Control de Temperatura Preciso en Hornos Eléctricos: Potencia Proporcional y PWM

Control de Temperatura Preciso en Hornos: De On/Off a Proporcional

Para lograr un control de temperatura con mínimas fluctuaciones, es fundamental que el horno reciba una potencia gradual, ajustada a la medida exacta requerida para mantener la temperatura deseada.

Limitaciones del Control On/Off

En un sistema de control On/Off, como el que utiliza un relé para el mando de calentamiento, la potencia se entrega de forma binaria: o el relé está activado al 100%, suministrando la máxima potencia al horno, o está completamente desactivado, sin entregar potencia alguna.

Ventajas del Control Proporcional

En contraste, un controlador proporcional entrega una potencia que varía gradualmente entre 0% y 100%. Esta modulación se realiza según la necesidad y de forma proporcional al error (la diferencia entre el Setpoint (SP) y el Proceso Variable (PV)).

Métodos de Modulación de Potencia

Control Proporcional con Válvulas Motorizadas

La forma más intuitiva de entregar una potencia que varíe de 0% a 100% de manera continua sería mediante un horno de petróleo o gas, donde el control module la potencia a través de la llave de paso del combustible. Una llave completamente cerrada representaría 0% de potencia, y una totalmente abierta, 100%.

Sin embargo, el inconveniente de este método es que una válvula motorizada (gobernada, por ejemplo, mediante una señal de 4-20 mA) es una solución costosa y solo se justifica en aplicaciones que realmente lo demanden.

Modulación por Ancho de Pulso (PWM) para Hornos Eléctricos

Afortunadamente, es posible modular la potencia que recibe un horno eléctrico entre 0% y 100% utilizando el mismo contactor que se emplearía para un control On/Off.

¿Cómo funciona la PWM en hornos eléctricos?

La técnica consiste en modular el tiempo de activación del contactor durante un lapso de tiempo fijo, denominado tiempo de ciclo (t_c). Este tiempo de ciclo debe ser significativamente menor que el tiempo característico de respuesta del horno. De esta manera, el horno recibe un promedio de la potencia, sin que su temperatura siga las fluctuaciones rápidas de los pulsos de potencia.

Esta técnica es conocida como Modulación por Ancho de Pulso (PWM), del inglés Pulse Width Modulation.

Ejemplo Práctico de PWM

Para ilustrar la PWM, consideremos el siguiente ejemplo:

• Supongamos que un horno tiene un tiempo de respuesta de 1 minuto.
• Al aplicarle pulsos de calentamiento periódicos de 4 segundos, modulados en duración, el horno experimentará un calentamiento proporcional al promedio de tiempo que ha estado activado.
• Su temperatura no seguirá las fluctuaciones de 4 segundos con las que se aplica la potencia, ya que el tiempo de ciclo es mucho menor que su tiempo de respuesta.

Si nuestro horno funciona con un calefactor de 1000 W y se requiere una potencia de 500 W (equivalente al 50% de la potencia total), el relé se activaría durante 2 segundos y se desactivaría durante otros 2 segundos, para luego iniciar un nuevo ciclo. El efecto neto es que el horno recibe el 50% de la potencia, pero su temperatura no fluctúa al ritmo del tiempo de ciclo, ya que este es menor al tiempo de respuesta del horno.

Siguiendo con el ejemplo, si se necesitan 250 W (es decir, el 25% de la potencia), bastaría con tener el relé activado durante 1 segundo y desactivado durante 3 segundos.

Consideraciones sobre el Tiempo de Ciclo (t_c)

Para sistemas típicos, el tiempo de ciclo se ajusta generalmente entre 1 y 200 segundos, dependiendo de la aplicación.

Es importante destacar que a mayor tiempo de ciclo, menor es el desgaste de los contactores. Sin embargo, el tiempo de ciclo siempre debe ser inferior al tiempo característico del sistema para asegurar un control efectivo y sin fluctuaciones perceptibles.

La práctica recomendada es establecer un tiempo de ciclo igual a la mitad del tiempo característico del sistema.

Nota Técnica 10, rev. a, http://www.arian.cl