y, como se muestra en A de la Figura 2, no hay aumento de flujo. Sin embargo, si el voltaje se aplica a cero, el valor "cemf" es mínimo y se produce una "duplicación del flujo", como se muestra en B de la Figura 2. Esta duplicación del flujo es el resultado de un aumento de corriente que puede durar varios medio ciclos.
El magnetismo remanente en el núcleo puede agravar esta condición de sobretensión. La naturaleza del material del núcleo es retener el magnetismo hasta cierto punto después de que se haya eliminado el voltaje de magnetización. Si el voltaje primario del transformador se vuelve a aplicar en cruce cero y en una dirección tal que el campo creciente soporta flujo remanente, se obtiene un flujo de 2øm + ør (C de la Fig. 2). Este flujo, por supuesto, está desviado de cero por completo, y el núcleo está en saturación profunda, como lo muestra la curva de histéresis en F de la Figura 2 (D y E son las curvas de histéresis para las condiciones A y B, respectivamente). La corriente de entrada, por lo tanto, muchas veces es normal, como se muestra en G de la Figura 2, y puede durar varios medio ciclos.
Un transformador de 150 VA tiene una resistencia primaria de CC de 120 voltios de alrededor de 1.5 ohmios; y un transformador de 500 VA, una resistencia primaria de 120 voltios de alrededor de 0.3 ohmios. Uno podría pensar que un SSR de cruce cero de 5 amperios sería más que suficiente para cambiar la corriente del transformador de 150 VA. Sin embargo, durante la saturación del núcleo, la entrada del bobinado primario es de 80 amperios:
I = E sobre R = 120 sobre 1.5 = 80 amperios.
En el caso del transformador de 500 VA, podríamos pensar que un SSR de 10 amperios podría ser suficiente. Sin embargo, durante la saturación del núcleo, la corriente primaria es de 400 amperios:
I = E sobre R = 120 sobre 0.03 = 400 amperios.
En tales condiciones, el SSR está sobrecargado en gran medida y el transformador se sobrecalienta. (La potencia que se gasta en el primario durante este aumento de 400 amperios sería alrededor de 40 KVA).
Figura 1.
Figura 2.
Las figuras 3 y 4 muestran el efecto de un SSR encendido de 90° en la corriente de entrada del transformador. En la Figura 3A, el transformador secundario está abierto y el primario está encendido casi a voltaje cero. Se produce una primera entrada de medio ciclo de 200 amperios (lea el trazado del alcance de derecha a izquierda). Sin embargo, cuando ese mismo transformador se enciende a máxima tensión (Fig. 3B), la corriente de entrada es solo un 17 % mayor que la corriente de estado estacionario. Es decir, irrumpe si hay 7 amperios.
Figura 3. Transformador de 150 VA, secundario descargado. El trazado superior es la corriente primaria; el trazado inferior es el voltaje primario (120 V de CA). (Lea el trazado de derecha a izquierda).
La Figura 4 muestra el oscilograma del mismo transformador con el secundario conectado a una resistencia de 250 ohmios. Como se puede ver al comparar las Figuras 3A y 4A, un secundario cargado no tiene un efecto notable sobre la corriente de entrada primaria.
Las corrientes de sobretensión como las que se muestran en las Figuras 3A y 4A pueden ser destructivas para un SSR de cruce cero.
Figura 4. Transformador de 150 VA, secundario conectado a través de una resistencia de 250 ohmios, 240 V de CA. El trazado superior es la corriente primaria; el trazado inferior es el voltaje primario (120 V de CA).
Un SSR de "cruce cero" no se enciende siempre con un voltaje cero, exactamente. El circuito tarda quizás un milisegundo o más en reaccionar. Por lo tanto, es posible que el interruptor de carga no se encienda por completo hasta que el voltaje de carga sea quizás de 15 a 20 voltios. En este caso, la corriente de sobretensión no es tan grande, pero aún es potencialmente destructiva. Además, un SSR de activación aleatoria puede, a veces, encenderse en el cruce cero o cerca del cruce cero. El mejor método para encender transformadores y otras cargas saturables y altamente inductivas es mediante el uso de un dispositivo de encendido en el pico de voltaje. El encendido en el pico de voltaje genera una sobrecarga mínima, si es que se presenta alguna sobretensión.
Los SSR de cruce cero son excelentes interruptores para cargas resistivas capacitivas y ligeramente inductivas. Aun así, debe tenerse en cuenta la corriente de entrada. Es decir, una lámpara incandescente puede generar una corriente de entrada de "filamento frío" de 10 a 20 veces la corriente de "filamento caliente" en estado estacionario. Un motor puede generar una corriente de "rotor bloqueado" de quizás 6 veces su corriente de funcionamiento. Y la corriente de entrada de un condensador o de un circuito en el que está presente una capacitancia parásita significativa, se limita solo por la resistencia de la CC del circuito.
Referencias
1. “Alternating Current Machines,” Halsted Press, John Wiley & Son, “Inductively Loaded SSRs Control Turn-On to Eliminate First-Cycle Surges,” Electronic Design, 15 de marzo de 1979. “Controlling Transformer Inrush Currents,” EDN, julio de 1966. “The Great Zero Cross-over Hoax,” NARM Proceedings, mayo de 1974.
Gestión de la corriente de entrada
Es posible que un relé de estado sólido de cruce cero sea el peor método para encender un transformador o una carga altamente inductiva. Se ha demostrado1 que el encendido de cruce cero de estas cargas puede provocar una sobrecorriente de entre 10 y 40 veces la corriente de estado estacionario, mientras que el encendido en el pico de voltaje provoca una sobrecorriente escasa o nula.
La corriente de sobretensión de tal magnitud puede acortar en gran medida la vida útil del SSR de cruce cero, a menos que el SSR tenga una clasificación de corriente muy superior a la carga. Crean EMI y RFI (a lo largo de la línea de carga) que pueden destruir las puertas lógicas y causar el encendido no deseado de los interruptores semiconductores. Además, estas corrientes de sobretensión crean tensiones térmicas y mecánicas en los devanados de la inductancia y en las láminas del núcleo del transformador. Estas tensiones pueden conducir a una falla temprana del dispositivo.
La causa de la corriente de entrada de tal magnitud es la saturación del núcleo. Los transformadores están diseñados para operar por debajo del ángulo de la curva de saturación del material del núcleo, es decir, por debajo del punto A de la Figura 1. Sin embargo, la saturación ocurre y, cuando lo hace, la inductancia disminuye a un valor muy bajo. Luego, la impedancia cae un poco más que la resistencia de la CC del circuito primario. (Esto puede ser cierto para cualquier reactancia saturable).
Cuando una inductancia cuyo núcleo no contiene magnetismo remanente se energiza inicialmente en el pico de voltaje, la velocidad de cambio de corriente (di/dt) genera un máximo de contraelectromotriz y, como se muestra en A de la Figura 2, no hay aumento de flujo. Sin embargo, si el voltaje se aplica a cero, el valor "cemf" es mínimo y se produce una "duplicación del flujo", como se muestra en B de la Figura 2. Esta duplicación del flujo es el resultado de un aumento de corriente que puede durar varios medio ciclos.
El magnetismo remanente en el núcleo puede agravar esta condición de sobretensión. La naturaleza del material del núcleo es retener el magnetismo hasta cierto punto después de que se haya eliminado el voltaje de magnetización. Si el voltaje primario del transformador se vuelve a aplicar en cruce cero y en una dirección tal que el campo creciente soporta flujo remanente, se obtiene un flujo de 2øm + ør (C de la Fig. 2). Este flujo, por supuesto, está desviado de cero por completo, y el núcleo está en saturación profunda, como lo muestra la curva de histéresis en F de la Figura 2 (D y E son las curvas de histéresis para las condiciones A y B, respectivamente). La corriente de entrada, por lo tanto, muchas veces es normal, como se muestra en G de la Figura 2, y puede durar varios medio ciclos.
Un transformador de 150 VA tiene una resistencia primaria de CC de 120 voltios de alrededor de 1.5 ohmios; y un transformador de 500 VA, una resistencia primaria de 120 voltios de alrededor de 0.3 ohmios. Uno podría pensar que un SSR de cruce cero de 5 amperios sería más que suficiente para cambiar la corriente del transformador de 150 VA. Sin embargo, durante la saturación del núcleo, la entrada del bobinado primario es de 80 amperios:
I = E sobre R = 120 sobre 1.5 = 80 amperios.
En el caso del transformador de 500 VA, podríamos pensar que un SSR de 10 amperios podría ser suficiente. Sin embargo, durante la saturación del núcleo, la corriente primaria es de 400 amperios:
I = E sobre R = 120 sobre 0.03 = 400 amperios.
En tales condiciones, el SSR está sobrecargado en gran medida y el transformador se sobrecalienta. (La potencia que se gasta en el primario durante este aumento de 400 amperios sería alrededor de 40 KVA).
Figura 1.
Figura 2.
Las figuras 3 y 4 muestran el efecto de un SSR encendido de 90° en la corriente de entrada del transformador. En la Figura 3A, el transformador secundario está abierto y el primario está encendido casi a voltaje cero. Se produce una primera entrada de medio ciclo de 200 amperios (lea el trazado del alcance de derecha a izquierda). Sin embargo, cuando ese mismo transformador se enciende a máxima tensión (Fig. 3B), la corriente de entrada es solo un 17 % mayor que la corriente de estado estacionario. Es decir, irrumpe si hay 7 amperios.
Figura 3. Transformador de 150 VA, secundario descargado. El trazado superior es la corriente primaria; el trazado inferior es el voltaje primario (120 V de CA). (Lea el trazado de derecha a izquierda).
La Figura 4 muestra el oscilograma del mismo transformador con el secundario conectado a una resistencia de 250 ohmios. Como se puede ver al comparar las Figuras 3A y 4A, un secundario cargado no tiene un efecto notable sobre la corriente de entrada primaria.
Las corrientes de sobretensión como las que se muestran en las Figuras 3A y 4A pueden ser destructivas para un SSR de cruce cero.
Figura 4. Transformador de 150 VA, secundario conectado a través de una resistencia de 250 ohmios, 240 V de CA. El trazado superior es la corriente primaria; el trazado inferior es el voltaje primario (120 V de CA).
Un SSR de "cruce cero" no se enciende siempre con un voltaje cero, exactamente. El circuito tarda quizás un milisegundo o más en reaccionar. Por lo tanto, es posible que el interruptor de carga no se encienda por completo hasta que el voltaje de carga sea quizás de 15 a 20 voltios. En este caso, la corriente de sobretensión no es tan grande, pero aún es potencialmente destructiva. Además, un SSR de activación aleatoria puede, a veces, encenderse en el cruce cero o cerca del cruce cero. El mejor método para encender transformadores y otras cargas saturables y altamente inductivas es mediante el uso de un dispositivo de encendido en el pico de voltaje. El encendido en el pico de voltaje genera una sobrecarga mínima, si es que se presenta alguna sobretensión.
Los SSR de cruce cero son excelentes interruptores para cargas resistivas capacitivas y ligeramente inductivas. Aun así, debe tenerse en cuenta la corriente de entrada. Es decir, una lámpara incandescente puede generar una corriente de entrada de "filamento frío" de 10 a 20 veces la corriente de "filamento caliente" en estado estacionario. Un motor puede generar una corriente de "rotor bloqueado" de quizás 6 veces su corriente de funcionamiento. Y la corriente de entrada de un condensador o de un circuito en el que está presente una capacitancia parásita significativa, se limita solo por la resistencia de la CC del circuito.
Referencias
1. “Alternating Current Machines,” Halsted Press, John Wiley & Son, “Inductively Loaded SSRs Control Turn-On to Eliminate First-Cycle Surges,” Electronic Design, 15 de marzo de 1979. “Controlling Transformer Inrush Currents,” EDN, julio de 1966. “The Great Zero Cross-over Hoax,” NARM Proceedings, mayo de 1974.
