ES2314935T3 - Circuito electronico y procedimiento para la alimentacion de energia electrica de corriente alterna. - Google Patents
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Abstract
Circuito electrónico para la alimentación de energía eléctrica al menos a un electrodo (11) de un horno eléctrico de corriente alterna, especialmente para la fundición de metal, que comprende conectados en serie: un transformador (6) para la preparación de una tensión de alimentación para el horno eléctrico desde una red de corriente (1); y un regulador de corriente alterna (8) conectado entre el transformador (6) y el electrodo (11) para la regulación de la corriente a través del electrodo (11); caracterizado por una instalación de medición de la corriente (4) para la medición del valor absoluto de la corriente que fluye a través del electrodo; por un conmutador de separación de puenteo (9), que está conectado en paralelo al regulador de corriente alterna (8); y por una instalación de control (14) para la apertura o cierre del conmutador de separación de puenteo (9) de una manera adecuada a través del valor absoluto de la corriente que fluye a través del electrodo (11).
Description
Circuito electrónico y procedimiento para la
alimentación de energía eléctrica a un horno eléctrico de corriente
alterna.
La invención se refiere a un circuito
electrónico y a un procedimiento para la alimentación de energía al
menos a un electrodo de un horno eléctrico de corriente alterna,
especialmente para la fundición de metal.
La invención se puede aplicar en hornos
eléctricos para la producción de metales no férreos, aleaciones de
hierro, escorias de procesos, acero así como para la purificación de
escorias. Los hornos eléctricos pueden estar configurados como
hornos eléctricos de reducción, como hornos eléctricos de fundición
de caja baja o como hornos de arco voltaico.
Se conoce a partir de la publicación alemana DE
2 034 874 un circuito electrónico de este tipo para la alimentación
de un horno eléctrico de corriente alterna. El circuito electrónico
publicado allí está conectado entre una red de corriente y al menos
un electrodo del horno eléctrico. Comprende un circuito en serie que
está constituido por un conmutador para los electrodos, un
transformador para la preparación de una tensión de alimentación
para el horno eléctrico a partir de la red y de un regulador de
corriente alterna conectado entre el transformador y el electrodo
para la regulación de la corriente a través del electrodo.
Un regulador de corriente alterna está
constituido típicamente por dos tiristores conectados
anti-paralelos y lleva a cabo la regulación de la
corriente en forma de un control de corte de fases. En este caso,
los tiristores, que realizan la parte de potencia del regulador de
la corriente, están diseñados típicamente sobre toda la zona de
trabajo del horno eléctrico, es decir, una zona de corriente muy
grande. Especialmente en el caso de hornos de alta potencia, que
son accionados con tensiones de alimentación grandes, son
necesarios, en virtud de las altas tensiones de bloqueo de los
tiristores, en general, series de construcción muy caras de
tiristores. Los tiristores con tensiones de bloqueo grandes no
pueden conmutar, sin embargo, en general, corrientes grandes; para
la conexión de corrientes grandes, como pueden aparecer, en general,
en determinados estados de funcionamiento, especialmente en el caso
de un modo de resistencia, del horno eléctrico, deben conectarse,
por lo tanto, en paralelo muchos tiristores individuales o un
regulador de corriente alterna completo. Solamente de esta manera
se pueden conducir entonces las altas corrientes de los electrodos
que son necesarias al menos en estados de funcionamiento
individuales. Para garantizar un funcionamiento fiable del horno
eléctrico en todos los estados de funcionamiento, especialmente
también a altas corrientes eléctricas, son necesarios, por lo tanto,
tradicionalmente circuitos rectificadores de corriente caros y
costosos.
Partiendo de este estado de la técnica, la
invención tiene el cometido de desarrollar un circuito electrónico
conocido y un procedimiento para la alimentación de corriente
eléctrica a un horno eléctrico de corriente alterna de una manera
sencilla en cuanto a la construcción y económica, con la intención
de que sea posible sin problemas un funcionamiento del horno
eléctrico en todos los estados de funcionamiento, especialmente
también en altas corrientes de electrodos.
Este cometido se soluciona a través del objeto
de la reivindicación 1 de la patente. De acuerdo con ello, un
circuito electrónico de acuerdo con la invención para la
alimentación de un horno eléctrico de corriente alterna se
caracteriza por una instalación de medición de la corriente para la
medición del valor absoluto de la corriente que fluye a través del
electrodo, un conmutador de separación de puenteo, que está
conectado en paralelo al regulador de corriente alterna, y una
instalación de control para la apertura o cierre del conmutador de
separación de puenteo de acuerdo con el valor absoluto de la
corriente que fluye a través del electrodo.
Los rasgos característicos mencionados son muy
fáciles de realizar y, por lo tanto, con coste favorable. En su
configuración reivindicada, posibilitan de una manera más ventajosa
un puenteo del regulador de corriente alterna en caso a amenaza de
sobrecarga, es decir, durante estados de funcionamiento del horno
eléctrico, que requieren una corriente especialmente grande de los
electrodos. De una manera más ventajosa, estos estados de
funcionamiento, como por ejemplo un modo de resistencia con
electrodos sumergidos y sin porción de arco voltaico, no requieren
una regulación especial de la corriente de los electrodos a través
del regulador de corriente alternas; su función es entonces
prescindible y, como se reivindica, entonces es puenteada. En otros
estados de funcionamiento del horno eléctrico, por ejemplo durante
un modo de resistencia, con una porción de arco eléctrico, se abre
el conmutador de separación de puenteo de acuerdo con la invención,
con la consecuencia de que se conduce entonces la corriente de los
electrodos a través del regulador de corriente alterna y se puede
regular a través de éste. Típicamente el valor absoluto de la
corriente a través del electrodo durante su funcionamiento con arco
voltaico es menor que durante un modo de resistencia sin arco
voltaico.
En virtud de la limitación de la corriente a
través del regulador de corriente alterna, realizada a través del
conmutador de separación de puenteo de acuerdo con la invención, se
puede dimensionar este regulador de una manera más ventajosa
esencialmente más pequeño y se puede fabricar más sencillo y
económico, sin que con ello se implique una limitación para el
funcionamiento del horno eléctrico.
La previsión de conmutadores de separación
adicionales delante y detrás del regulador de corriente alterna,
pero todavía entre las conexiones del conmutador de separación de
puenteo, ofrece la ventaja de que cuando el conmutador de
separación de puenteo está cerrado, es decir, cuando se puentea el
regulador de corriente alterna, éste se extrae, por ejemplo, para
fines de mantenimiento, fuera del circuito electrónico, sin que se
interrumpa la corriente de los electrodos y, por lo tanto, el
funcionamiento del horno eléctrico.
A través de la previsión de acuerdo con la
invención del conmutador de separación de puenteo se adapta el
circuito electrónico de una manera muy sencilla y de coste favorable
a diferentes estados de funcionamiento del horno eléctrico, como
resultan en virtud de requerimientos metalúrgicos.
El cometido mencionado anteriormente se
soluciona, además, por medio de un procedimiento reivindicado para
la alimentación de energía eléctrica a un horno eléctrico de
corriente alterna o bien a su electrodo. Las ventajas de este
procedimiento corresponden a las ventajas mencionadas anteriormente
con relación al circuito electrónico reivindicado.
Las configuraciones ventajosas tanto del
circuito electrónico como también del procedimiento son objeto de
las reivindicaciones dependientes.
Se adjunta la descripción de 4 figuras en total,
en las que:
La figura 1 muestra un circuito electrónico de
acuerdo con la invención.
La figura 2 muestra un diagrama típico de la
potencia - corriente - tensión, diagrama
U-I-P, para un horno eléctrico de
reducción.
La figura 3 muestra una sección transversal a
través del electrodo y la fundición en un horno eléctrico así como
un diagrama de sustitución eléctrico correspondiente para esta
sección de la corriente de los electrodos; y
La figura 4 muestra el diagrama de acuerdo con
la figura 2 con zonas funcionales diferentes representadas
adicionalmente del horno eléctrico y el valor umbral de la corriente
registrado.
\vskip1.000000\baselineskip
A continuación se explica la invención en forma
de ejemplos de realización detallados con referencia a las figuras
mencionadas.
Típicamente, para la fundición de acero se
emplean hornos eléctricos con tres o seis electrodos. En el caso de
hornos con seis electrodos, se conectan los electrodos 11 por
parejas en cada caso para la introducción de energía en el
contenedor del horno 12. En el caso de horno eléctricos con 3
electrodos11 se conectan los electrodos habitualmente en circuito
ciego estrecho, para reducir la reactancia de la línea de alta
corriente. De una manera alternativa al circuito ciego estrecho, es
posible, sin embargo, también un circuito de estrella de los
electrodos.
La figura 1 muestra el circuito electrónico de
acuerdo con la invención para la alimentación de energía eléctrica
a un horno eléctrico. La figura 1 muestra una representación
bifásica; podrían estar previstos circuitos correspondientes para
otras fases.
La alimentación de energía para los electrodos
se realiza habitualmente a partir de una red de tensión media 1.
Entre la red de tensión media y el electrodo 11, el circuito
electrónico comprende un transformador de horno 6, que está
dirigido con su lado primario hacia la red de tensión media 11,
mencionada a continuación también como red de corriente, y está
dirigido con su lado secundario hacia el electrodo 11. Entre la red
de corriente 1 y el lado primario del transformador del horno 6, el
circuito electrónico comprende un primer circuito en serie, que
comprende una instalación de medición de la tensión 2, un conmutador
de la potencia del horno 3 para la conexión o desconexión del horno
eléctrico, una instalación de medición de la corriente 4,
opcionalmente un conmutador de estrella /o triangular para la
conmutación selectiva del arrollamiento primario del transformador
del horno en un circuito de estrella o circuito triangular así como
una protección contra la sobretensión 13. El conmutador de estrella
o triangular posibilita un desplazamiento de la zona de la tensión
de medición del transformador del horno 6, por ejemplo, en la medida
del factor 1,73 hacia arriba o hacia abajo.
Entre el lado secundario del transformador del
horno 6 y el electrodo 11, el circuito electrónico presenta
esencialmente un segundo circuito en serie, que está constituido por
un primer conmutador de separación 10a, un divisor de la corriente
alterna 8 y un segundo conmutador de separación 10b. Los
conmutadores de separación 10a y 10b posibilitan, cuando el
conmutador de separación de alta corriente 9 está conectado, una
separación eléctrica o bien un desmontaje del regulador de
corriente alterna 8; por ejemplo, para fines de mantenimiento, sin
que debe interrumpirse para ello el funcionamiento del horno,
especialmente el modo de resistencia con electrodos sumergidos y
sin porción de arco voltaico. El regulador de la corriente alterna 8
posibilita una regulación de la corriente de los electrodos en
forma de un control de corte de fases.
De acuerdo con la invención, el circuito
electrónico se completa por medio de un conmutador de separación de
puenteo 9 conectado en paralelo al regulador de corriente alterna 8
y opcionalmente también paralelo al primero y al segundo conmutador
de separación 10a y 10b, que es activado por una instalación de
control 14. Esta instalación de control controla el conmutador de
separación de puenteo 9 de una manera adecuada a través del valor
absoluto, medido por la instalación de medición de la corriente 4,
de la corriente de fluye a través del electrodo 11. La instalación
de control 14 puede estar realizada en forma de un control
programado con memoria, de un sistema de guía de procesos o de otro
sistema asistido por ordenador.
Después de la estructura del circuito
electrónico, se describe a continuación en detalle el modo de
funcionamiento del horno eléctrico en colaboración con el circuito
electrónico de acuerdo con la invención.
La figura 2 muestra un diagrama típico de la
potencia - corriente - tensión, diagrama
U-I-P, para un horno eléctrico de
reducción con 6 electrodos. En este diagrama se representan líneas
de potencia efectiva 100 en función de la corriente secundaria,
registrada sobre el eje de ordenadas, y de las tensiones
secundarias, registradas sobre el eje de abscisa. El conjunto de
líneas características 200 caracteriza la resistencia del horno. La
impedancia de cortocircuito del horno eléctrico está simbolizada en
este caso por medio de la curva característica 300. Estas curvas
características en el diagrama solamente son válidas para un ángulo
constante de encendido del tiristor. En el caso de un ángulo de
encendido mayor o menor, se desplazan las curvas características
sobre la abscisa.
Las curvas características 4a y 4b muestran la
corriente máxima admisible a través del electrodo en función de la
tensión secundaria en el caso de un circuito de estrella en el lado
primario de los arrollamientos del transformador 4a yen el caso de
un circuito triangular en el lado primario de los transformadores de
los arrollamientos del transformador 4b. La curva característica
500 ilustra la corriente máxima de medición del rectificador de
corriente alterna 8 de acuerdo con la invención, es decir, el valor
umbral de la corriente.
Típicamente, en el caso de un horno eléctrico,
se distinguen según el proceso, las sustancias de empleo y los
productos esencialmente los siguientes estados metalúrgicos:
a) modo de resistencia con electrodos sumergidos
y sin porción de arco voltaico;
b) modo de resistencia solamente con porción de
arco voltaico; y
c) modo con porción alta de arco voltaico.
Estos tres estados de funcionamiento se explican
en detalle a continuación.
\vskip1.000000\baselineskip
La energía necesaria para el proceso es generada
a través del calentamiento por resistencia de la escoria. Los
electrodos 11 están sumergidos claramente en la escoria, la
profundidad de inmersión depende, entre otras cosas, del diámetro
de los electrodos; no obstante, en general, está por encima de
aproximadamente 200 mm. En este tipo de funcionamiento, se conduce
corriente eléctrica a través de la escoria, con lo que la energía
eléctrica es transformada en calor de Joule en virtud de la
resistencia eléctrica de la escoria, que impulsa una reacción
endotérmica metalúrgica, por ejemplo reducción y fundición. El modo
de resistencia con electrodos sumergidos y sin porción de arco
voltaico se caracteriza por altas corrientes eléctricas y tensiones
secundarias relativamente bajas, que se encuentran claramente por
debajo de 1000 V.
En este tipo de funcionamiento, en virtud de los
electrodos sumergidos, no existe ningún requerimiento especial de
regulación. El horno eléctrico puede ser, por lo tanto, entonces
también convencional, es decir, que puede funcionar sin regulación
de la corriente. Por lo tanto, se recomienda conectar durante esta
operación el conmutador de separación de puenteo 9 y de esta manera
puentear el regulador de corriente alterna 8. De este modo se
protegen los semiconductores de potencia, típicamente tiristores, en
el regulador de corriente alterna 8 frete a corrientes demasiado
grandes.
\vskip1.000000\baselineskip
La porción principal de la energía necesaria
para este modo de funcionamiento del horno eléctrico se consigue a
través de un calentamiento por resistencia de la escoria. En este
caso, se conduce la corriente eléctrica a través de la escoria, con
lo que se transforma la energía eléctrica a través de la resistencia
de la escoria en calor de Joule. El calor de joule impulsa en este
caso una reacción endotérmica metalúrgica, por ejemplo reducción y
fundición. Se puede realizar una entrada de energía adicional
pequeña a través de un arco voltaico que se produce en la zona
inferior de los electrodos y debajo de éstos. Esto se consigue
cuando los electrodos están sumergidos solamente en una medida
mínima o en una posición de los electrodos inmediatamente por
encima del baño de escoria. Para este modo de funcionamiento son
necesarias habitualmente intensidades de corriente relativamente
grandes y tensiones comparativamente pequeñas; ver la figura 4, zona
b). No obstante, las tensiones en este tipo de funcionamiento son
claramente más altas que con los electrodos sumergidos. En
concreto, las tensiones secundarias se encuentran en una zona en
torno a 1000 V en hornos de aproximadamente 30 - 50 MW de
potencia.
\vskip1.000000\baselineskip
En este tipo de funcionamiento, se realiza una
porción mayor de la entrada de energía a través de arcos voltaicos.
Los arcos voltaicos transmiten su calor de radiación directamente
sobre la capa de lecho de fusión y la capa de escoria del horno. En
este caso se distingue, en principio, entre un modo de
funcionamiento con arco voltaico abierto y un modo de
funcionamiento con arco voltaico cubierto.
En el modo de funcionamiento con arco voltaico
abierto, el arco voltaico incide sin utilización de la radiación de
calor lateral sobre el lecho de fusión Mö o bien sobre la escoria S;
ver la figura 3, en la que N representa la zona del arco voltaico
no cubierta. En la figura 3 se muestra también un diagrama
equivalente eléctrico para la trayectoria eléctrica a través del
electrodo 11, el arco voltaico L, la escoria S y el metal fundido
15. En una consideración idealizada, se puede suponer que la
resistencia óhmica del electrodo 11 y del metal fundido 15 es cero.
Entonces permanecen para la corriente de los electrodos una
resistencia óhmica R_{L} en virtud del arco eléctrico L y una
resistencia óhmica R_{S} a través de la escoria S.
En el modo de funcionamiento con arco voltaico
cubierto se cubre parcialmente la zona marginal del electrodo 11 a
través del lecho de fusión Mö; ver en la figura 3 el borde derecho
del electrodo. Además de la energía de arco voltaico se introduce
una porción aproximadamente igual o menor de la energía aplicada a
través del calentamiento de resistencia en los electrodos. Para el
tipo de funcionamiento descrito con porción alta de arco voltaicos
son necesarias habitualmente corrientes bajas con tensiones altas;
ver la figura 4, zona c).
Las tensiones se encuentran en este caso en
hornos con potencias por encima de 30-50 MW
habitualmente por encima de 1000 V. Existen altos requerimientos de
regulación de la corriente de los electrodos en virtud del
comportamiento no lineal y estocástico de los arcos voltaicos con la
tendencia a la inestabilidad. En el tipo de funcionamiento c) se
conduce y se regula toda la corriente necesaria de los electrodos a
través del regulador de corriente alterna 8. En este caso se abre
el conmutador de separación de alta corriente 9.
La transición entre el tipo de funcionamiento b)
y c) es fluida. En principio, se aplica que ya a medida que se
incrementa la elevación de la potencia a través de la elevación de
la tensión secundaria del transformador 6, a medida que se
incrementa la porción del arco voltaico L en la entrada de energía,
ver la figura 3, y cuando no se alcanza el valor umbral de la
corriente 300 para la corriente de los electrodos, se abre el
conmutador de separación de puenteo 9 y se cierran el primero y el
segundo conmutador de separación 10aa, 10b. De esta manera, se
conecta adicionalmente entonces el regulador de corriente alterna y
sirve para la optimización de la entrada de energía. A la inversa,
el regulador de corriente alterna 8 debe extraerse de nuevo al
mismo tiempo fuera del circuito eléctrico, en el caso de una
reducción de la entrada de energía a través del arco voltaico, en
el caso de una reducción de la tensión secundaria y en el caso de un
aumento de la corriente de los electrodos, es decir, en principio,
en el caso de que se exceda el valor umbral de la corriente a
través de la corriente de los electrodos. En principio, el valor
umbral de la corriente 300 para la apertura del conmutador de
separación de puenteo 9 es idéntico al valor umbral de la corriente
para el cierre del conmutador de separación de puenteo. No
obstante, para los dos profesos son concebibles también diferentes
valores umbrales de la corriente, por ejemplo combinados en una
histéresis.
La figura 4 muestra de una manera similar a la
figura 2 un ejemplo para el dimensionado del circuito electrónico
de acuerdo con la invención para la introducción de energía en un
horno eléctrico con 6 electrodos para un proceso FeNi con 129 MVA.
Exactamente como en la figura 2, también aquí la curva
característica 300 caracteriza la corriente máxima a través del
regulador de corriente alterna 8 y, por lo tanto, el valor umbral
de la corriente para la conmutación del conmutador de separación de
puenteo 9. El regulador de corriente alterna 8 se cierra en el caso
de corrientes de los electrodos por encima de este valor umbral, con
lo que se descarga entonces eléctricamente el regulador de
corriente alterna. Esto tiene la ventaja de que el regulador de
corriente alterna 8 en general y especialmente sus semiconductores
de potencia se pueden dimensionar considerablemente más pequeños,
con lo que se posibilita una solución sencilla y económica.
Aunque los hornos eléctricos, especialmente los
hornos eléctricos de reducción están diseñados para los tipos de
funcionamiento b) y c), sin embargo, se pueden hacer funcionar en la
zona de una operación de arranque y de una operación de carga
parcial con conmutador de separación de puenteo 9 cerrado, es decir,
con regulador de corriente alterna 8 puenteado.
Claims (8)
1. Circuito electrónico para la alimentación de
energía eléctrica al menos a un electrodo (11) de un horno
eléctrico de corriente alterna, especialmente para la fundición de
metal, que comprende conectados en serie:
- un transformador (6) para la preparación de una tensión de alimentación para el horno eléctrico desde una red de corriente (1); y
- un regulador de corriente alterna (8) conectado entre el transformador (6) y el electrodo (11) para la regulación de la corriente a través del electrodo (11);
- caracterizado por una instalación de medición de la corriente (4) para la medición del valor absoluto de la corriente que fluye a través del electrodo;
- por un conmutador de separación de puenteo (9), que está conectado en paralelo al regulador de corriente alterna (8); y
- por una instalación de control (14) para la apertura o cierre del conmutador de separación de puenteo (9) de una manera adecuada a través del valor absoluto de la corriente que fluye a través del electrodo (11).
2. Circuito electrónico de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque entre el transformador
(6) y el regulador de corriente alterna (8) está conectado un
primer conmutador de separación (10aa) y entre el regulador de
corriente alterna (8) y el electrodo (11) está conectado un segundo
conmutador de separación (10b).
3. Circuito electrónico de acuerdo con la
reivindicación 2, caracterizado porque el conmutador de
separación de puenteo (9) está conectado de tal forma que puentea
el circuito en serie formado por el primer conmutador de separación
(10aa), el regulador de corriente alterna (8) y el segundo
conmutador de separación (10b).
4. Procedimiento para la alimentación de energía
eléctrica al menos a un electrodo (11) de un horno eléctrico de
corriente alterna, especialmente para la fundición de metal, que
comprende las siguientes etapas:
- preparación de una tensión de alimentación para el horno eléctrico desde una red de corriente (1); y
- regulación de la corriente a través del electrodo (11) con la ayuda de un regulador de corriente alterna (8);
caracterizado por la medición del valor
absoluto de la corriente que fluye a través del electrodo; y por el
puenteo del regulador de corriente alterna a través de una conexión
de cortocircuito de conformidad con el valor absoluto de la
corriente medida.
5. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 4, caracterizado porque el regulador de
corriente alterna (8) es puenteado cuando el valor absoluto de la
corriente a través del electrodo (11) excede un valor umbral
predeterminado de la corriente.
6. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 5, caracterizado porque el electrodo es
impulsado en un modo de arranque, en un modo de mantenimiento del
calor o en un modo de resistencia sin porción de arco voltaico,
cuando el valor absoluto de la corriente está por encima del valor
umbral predeterminado de la corriente.
7. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 5, caracterizado porque el horno eléctrico es
accionado en un modo de resistencia con una porción de arco
eléctrico, cuando el valor absoluto de la corriente se encuentra
por debajo del valor umbral predeterminado de la corriente.
8. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque el regulador de
corriente alterna (8), cuanto está puenteado, se puede desmontar
durante el funcionamiento del horno eléctrico, por ejemplo para
fines de mantenimiento, fuera de un circuito electrónico para la
alimentación de electrodo.
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