El Rectificador de Corriente Directa en el Proceso de Galvanoplastia. Regulación, autoajuste y protección tanto en modo corriente como en modo voltaje. Parte 1

Del artículo anterior (ver aquí), recordemos que dijimos lo siguiente:

La ley de Ohm implica, desde el punto de vista práctico que podemos ajustar el voltaje o bien la corriente en un rectificador, pero no ambos. Uno de los dos parámetros terminará definido o establecido por el factor que los relaciona a ambos, osea la resistencia de la carga. En este caso la resistencia del conjunto electrolítico compuesto por los cables de conexión, las barras de contacto, los electrodos y la solución electroquímica.

Esta idea es importante a la hora de comprender porque un Rectificador de Corriente Directa diseñado especialmente para este tipo de aplicaciones es una mejor alternativa que una fuente de energía cuyo diseño está orientado a otros campos, pero eso lo veremos posteriormente.

A continuación se dará una explicación lo mas clara posible de que es lo que sucede con el rectificador o fuente de energía de corriente directa al aplicarse sus terminales de salida a una carga resistiva.

Proceso de conversión de energía

Primero que nada es necesario entender que el rectificador entrega a su salida energía, en forma de potencial (voltaje) y flujo de electrones (corriente). Pero esta energía debe ser tomada de algún lado y sometida a un proceso de conversión para que realice un trabajo útil. Ok, esa energía es tomada de la línea de alimentación de la red eléctrica, en forma de voltaje/corriente oscilante. La compañía de energía eléctrica (CFE en México) genera esa energía de diversas formas, principalmente por procesos de conversión termoeléctrica y distribuye esa energía a través de las líneas de distribución que mediante transformadores de diversas capacidades de conversión, van reduciendo el voltaje y la corriente hasta la instalación contratada, ya sea en una residencia, en un local comercial o en una instalación industrial. Dependiendo de las necesidades particulares del usuario, la compañía de energía le hará un contrato (y le cobrara en consecuencia) por la capacidad de energía (o potencia) que le dará en su punto de conexión. Para una instalación industrial por tanto no es raro encontrar conexiones que pueden ir desde los 12KW (12000W) hasta los 200KW. Es importante notar que a partir de cierto wattaje, la única forma de entregar esa capacidad de energía es mediante tres conexiones sincronizadas desde el generador, algo que comúnmente se conoce como instalación trifásica o bien mediante instalaciones de mediana tensión (1000 a 36000 VAC) que deben ser reducidas mediante instalaciones de subestaciones con transformadores internas. Pero eso es otro tema . Las casas y los locales comerciales pequeños por lo regular se contratan a una fase o a lo mas dos fases. Dependiendo de sus necesidades de consumo eléctrico, y en especial en una operación de recubrimiento electrolítico puede ser necesario la contratación de servicio trifásico, incluso para un pequeño taller. Pero ese tema sale del alcance de este artículo.

Especificaciones típicas de instalaciones eléctricas (en México):

Contrato doméstico/comercial (hasta 25KW)

Monofásico (1 hilo ) 110/120VAC 60Hz (Hasta 5KW)

Bifásico (2 hilos 110/120VAC c/u). Tensión de desfase entre dos hilos de 220/240VAC 60Hz (hasta 10KW)

Trifásico (3 hilos 110/120VAC c/u). Con desfase de 120 grados entre cada hilo, puede obtenerse tensión entre dos hilos cualquiera de 220/240 ó bien 440/480VAC 60Hz (hasta 25KW o mayor)

En otros países las especificaciones pueden ser ligeramente distintas por lo que lo invitamos a que realice su investigación particular si desea saber mas acerca de esto. De igual forma la información solo es ilustrativa y no pretende ser exacta conforme a las necesidades que pueda tener para su proyecto, por lo que le sugerimos la asesoría especializada en el suministro e instalaciones eléctricas en cualquier caso.

Bien. Entonces volviendo al tema, de aquí es de donde sale la energía que el rectificador convierte para entregar el Voltaje y la Corriente Directa a su salida. Entonces algo fuera de los límites de el "origen" de la energía desde luego supondrá una restricción para la operación del rectificador, es decir, para que quede mas claro, el rectificador no podrá entregar mas energía de la que es capaz de "jalar" de la línea contratada. Este punto es importante resaltarlo ya que frecuentemente se presta a confusiones con los usuarios de los rectificadores que suponen o creen que el equipo simplemente "aparecerá" de la nada la energía. Eso desde luego no sucede. Es imposible sacar 500Amp o mas, por ejemplo, de una instalación monofásica.

Entonces si un rectificador está especificado para dar a la salida un máximo de, por ejemplo 300VDC @ 30Amp, la potencia máxima que ese rectificador podrá entregar es 9KW (P=I x V) 300 x 30 = 9000 W = 9KW. Por tanto si el rectificador se conecta a una línea que no entrega como menos esos 9000W nunca podrá entregar a la salida esos 9000W. Si la instalación dá mas de esos 9KW el equipo podrá entregar teóricamente mas de 9000W, pero entonces entra en juego otra restricción, que tiene que ver con las capacidades intrínsecas de diseño y manufactura del mismo equipo.

Regulación y ajuste de voltaje y corriente (rectificador en modo voltaje y modo corriente)

Lo comentado en el último párrafo es importante a considerar ya que los límites de Voltaje y Corriente que el rectificador especifica a su salida no solo dependen de que haya la suficiente energía de alimentación disponible para convertir sino que igual están limitados por su topología y por las capacidades de los mismos componentes con los que se fabrican, tanto de sus etapas de potencia de entrada como de salida, nos referimos a los capacitores, transformadores, inductores, transistores de potencia, mosfets, triacs, etc.

Un rectificador de DC especificado para 300VDC @30Amp nunca entregará mas de 300VDC o mas de 30Amp sin forzar excesivamente los componentes internos y/o sin dañarse. Por tanto, un rectificador bien diseñado provee componentes y técnicas de regulación y protección que eviten que un voltaje excesivo aparezca en sus terminales o una corriente excesiva circule y dañe los componentes internos.

Estas técnicas y componentes aseguran por ejemplo que dos terminales que se ponen en "corto", osea con una resistencia de carga virtualmente de cero Ohms no acabe causando un daño catastrófico.

Antes de continuar, definiremos el modo voltaje como el modo de operación en el que el rectificador usa técnicas de control realimentado a la salida para regular el voltaje a un valor específico que es definido ya sea por el operador (setting point) en fuentes variables o por diseño en fuentes fijas.

Entonces la circuitería interna hará todo lo posible por mantener la salida a ese nivel de voltaje. En circuito abierto (sin carga conectada en las terminales), el voltaje permanece en el valor de regulación porque la corriente está en cero. El equipo no suministra corriente ya que esta no tiene por donde circular al ser la resistencia teóricamente infinita. Al conectar una resistencia finita, la corriente de salida por tanto, quedará definida en función de la ley de Ohm (I=V/R). Sin embargo los componentes internos también tienen limitaciones sobre la corriente máxima que puede circular a través de estos. De forma que si la resistencia de la carga es tan pequeña que la corriente sube por encima del nivel máximo tolerable y no se hace nada al respecto, primero se someterá a la electrónica a un punto de operación forzado que si continua la situación acabará por quemar alguna bobina o resistencia o algún otro componente por exceso de calor. En este punto es necesario que el rectificador implemente alguna técnica para detectar la corriente excesiva que al ser detectada "obligue" al regulador de voltaje a reducir el punto de ajuste hasta un nivel en el que la corriente circulante baje a niveles seguros. El caso extremo es el "corto circuito" donde por lo general el modo de protección rebajará el voltaje de salida a un punto cercano a cero Volts que puede persistir durante unos segundos antes de provocar que el equipo se queme o que alguna protección como fusible o interruptor térmico se bote. Mas adelante explicaremos mas detalladamente con un ejemplo.

El modo corriente, es similar, solo que las técnicas de control realimentado implementadas buscarán regular la corriente de salida a un valor fijo específico definido por el operador (setting point) o por diseño.

La circuitería interna hará todo por mantener la salida a ese nivel de corriente. En corto circuito (cero Ohms de resistencia entre las terminales) el voltaje está en cero y la corriente se mantendrá en el valor regulado aunque en la práctica no hay resistencia totalmente en cero siempre habrá cierta caída de tensión entre las terminales. El voltaje entre ambos será casi cero ya que la resistencia teórica es cero (V=IxR = I x 0 = 0). Al conectar una resistencia finita, el voltaje quedará definido por la ley de Ohm (V=IxR). Los componentes internos (capacitores, resistencias, transistores, diodos) tienen también limitaciones sobre el voltaje máximo que pueden soportar al estar operando. De forma que si la resistencia de la carga es mayor de cierto valor límite que hace que el voltaje suba por encima de ese valor máximo, esto podrá dañar la electrónica interna si no se implementan técnicas que "obliguen" al regulador de corriente a reducir el punto de ajuste hasta un nivel en el que el voltaje entre las terminales baje a niveles seguros. El caso extremo sería el "circuito abierto" donde el modo de protección rebajará la corriente de salida a cero Amp lo que elimina el riesgo de voltaje excesivo a la salida.

Casi todos los rectificadores y fuentes de alimentación operan en "modo voltaje". Si conectas una resistencia bastante alta o desconectas cualquier circuito de las terminales de salida (circuito abierto) el regulador de voltaje simplemente fija el voltaje en el set-point quedando la circulación de corriente en cero Amp. Si una resistencia muy baja es conectada a las terminales o se conecta en corto, el voltaje de salida será forzado hacia abajo para tratar de reducir la excesiva circulación de corriente a la salida a modo de protección. Esto es intuitivo de entender ya que la mente entiende perfectamente que la fuerza que mueve los electrones es el voltaje, voltaje es la causa y corriente la consecuencia. Pero tratar de mantener la corriente fija en un punto sin manipular el voltaje resulta contraintuitivo porque es como decir que la fuerza será "consecuencia" del impulso o velocidad y no al revés. Sin embargo si es posible regular la corriente de salida y producir como consecuencia entre las terminales un voltaje como resultado de la ley de Ohm (V=IxR). En esencia eso es el "modo corriente" o fuente de corriente. En la imagen vemos el diagrama estándar tanto de una fuente de voltaje como de una fuente de corriente no ideales (imagen 1) . Nótese la presencia de las resistencias intrínsecas de las fuentes, en la de voltaje es una resistencia muy pequeña en serie con las terminales de salida mientras que en la de corriente es una resistencia muy elevada en paralelo con la fuente de corriente y las terminales de salida. La existencia de estas resistencias explicará mas adelante, porque una fuente de voltaje en corto cae a un nivel de voltaje de "casi" cero para mantener la corriente abajo del nivel máximo permitido para el aparato. De igual forma la resistencia en paralelo de la fuente de corriente explica porque una fuente de corriente en "circuito abierto" reduce su circulación de corriente a "casi cero" (a través de esa elevada resistencia interna en paralelo) y porque en las terminales del rectificador aparece una tensión en los bornes de conexión cuando no hay carga conectada a estos (circuito abierto).

El modo voltaje por tanto es suficiente para cualquier aplicación de fuente de alimentación. Se define el voltaje o voltajes a los que deben operar los circuitos y se seleccionan los componentes que soporten la corriente que esos circuitos demandarán de la fuente.

Sin embargo hay aplicaciones donde, por razones variadas, la corriente es el parámetro mas importante a regular o mantener estable. Una de esas aplicaciones es por ejemplo el conocido método de bus de comunicación analógica usado en instrumentación (4-20mA) (Imagen 2). Otra aplicación es la galvanoplastia o la aplicación de recubrimientos por método electrolítico, donde por lo general el proceso se define a partir de la "densidad de corriente" que es necesario mantener sobre el circuito electroquímico para garantizar una reacción que produzca la adherencia de un metal sobre la superficie de una pieza.

Esto último comentado obliga a que el equipo rectificador de corriente directa, cuente con un subsistema o circuitería que pueda regular la corriente a un valor fijo e implemente medidas para ajustar este punto de operación de corriente si el voltaje de salida excede las capacidades de los componentes internos.

Como veremos, para estas aplicaciones de electroquímica, además de poder regular en modo corriente, es deseable que se pueda regular en modo voltaje a la vez y que esta operación pueda ser realizada de forma automática por el mismo equipo. Otra de las características deseables y que analizaremos en el próximo artículo es la de poder elegir mediante configuración los puntos de regulación, tanto de voltaje como de corriente, es decir que tanto la fuente de corriente como la fuente de voltaje sean variables y no fijas.

En la próxima entrega ahondaremos mas sobre estos punto.

Eso sería todo por hoy, lo invitamos a visitar nuestro catálogo en línea donde podrá verificar las diversas alternativas en Rectificadores de Corriente Directa para galvanoplastia y procesos de recubrimiento electrolítico que pueden cubrir sus requerimientos particulares de proceso. Por lo pronto nos vemos en la próxima entrega.

Hasta luego

Atribuciones:

Imagen 1: Spinningspark, https://en.wikipedia.org/wiki/File:Non-ideal_voltage_and_current_sources.svg. This work is licensed under the Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 License.

Imagen 2: Dougsim, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:4-20mA_Current_loops.png