Revista Científica de Ingeniería, Industria y Arquitectura
Vol.9, Núm.18 (jul-dic 2026) ISSN: 2737-6451
Cita sugerida: Rivadeneira Mendoza, J., Muñoz Sánchez, J., Zevallos
Zambrano, J., Zambrano Zambrano, Y., & Palacios Castro, E. (2026). Análisis
comparativo de actuadores SSR y por recorte de onda en procesos térmicos.
Revista Científica FINIBUS Ingeniería, Industria y Arquitectura, 9(18), 135-
142. https://doi.org/10.56124/finibus.v9i18.011
DOI : https://doi.org/10.56124/finibus.v9i18.011
Recibido: 24-02-2026 Revisado: 15-05-2026
Aceptado:17-06-2026 Publicado: 01-07-2026
Artículo original
Análisis comparativo de actuadores SSR y por recorte
de onda en procesos térmicos
Javier Rivadeneira Mendoza [1]
José Muñoz Sánchez [1]
Jorge Zevallos Zambrano [1]
Yimy Zambrano Zambrano [1]
[1] Escuela Superior Politécnica Agropecuaria de Manabí "Manuel Félix López" (ESPAM MFL). Calceta, Ecuador.
[2] Instituto Superior Tecnológico "Paulo Emilio Macías" (ISTPEM). Portoviejo, Ecuador.
Autor para correspondencia: jarivadeneira@espam.edu.ec
Resumen
En los procesos térmicos industriales de la región predomina el uso de esquemas de control encendido-apagado (on-off), los
cuales generan oscilaciones y sobreimpulsos que reducen la eficiencia energética y comprometen la calidad del producto.
Dejando de lado este enfoque ineficiente mediante la adopcn de un control Proporcional-Integral (PI) como estándar, este
estudio tuvo como objetivo comparar el desempeño de dos actuadores de potencia para determinar la alternativa óptima y viable
para su implementación regional. Se evaluó un relé de estado sólido (SSR) con modulación por ráfagas de voltaje y un regulador
por recorte de onda (TRIAC) por control de fase. Metodológicamente, se desarrolló un modelo matemático de caja blanca de
una planta térmica representativa, se obtuvo su función de transferencia a 50 °C y se diseñó un controlador PI sintonizado en
MATLAB y Simulink. Ambos actuadores se incorporaron en lazo cerrado bajo una secuencia idéntica de cambios de consigna
para evaluar su velocidad de respuesta, sobreimpulso y comportamiento energético. Los resultados evidenciaron que el
recortador de onda ofrece un rastreo lineal sin sobreimpulsos, mientras que el SSR presenta oscilaciones transitorias mitigadas
por la inercia térmica de la carga y la acción integral. Se concluye que, aunque el recortador de onda posee mayor precisión
dinámica, introduce alta distorsión armónica. El SSR constituye la opción óptima para la región debido a su robustez, bajo
costo y nulo impacto armónico, resultando idóneo para automatizar procesos resistivos en contextos con recursos limitados
como el secado agroindustrial de café y cacao.
Palabras Clave: control de procesos; rede estado sólido; control de fase; control proporcional integral; automatización
industrial.
Article
Comparative Analysis of SSR and Phase-Cutting Actuators in Thermal Processes
Abstract
In the industrial thermal processes of the region, the use of on-off control schemes predominates, generating oscillations and
overshoots that reduce energy efficiency and compromise product quality. Leaving aside this inefficient approach through the
adoption of a Proportional-Integral (PI) control as a standard, this study aimed to compare the performance of two power
actuators to determine the most optimal and viable alternative for regional implementation. A solid-state relay (SSR) with
voltage burst modulation and a phase-cutting voltage regulator (TRIAC) operating through phase control were evaluated.
Methodologically, a white-box mathematical model of a representative thermal plant was developed, its transfer function was
obtained at 50 °C, and a tuned PI controller was designed in MATLAB and Simulink. Both actuators were incorporated into
the closed loop under an identical sequence of setpoint changes to evaluate their response speed, overshoot, and energy
behavior. The results showed that the phase-cutting actuator provides linear tracking without overshoots, whereas the SSR
exhibits transient oscillations mitigated by the load's thermal inertia and the integral action. It is concluded that although the
phase-cutting actuator has greater dynamic precision, it introduces high harmonic distortion. The SSR constitutes the most
optimal choice for the region due to its robustness, low cost, and zero harmonic impact, making it ideal for automating resistive
processes in resource-limited contexts such as the agro-industrial drying of coffee and cocoa.
Keywords: process control; solid-state relay; phase control; proportional-integral control; industrial automation.
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Rivadeneria Mendoza et al. (2026) https://doi.org/10.56124/finibus.v9i18.011
1. Introducción
El control preciso de procesos térmicos constituye uno de los
desafíos centrales de la ingeniería de control aplicada a
sistemas industriales y agroindustriales. En sistemas donde
la generación de calor depende de resistencias eléctricas
alimentadas en corriente alterna, la dinámica rmica suele
ser lenta, no lineal y susceptible a perturbaciones
ambientales, lo que dificulta mantener la temperatura en un
punto de operación estable sin la intervención de un lazo de
control automático (Chang et al., 2024; Yu et al., 2025). Para
regular esta variable sin depender de un operador, se requiere
un sistema de lazo cerrado en el que un controlador,
típicamente del tipo Proporcional-Integral-Derivativo (PID)
(Åström & Murray, 2021; Seborg et al., 2020), recibe la
señal de un sensor de temperatura, la compara con el valor
de consigna y actúa sobre un elemento final de control, como
un banco de resistencias o un ventilador.
A pesar de la disponibilidad de tecnologías de control
modernas, una parte significativa de la pequeña y mediana
industria en Latinoamérica continúa operando con esquemas
rústicos de encendido-apagado (on-off), controlados por
pirómetros básicos y contactores magnéticos (Acuña Bravo
et al., 2022). Esta práctica, motivada por la simplicidad de
instalación y por la percepción de que el control proporcional
es costoso o difícil de mantener en campo, genera
oscilaciones continuas y sobre impulsos térmicos derivados
de la inercia del calentamiento resistivo. En procesos
sensibles a la temperatura, estos picos térmicos superan los
límites tolerados por la materia procesada, ocasionando
pérdidas energéticas y degradación de la calidad del
producto. Un caso representativo de esta problemática se
observa en el secado agroindustrial de granos como el café y
el cacao, donde la inestabilidad térmica induce un estrés
calórico que degrada compuestos organolépticos y
nutricionales (Osorio & Pabón, 2022; Velásquez &
Banchón, 2023); no obstante, el mismo fenómeno se replica
en cualquier proceso térmico resistivo que carezca de una
dosificación adecuada de la energía.
Migrar estos sistemas hacia un esquema de Control
Proporcional-Integral-Derivativo (PID) (Ogata, 2020;
Seborg et al., 2020) exige, ades del algoritmo de control,
seleccionar un actuador de potencia capaz de dosificar con
precisión la energía entregada al elemento calefactor. Para
este propósito existen dos tecnologías principales: los relés
de estado sólido (SSR), que conmutan ráfagas completas de
voltaje en corriente alterna, y los reguladores de voltaje por
recorte de onda mediante TRIAC, que varían de forma
continua el voltaje eficaz entregado a la carga según el
ángulo de disparo (Lumbreras et al., 2020). Ambas
tecnologías presentan compromisos distintos entre precisión
dinámica, costo, complejidad de implementación y calidad
de la energía entregada a la red eléctrica, por lo que su
selección no es trivial y requiere un análisis comparativo
riguroso antes de su implementación en campo.
La relevancia de este trabajo radica en evaluar, desde una
perspectiva de ingeniería de control y mediante simulación,
qué actuador de potencia ofrece el mejor equilibrio entre
desempeño dinámico, eficiencia energética y viabilidad de
implementación para procesos térmicos resistivos. Si bien el
estudio toma como caso de validación un secador
agroindustrial de flujo estático, los principios analizados
el modelado por caja blanca, la linealización en el punto de
operación y la comparación de actuadores de potencia son
generalizables a cualquier proceso industrial que requiera el
control preciso de una variable térmica mediante
calentamiento resistivo, tales como hornos, cámaras de
curado, sistemas de pasteurización o procesos de secado
industrial en general.
En este contexto, el objetivo de este trabajo es determinar,
mediante simulación en MATLAB y Simulink, el actuador de
potencia más adecuado para el control de un proceso térmico
resistivo, comparando el desempeño de un esquema basado
en relé de estado sólido (SSR) frente a un esquema de recorte
de onda (TRIAC), utilizando como caso de validación un
secador agroindustrial de café.
2. Metodología
Para el desarrollo de esta investigación se adoptó un enfoque
de modelamiento matemático y simulación numérica en el
entorno MATLAB y Simulink. Se seleccionó como caso de
validación un secador agroindustrial de flujo estático tipo
silo, cuyo principio de funcionamiento se basó en la
generación de calor mediante un banco de resistencias
eléctricas alimentadas en corriente alterna. El objetivo
metodológico consistió en evaluar y comparar el impacto de
dos tecnologías de actuación sobre la dosificación de la
energía entregada a la carga resistiva: un esquema de
conmutación por relé de estado sólido (SSR), que emuló el
comportamiento de una modulación por ráfagas de voltaje en
ciclos completos de red, y un esquema de control por recorte
de onda mediante TRIAC, que varió el voltaje eficaz (Vrms)
entregado a la carga de forma lineal entre 0 y 220 V en
función del ángulo de disparo. Se sometió al sistema a una
temperatura de consigna constante de 50 °C, valor que
representa un punto de operación estándar para evitar la
degradación térmica del proceso.
Dado que el estudio se desarrolló íntegramente mediante
simulación numérica y modelamiento analítico, no involucró
la participación de seres humanos ni de animales, ni el uso
de datos personales o sensibles. En consecuencia, el
desarrollo del trabajo no vulneró ninguna normativa ética
vigente y, conforme a los lineamientos del Consejo
Científico y el Comité de Ética de la institución de
procedencia de los autores, quedó exento de la evaluación
por parte de dicho comité institucional.
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Análisis comparativo de actuadores SSR y por recorte de onda en procesos térmicos
2.1. Modelamiento matemático de la planta (caja blanca)
Se aplicó la técnica de modelamiento por caja blanca (Close
et al., 2019) sobre la estructura de la planta térmica,
fundamentada en las leyes de la termodinámica. El balance
de energía térmica transitoria en la cámara se definió de
acuerdo con la relación establecida en (1):
󰇛󰇜 (1)
Donde cada componente se desglosó a partir de las
propiedades físicas de los materiales. La energía
suministrada por las resistencias mediante la ley de Joule se
expresó a través de (2), el calor absorbido por la masa del
producto y las pérdidas térmicas disipadas por las paredes se
determinaron respectivamente mediante (3) y (4), y el calor
acumulado por el volumen de aire dentro del recinto cerrado
se calculó mediante (5):
(2)
  
 (3)
  
 (4)

   
 (5)
Al sustituir estas relaciones en el balance general de (1), se
obtuvo la ecuación diferencial ordinaria no lineal de primer
orden que gobierna la planta, representada en (6), la cual se
agrupó en su forma compacta en (7), donde K1 corresponde
a la constante de inercia térmica y K4 a la constante de
disipación:
󰇛
  󰇜

 󰇛 󰇜 (6)


󰇛󰇜 (7)
2.2. Linealización y función de transferencia
Debido a que la entrada de voltaje ingresó de forma
cuadrática (Vt2), el sistema resultó no lineal. El término de
potencia se linealizó mediante una expansión en series de
Taylor alrededor del punto de operación estacionario (T0 =
50 °C), que requirió un voltaje de mantenimiento constante
(V0). Definiendo las variables incrementales ΔTR = TR – T0
y ΔVt = Vt V0, la aproximación lineal se describió en (8),
y al sustituirla en (7) se obtuvo la ecuación diferencial lineal
incremental descrita en (9), donde K5 representa la ganancia
incremental de potencia del actuador:
󰇡
󰇢 (8)
󰇛󰇜
 󰇛󰇜 󰇛󰇜 (9)
Se aplicó la Transformada de Laplace bajo la premisa de
condiciones iniciales nulas TR(0) = 0), trasladando la
ecuación diferencial al dominio de la frecuencia compleja, lo
que resultó en la expresión (10). Al despejar la relación entre
la variable de salida (temperatura) y la variable de entrada
(voltaje), se dedujo la función de transferencia del modelo
Lineal e Invariante en el Tiempo (LTI) de primer orden
formulada en (11):
󰇛󰇜 󰇛󰇜 󰇛󰇜
(10)
󰇛󰇜
󰇛󰇜

(11)
Al evaluar numéricamente las constantes físicas y los
coeficientes térmicos de la planta para la carga operativa de
150 kg, se obtuvo la función de transferencia experimental
empleada en las simulaciones, detallada en (12):
󰇛󰇜
󰇛󰇜 

(12)
2.3. Diseño y sintonización del controlador
La función de transferencia obtenida en (12) se introdujo en
el entorno Simulink dentro de una configuración de lazo
cerrado con retroalimentación negativa, tal como se ilustra
en la Figura 1. Las ganancias del controlador Proporcional-
Integral (PI) se calcularon mediante la función de
sintonización automática (Auto-tune) integrada en el bloque
PID de Simulink, la cual linealizó el lazo en el punto de
operación de forma interna. Los parámetros de configuración
seleccionados dentro de la interfaz gráfica se ilustran en la
Figura 2.
Figura 1. Implementación en Simulink del modelo de lazo cerrado
basado en la función de transferencia de la Ecuación (12),
empleado para el diseño del controlador PI.
2.4. Modelado de los actuadores de potencia y
arquitectura de simulación
Una vez sintonizado el controlador PI, se sustituyó la acción
de control ideal y se incorporaron los bloques lógicos y
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matemáticos personalizados de los dos actuadores
evaluados. Para el esquema del relé de estado sólido (SSR)
se desarrolló un modelo de conmutación basado en
modulación por ráfagas, que entregó ciclos completos de
voltaje en corriente alterna. Para el regulador por recorte de
onda (TRIAC) se programó la ecuación que calculó el
voltaje eficaz (Vrms) de salida de forma continua entre 0 y
220 V según el ángulo de disparo. Se estructuraron tres
modelos en paralelo dentro del mismo entorno el modelo
ideal, el modelo con actuador por recorte de onda y el
modelo con actuador SSR, cuya arquitectura conjunta se
muestra en la Figura 3, lo que permitió ejecutar las
simulaciones bajo condiciones idénticas y comparar
cuantitativamente la velocidad de respuesta, la estabilidad
térmica y el consumo eléctrico estimado para cada
tecnología (Yu et al., 2025).
Figura 2. Parámetros de configuración del bloque PID Controller de Simulink en modo de control PI, obtenidos mediante la herramienta
Auto-tune.
Figura 3. Arquitectura general en Simulink para la simulación en paralelo del modelo ideal frente a los modelos con actuador por recorte
de onda y con actuador SSR.
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2.5. Parámetros físicos de la planta y nomenclatura
Los parámetros físicos de la planta real empleados en el
entorno de simulación fueron los siguientes: volumen útil de
la cámara (Vsec) de 0.75 m³, masa estructural de 45 kg
correspondiente a las paredes de acero del secador, masa
operativa del producto equivalente a una carga constante de
150 kg, calor específico de diseño (Cgrano) de 0.65
Wh/kg·°C, y un elemento calefactor basado en un banco de
resistencias eléctricas de tipo resistivo puro. El
procesamiento de los datos dinámicos y el cálculo analítico
de la función de transferencia se ejecutaron en MATLAB,
mientras que el lazo cerrado, la inyección de perturbaciones
y el modelado de los actuadores se implementaron en
Simulink. La nomenclatura completa de las variables y
constantes empleadas en el modelo se resume en la Tabla 1.
Tabla 1. Nomenclatura de variables, constantes y parámetros
empleados en el modelo matemático.
Símbolo
Descripción
Unidad
QT
Calor total acumulado en la cámara de
secado
W
QR
Calor suministrado por el banco de
resistencias (ley de Joule)
W
Q1
Calor absorbido por la masa de
producto
W
QP
Pérdidas térmicas disipadas por las
paredes de la estructura
W
Vsec
Volumen útil de la cámara de secado
Cgrano
Calor específico de diseño del producto
Wh/kg·°C
mgrano
Masa operativa del producto dentro de
la cámara
kg
mparedes
Masa estructural de las paredes del
secador
kg
Cacero
Calor específico del acero estructural
Wh/kg·°C
Caire,
ρaire
Calor específico y densidad del aire
dentro de la cámara
Wh/kg·°C, kg/m³
TR
Temperatura de la cámara de secado
(variable controlada)
°C
Tamb
Temperatura ambiente
°C
Vt
Voltaje instantáneo aplicado a la carga
resistiva
V
R
Resistencia eléctrica de la carga
Ω
K1
Constante de inercia térmica del
sistema
-
K4
Constante de disipación térmica
(pérdidas por convección)
-
K5
Ganancia incremental de potencia del
actuador
-
V0, T0
Voltaje y temperatura en el punto de
operación
V, °C
Kp, Ki
Ganancias proporcional e integral del
controlador PI
-
3. Resultados
Las ganancias del controlador Proporcional-Integral
obtenidas mediante la función de sintonización automática
(Auto-tune) de Simulink fueron Kp = 2.1401 y Ki = 0.0244.
Estos parámetros se mantuvieron constantes para ambos
esquemas de actuación durante todo el proceso de
simulación, lo que permitió aislar el efecto del tipo de
actuador sobre la respuesta del sistema. Bajo estas
condiciones, se ejecutaron en paralelo los tres modelos
descritos en la Figura 3, sometiendo al sistema a una
secuencia idéntica de cambios de consigna: 50 °C, 30 °C, 42
°C y nuevamente 50 °C.
Al emplear el actuador por recorte de onda, se registró el
comportamiento expuesto en la Figura 4. La temperatura se
estabilizó en cada punto de operación sin presentar
sobreimpulsos ni oscilaciones visibles, y el voltaje eficaz se
ajustó de forma continua, recortando progresivamente los
semiciclos de la onda conforme la temperatura se aproximó
a cada consigna.
Bajo la misma secuencia de consignas, el actuador SSR
registró el comportamiento expuesto en la Figura 5. Durante
el arranque en frío (de 30 °C a 50 °C) se presentó un
sobreimpulso por encima del valor de consigna antes de
estabilizarse. En la transición descendente hacia los 42 °C,
la temperatura descendió temporalmente por debajo del
valor de consigna antes de recuperarse. En la transición final
de retorno a 50 °C, la magnitud del sobreimpulso se redujo
de forma notoria respecto al transitorio inicial.
La comparación simultánea de ambos actuadores ante la
misma secuencia de consignas se presenta en la Figura 6. Las
curvas de temperatura del recortador de onda y del SSR
convergieron al mismo valor en régimen permanente en cada
punto de operación, mientras que el SSR exhibió mayores
desviaciones transitorias durante los cambios de consigna,
particularmente en el arranque inicial. En cuanto a la señal
de voltaje, el actuador por recorte de onda entregó un voltaje
eficaz continuo y proporcional al error, mientras que el
actuador SSR entregó ráfagas discretas de voltaje pleno
alternadas con periodos sin suministro.
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Figura 4. Respuesta dinámica del actuador por recorte de onda ante múltiples puntos de operación. Gráfico superior: rastreo de
temperatura (°C). Gráfico inferior: voltaje aplicado (V) en función del tiempo (s).
Figura 5. Respuesta dinámica del actuador SSR ante múltiples puntos de operación. Gráfico superior: rastreo de temperatura (°C).
Gráfico inferior: modulación por ráfagas de voltaje (V) en función del tiempo (s).
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Figura 6. Comparación de la respuesta dinámica de temperatura (°C) y voltaje (V) entre el actuador por recorte de onda y el actuador
SSR ante múltiples puntos de operación.
4. Conclusiones
Los resultados de este estudio permiten determinar,
conforme al objetivo planteado, que la naturaleza del
actuador de potencia define de manera determinante la
dinámica y la calidad del control en un proceso térmico
resistivo. El actuador por recorte de onda demuestra una
ventaja clara en exactitud dinámica, al transferir la energía
de forma continua y proporcional al error, lo que elimina los
sobreimpulsos y reduce el riesgo de degradación térmica del
material procesado. No obstante, esta misma conmutación
por ángulo de fase introduce una distorsión armónica
considerable en la red eléctrica (Lumbreras et al., 2020), un
efecto colateral que puede resultar crítico en contextos
industriales con infraestructura eléctrica limitada.
Por su parte, el actuador SSR presenta un comportamiento
transitorio menos favorable, con sobreimpulsos y
oscilaciones visibles durante el arranque en frío y en los
cambios de consigna descendentes. Sin embargo, estos
efectos se atenúan conforme la acción integral del
controlador madura, y la elevada inercia térmica del proceso
actúa como un filtro pasabajos natural que promedia los
pulsos discretos de voltaje. Esta característica permite que el
SSR alcance, en régimen permanente, el mismo nivel de
estabilidad que el recortador de onda, sin introducir
distorsión armónica ni ruido electromagnético en la red
eléctrica, gracias a su conmutación en cruce por cero.
Desde una perspectiva de viabilidad técnica y económica, el
SSR se posiciona como la alternativa más adecuada para el
escalamiento de estos esquemas de control en la pequeña y
mediana industria, particularmente en contextos donde la
calidad de la red eléctrica es limitada y el costo de
implementación constituye un factor determinante. El
recortador de onda, en cambio, resulta preferible en
aplicaciones donde la precisión dinámica sea crítica y la
infraestructura eléctrica disponible pueda absorber su
impacto armónico.
Este trabajo presenta como limitación principal que los
resultados se obtuvieron exclusivamente mediante
simulación numérica, a partir de un modelo lineal obtenido
por linealización en un único punto de operación; por lo
tanto, los hallazgos deben validarse experimentalmente en
una planta física antes de generalizarse a otros procesos
térmicos. Asimismo, el estudio se limitó a un controlador
Proporcional-Integral sintonizado mediante una herramienta
automática, sin explorar estrategias de control avanzado.
Como líneas de trabajo futuro, se plantea la validación
experimental de estos modelos en una planta piloto
instrumentada, acomo el diseño de algoritmos de control
avanzado, como el control difuso o de ganancia
programable, orientados a atenuar el sobreimpulso
transitorio inicial del SSR durante el arranque en frío. Estas
estrategias podrían extenderse a otros procesos térmicos
industriales y agroindustriales que requieran un control
preciso de temperatura y una gestión eficiente de la energía
(Hosseinpour & Martynenko, 2022; Chen et al., 2020; Chang
et al., 2024).
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Contribución de los autores (CRediT)
Rivadeneira Mendoza, J.: Conceptualización,
investigación, metodología, curación de datos, análisis
formal, visualización, redacción del borrador original.
Muñoz Sánchez, J.: Investigación, metodología, curación
de datos, análisis formal, validación, visualización,
redacción del borrador original. Zevallos Zambrano, J:
Supervisión, validación, metodología, revisión y edición del
manuscrito, administración del proyecto. Zambrano
Zambrano, Y.: Investigación, metodología, curación de
datos, análisis formal, validación, visualización, redacción
del borrador original. Palacios Castro, E.: Análisis formal
de datos, Validación, Redacción borrador original.
Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada
del manuscrito.
Financiamiento
Los autores han declarado que no existe financiamiento para
el desarrollo de esta investigación.
Disponibilidad de datos
Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están
disponibles a solicitud razonable al autor de
correspondencia.
Conflicto de intereses
Los autores han declarado que no existe conflicto de
intereses en esta obra.
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Revista Científica FINIBUS - ISSN: 2737-
6451.