ES2836000A1 - Dispositivo de regulacion continua de intensidad para un horno de arco electrico - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de regulación continua de intensidad para un horno de arco eléctrico. La presente invención está dirigida a un dispositivo, una instalación y un método para regular la intensidad eléctrica en un horno de arco eléctrico; en particular la invención está dirigida a un dispositivo regulador de la intensidad que circula por los electrodos del horno de arco eléctrico y que permite evitar la circulación de intensidades de cortocircuito que puedan dañan los electrodos, así como el corte de corriente por parte de un dispositivo de protección que detendría el funcionamiento del horno.
Description
DESCRIPCIÓN
DISPOSITIVO DE REGULACIÓN CONTINUA DE INTENSIDAD PARA UN HORNO DE
ARCO ELECTRICO
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención está dirigida a un dispositivo, una instalación y un método para regular la intensidad eléctrica en un horno de arco eléctrico alimentado con corriente alterna normalmente trifásica; en particular la invención está dirigida a un dispositivo regulador de la intensidad que circula por los electrodos del horno de arco eléctrico y que permite evitar la circulación de intensidades de cortocircuito que puedan dañan los electrodos, así como la intervención de cualquier elemento que produzca el corte de corriente por parte de un dispositivo de protección que detendría el funcionamiento del horno en caso de cortocircuitos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El desgaste de los electrodos de un horno metalúrgico de arco eléctrico provocado por los cortocircuitos que se producen en la cuba es un problema técnico bien conocido en las acerías que emplean hornos de arco eléctrico.
Estos hornos de arco eléctrico comprenden tres electrodos, uno por cada fase del sistema eléctrico. Para la fundición de la chatarra se emplea el calor generado por el arco eléctrico cebado entre los electrodos y la propia chatarra en contacto con la masa del horno. Para alimentar el horno se emplea normalmente un transformador de potencia con posibilidad de modificar el número de espiras activas, por lo que posee la posibilidad de modificar la tensión aplicada de forma escalonada. Sin embargo, este número de posiciones es muy limitado, por lo que las variaciones de tensión que se pueden obtener son reducidas y no es posible su uso en carga, por lo que se considera que la tensión aplicada al horno es constante durante un determinado proceso.
Este hecho hace que para poder controlar la corriente de fundido sea necesario modificar la impedancia. La variación de la impedancia se consigue modificando la posición de los electrodos, que se consigue acercándolos o alejándolos de la chatarra; al acercar los electrodos al material el arco encuentra un camino de menor impedancia y el material se funde mediante el efecto Joule. A medida que la chatarra se funde, la impedancia se va
modificando, por lo que al ser la tensión constante, la corriente varía y es necesario desplazar los electrodos mediante elementos mecánicos para mantener la corriente aproximadamente constante dentro de un rango de valores dados, evitando el disparo de los dispositivos de protección e interrumpiendo la corriente para impedir un cortocircuito cuando la impedancia es prácticamente nula.
El movimiento de los electrodos se realiza con accionamientos mecánicos que resultan muy lentos en comparación con las variaciones de corriente, lo que hace muy difícil poder controlar de manera eficaz la corriente que circula. Esto provoca el desgaste de los electrodos y causa el impacto de los electrodos con la chatarra, lo que a su vez genera roturas en los mismos. La rotura de los electrodos requiere su sustitución para mantener el horno en funcionamiento.
Si bien hasta la fecha la rotura de electrodos no tenía un fuerte impacto económico, la situación ha cambiado con el incremento de precios del grafito, que es el material del que generalmente están hechos los electrodos, por lo que la protección de los electrodos se ha convertido en un problema prioritario para la industria metalúrgica, que ya buscan soluciones técnicas para resolver el problema.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención propone una solución a los problemas anteriores mediante un dispositivo de regulación continua de la intensidad según la reivindicación 1, una instalación de horno de arco eléctrico según la reivindicación 11 y un método de regulación de la intensidad según la reivindicación 12. En las reivindicaciones dependientes se definen realizaciones preferidas de la invención.
Un primer aspecto inventivo proporciona un dispositivo de regulación continua de intensidad para un horno de arco eléctrico, en donde por cada fase
el horno comprende al menos un electrodo de horno al que se aplica una tensión Vh, y por el que circula una intensidad Ih, y
el horno está conectado a una fuente de tensión que genera una tensión Vt,
caracterizado por que el dispositivo está configurado para ser conectado en serie entre la fuente de tensión y un electrodo del horno, y comprende:
- unos medios de conmutación, configurados para ser conectados en serie entre la
fuente de tensión y el al menos un electrodo de horno, y en donde los medios de conmutación están configurados para habilitar o deshabilitar la fase del dispositivo de regulación a la que se conecte;
- un convertidor, conectado en paralelo a los medios de conmutación, de forma que la corriente circula por el convertidor cuando los medios de conmutación están abiertos, y en donde el convertidor comprende,
al menos un inversor, con sus terminales de alterna configurados para ser conectados en serie entre la fuente de tensión y el al menos un electrodo de horno, en donde el al menos un inversor está configurado para convertir tensión continua en tensión alterna,
unos medios capacitivos conectados a los terminales de continua del al menos un inversor, entre los cuales se mantiene una tensión Vc, y
un disipador de energía conectado en paralelo a los medios capacitivos, en donde el disipador de energía comprende un regulador electrónico y unos medios resistivos conectados en serie con el regulador electrónico;
- unos medios de medida de tensión para medir la tensión Vh, unos medios de medida de tensión para medir la tensión Vt, unos medios de medida de tensión para medir la tensión Vc y unos medios de medida de intensidad para medir la corriente Ih, donde los medios de medida están configurados para emitir señales de medida SVh, SVt, Svc, Sí correspondientes a los valores de tensión e intensidad medidos;
- al menos unos medios de control configurados para recibir y procesar las señales de medida Svh, Svt, Svc, Si de los medios de medida, y para emitir señales de control al convertidor y a los medios de conmutación en respuesta a una variación temporal de la intensidad Ih que supere un umbral de intensidad Ih max como consecuencia del inicio de un cortocircuito inducido por el arco eléctrico, donde los medios de control emiten,
una señal de control S1 a los medios de conmutación para habilitar el dispositivo,
una señal de control S2 para habilitar el inversor, y
una señal de control S3 para habilitar el disipador de energía,
de forma que el regulador electrónico del disipador de energía regula el paso de corriente hacia los medios resistivos controlando la energía disipada y manteniendo la tensión continua controlada Vc entre los terminales de continua del inversor, que convierte la tensión Vc en una tensión de compensación alterna regulada en fase y amplitud Vx, que a su vez se resta a la tensión Vt de la fuente de tensión, de modo que la tensión Vh aplicada a los
electrodos del horno se reduzca y por consiguiente la intensidad Ih no supere el umbral Ih max.
A lo largo del presente documento, se debe de entender que la fuente de tensión, el horno y el dispositivo de regulación continua de intensidad son elementos monofásicos configurados para su uso en sistemas monofásicos o trifásicos.
Asimismo, a lo largo del presente documento se hará referencia de forma indistinta a la potencia o a la energía disipada, siendo la potencia disipada la cantidad de energía disipada por unidad de tiempo.
Se entenderá por fuente de tensión cualquier medio capaz de suministrar una tensión sinusoidal adecuada para alimentar un horno de arco eléctrico; en una realización particular tres fuentes de tensión se agrupan para formar una fuente de tensión trifásica.
En el presente documento se deben entender como equivalentes los términos electrodo, electrodo de horno y electrodo del horno; se debe entender también que un horno trifásico comprende al menos tres electrodos.
Se debe entender que el término bus de continua se refiere al conjunto de elementos conectados a los terminales de continua del inversor.
La tensión alterna generada por el dispositivo de regulación continua se denominará también tensión de compensación o Vx, mientras que a la tensión entre los terminales de continua del inversor se la denominará también tensión del bus de continua o Vc.
Para regular la intensidad que circula por los electrodos del horno eléctrico, el dispositivo genera una tensión sinusoidal controlada en amplitud y fase en serie entre la fuente de tensión de alimentación del horno y el propio horno de arco eléctrico. Esta tensión sinusoidal, o tensión de compensación, se resta a la tensión suministrada por la fuente de tensión, de forma que para una impedancia del horno dada, la intensidad circulante se modifica mediante la variación de la tensión de compensación de forma continua.
La tensión de compensación generada por el dispositivo se produce entre los terminales de alterna del inversor, que por su lado de continua está conectado en paralelo a unos medios capacitivos que se cargan al paso de la corriente por el inversor, y a un disipador de energía con unos medios resistivos y un regulador electrónico, en donde la función del disipador de
energía es convertir la energía sobrante generada en energía térmica que se disipa al ambiente.
Al aplicar la tensión de compensación, la intensidad de corriente alterna que circula por el inversor provoca la absorción de una energía que ceba los medios capacitivos, elevando la tensión Vc. Esta energía debe de ser disipada para mantener la tensión Vc, y proteger el dispositivo, en particular los medios capacitivos, y para esa función se emplea el regulador electrónico y los medios resistivos. A medida que la tensión sube el regulador conecta más resistencias con lo que se reduce el valor óhmico total de la resistencia de los medios resistivos, y aumenta la potencia disipada.
El regulador electrónico y los elementos resistivos permiten controlar la tensión del bus de continua, Vc. El inversor convierte esta tensión Vc en una tensión alterna llamada tensión de compensación Vx, controlada en fase y amplitud.
En una realización particular, el disipador de energía se emplea para canalizar la energía sobrante hacia otros elementos en los que puede ser aprovechada.
El disipador de energía, el inversor y los medios de conmutación se habilitan mediante unos medios de control, que en respuesta a señales de tensión e intensidad en el horno y en la fuente de tensión son capaces de generar señales de control para regular en amplitud y fase la tensión de compensación.
Ventajosamente, el dispositivo de regulación de intensidad se puede instalar en un sistema de horno de arco eléctrico ya existente o en una instalación nueva, y permite evitar los problemas causados por los cortocircuitos que se producen en la cuba del horno durante su funcionamiento. En particular, la invención permite controlar las intensidades circulantes por los electrodos del horno tanto para evitar el daño a los electrodos por las corrientes de cortocircuito como para evitar que los elementos de protección frente a cortocircuitos interrumpan el funcionamiento del horno frecuentemente. Aún más ventajosamente, en una realización particular tres dispositivos de regulación de intensidad, uno por cada fase, se conectan en serie entre tres fuentes de tensión y los electrodos de un horno trifásico.
De forma general la presente invención logra que las corrientes circulantes sean más estables y se mantengan centradas en el valor nominal de operación del horno, logrando procesos de fundido más estables y de menor duración, y mejorando la eficiencia del
proceso productivo.
El control de corriente también permite solucionar el problema del desplazamiento mecánico de los electrodos para variar la impedancia del horno; el control continuo de la corriente evita tener que desplazar los electrodos bruscamente, por lo que los impactos de los electrodos contra la chatarra serán menores, reduciendo las roturas de los electrodos o evitando por completo los daños en los extremos de los electrodos.
Durante el funcionamiento normal del horno, los medios de conmutación permiten el paso de corriente por su rama, de forma que la corriente no circula por la rama paralela del convertidor, por lo que los elementos del convertidor ni consumen apenas energía, ni sufren degradación. Esto se traduce en una vida útil de los elementos más larga, con lo que la fiabilidad del dispositivo es muy alta.
En una realización particular, el al menos un inversor comprende al menos un puente inversor monofásico con dispositivos semiconductores.
Ventajosamente, un puente inversor permite transformar una corriente continua a una corriente sinusoidal, en particular un puente inversor formado por elementos o dispositivos semiconductores permite obtener un inversor eficiente, compacto y sin elementos mecánicos susceptibles de fallos.
En una realización particular, el al menos un inversor comprende un puente de cuatro dispositivos semiconductores, preferentemente transistores bipolares de puerta aislada con cuatro diodos conectados en anti-paralelo (IGBT’s).
Ventajosamente, un inversor formado por IGBT’s permite transformar una tensión continua a una tensión sinusoidal sin componentes armónicos que dañen las fuentes de tensión, el horno o los elementos del dispositivo.
En una realización particular, los medios de conmutación comprenden un interruptor y configurado para deshabilitar el dispositivo, y un interruptor estático de bypass y configurado para habilitar o deshabilitar la regulación de tensión en carga de forma instantánea, en donde el interruptor y el interruptor estático de bypass están conectados en paralelo entre sí.
Ventajosamente, el interruptor permite habilitar o deshabilitar el dispositivo de regulación de
intensidad sin desconectarlo físicamente de la instalación, por ejemplo para realizar tareas de mantenimiento; el interruptor estático de bypass permite habilitar o deshabilitar el funcionamiento del dispositivo de regulación mientras el horno se encuentra en operación y de forma instantánea. Durante su funcionamiento normal, el interruptor estará normalmente abierto, y el interruptor estático de bypass estará normalmente cerrado.
En una realización particular, el interruptor es uno de la lista siguiente: un interruptor automático, un interruptor en carga, un seccionador en vacío motorizado.
Ventajosamente, el interruptor puede ser accionado manualmente por un operador o puede ser accionado mediante una señal de control externa, ya sea en carga o en vacío.
En una realización particular, el interruptor estático de bypass comprende tiristores, IGCT’s, GTO’s y/o IGBT’s.
Ventajosamente, el interruptor estático de bypass comprende un tipo de dispositivo semiconductor específico en función de la velocidad de respuesta deseada.
En una realización particular, el interruptor estático de bypass comprende un circuito auxiliar de conmutación configurado para interrumpir en carga la corriente. Ventajosamente, el circuito auxiliar, comprendiendo tiristores, condensadores e inductancias, permite anular la intensidad que circula por los dispositivos semiconductores del interruptor estático de bypass gracias a la intensidad generada por la descarga de los condensadores.
En una realización particular, el regulador electrónico comprende dispositivos semiconductores de tipo IGBT.
Ventajosamente, la velocidad de respuesta del IGBT permite realizar un control muy rápido que logra mantener la tensión continua del bus de continua en respuesta a señales de control que habilitan el regulador electrónico.
En una realización particular, los medios resistivos comprenden una pluralidad de resistencias con distintos valores de resistencia eléctrica, estando los medios de control configurados para emitir una señal de control S4 para habilitar o deshabilitar un control del regulador electrónico que conecta de forma selectiva al menos una resistencia de la pluralidad de resistencias.
Ventajosamente, los medios resistivos permiten regular la amplitud de la tensión del bus de continua mediante la variación de la carga resistiva total conectada en serie con el regulador electrónico.
En una realización particular, los medios de control actúan sobre al menos una fase del dispositivo.
En una realización particular, el dispositivo comprende respectivos medios de control secundarios para habilitar o deshabilitar los elementos de los medios de conmutación, del convertidor y/o del disipador de energía, en donde los medios de control secundarios están configurados para entrar en funcionamiento en respuesta a las señales S1, S2 y/o S3 de los medios de control, señales S1, S2 y/o S3 emitidas a su vez por los medios de control en respuesta a las señales de medida SVh, SVt, Svc, S¡.
Ventajosamente, los medios de control emiten solamente señales para habilitar o deshabilitar los elementos controlados del dispositivo, en particular los medios de conmutación, el convertidor y el disipador de energía, y los medios secundarios de control generan las señales requeridas para controlar cada uno de los elementos constituyentes de los medios de conmutación, del convertidor y del disipador de energía. En una realización particular, los medios de control secundarios son capaces de emitir pulsos de disparo a los dispositivos semiconductores de los medios de conmutación, del convertidor y del disipador de energía.
Ventajosamente, los medios de control reciben señales, procesan y emiten señales de control de cada una de las fases. En una realización particular, los medios de control emiten señales de control para tres fases simultáneamente, en particular emite señales de control para habilitar tres fases de los medios de conmutación. De esta forma, se logra que ante la aparición de una corriente de cortocircuito en una fase, el dispositivo puede reaccionar con rapidez antes de que el cortocircuito pase a las restantes fases.
En un segundo aspecto inventivo, la invención proporciona una instalación de horno trifásico de arco eléctrico, que comprende una fuente de tensión trifásica con al menos tres fuentes de tensión, un horno trifásico de arco eléctrico con al menos tres electrodos de horno, y al menos un dispositivo de regulación continua de intensidad según el primer aspecto inventivo por cada una de las tres fases.
En una realización particular, los medios de control son comunes para las tres fases de la instalación.
En un tercer aspecto inventivo, la invención proporciona un método de regulación continua de intensidad para un horno de arco eléctrico con un dispositivo de regulación de intensidad según el primer aspecto inventivo, que comprende las siguientes etapas:
- proveer de un dispositivo de regulación por cada fase conectado en serie entre las fuentes de tensión y los electrodos de horno;
- para cada fase, cuando el horno se encuentra en operación, los medios de medida de tensión miden las tensiones Vh, Vt, Vc y los medios de medida de intensidad miden la corriente Ih, y emiten de forma continua señales de medida SVh, SVt, Svc, Sí a los medios de control;
- para cada fase, si la variación temporal de la corriente Ih aumenta por encima de un valor umbral Ih max, los medios de control:
• emiten una señal S1 para abrir los medios de conmutación y habilitar el dispositivo;
• en función de las señales de medida Svh, Svt, Svc, S¡, emiten una señal S3 de control al disipador de energía;
• para cada fase, los medios de control emiten una señal S2 de control al inversor,
de forma que para cada fase el regulador electrónico del disipador de energía controla el paso de corriente hacia los medios resistivos controlando la energía disipada y manteniendo una tensión continua controlada Vc entre los terminales de continua del inversor, que convierte la tensión VC en una tensión de compensación alterna regulada en fase y amplitud Vx, que a su vez se resta a la tensión Vt de la fuente de tensión, de modo que la tensión Vh aplicada a los electrodos del horno se reduzca y por consiguiente la intensidad Ih no supere el umbral Ih max.
Ventajosamente, el método de regulación continua de intensidad permite evitar el paso de corrientes de cortocircuito por los electrodos del horno, logrando que el disparo de las protecciones no interrumpa constantemente el proceso del horno y evitando el deterioro de los electrodos causado por impactos resultantes del control por desplazamiento brusco de los electrodos.
Todas las características y/o las etapas de métodos descritas en esta memoria (incluyendo
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las reivindicaciones, descripción y dibujos) pueden combinarse en cualquier combinación, exceptuando las combinaciones de tales características mutuamente excluyentes.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Estas y otras características y ventajas de la invención, se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de una forma preferida de realización, dada únicamente a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, con referencia a las figuras que se acompañan.
Figuras 1a-1b En estas figuras se muestran dos realizaciones del dispositivo de regulación de intensidad conectado en serie con el generador de tensión y el horno, para un sistema monofásico y para un sistema trifásico.
Figura 2 En esta figura se muestra el circuito monofásico conectado en serie con un electrodo del horno.
Figura 3 En esta figura se muestra el convertidor del dispositivo.
Figura 4 En esta figura se muestra el dispositivo con su circuito de control y sus conexiones operativas.
Figura 5 En esta figura se muestran ejemplos de formas de onda para varias magnitudes relevantes.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La Figura 1 muestra un conjunto de tres dispositivos (1) de regulación de intensidad conectado en serie entre una fuente trifásica y un horno trifásico. La fuente trifásica mostrada equivale a un conjunto tres fuentes de tensión (9) monofásicas alternas; por lo general la fuente trifásica comprende un transformador trifásico, no mostrado en las figuras, para adaptar la tensión de suministro de la red a la tensión de trabajo del horno. Adicionalmente, la fuente trifásica comprende una serie de dispositivos de protección, no mostrados en las figuras, que son comunes en este tipo de instalaciones, en especial interruptores configurados para interrumpir la corriente frente a una intensidad de cortocircuito, por ejemplo, un interruptor magnetotérmico.
El horno trifásico, además de otros elementos que permiten fundir el metal, tales como la cuba, comprende al menos tres electrodos de horno (8); estos electrodos normalmente se fabrican en grafito, y comprenden un accionamiento mecánico que permite variar la distancia
entre el extremo de los electrodos (8) y el material que se está fundiendo en la cuba.
El dispositivo (1) de regulación está configurado para ser conectado en serie entre una fuente de tensión (9) de una fuente trifásica y un electrodo del horno (8), por simplicidad de su montaje sobre la instalación de un horno ya existente, y por facilitar tanto la respuesta del control como la regulación de intensidad. La conexión en serie se realiza a través de unos terminales de conexión (1.1) del dispositivo La regulación de intensidad debe realizarse individualmente por cada fase, puesto que por lo general el cortocircuito no se producirá simultáneamente en los tres electrodos del horno (8). Por ello, en cada instalación trifásica se deberán instalar tres dispositivos (1) que pueden trabajar de forma independiente, y como se muestra en la Figura 2 cada una de las fases comprende a su vez unos medios de conmutación (2) y un convertidor (3) que es el elemento que propiamente realiza la regulación de intensidad.
Los medios de conmutación (2) y el convertidor (3) están conectados en paralelo entre sí para habilitar o deshabilitar cada fase del dispositivo (1) por separado; es decir, el cambio de estado de los medios de conmutación (2) permite que la corriente selectivamente circule por la rama del convertidor (3) y se inicie la regulación de intensidad.
Los medios de conmutación (2) pueden tener diferentes configuraciones, en función de las características y las necesidades de la instalación, en concreto en función de la potencia de la instalación del horno y de la rapidez de respuesta que se requiera. Preferentemente, los medios de conmutación (2) actuarán habilitando las tres fases.
En una realización particular, los medios de conmutación (2) comprenden un interruptor (2.1) , o interruptor principal, para desconectar el dispositivo para realizar operaciones de mantenimiento, aunque no necesariamente con capacidad para interrumpir la corriente en carga; en esta realización el interruptor (2.1) es un elemento tipo interruptor automático. En otro ejemplo de realización, el interruptor (2.1) es un seccionador en vacío o un interruptor en carga; estos elementos tienen capacidad de interrumpir la corriente en carga, pero su tiempo de respuesta los hace poco adecuados para el tipo de regulación que requiere la presente invención.
Por ello como complemento al interruptor (2.1), se requiere un interruptor estático de bypass (2.2) conectado en paralelo con el interruptor (2.1); el interruptor estático de bypass (2.2) está configurado para interrumpir la corriente de forma instantánea cuando se detecta el
inicio de un cortocircuito, por lo que debe ser un elemento capaz de trabajar con potencias elevadas y con una gran velocidad de respuesta. En una realización, el interruptor estático de bypass (2.2) comprende una serie de dispositivos semiconductores capaces de interrumpir la corriente en carga cuando reciben una señal de apertura S1 por parte de los medios de procesamiento. El interruptor estático de bypass (2.2) en algunas realizaciones está formado por tiristores, IGCT’s, GTO’s, IGBT’s o una combinación de ellos. Si los dispositivos semiconductores elegidos o su configuración no permiten interrumpir por sí mismos la intensidad circulante en el tiempo requerido por la aplicación, el interruptor estático de bypass (2.2) incluye un circuito auxiliar de conmutación, o medios de control secundarios, formado por inductancias, condensadores y tiristores auxiliares; el condensador, previamente cargado, se descarga cuando se disparan los tiristores auxiliares, aportando una intensidad que anula la intensidad que circula por los dispositivos semiconductores del interruptor estático de bypass (2.2) lo que causa su bloqueo a su paso por cero.
Durante la operación habitual del horno (8), el interruptor (2.1) se encuentra abierto, y el interruptor estático de bypass (2.2) se encuentra cerrado, de forma que la corriente circula sólo por la rama de los medios de conmutación (2) hasta que el interruptor estático de bypass (2.2) recibe la señal de apertura S1 para abrir la rama o ramas correspondientes a los medios de conmutación (2) y hacer pasar la corriente por la rama o ramas del convertidor (3). El interruptor (2.1) está configurado para operar cuando haya que deshabilitar el dispositivo (1), por ejemplo para realizar operaciones de mantenimiento en la instalación.
La Figura 2 muestra el convertidor (3) conectado en paralelo con los medios de conmutación (2), el convertidor (3) formado por un inversor (3.1) y un disipador de energía (4). La función del inversor (3.1) es pasar de continua a alterna la tensión del bus de continua mantenida constante por el disipador de energía (4).
El inversor (3.1) se muestra en la Figura 3 como un inversor genérico con terminales de alterna (3.1.1) y terminales de continua (3.1.2), capaz de transformar una tensión continua Ve en una tensión alterna Vx. Los elementos del lado de continua, también llamado bus de continua, se encuentran conectados a los terminales de continua (3.1.2) y comprenden unos medios capacitivos (3.2), que en la realización mostrada es un único condensador, y conectados en paralelo a los medios capacitivos (3.2), un conjunto de regulador electrónico (4.1) y medios resistivos (4.2), conectados en serie con el regulador electrónico (4.1).
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En una realización preferida, el inversor (3.1) está formado por un puente de cuatro de IGBT’s. Es posible emplear otro tipo de dispositivos semiconductores, pero los IGBT’s permiten una respuesta rápida, y tienen la ventaja adicional de generar una señal sinusoidal que no introduce componentes armónicos, lo que evita la circulación de intensidades armónicas y la necesidad de incluir costosos equipos para corregir estos problemas. Para para poder realizar la inversión, los IGBT’s necesitan recibir pulsos de disparo generados por un circuito de control auxiliar que se habilita en respuesta a una señal de control S2 de los medios de control (7).
El regulador electrónico (4.1) de la realización mostrada en la Figura 3 es un troceador o chopper habilitado mediante la señal S3, y comprende varios IGBT’s que permiten conectar una o más resistencias, variar por tanto el valor óhmico conectado al bus y regular la corriente que circula por los medios resistivos (4.2) y la energía disipada.
Por otro lado, al paso de corriente por los medios resistivos (4.2) se produce un consumo de potencia, que se disipa al ambiente. En una realización preferida, los medios resistivos (4.2) comprenden una pluralidad de resistencias que se pueden conectar y desconectar selectivamente, y con diferentes valores nominales de resistencia y diferentes esquemas de conexión, por ejemplo en serie o en paralelo, de forma que el valor resultante la resistencia se puede modificar según sea necesario; a este efecto, los medios de control (7) emiten una señal o conjunto de señales de control, S4, que permiten modificar el valor total de la resistencia eléctrica. Como resultado, la potencia consumida depende del valor total de la resistencia eléctrica conectada.
La tensión continua Ve se convierte en una tensión de compensación alterna Vx tras pasar por el inversor (3.1), cuyos terminales de alterna (3.1.1) están conectados en serie entre la fuente de tensión (9) y el electrodo del horno (8), de manera que la tensión de compensación Vx se resta a la tensión de la fuente de tensión (9), Vh. El resultado es que para una impedancia dada en el electrodo del horno (8), Zh, y una tensión de alimentación Vh constante, la intensidad circulante en el electrodo del horno (8) se reduce por efecto de la tensión de compensación Vx:
Ih = vt -vx
Zh
Así, aunque la tensión de la fuente (9) se mantiene constante y la impedancia Zh del electrodo (8) no se modifica desplazando los electrodos (8), la corriente Ih no aumenta por encima del valor máximo permitido por la instalación como consecuencia del inicio del cortocircuito.
Esta regulación requiere adaptar el valor de la tensión a la variación de la intensidad circulante. Esto se logra mediante la monitorización constante de las principales variables de la instalación, Vh, Vt, Vc e Ih, que corresponden a la tensión aplicada al electrodo del horno (8), a la tensión de la fuente de tensión (9), la tensión de los medios capacitivos (3.2) y la corriente que circula por el electrodo del horno (8); como muestra la Figura 4, la monitorización se lleva a cabo mediante respectivos medios de medida de tensión (5.1, 5.2, 5.3) y de intensidad (6), que emiten de forma continua señales de medida Syh, Syt, Svc, Si a los medios de control (7). De esta forma, ante un incremento repentino de la intensidad Ih que anticipe un cortocircuito, los medios de control (7) inician las acciones de control necesarias para producir una tensión de compensación Vx de acuerdo con la variación de la intensidad Ih.
Los medios de control (7) procesan las señales de cada fase de forma independiente, pero físicamente pueden estar integrados en un mismo dispositivo común a las tres fases; en cualquier caso, las señales de control se emiten de forma individual para cada fase. De forma ventajosa, los medios de control (7) de cada fase están conectados operativamente entre sí.
En una realización, los medios de control (7) estén integrados en un único dispositivo físico, con un canal para cada fase. En una realización, el dispositivo que implementa los medios de control (7) es un computador, un PLC, un sistema con microprocesadores, etc.
Como muestra la Figura 4, los medios de control (7) reciben las señales de medida Svh, Svt, Svc, Si de los medios de medida (5.1, 5.2, 5.3, 6) continuamente; los medios de control (7) procesan las señales también de forma continua, y si la variación temporal de las señales de medida, en particular la señal de medida de la intensidad Si, anticipa un cortocircuito, los medios de control (7) en función de las demás señales de medida determinan cuál debe ser la tensión de compensación Vx, y emiten las señales de control correspondientes: una señal de control S1 para habilitar los medios de conmutación (2) para que se habilite la rama del convertidor (3), una señal de control S2 para habilitar los dispositivos semiconductores del inversor (3.1) y una señal de control al disipador de energía (4) para habilitar la disipación
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potencia.
En la realización en la que los medios resistivos (4.2) son una pluralidad de resistencias que se pueden conectar selectivamente, los medios de control (7) emiten adicionalmente una señal o conjunto de señales de control S4 que permiten variar el valor total de la resistencia de los medios resistivos (4.2).
En una realización, el dispositivo comprende unos medios de control secundarios (no representados); estos medios de control secundarios operan como un control distribuido para los medios de conmutación (2), el convertidor (3) y el disipador de energía (4), a los cuales están conectados operativamente. En esta realización, los medios de control secundarios son habilitados mediante las señales S1, S2 y/o S3 emitidas por los medios de control (7), y una vez habilitados, los medios de control secundarios emiten las señales de disparo para activar o desactivar cada uno de los dispositivos semiconductores de los medios de conmutación (2), el convertidor (3) y el disipador de energía (4).
Además, en otra realización, el dispositivo comprende medios de control secundarios (no representados) para habilitar o deshabilitar los elementos de los medios resistivos (4.2); estos medios de control secundarios, habilitados mediante la señal S4, operan de la misma forma que los medios de control secundarios de los medios de conmutación (2), el convertidor (3) y el disipador de energía (4).
Funcionamiento del dispositivo de regulación continua de intensidad
En el inicio del proceso y durante el funcionamiento normal, el interruptor (2.1) está abierto y el interruptor estático de bypass (2.2) está cerrado, permitiendo el paso de la intensidad desde la fuente de tensión (9) al horno (8).
En el momento en que se detecta una variación temporal de la intensidad Ih que supere un umbral de intensidad Ih max que permite anticipar una intensidad de cortocircuito, y antes de que la intensidad alcance el valor que correspondería al cortocircuito, los medios de control (7) emiten una señal de control S1 a los medios de conmutación (2) para habilitar el dispositivo (1), y como consecuencia, el interruptor estático de bypass (2.2) se abre.
Al mismo tiempo el convertidor (3) arranca y a través del inversor (3.1) genera la tensión de compensación Vx, calculada a partir de los valores de la tensión Vh, la tensión Vt, la tensión
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Vc y la corriente Ih. Al generar la tensión de compensación Vx, la intensidad de corriente alterna circulante por el inversor provoca la absorción de energía desde el lado de corriente alterna al lado de corriente continua del inversor (3.1) y los medios capacitivos (3.2) absorben energía y se cargan, elevando la tensión Vc entre los terminales de los medios capacitivos (3.2). Esta energía debe de ser disipada para mantener la tensión Vc, y proteger el dispositivo, y para esa función se emplea el regulador electrónico (4.1) y los medios resistivos (4.2). A medida que la tensión sube el regulador electrónico (4.1) conecta más resistencias de los medios resistivos (4.2) con lo que se reduce el valor óhmico total de la resistencia de los medios resistivos (4.2), y aumenta la potencia absorbida y la energía disipada.
La tensión Vh, que resulta de restar Vx a la tensión de la fuente de tensión Vt, se aplica al horno (8), y será tal que la intensidad resultante del cociente entre dicha tensión Vh y la impedancia del horno se mantenga por debajo del valor umbral Ih max.
Una vez cesado el cortocircuito, o cuando la intensidad Ih baja por debajo del valor umbral Ih max, la tensión Vx se anula y el interruptor estático de bypass (2.2) se cierra, volviendo al estado inicial.
En la Figura 5 se muestra un ejemplo de la evolución temporal de cuatro magnitudes relevantes del dispositivo para un mismo periodo de tiempo: Vt, Ih, Vx Vh. Gracias a esta gráfica se puede comprobar la relación entre las tensiones y corrientes que se ha descrito más arriba.
En la primera gráfica se muestra la señal de la tensión de suministro o de la fuente de tensión (9), Vt, que es una tensión sinusoidal constante en amplitud y fase.
En la segunda se muestra la señal de la corriente Ih que circula por el horno (8); en esta gráfica se puede apreciar como en un momento dado se produce un pico de corriente, que podría anticipar un cortocircuito.
En la tercera gráfica se muestra la señal de la tensión de compensación Vx, que se genera en el dispositivo (1) en respuesta al pico de corriente; se puede apreciar como su amplitud aumenta prácticamente en el momento en el que se inicia el pico de corriente de Ih, y su amplitud varía hasta anularse de nuevo.
Por último, en la cuarta gráfica se muestra la señal de la tensión Vh aplicada al horno (8), que resulta de la combinación de la señal de Vt y la señal de Vx. En la zona central de la gráfica, es decir cuando se produce el pico de corriente que podría anticipar un cortocircuito, se aprecia el resultado de restar la tensión de compensación Vx, a la tensión suministro o de la fuente de tensión (9), Vt,, de modo que la tensión Vh que llega al horno (a los electrodos) es menor, y por consiguiente también la intensidad Ih que circula por dichos electrodos (8) del horno, que no supera el umbral Ih max.
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Claims (12)
1. Dispositivo (1) de regulación continua de intensidad para un horno de arco eléctrico, en donde por cada fase
el horno comprende al menos un electrodo de horno (8) al que se aplica una tensión Vh, y por el que circula una intensidad Ih, y
el horno está conectado a una fuente de tensión (9) que genera una tensión Vt,
caracterizado por que el dispositivo (1) está configurado para ser conectado en serie entre la fuente de tensión (9) y un electrodo del horno (8), y comprende:
- unos medios de conmutación (2), configurados para ser conectados en serie entre la fuente de tensión (9) y el al menos un electrodo de horno (8), y en donde los medios de conmutación (2) están configurados para habilitar o deshabilitar la fase del dispositivo (1) de regulación a la que se conecte;
- un convertidor (3), conectado en paralelo a los medios de conmutación (2), de forma que la corriente circula por el convertidor (3) cuando los medios de conmutación (2) están abiertos, y en donde el convertidor (3) comprende,
al menos un inversor (3.1), con sus terminales de alterna (3.1.1) configurados para ser conectados en serie entre la fuente de tensión (9) y el al menos un electrodo de horno (8), en donde el al menos un inversor (3.1) está configurado para convertir tensión continua en tensión alterna,
unos medios capacitivos (3.2) conectados a los terminales de continua (3.1.2) del al menos un inversor (3.1), entre los cuales se mantiene una tensión Vc, y
un disipador de energía (4) conectado en paralelo a los medios capacitivos (3.2), en donde el disipador de energía (4) comprende un regulador electrónico (4.1) y unos medios resistivos (4.2) conectados en serie con el regulador electrónico (4.1);
- unos medios de medida de tensión (5.1) para medir la tensión Vh, unos medios de medida de tensión (5.2) para medir la tensión Vt, unos medios de medida de tensión (5.3) para medir la tensión Vc y unos medios de medida de intensidad (6) para medir la corriente Ih, donde los medios de medida (5.1, 5.2, 5.3, 6) están configurados para emitir señales de medida Svh, Svt, Svc, Si correspondientes a los valores de tensión e intensidad medidos;
- al menos unos medios de control (7) configurados para recibir y procesar las señales de medida Svh, Svt, Svc, Si de los medios de medida (5.1, 5.2, 5.3, 6), y para emitir señales de control al convertidor (3) y a los medios de conmutación (2) en respuesta a
una variación temporal de la intensidad Ih que supere un umbral de intensidad Ih max como consecuencia del inicio de un cortocircuito inducido por el arco eléctrico, donde los medios de control (7) emiten,
una señal de control S1 a los medios de conmutación (2) para habilitar el dispositivo (1),
una señal de control S2 para habilitar el inversor (3.1), y
una señal de control S3 para habilitar el disipador de energía (4),
de forma que el regulador electrónico (4.1) del disipador de energía (4) regula el paso de corriente hacia los medios resistivos (4.2) controlando la energía disipada y manteniendo la tensión continua controlada Vc entre los terminales de continua (3.1.2) del inversor (3.1), que convierte la tensión VC en una tensión de compensación alterna regulada en fase y amplitud Vx, que a su vez se resta a la tensión Vt de la fuente de tensión (9), de modo que la tensión Vh aplicada a los electrodos del horno (8) se reduzca y por consiguiente la intensidad Ih no supere el umbral Ih max.
2. Dispositivo (1) de regulación continua de intensidad según la reivindicación anterior, caracterizado por que el al menos un inversor (3.1) comprende al menos un puente inversor monofásico con dispositivos semiconductores.
3. Dispositivo (1) de regulación continua de intensidad según la reivindicación anterior, caracterizado por que el al menos un inversor (3.1) comprende un puente de cuatro dispositivos semiconductores, preferentemente transistores bipolares de puerta aislada con cuatro diodos conectados en anti-paralelo (IGBT’s).
4. Dispositivo (1) de regulación continua de intensidad según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios de conmutación (2) comprenden un interruptor (2.1) y configurado para deshabilitar el dispositivo (1), y un interruptor estático de bypass (2.2) y configurado para habilitar o deshabilitar la regulación de tensión en carga de forma instantánea, en donde el interruptor (2.1) y el interruptor estático de bypass (2.2) están conectados en paralelo entre sí.
5. Dispositivo (1) de regulación continua de intensidad según la reivindicación anterior, caracterizado por que el interruptor (2.1) es uno de la lista siguiente: un interruptor automático, un interruptor en carga, un seccionador en vacío motorizado.
6. Dispositivo (1) de regulación continua de intensidad según cualquiera de las reivindicaciones 4 o 5, caracterizado por que el interruptor estático de bypass (2.2) comprende tiristores, IGCT’s, GTO’s y/o IGBT’s.
7. Dispositivo (1) de regulación continua de intensidad según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el regulador electrónico (4.1) comprende dispositivos semiconductores de tipo IGBT.
8. Dispositivo (1) de regulación continua de intensidad según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios resistivos (4.2) comprenden una pluralidad de resistencias con distintos valores de resistencia eléctrica, estando los medios de control (7) configurados emitir una señal de control S4 para habilitar o deshabilitar un control del regulador electrónico (4.1) que conecta de forma selectiva al menos una resistencia de la pluralidad de resistencias.
9. Dispositivo (1) de regulación continua de intensidad según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios de control (7) actúan sobre al menos una fase del dispositivo (1).
10. Dispositivo (1) de regulación continua de intensidad según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende respectivos medios de control secundarios para habilitar o deshabilitar los elementos de los medios de conmutación (2), del convertidor (3) y/o del disipador de energía (4), en donde los medios de control secundarios están configurados para entrar en funcionamiento en respuesta a las señales S1, S2 y/o S3 de los medios de control (7), señales S1, S2 y/o S3 emitidas a su vez por los medios de control (7) en respuesta a las señales de medida Svh, Svt, Svc, Si.
11. Instalación de horno trifásico de arco eléctrico, que comprende una fuente de tensión trifásica con al menos tres fuentes de tensión (9), un horno trifásico de arco eléctrico con al menos tres electrodos de horno (8), y al menos un dispositivo (1) de regulación continua de intensidad según cualquiera de las reivindicaciones anteriores por cada una de las tres fases.
12. Método de regulación continua de intensidad para un horno de arco eléctrico con un dispositivo (1) de regulación de intensidad según cualquiera de las anteriores reivindicaciones 1 a 10, que comprende las siguientes etapas:
proveer de un dispositivo (1) de regulación por cada fase conectado en serie entre las fuentes de tensión (9) y los electrodos de horno (8);
para cada fase, cuando el horno se encuentra en operación, los medios de medida de tensión (5.1, 5.2, 5.3) miden las tensiones Vh, Vt, Vc y los medios de medida de intensidad (6) miden la corriente Ih, y emiten de forma continua señales de medida SVh, Svt, Svc, Si a los medios de control (7);
para cada fase, si la variación temporal de la corriente Ih aumenta por encima de un valor umbral Ih max, los medios de control (7):
• emiten una señal S1 para abrir los medios de conmutación (2) y habilitar el dispositivo (1);
• en función de las señales de medida Svh, Svt, Svc, Si, emiten una señal S3 de control al disipador de energía (4);
• para cada fase, los medios de control (7) emiten una señal S2 de control al inversor (3.1),
de forma que para cada fase el regulador electrónico (4.1) del disipador de energía (4) controla el paso de corriente hacia los medios resistivos (4.2) controlando la energía disipada y manteniendo una tensión continua controlada Vc entre los terminales de continua (3.1.2) del inversor (3.1), que convierte la tensión Vc en una tensión de compensación alterna regulada en fase y amplitud Vx, que a su vez se resta a la tensión Vt de la fuente de tensión (9), de modo que la tensión Vh aplicada a los electrodos del horno (8) se reduzca y por consiguiente la intensidad Ih no supere el umbral Ih max.
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