ES2683547T3

ES2683547T3 - Fuente de alimentación para calentador de gas por arco eléctrico

Info

Publication number: ES2683547T3
Application number: ES15767523.2T
Authority: ES
Inventors: John OSTERMEYER; Jeroen HEULENS
Original assignee: Umicore NV SA
Current assignee: Umicore NV SA
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2018-09-26
Anticipated expiration: 2035-09-25
Also published as: HRP20181304T1; JP6879906B2; US20180235037A1; KR102329563B1; EP3202234A1; KR20170061698A; CA2961130C; CN107006087A; PT3202234T; DK3202234T3; EP3202234B1; PL3202234T3; WO2016050627A1; US20210051775A1; CA2961130A1; JP2017530683A; CN107006087B; US10856373B2; AU2015327076B2; AU2015327076A1

Abstract

Una fuente de alimentación CC para accionar un calentador (9) de gas por arco eléctrico no transferido, que comprende: - un rectificador (1) de CA a CC que proporciona un potencial U0; - un convertidor (2, 3, 4) de conmutación de CC a CC que tiene una frecuencia de conmutación fs; - un bucle (5, 6, 7, 8) de control de corriente latencia τ , y, - un inductor (3) de balasto que tiene una inductancia L; caracterizado porque la inductancia L es tal que**Fórmula**

Description

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DESCRIPCION

Fuente de alimentacion para calentador de gas por arco electrico

Esta invencion se refiere a las fuentes de alimentacion de CC adecuadas para calentadores de gas de arco electrico, tales como los sopletes de plasma. Especialmente se refiere al dimensionamiento del inductor en un convertidor de CC a CC conmutado utilizado para alimentar los sopletes.

Los calentadores de gas de arco electrico son herramientas potentes para calentar practicamente cualquier tipo de gas hasta temperaturas extremas. Existen muchas descripciones disponibles actualmente para dichos dispositivos, p. ej. en “Electric Arcs and Arc Gas Heaters”, E. Pfender, Capitulo 5, Gaseous Electronics. En numerosas aplicaciones industriales, se reconoce el elevado potencial de los gases calentados hasta alcanzar el estado de plasma. Los ejemplos son: pulverizacion y recubrimiento en polvo, produccion de nanopolvos, metalurgia extractiva, ingenieria aeroespacial, etc.

En los calentadores de gas de arco electrico, tambien conocidos como sopletes de plasma, se introduce un gas a traves de una abertura de entrada hacia una camara de circulacion continua en la que se mantiene un arco electrico. El gas se calienta hasta temperaturas extremas y se expulsa como plasma a traves de una abertura de salida. El arco se genera y se mantiene mediante una fuente de alimentacion electrica conectada a un anodo y a un catodo, ambos localizados dentro de la camara de circulacion continua del gas. El arco permanece confinado dentro de la camara y, por consiguiente, se dice que es no transferido. Ejemplos de dichos calentadores de gas de arco se muestran en US- 4.543.470 o WO 91/18488. Lograr una operacion de elevada energia implica la combinacion de voltajes y corrientes elevados del arco. La operacion de alto voltaje puede conseguirse mediante la prolongacion del arco. Los arcos mas largos pueden obtenerse forzando el arco a traves de una zona con vortice estabilizado y aislada electricamente entre los electrodos. Este tipo de calentador de gas se denomina “segmentado” o “focalizado”. Segun la practica actual, la corriente maxima admisible esta limitada ya que la erosion del electrodo puede resultar excesiva.

Los arcos no transferidos se alimentan en la mayoria de los casos con corriente directa (CC); el uso de corriente alterna (CA) produce de hecho una operacion menos estable debido a la interrupcion repetida del arco en cada cruce cero del ciclo de CA.

Un arco electrico tiene una caracteristica unica de U-I (voltaje-corriente) en la que el voltaje del arco disminuye con el aumento de la corriente de arco. Esto corresponde a una resistencia diferencial negativa que plantea dificultades de regulacion a la fuente de alimentacion de CC. Estas dificultades se describen bien en la obra “Electrical And Mechanical Technology of Plasma Generation and Control”, P. Mogensen y J. Thornblom, Capitulo 6, Plasma Technology in Metallurgical Processing.

Aunque podria usarse, teoricamente, una resistencia de balasto en serie con una fuente de voltaje CC para estabilizar el punto operativo del arco, las perdidas ohmicas en la resistencia serian excesivas.

Una primera solucion a este problema ha sido combinar rectificadores controlados de silicio con un inductor de balasto en serie con el soplete. El papel del inductor es estabilizar la corriente a la carga entre acciones sucesivas del regulador. Los rectificadores se controlan para mantener una corriente constante a traves de la carga. Sin embargo, la latencia de regulacion electronica es muy significativa, ya que la frecuencia de conmutacion es un multiplo pequeno (de forma tipica 6 o 12) de la frecuencia de la red, y por tanto limitada a unos pocos cientos de Hz. Por consiguiente, es necesario una gran inductancia.

Un intento teorico de disenar una fuente de alimentacion de CC multimegavatio para la operacion del soplete de plasma segun el principio anterior se da en la obra “A study on medium voltage power conversion system for plasma torch”, Y. Suh, Power Electronics Specialists Conference, IEEE, 2008. En la presente memoria, se reconoce que el tamano del inductor es inversamente proporcional a la frecuencia de conmutacion de la unidad de rectificacion.

Un enfoque mas moderno es el uso de una fuente de alimentacion de CC actual que comprende una unidad de rectificacion seguida de un convertidor de conmutacion de CC a CC. Dichos conmutadores pueden funcionar a frecuencias relativamente mas altas tales como 2 kHz, incluso aunque esten disenados para potencias elevadas en el rango de megavatios. El convertidor CC-CC se regula para comportarse como un suministro de corriente constante. Para este fin, se utiliza un recortador modulado en anchura de impulsos, siendo adaptado continuamente el ancho del impulso por un controlador de realimentacion que compara la corriente instantanea del soplete con un punto de ajuste. Un convertidor de CC a CC tambien proporciona aislamiento entre los impulsos del recortador y la red electrica, resolviendo la mayoria de los problemas de factor de potencia y contaminacion de la red tipicos de los rectificadores controlados de silicio.

Este tipo de realizacion se ilustra, p. ej. en US-5.349.605.

El papel del inductor es mas importante para asegurar la operacion estable de un soplete. Tal como se describe en la obra anteriormente mencionada “Electrical And Mechanical Technology of Plasma Generation and Control”, P. Mogensen y J. Thornblom, Capitulo 6, Plasma Technology in Metallurgical Processing, el tamano de la inductancia de salida se determina por tres factores principales: (1) limitar el ritmo de aumento de corriente

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despues de la ignicion del arco electrico a lo que el bucle de control pueda manejar, (2) proporcionar un efecto de suavizado para reducir la ondulacion de corriente producida por los dispositivos de conmutacion en la fuente de alimentacion, y, (3) proporcionar una corriente ininterrumpida durante el arranque del soplete de plasma.

Aunque el tamano del inductor de balasto determina si una topologia especifica de fuente de alimentacion es capaz de estabilizar el arco electrico en un soplete de plasma, no hay referencias disponibles en la tecnica anterior para derivar una inductancia adecuada para una instalacion especifica. De hecho, se ensenan inductores “suficientemente grandes”, lo que, en la practica significa que estos inductores estan generalmente sobredimensionados. Sin embargo, dicho inductor se lleva una parte sustancial de la inversion de una fuente de alimentacion CC multimegavatio, ya que un generador de plasma puede funcionar a varios miles de amperios. De hecho, los costes del inductor aumentan con la inductancia y con la corriente maxima.

Segun la presente invencion, la inductancia debe elegirse dentro de un cierto intervalo. Es necesario que el limite inferior cumpla el criterio de estabilidad del circuito de retroalimentacion de corriente. El limite superior esta determinado por una necesidad de una cierta ondulacion de corriente minima. Esta ondulacion es deseable porque tiende a variar periodicamente la longitud del arco ligeramente, extendiendo de este modo la zona de erosion en los electrodos. Esta extension del desgaste permite una operacion con mayor corriente.

En contraposicion a las reglas de diseno de las fuentes de alimentacion CC-CC convencionales, la inductancia minima necesaria no esta, en este caso, dictada por la corriente minima y por el deseo de mantener la fuente de alimentacion en modo continuo. De hecho, los sopletes industriales estan destinados a funcionar unicamente dentro de un intervalo limitado de corrientes relativamente elevadas.

La invencion se refiere en particular a una fuente de alimentacion CC para accionar un calentador de gas por arco electrico no transferido, que comprende: un rectificador de CA a CC que proporciona un potencial Ik; un convertidor de conmutacion CC a CC que tiene una frecuencia de conmutacion fs; un circuito de control de corriente que tiene una latencia t, y, un inductor de balasto que tiene una inductancia L; caracterizada por que la inductancia L es tal que

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En otra realization, la invencion se refiere a un metodo para operar un calentador de gas por arco electrico no transferido, caracterizado porque el calentador se alimenta con una corriente de mas de 500 A RMS; la corriente que comprende un componente CC y un componente CA, el componente CA que tiene una amplitud de pico a pico entre 50 A y 20 % del componente CC y, preferiblemente, entre 50 A y 10 % del componente CC.

El convertidor CC a CC es preferiblemente un convertidor reductor.

Con respecto a las aplicaciones industriales, el potencial U0 suministrado por el rectificador CA a CC debe preferiblemente ser superior a 3000 V y la potencia suministrada a la carga estar entre 1 a 10 MW. Dicha fuente de alimentacion esta especialmente adaptada para alimentar un soplete de plasma segmentado no transferido con electrodos huecos.

U0 significa el voltaje de salida cargado (en voltios) del rectificador de CA a CC. Aunque este voltaje debe ser lo suficientemente alto como para proporcionar suficiente potencial para mantener el arco electrico en todas las condiciones, tambien aumenta el tamano minimo requerido del inductor de balasto.

Por frecuencia de conmutacion fs se entiende la frecuencia (en hercios) del recortador modulado en anchura de impulsos utilizado para regular la corriente a la carga.

Por latencia t del bucle de control se entiende el intervalo de tiempo (en segundos) entre el muestreo de la corriente y la posterior action de control. En el caso de un regulador digital, incluye el muestreo y promediacion de la corriente, el tiempo de conversion A/C, y los calculos del bucle de control. La latencia incluye el retardo impuesto por el modulador de ancho de pulso que es parte de la unidad de conversion de CC a CC. Una latencia corta generalmente es beneficiosa, permitiendo el uso de una inductancia del balasto menor.

Hemos descubierto que para un calentador de gas por arco electrico no segmentado, no transferido de alta potencia, el inductor de balasto debe tener una inductancia L (en henrios) de mas de

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El arco electrico dentro de un soplete de plasma es especialmente inestable en una escala de tiempo de aproximadamente 10 a 100 ps. Dentro de esta escala de tiempo, las raices del arco electrico pueden moverse estocasticamente en las superficies del electrodo. Una corriente variable mejorara aun mas la oscilacion de las

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raices, distribuyendo asi el desgaste del electrodo y aumentando la vida util del electrodo. Segun la invencion, se hace uso de la ondulacion de corriente generada en el recortador para potenciar este efecto.

En un convertidor de conmutacion de CC a CC, la ondulacion es maxima cuando el ciclo de trabajo del recortador alcanza 50 %. En este caso particular, la ondulacion puede expresarse como

A1=-^-

Despreciando los efectos secundarios, la ondulacion varia como D (1 - D), siendo D el ciclo de trabajo de los impulsos del recortador.

Usando CC convencional bien filtrada, hemos aprendido que a corrientes medias por encima de 500 A, el desgaste del electrodo pasa a ser demasiado alto para fines industriales. Por otra parte, la erosion del electrodo esta sorprendentemente bien distribuida si se superpone 50 A pico a pico de ondulacion de corriente. Esto permite alcanzar corrientes medias entre 500 y 2000 A, mientras se evita la erosion prematura del electrodo. Esto contrasta con las fuentes de alimentacion clasicas, disenadas para suministrar una salida de corriente constante y limpia con una ondulacion baja. La restriccion en el inductor de balasto, asumiendo un ciclo de trabajo tipico de 50 %, y una corriente de ondulacion de al menos 50 A, puede determinarse como

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Esta ecuacion permanece valida en la practica para los ciclos de trabajo entre 20 y 80 %, es decir, en todo el intervalo de condiciones de operacion practicas para el plasma industrial de alta potencia.

La Figura 1 ilustra la invencion. Se muestran:

(1) el rectificador de CA a CC produciendo un voltaje de CC de U0,

(2) el recortador modulado en anchura de impulsos, que opera en la frecuencia fS;

(3) el inductor de balasto con inductancia L;

(4) el diodo de transferencia inversa, parte de la topologia del convertidor reductor;

(5) el sensor que informa de la corriente instantanea del soplete;

(6) la corriente objetivo del soplete o el punto de ajuste;

(7) el regulador de corriente, comparando la corriente instantanea del soplete con el punto de ajuste;

(8) la unidad que activa la modulacion de anchura del impulso del recortador, segun la salida del regulador;

(9) el soplete de plasma.

El siguiente ejemplo ilustra un aparato segun la invencion. Una fuente de alimentacion de 4 MW comprende una unidad de rectificacion que proporciona un voltaje bajo una carga nominal de 3000 V (U0), y una unidad recortadora provista de dispositivos de conmutacion IGBT que operan a 2 kHz (fs).

Se coloca un inductor de balasto en serie con un calentador por arco electrico con una potencia nominal de 2,5 MW. La corriente a la carga se mide utilizando una sonda de Hall y el valor se alimenta a un regulador PID. Se elige un punto de ajuste de corriente de 1000 A, el cual, para este soplete en particular corresponde a un potencial de aproximadamente 1450 V. El ciclo de trabajo (D) del recortador es por tanto de aproximadamente 48 %.

El regulador PID digital induce un retardo de 1 ms, y el recortador anade un retardo medio adicional de 0,5 ms. Por lo tanto, se considera una latencia del bucle de control de 1,5 ms (t). Segun la invencion, se necesita una inductancia minima de 3 mH para asegurar la estabilidad del bucle de control.

La inductancia maxima se calcula segun la invencion como 7,5 mH. De hecho, esto asegura la ondulacion de corriente de pico a pico objetivo de 50 A.

Para maximizar la vida util del electrodo y la robustez de la fuente de alimentacion, se elige un valor de 4 mH para esta instalacion especifica.

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REIVINDICACIONES

Una fuente de alimentacion CC para accionar un calentador (9) de gas por arco electrico no transferido, que comprende:

- un rectificador (1) de CA a CC que proporciona un potencial Uo;

- un convertidor (2, 3, 4) de conmutacion de CC a CC que tiene una frecuencia de conmutacion 4;

- un bucle (5, 6, 7, 8) de control de corriente latencia t, y,

- un inductor (3) de balasto que tiene una inductancia L;

caracterizado porque la inductancia L es tal que

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Una fuente de alimentacion CC segun la reivindicacion 1, caracterizada por que el convertidor (2, 3, 4) de CC a CC es un convertidor reductor.

Una fuente de alimentacion CC segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizada por que Uo > 3000 V.

Una fuente de alimentacion segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que la energia enviada al calentador (9) de gas se encuentra entre 1 y 10 MW.

Una fuente de alimentacion segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por que el calentador (9) de gas electrico es un soplete de plasma segmentado no transferido con electrodos huecos.

Metodo para operar un calentador de gas por arco electrico no transferido usando una fuente de alimentacion CC segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que el calentador (9) se alimenta con una corriente de mas de 500 A RMS, la corriente comprende un componente CC y un componente CA, teniendo el componente CA una amplitud de pico a pico entre 50 A y 20 % del componente CC.