ES2936642T3

ES2936642T3 - Fuente de alimentación del horno de arco con circuito convertidor

Info

Publication number: ES2936642T3
Application number: ES20721267T
Authority: ES
Inventors: Peter Karl Steimer
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2023-03-21
Anticipated expiration: 2040-04-30
Also published as: KR102696149B1; EP3991288A1; KR20220025727A; CA3141669C; CA3141669A1; US20220271681A1; WO2020259900A1; AU2020306347B2; ZA202109373B; JP7500624B2; JP2022538320A; US12341417B2; BR112021023723A2; EP3991288B1; EP3758446A1; AU2020306347A1; CN114946114A

Abstract

Un sistema de alimentación (12) para un horno de arco eléctrico (10) comprende una entrada AC (20) conectable a una red eléctrica (22) y una salida AC (24) para alimentar al menos un electrodo de potencia (14) del arco horno (10). El sistema de suministro de energía (12) comprende además un circuito convertidor (46a, 46b, 46c) interconectado entre la entrada de CA (20) y la salida de CA (24). El circuito convertidor (46a, 46b, 46c) comprende al menos una celda convertidora (64) con un capacitor (108) e interruptores semiconductores (104) para conectar en serie el capacitor entre una entrada del circuito (56) y una salida del circuito (58) del circuito convertidor (46a, 46b, 46c). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Fuente de alimentación del horno de arco con circuito convertidor

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere al campo de los hornos de arco. En particular, la invención se refiere a un sistema de fuente de alimentación para un horno de arco eléctrico, un método para controlar el sistema de fuente de alimentación, así como un horno de arco con un sistema de fuente de alimentación de este tipo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los hornos de arco eléctrico a menudo están conectados directamente a una red de CA a través de un transformador. Entonces puede ser difícil limitar la corriente del electrodo durante la operación, lo que puede limitar el uso del electrodo y la productividad. Adicionalmente, el transformador puede necesitar entonces un costoso sistema de cambiador de tomas en carga, que se usa a menudo y el horno de arco puede generar parpadeos en la red de CA. Por lo tanto, puede ser necesario un compensador de var estático adicional para mitigar los problemas de parpadeo.

En los documentos EP 0589 544 B1 y US 6603 795 B2, se muestra una fuente de alimentación de horno de arco, que está adaptada para cortar la corriente del electrodo con tiristores antiparalelos conectados en serie con o sin un inductor paralelo. De esta forma, puede mejorarse la productividad del horno de arco. Sin embargo, cortando la corriente, una resistencia interna del horno de arco puede incrementarse más de lo necesario, lo que puede reducir la eficiencia del horno de arco.

El documento US 2011/176575 A1 se refiere a un sistema de fuente de alimentación para un horno de arco trifásico con un convertidor CA a CA compuesto por un rectificador y un inversor. El rectificador y el inversor comprenden celdas convertidoras conectadas en serie con condensadores de celda.

El documento EP 2947766 A1 también se refiere a una fuente de alimentación para un horno de arco. La fuente de alimentación comprende un sistema convertidor con unidades convertidoras, cada una de las cuales comprende módulos principales que están compuestos por celdas convertidoras conectadas en serie.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Es un objetivo de la invención proporcionar una fuente de alimentación de horno de arco, con corriente de electrodo controlable y alta eficiencia.

Este objetivo se consigue mediante la materia objeto de las reivindicaciones independientes. Otras realizaciones ilustrativas son evidentes a partir de las reivindicaciones dependientes y la siguiente descripción.

Un primer aspecto de la invención se refiere a un sistema de fuente de alimentación para un horno de arco eléctrico. Un horno de arco eléctrico puede ser un dispositivo, que está adaptado para fusionar o fundir materiales metálicos con la ayuda de un arco que es producido por una corriente eléctrica. La corriente eléctrica es producida por el sistema de fuente de alimentación, que puede estar conectado entre una red eléctrica de CA media y los electrodos del horno de arco. El sistema de fuente de alimentación también puede comprender un transformador, que transforma una tensión de entrada de CA media en una tensión de salida de CA baja, que se suministra a los electrodos.

Una tensión media puede ser una tensión entre 1 kV y 20 kV. Una tensión baja puede ser una tensión por debajo de 1 kV. Cabe señalar que la corriente a través de los electrodos puede ser superior a 1000 A.

El sistema de fuente de alimentación puede ser un sistema multifásico que tiene varias, tal como tres, fases. La tensión de entrada puede ser una tensión trifásica, con, por ejemplo, 50 o 60 Hz.

De acuerdo con la invención, el sistema de fuente de alimentación comprende una entrada de CA, que comprende al menos dos fases, conectable a una red eléctrica y una salida de CA, que comprende al menos dos fases, para alimentar al menos un electrodo de potencia del horno de arco. La entrada de CA puede comprender tres fases. También, la salida de CA puede comprender tres fases. La entrada de CA tiene al menos dos fases, tal como tres fases, y/o la salida de CA tiene al menos dos fases, tal como tres fases.

De acuerdo con la invención, el sistema de fuente de alimentación comprende circuitos convertidores que interconectan la entrada de CA y la salida de CA. El circuito convertidor puede ser o puede comprender un inversor de fuente de tensión, es decir, un convertidor con un condensador como almacenamiento de energía. Un circuito convertidor como se ha descrito anteriormente y a continuación está interconectado en cada fase de la entrada de CA o la salida de CA. En el caso de un sistema multifásico, puede proporcionarse a cada fase del lado de la fuente de alimentación antes o después de un transformador un circuito convertidor.

Cada circuito convertidor comprende al menos una celda convertidora con un condensador y conmutadores semiconductores para conectar en serie el condensador entre una entrada de circuito y una salida de circuito del circuito convertidor. La celda convertidora puede ser una celda convertidora flotante interconectada en una fase del sistema de fuente de alimentación.

Cada circuito convertidor y/o la celda convertidora puede ser un inversor de fuente de tensión, que puede estar adaptado para procesar alrededor del 10 % al 15 % de una potencia principal del sistema de fuente de alimentación.

Con los circuitos convertidores y/o la celda convertidora puede controlarse un flujo de potencia a través del sistema de fuente de alimentación y, opcionalmente, puede limitarse una corriente de cortocircuito. En particular, la corriente a través del dispositivo de fuente de alimentación puede controlarse y/o ajustarse a una corriente específica definida, que puede ser inferior y/o superior a una corriente máxima que puede generar el sistema de fuente de alimentación. Puede generarse una corriente más alta con refuerzo de corriente.

De acuerdo con una realización de la invención, los conmutadores semiconductores de la celda convertidora forman dos medios puentes conectados en paralelo, cuyos puntos medios están conectados entre la entrada del circuito y la salida del circuito. Un medio puente puede comprender dos conmutadores semiconductores conectados en serie que proporcionan el punto medio entre ellos. Los dos medios puentes paralelos pueden verse como un puente completo. Los conmutadores semiconductores pueden ser IGCT y/o IGBT.

De acuerdo con una realización de la invención, el condensador está conectado en paralelo a los medios puentes. De esta forma, el condensador puede estar desconectado de una ruta de corriente entre la entrada del circuito y la salida del circuito y/o puede estar conectado a la ruta de corriente. Además, el condensador puede estar conectado en direcciones inversas a la ruta actual.

De acuerdo con una realización de la invención, cada circuito convertidor comprende una pluralidad de celdas convertidoras conectadas en serie entre la entrada del circuito y la salida del circuito. Cada una de estas celdas convertidoras puede estar diseñada como se ha descrito anteriormente y a continuación. De esta forma, puede mejorarse la tensión nominal del circuito convertidor.

De acuerdo con la invención, cada circuito convertidor comprende un conmutador de derivación controlable, que está conectado en paralelo con la al menos una celda convertidora y que está adaptado para conectar y desconectar la entrada del circuito y la salida del circuito. Cuando el conmutador de derivación está abierto, una corriente a través del circuito convertidor únicamente puede fluir a través de la al menos una celda convertidora desde la entrada del circuito hasta la salida del circuito y viceversa. En el caso de que el conmutador de derivación esté cerrado, la corriente también puede fluir desde la entrada del circuito a través del conmutador de derivación hasta la salida del circuito y viceversa. Con el conmutador de derivación, la celda convertidora puede derivarse y/o protegerse contra sobrecorriente y/o sobretensión.

De acuerdo con una realización de la invención, el conmutador de derivación está compuesto de conmutadores semiconductores. Por ejemplo, el conmutador de derivación puede comprender uno o más transistores o tiristores, tales como unos IGBT, IGCT, etc. Su funcionalidad de derivación puede realizarse mediante conmutadores semiconductores (tales como IGCT) de las celdas convertidoras, de modo que no se necesite una derivación separada.

De acuerdo con una realización de la invención, el conmutador de derivación es un conmutador bidireccional. Esto se puede lograr conectando dos conmutadores semiconductores unidireccionales antiparalelos entre sí.

De acuerdo con una realización de la invención, el conmutador de derivación consta de dos conmutadores semiconductores antiparalelos, tal como dos tiristores antiparalelos. Los tiristores están adaptados para conmutar corrientes altas, como suele estar presente en la fuente de alimentación de un horno de arco.

De acuerdo con una realización de la invención, el conmutador de derivación es un conmutador mecánico. Un conmutador mecánico puede comprender componentes mecánicos que son accionados por un accionamiento para desconectar y conectar sus entradas.

De acuerdo con una realización de la invención, un inductor puede estar conectado en serie con la al menos una celda convertidora. En general, puede ser que una o más reactancias pasivas opcionales (tales como condensadores, inductores y/o reactores) estén conectadas en serie con la celda convertidora y/o en paralelo con el conmutador de derivación.

De acuerdo con una realización de la invención, puede conectarse un inductor adicional en serie con el conmutador de derivación entre la entrada del circuito y la salida del circuito. El inductor adicional puede desacoplarse de la corriente a través del circuito convertidor, cuando el conmutador de derivación está abierto.

De acuerdo con una realización de la invención, el inductor adicional está conectado en paralelo con la al menos una celda convertidora y/o una reactancia pasiva, tal como un inductor, condensador, etc. conectados en serie con la al menos una celda convertidora. Cuando el conmutador de derivación está cerrado, una corriente a través del conmutador de derivación también puede fluir a través del inductor adicional.

De acuerdo con una realización de la invención, un inductor, que está conectado en serie con la al menos una celda convertidora, tiene una inductancia más alta que el inductor adicional. Por ejemplo, el inductor puede tener una inductancia al menos 10 veces mayor que el inductor adicional.

De acuerdo con la invención, el sistema de fuente de alimentación comprende además un transformador, que está interconectado entre la entrada de CA y la salida de CA del sistema de fuente de alimentación. Como ya se ha descrito, el transformador, que puede ser un transformador multifásico, puede transformar una tensión de entrada de CA más alta en una tensión de salida de CA más baja.

De acuerdo con una realización de la invención, el transformador puede estar interconectado entre la entrada de CA y el circuito convertidor. En otras palabras, puede proporcionarse el circuito convertidor en el lado del sistema de fuente de alimentación con la tensión más alta y/o un lado primario del transformador.

De acuerdo con una realización de la invención, el transformador puede estar interconectado entre el circuito convertidor y la salida de CA. En otras palabras, puede proporcionarse el circuito convertidor en el lado del sistema de fuente de alimentación con la tensión más baja y/o un lado secundario del transformador.

De acuerdo con una realización de la invención, el transformador tiene devanados conectados a un punto de estrella en un lado primario y/o en un lado secundario, en donde el circuito convertidor está conectado al punto de estrella. El circuito convertidor puede comprender partes trifásicas, que están conectadas en estrella en un extremo y están conectadas a los devanados en el otro extremo. Cada una de estas partes de fase puede estar diseñada como un circuito convertidor monofásico como se ha descrito anteriormente y a continuación.

En resumen, el circuito convertidor puede estar conectado al lado primario, al lado secundario, en el lado primario y/o en el lado secundario del transformador.

De acuerdo con una realización de la invención, el sistema de fuente de alimentación comprende además un filtro de armónicos interconectado en la entrada de CA. Con el filtro de armónicos, pueden filtrarse armónicos de orden superior en la tensión de entrada de CA, que pueden generarse por los componentes del horno de arco. El filtro de armónicos puede comprender al menos dos componentes de filtro, cada uno de los cuales comprende un condensador de filtro y un inductor de filtro y cada uno de los cuales está adaptado a otro armónico de orden superior de una tensión de alimentación, es decir, la tensión de entrada de CA.

El filtro de armónicos puede ser un filtro capacitivo y/o inductivo conectado en paralelo con la entrada de CA. En el caso de un sistema multifásico, los componentes del filtro de armónicos pueden conectar en estrella las fases de la entrada de CA. Debe tenerse en cuenta que también se puede interconectar un filtro conectado en serie en la entrada de CA.

De acuerdo con una realización de la invención, el sistema de fuente de alimentación comprende además un reactor inductivo activo interconectado en la entrada de CA, en donde el reactor inductivo activo comprende un conmutador de derivación y un inductor conectado a la entrada de CA. El conmutador de derivación del reactor inductivo activo puede estar diseñado como conmutador de derivación del circuito convertidor, por ejemplo, con dos tiristores antiparalelos. En el caso de un sistema multifásico, el reactor inductivo activo puede tener ramales de reactor, que conectan en estrella las fases de la entrada de CA.

De acuerdo con una realización de la invención, el sistema de fuente de alimentación comprende además un convertidor de compensación interconectado en la entrada de CA. El convertidor de compensación puede ser un STATCOM basado en una fuente de tensión. En el caso de un sistema multifásico, el convertidor de compensación puede tener ramales de convertidor, que conectan en estrella las fases de la entrada de CA.

El reactor inductivo activo y/o el convertidor de compensación pueden estar controlados por un controlador del sistema de fuente de alimentación y/o pueden usarse para compensar variaciones del flujo de potencia a través del sistema de fuente de alimentación y/o para compensar variaciones de tensión en la entrada de CA.

De acuerdo con una realización de la invención, el reactor inductivo activo y/o el convertidor de compensación están controlados para minimizar un parpadeo en la entrada de CA. El parpadeo puede minimizarse en el punto de conexión común del horno de arco a la red eléctrica. La reducción del parpadeo puede ser un segundo objetivo de control además del control del flujo de potencia al horno de arco. Sin embargo, adicionalmente y/o como alternativa, también puede controlarse el parpadeo con la al menos una celda convertidora del circuito convertidor.

El parpadeo en la red eléctrica puede ser fluctuaciones en la tensión de la red y puede determinarse basándose en las mediciones de tensión en la entrada de CA. La norma IEC 61000-4-15 proporciona métodos y/o fórmulas para estimar el parpadeo.

Aspectos adicionales de la invención se refieren a un método y un controlador para controlar el sistema de fuente de alimentación como se ha descrito anteriormente y a continuación. Debe entenderse que las características del método como se han descrito anteriormente y a continuación pueden ser características del controlador y/o el sistema de fuente de alimentación como se han descrito anteriormente y a continuación. El controlador puede estar adaptado para realizar automáticamente el método.

De acuerdo con la invención, el método de la reivindicación independiente 12 comprende: determinar una corriente de electrodo suministrada al al menos un electrodo; y controlar la al menos una celda convertidora, de manera que la corriente del electrodo se ajusta a una corriente definida, tal como una corriente nominal. El controlador puede medir una corriente a través del sistema de fuente de alimentación en el lado de entrada y/o en el lado de salida. A partir de lo mismo, puede determinarse la corriente del electrodo. Dependiendo de la potencia necesaria para suministrar a los electrodos, que, por ejemplo, puede depender de la fase del proceso de fusión y/o la cantidad de material fundido, puede proporcionarse una corriente definida y el controlador puede ajustar la corriente del electrodo a esta corriente. La corriente definida puede proporcionarse por el controlador, por ejemplo, basándose en mediciones en el sistema de fuente de alimentación. El método permite el control de corriente, la limitación de corriente y/o el refuerzo de corriente. Puede determinarse la corriente definida, de manera que se realiza el control actual, la limitación de corriente y/o el refuerzo de corriente.

El flujo de potencia a través del sistema de fuente de alimentación puede controlarse controlando y/o influyendo en un cambio de fase entre la tensión de entrada de CA (es decir, la tensión en la entrada de CA) y una tensión de salida de CA (es decir, la tensión en la salida de CA aplicada a al menos un electrodo). Este cambio de fase puede ajustarse controlando la al menos una celda convertidora.

De acuerdo con una realización de la invención, el método comprende, además: determinar un parpadeo en la entrada de CA del sistema de fuente de alimentación; y controlar la celda convertidora, de manera que se reduce el parpadeo. El parpadeo puede controlarse activamente con el circuito convertidor. Por lo tanto, puede omitirse un convertidor de compensación (tal como se ha descrito anteriormente y a continuación o al menos puede reducirse).

De acuerdo con la invención, el método de la reivindicación del método independiente 12 comprende, además: durante un arranque del sistema de fuente de alimentación, derivar la celda convertidora cerrando un conmutador de derivación; y, después del suministro de energía de un transformador conectado entre la entrada de CA y la salida de CA, controlar la celda convertidora para ajustar la corriente del electrodo y abrir el conmutador de derivación. De esta forma, pueden ponerse en derivación sobrecorrientes generadas por el transformador, cuando se conecta el sistema de fuente de alimentación a una red eléctrica, y puede protegerse la celda convertidora durante el arranque.

De acuerdo con una realización de la invención, el método comprende, además: detectar una sobretensión y/o un pico de corriente en el circuito convertidor; y proteger el circuito convertidor, cuando se detecta una sobretensión y/o un pico de corriente, conmutando el circuito convertidor en un estado de derivación. Un estado de derivación puede ser un estado, en el que la celda convertidora o al menos componentes de la celda convertidora, tales como un condensador de celda, están en derivación.

De acuerdo con la invención, el circuito convertidor se puede conmutar a un estado de derivación conmutando la celda convertidora a un estado de derivación. En el estado de derivación, un condensador de celda puede desconectarse de las entradas de la celda convertidora.

De acuerdo con la invención, el circuito convertidor puede conmutarse a un estado de derivación cerrando y/o abriendo un conmutador de derivación. El conmutador de derivación puede usarse para proteger el circuito convertidor contra sobretensiones y/o picos de corriente, por ejemplo, durante el arranque y/o el funcionamiento transitorio. El controlador puede medir la tensión y/o la corriente en el circuito convertidor, que también puede comparar estos valores con umbrales, que indican una sobretensión y/o un pico de corriente. Cuando los valores correspondientes superan el umbral, puede activarse la función de protección. Por ejemplo, el conmutador de derivación puede cerrarse para reducir la tensión a través de la celda convertidora y los reactores opcionales conectados en serie y/o para reducir la corriente a través de estos componentes. Cuando la situación de fallo ha terminado, el conmutador de derivación puede volver a su estado inicial.

Un aspecto adicional de la invención se refiere a un horno de arco eléctrico, que comprende un sistema de fuente de alimentación como se ha descrito anteriormente y a continuación.

De acuerdo con una realización de la invención, el horno de arco eléctrico comprende además un recipiente para recibir material metálico y/o electrodos de potencia para fundir el material metálico, cuando se suministra con corriente del sistema de fuente de alimentación. Los electrodos de potencia también pueden tener un mecanismo mecánico, que está adaptado para ajustar la distancia de los electrodos al material metálico.

El horno de arco eléctrico también puede comprender un controlador para el sistema de fuente de alimentación adaptado para realizar el método como se ha descrito anteriormente y a continuación. El controlador del sistema de fuente de alimentación también puede controlar el mecanismo mecánico para mover los electrodos para ajustar la impedancia del sistema que comprende los electrodos y el material metálico. Se espera menos uso de un cambiador de tomas y/o menos movimientos de electrodos. Los cambiadores de tomas pueden incluso eliminarse.

Estos y otros aspectos de la invención serán evidentes y se aclararán con referencia a las realizaciones descritas a continuación.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La materia objeto de la invención se explicará con más detalle en el siguiente texto con referencia a realizaciones ilustrativas que se ilustran en los dibujos adjuntos.

La Figura 1 muestra un diagrama de circuito esquemático de un horno de arco de acuerdo con una realización de la invención.

La Figura 2 muestra un diagrama de circuito esquemático de un horno de arco de acuerdo con una realización adicional de la invención.

La Figura 3 muestra un diagrama de circuito esquemático de un circuito convertidor para el horno de arco de las Figuras 1 y 2.

La Figura 4 muestra un diagrama de circuito esquemático de un circuito convertidor adicional para el horno de arco de las Figuras 1 y 2.

La Figura 5 muestra un diagrama de circuito esquemático de celdas convertidoras conectadas en serie para el horno de arco de las Figuras 1 y 2.

La Figura 6 muestra un diagrama de circuito esquemático de un transformador con un circuito convertidor para el horno de arco de las Figuras 1 y 2.

La Figura 7 muestra un diagrama de circuito esquemático de un convertidor de compensación para el horno de arco de las Figuras 1 y 2.

La Figura 8 muestra un diagrama de circuito esquemático de un reactor inductivo activo para el horno de arco de las Figuras 1 y 2.

La Figura 9 muestra un diagrama de flujo de un método para controlar el horno de arco de las Figuras 1 y 2. Los símbolos de referencia usados en los dibujos y sus significados, se enumeran de forma resumida en la lista de símbolos de referencia. En principio, en las figuras se proporcionan los mismos símbolos de referencia a partes idénticas.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE REALIZACIONES ILUSTRATIVAS

Las Figuras 1 y 2 muestran un horno de arco 10 con un sistema de fuente de alimentación 12, que suministra potencia eléctrica a los electrodos 14 del horno de arco 10. Los electrodos 14 pueden proporcionarse en un recipiente 16, que está adaptado para alojar material metálico. Cuando se suministra a los electrodos 14 con corriente, se genera un arco eléctrico y se funde el material metálico. Los electrodos pueden moverse en el recipiente con la ayuda de accionadores mecánicos 18. De esta forma, puede controlarse la longitud del arco.

El sistema de fuente de alimentación 12 está conectado con una entrada de CA 20 a una red eléctrica 22 y suministra con una salida de CA 24 los electrodos 14. La entrada de CA 20 y la salida de CA 24 están galvánicamente separadas por un transformador 26, en donde un lado primario 26a del transformador está conectado a la entrada de CA 20 y un lado secundario 26b del transformador 26 está conectado a la salida de CA 24. El transformador 26 transforma una tensión de CA media de la red eléctrica 22 en una tensión de CA baja en la salida de CA 24. Ambas tensiones pueden tener una frecuencia de 50 Hz o 60 Hz.

Como se muestra en las Figuras 1 y 2, el sistema de fuente de alimentación 12 puede ser un sistema trifásico. la tensión de entrada de CA puede tener tres componentes y el sistema de fuente de alimentación 12 puede tener tres fases 28a, 28b, 28c en el lado de tensión media primario 26a del transformador 26. Como se muestra, el sistema de fuente de alimentación 12 también puede tener tres fases 30a, 30b, 30c en el lado de tensión baja secundario 26b del transformador 26. Sin embargo, también es posible que esté presente un número diferente de fases tanto en el lado primario 26a como en el lado secundario 26b. También es posible que el número de fases sea diferente en ambos lados 26a, 26b, por ejemplo, cuando el transformador 26 está diseñado con más de tres devanados en el lado secundario 26b.

Puede ser que un reactor inductivo activo 32 y/o un convertidor de compensación 34 estén interconectados y/o conectados a la entrada de CA 20, que se usa para controlar el parpadeo, que se genera por el horno de arco 10. El reactor inductivo activo 32 y/o un convertidor de compensación 34 pueden estar conectados en paralelo a la entrada de CA 20. Los componentes 32, 34 se describirán con más detalle a continuación con respecto a las Figuras 7 y 8.

Además, un filtro de armónicos 36 puede interconectarse y/o conectarse a la entrada de CA 20. El filtro de armónicos 36 puede conectarse en paralelo a la entrada de CA 20. El filtro de armónicos 36 puede comprender varios componentes de filtro 36a, 36b, 36c, 36d, cada uno de los cuales está adaptado para filtrar un armónico de orden superior específico de la tensión de CA en la entrada de CA 20. Por ejemplo, los componentes del filtro 36a, 36b, 36c, 36d puede estar adaptados para filtrar los armónicos de orden superior 5, 7, 11 y 13. Cada uno de los componentes del filtro 36a, 36b, 36c, 36d puede ser un filtro LC y puede comprender un condensador 38 y un inductor 40, que pueden conectarse en serie. En el presente caso de un sistema con tres fases 28a, 28b, 28c, cada uno de los componentes del filtro 36a, 36b, 36c, 36d puede comprender para cada fase un condensador 38 y un inductor 40, que están conectados en estrella.

También puede ser que un filtro de línea 42, que está conectado en serie a la entrada de CA 20, esté presente, filtro de línea 42 que puede comprender un inductor 44, que está conectado en serie en cada fase 28a, 28b, 28c.

Como se muestra en la Figura 1, el sistema de fuente de alimentación 12 además puede comprender un circuito convertidor 46a, 46b, 46c, que está conectado en serie en cada fase 28a, 28b 28c del lado primario. Como se muestra en la Figura 2, como alternativa o adicionalmente, un circuito convertidor 46a, 46b, 46c puede conectarse en serie en cada fase 30a, 30b, 30c del lado secundario. Los circuitos convertidores 46a, 46b, 46c se usan para limitación de corriente, refuerzo de corriente y/o control de potencia y se describirán con más detalle con respecto a las Figuras 3 a 5.

Puede ser posible que un filtro/reactor pasivo 48 esté conectado entre los circuitos 46a, 46b, 46c y el transformador 26 y/o que esté conectado un filtro/reactor pasivo 50 entre el transformador 26 y la salida de CA 24. Un filtro/reactor pasivo 48 (o 50) de este tipo puede comprender tres inductores conectados en estrella 52, cada uno de los cuales está conectado a una fase 28a, 28b, 28c (o 30a, 30b, 30c) del lado primario (o lado secundario) del sistema de fuente de alimentación 12.

Las Figuras 1 y 2 también muestran un controlador 54 para controlar el horno de arco y el sistema de fuente de alimentación 12. El controlador 54 puede recibir valores de medición de tensiones y/o corrientes en el sistema de fuente de alimentación 12, tal como una tensión de entrada de CA, una corriente de entrada de CA, una tensión intermedia y una corriente intermedia entre los circuitos convertidores 46a, 46b, 46c y el transformador, una tensión de salida de CA y una corriente de salida de CA. Todas estas cantidades pueden ser cantidades multifase.

Basándose en estos valores de medición y cantidades nominales, tal como una corriente de electrodo nominal, una potencia nominal suministrada a los electrodos 14, un parpadeo máximo, etc., el controlador puede controlar el movimiento de los electrodos 14, es decir, los accionadores mecánicos 18, el reactor inductivo activo 32, el convertidor de compensación 34 y los circuitos convertidores 46a, 46b, 46c. Esto también se describirá con más detalle a continuación.

La Figura 3 muestra uno de los circuitos convertidores 46a, 46b, 46c, que pueden diseñarse de manera igual. El circuito convertidor 46a, 46b, 46c comprende una entrada de circuito 56 y una salida de circuito 58, con el que se interconecta en la respectiva fase 28a, 28b, 28c, 30a, 30b, 30c.

El circuito convertidor 46a, 46b, 46c puede comprender un conmutador de derivación 60, una celda convertidora 64 y un inductor opcional 66 conectados en serie con la celda convertidora 64. El conmutador de derivación 60 y la celda convertidora 64 están conectados en paralelo entre la entrada 56 y la salida 58. Cabe señalar que el conmutador de derivación 60 es opcional y que el circuito convertidor únicamente puede comprender la celda convertidora 64 opcionalmente junto con el inductor 66. Los conmutadores de la celda convertidora pueden realizar una funcionalidad de derivación y/o un estado de derivación de la celda convertidora 64.

En general, el conmutador de derivación 60 puede ser un conmutador bidireccional controlable. El controlador 54 puede controlar el conmutador de derivación 60 para que se abra (conduzca) o se cierre (aislamiento).

La Figura 3 muestra un conmutador de derivación mecánico. En la Figura 4, el conmutador de derivación está compuesto de conmutadores semiconductores 68. El conmutador de derivación 68 puede estar compuesto por dos tiristores antiparalelos 68. Además, se muestra que un inductor 62 puede conectarse en serie con el conmutador de derivación 60. El inductor 62 puede tener una inductancia al menos 10 veces menor que el inductor 66.

La Figura 5 muestra celdas convertidoras 64 conectadas en serie, que pueden estar conectadas en serie entre la entrada 56 y la salida 58 del circuito convertidor 46a, 46b, 46c. También, la conexión en serie de las celdas convertidoras 64 puede conectarse en serie con un inductor 66. Las celdas convertidoras 64 también pueden ser del tipo de puente completo de tres niveles y/o pueden comprender puentes completos de tres niveles. Además, la conexión en serie puede conectarse en paralelo con un conmutador de derivación 60 y/o un inductor 62 como se muestra en las Figuras 3 y 4.

Cada celda convertidora 64 puede comprender un puente completo 100, que está compuesto de dos medios puentes paralelos 102. Cada medio puente 102 comprende dos conmutadores semiconductores conectados en serie 104, tales como los IGBT y/o IGCT, por ejemplo, con diodo antiparalelo. Se proporciona un punto medio 106 entre los conmutadores semiconductores 104 de cada medio puente 102. Los puntos medios 106 de una celda convertidora 64 están interconectados en una ruta de corriente entre la entrada 56 y la salida 58. Un condensador de celda convertidora 108 está conectado en paralelo a los medios puentes 102. A través del control del controlador 54, los conmutadores semiconductores 104 pueden conmutarse para desconectar el condensador 108 de los puntos medios 106 y para conectar el condensador en dos direcciones a estos puntos medios 106. Adicionalmente, los conmutadores semiconductores 104 pueden conmutarse para seleccionar dos estados cero redundantes, que ponen en deriva el condensador 108. Estos estados cero pueden verse como un estado de derivación de la celda convertidora 64.

Cabe señalar que la celda convertidora 64 de las Figuras 3 y 4 puede diseñarse como una de las celdas convertidoras 64 de la Figura 5.

La Figura 6 muestra realizaciones adicionales, cómo los circuitos convertidores 46a, 46b, 46c puede interconectarse en la fuente de alimentación 12. La Figura 6 muestra el lado primario 26a o, como alternativa, el lado secundario 26b del transformador 26. El lado primario 26a o el lado secundario 26 del transformador 26 comprende tres devanados 110, que están conectados en estrella a través de un punto en estrella 112. En la Figura 6, cada devanado 110 está conectado a través de un circuito convertidor 46a, 46b, 46c con la punta de estrella 112. Los circuitos convertidores 46a, 46b, 46c de la Figura 6 pueden estar diseñados como los de las Figuras 3 a 5. La Figura 7 muestra el reactor inductivo activo 32 y/o el convertidor de compensación 34 con más detalle. En el caso de un reactor inductivo activo 32, cada ramal 70 puede ser como se muestra en la Figura 5. Los ramales 70 pueden estar conectados en estrella en un extremo y conectados a una de las fases 28a, 28b, 28c con el otro extremo.

En el caso de un convertidor de compensación 34, cada ramal 70 puede ser un convertidor (tal como un convertidor de puente controlable activo) con un almacenamiento de energía interno, por ejemplo, en forma de un condensador. Los ramales 70 pueden formar un compensador de var estático, que puede ser controlado por el controlador 54.

La Figura 8 muestra una fase de un reactor inductivo activo 32. El reactor inductivo activo 32 comprende una entrada 72 y una salida 74. Un conmutador de derivación 76 y un inductor 78 están conectados en serie entre la entrada 72 y la salida 74. El conmutador de derivación 76 es un conmutador bidireccional controlable, que está compuesto de dos tiristores antiparalelos 82.

La Figura 9 muestra un diagrama de flujo de un método que puede realizarse automáticamente por el controlador 54.

En la etapa S10, durante un arranque del sistema de fuente de alimentación 12, las celdas convertidoras 64 de los circuitos convertidores 46a, 46b, 46c se ponen en derivación cerrando un conmutador de derivación 60. El sistema de fuente de alimentación 12 está conectado con su entrada de CA 20 a la red eléctrica 22 y se le proporciona energía. Después del suministro de energía de un transformador 26, que, por ejemplo, puede medirse midiendo corrientes y/o tensiones en el lado de entrada de CA del sistema de fuente de alimentación 12, el conmutador de derivación 60 puede abrirse y/o las celdas convertidoras 64 pueden controlarse para ajustar la corriente del electrodo.

En la etapa S12, el controlador 54 mide una o más corrientes y/o uno o más tensiones en el sistema de fuente de alimentación 12. Estos tensiones o corrientes pueden ser una tensión de entrada de CA, una corriente de entrada de CA, una tensión intermedia y/o una corriente intermedia entre los circuitos convertidores 46a, 46b, 46c y el transformador 26, una tensión de salida de CA y/o una corriente de salida de CA.

De las cantidades medidas, puede determinarse una corriente de electrodo suministrada a los electrodos 14. Por ejemplo, la corriente del electrodo puede medirse directamente como la corriente de salida de CA o puede estimarse a partir de otras cantidades medidas.

Las celdas convertidoras 64 de los circuitos convertidores 46a, 46b, 46c se controlan, de manera que la corriente del electrodo se ajusta a una corriente nominal. La corriente nominal puede proporcionarse por un lazo de control externo o puede determinarse por el propio controlador 54, por ejemplo, dependiendo de una condición de funcionamiento y/o de una potencia que debe suministrarse a los electrodos 14.

En la etapa S14, se detecta una sobretensión y/o una corriente pico en el circuito convertidor 46a, 46b, 46c por el controlador basándose en las cantidades medidas. En el caso de que se detecte un fallo de este tipo, el controlador 54 protege el circuito convertidor 46a, 46b, 46c con el conmutador de derivación 60 abriendo y/o cerrando el conmutador de derivación 60.

En la etapa S16, el controlador 54 también determina un valor de parpadeo a partir de las cantidades medidas, por ejemplo, de la tensión de entrada de CA. El reactor inductivo activo 32 y/o el convertidor de compensación 34 pueden controlarse entonces por el controlador 54 para minimizar el valor de parpadeo.

También puede ser que un objetivo de control adicional de los circuitos convertidores 46a, 46b, 46c es minimizar el parpadeo, y el circuito convertidor 46a, 46b, 46c y sus celdas convertidoras 64 pueden controlarse en consecuencia. En este caso, el control de parpadeo solo puede realizarse con los circuitos convertidores 46a, 46b, 46c.

Aunque la invención se ha ilustrado y descrito con detalle en los dibujos y en la descripción precedente, tal ilustración y descripción han de considerarse ilustrativas o a modo de ejemplo y no restrictivas; la invención no se limita a las realizaciones divulgadas. Los expertos en la materia pueden entender y efectuar otras variaciones de las realizaciones divulgadas y poner en práctica la invención reivindicada, a partir de un estudio de los dibujos, la divulgación y las reivindicaciones adjuntas. En las reivindicaciones, la expresión "que comprende" no excluye otros elementos o etapas, y el artículo indefinido "un" o "una" no excluye una pluralidad. Un solo procesador o controlador u otra unidad puede cumplir las funciones de varios elementos enumerados en las reivindicaciones. El mero hecho de que determinadas medidas se mencionen en reivindicaciones dependientes mutuamente diferentes no indica que una combinación de estas medidas no pueda utilizarse con ventaja. Cualquier signo de referencia en las reivindicaciones no debe interpretarse como que limita el alcance.

LISTA DE SÍMBOLOS DE REFERENCIA

10 horno de arco

12 sistema de suministro de potencia

14 electrodo

16 recipiente

18 accionador mecánico

20 entrada de CA

22 red eléctrica

24 salida de CA

26 transformador

26a lado primario

26b lado secundario

28a fase del lado primario

28b fase del lado primario

28c fase del lado primario

30a fase del lado secundario

30b fase del lado secundario

30c fase del lado secundario

32 reactor inductivo activo

34 convertidor de compensación

36 filtro de armónicos

36a componente de filtro

36b componente de filtro

36c componente de filtro

36d componente de filtro

38 condensador de filtro

40 inductor de filtro

42 filtro de línea

44 inductor de filtro

46a circuito convertidor

46b circuito convertidor

46c circuito convertidor

48 filtro pasivo y/o reactor

50 filtro pasivo y/o reactor

52 inductor de filtro

54 controlador

56 entrada de circuito

58 salida de circuito

60 conmutador de derivación

62 inductor

64 celda convertidora

66 inductor

68 tiristor

70 ramal

72 entrada

74 salida

76 conmutador de derivación

78 inductor

tiristor

puente completo

medio puente

conmutador semiconductor

punto medio

condensador de celda

devanado del transformador

punto de estrella

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de fuente de alimentación (12) para un horno de arco eléctrico (10), comprendiendo el sistema de fuente de alimentación (12):

una entrada de CA (20) conectable a una red eléctrica (22) y una salida de CA (24) para alimentar al menos un electrodo de potencia (14) del horno de arco (10), en donde la entrada de CA (20) tiene al menos dos fases (28a, 28b, 28c) y la salida de CA (24) tiene al menos dos fases (30a, 30b, 30c);

circuitos convertidores (46a, 46b, 46c) interconectados entre la entrada de CA (20) y la salida de CA (24), en donde un circuito convertidor (46a, 46b, 46c) está interconectado en cada fase (28a, 28b, 28c) de la entrada de CA (20) o en cada fase (30a, 30b, 30c) de la salida de CA (24);

un transformador (26) conectado entre la entrada de CA (20) y la salida de CA (24), de manera que la entrada de CA (20) y la salida de CA (24) están separadas galvánicamente por el transformador (26);

en donde cada circuito convertidor (46a, 46b, 46c) comprende al menos una celda convertidora (64) con un condensador (108) y conmutadores semiconductores (104) para conectar en serie el condensador entre una entrada del circuito (56) y una salida del circuito (58) del circuito convertidor (46a, 46b, 46c);

en donde el sistema de fuente de alimentación está adaptado para conmutar cada circuito convertidor (46a, 46b, 46c) en un estado de derivación durante un arranque del sistema de fuente de alimentación (12) cerrando un conmutador de derivación, que está conectado en paralelo con la al menos una celda convertidora (64) del circuito convertidor y que está adaptado para conectar y desconectar la entrada del circuito (56) y la salida del circuito (58); en donde el sistema de fuente de alimentación está adaptado para controlar la celda convertidora (64) para ajustar la corriente del electrodo y abrir el conmutador de derivación después del suministro de energía del transformador (26).

2. El sistema de fuente de alimentación de la reivindicación 1,

en donde los conmutadores semiconductores (104) de la celda convertidora (64) forman dos medios puentes conectados en paralelo (102), cuyos puntos medios (106) están conectados entre la entrada del circuito (56) y la salida del circuito (58);

en donde el condensador (108) está conectado en paralelo a los medios puentes (102).

3. El sistema de fuente de alimentación de la reivindicación 1 o 2,

en donde cada circuito convertidor (46a, 46b, 46c) comprende una pluralidad de celdas convertidoras (64) conectadas en serie entre la entrada del circuito (56) y la salida del circuito (58).

4. El sistema de fuente de alimentación (12) de una de las reivindicaciones anteriores,

en donde el conmutador de derivación está compuesto de conmutadores semiconductores (68).

5. El sistema de fuente de alimentación (12) de una de las reivindicaciones anteriores,

en donde se realiza una funcionalidad de derivación mediante conmutadores semiconductores de la celda convertidora (64).

6. El sistema de fuente de alimentación (12) de una de las reivindicaciones 1 a 3,

en donde el conmutador de derivación (60) es un conmutador mecánico.

7. El sistema de fuente de alimentación (12) de una de las reivindicaciones anteriores,

en donde un inductor (66) está conectado en serie con la al menos una celda convertidora (64).

8. El sistema de fuente de alimentación (12) de una de las reivindicaciones anteriores,

en donde un inductor adicional (62) está conectado en serie con un conmutador de derivación entre la entrada del circuito (56) y la salida del circuito (58).

9. El sistema de fuente de alimentación (12) de una de las reivindicaciones anteriores,

en donde el transformador (26) está interconectado entre la entrada de CA (20) y el circuito convertidor (46a, 46b, 46c); o

en donde el transformador (26) está interconectado entre el circuito convertidor (46a, 46b, 46c) y la salida de CA (24); o

en donde el transformador (26) comprende devanados (110) conectados a un punto de estrella (112) en un lado primario y/o en un lado secundario, en donde el circuito convertidor (46a, 46b, 46c) está conectado en el punto de estrella (112).

10. El sistema de fuente de alimentación (12) de una de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además: un filtro de armónicos (36) interconectado en la entrada de CA (20);

en donde el filtro de armónicos (36) comprende al menos dos componentes de filtro (36a, 36b, 36c, 36d), cada uno de los cuales comprende un condensador de filtro (38) y un inductor de filtro (40) y cada uno de los cuales está adaptado a otro armónico de orden superior de una tensión de entrada de CA.

11. El sistema de fuente de alimentación (12) de una de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además: un reactor inductivo activo (32) interconectado en la entrada de CA (20), en donde el reactor inductivo activo (32) comprende un conmutador de derivación (76) y un inductor (78) conectado a la entrada de CA (20); y/o un convertidor de compensación (34) interconectado en la entrada de CA (20);

en donde el reactor inductivo activo (32) y/o el convertidor de compensación (34) están controlados para minimizar un parpadeo en la entrada de CA (20).

12. Un método para controlar un sistema de fuente de alimentación (12) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo el método:

determinar una corriente de electrodo suministrada al al menos un electrodo (14);

controlar la al menos una celda convertidora (64), de manera que la corriente del electrodo se ajusta a una corriente definida;

durante un arranque del sistema de fuente de alimentación (12), derivar la celda convertidora (64) cerrando el conmutador de derivación;

después del suministro de energía del transformador (26) conectado entre la entrada de CA (20) y la salida de CA (24), controlar la celda convertidora (64) para ajustar la corriente del electrodo y abrir el conmutador de derivación; en donde el circuito convertidor (46a, 46b, 46c) se conmuta a un estado de derivación por al menos uno de conmutar la celda convertidora (64) a un estado de derivación y cerrar el conmutador de derivación.

13. El método de la reivindicación 12, que comprende, además:

determinar un parpadeo en la entrada de CA (20) del sistema de fuente de alimentación (12);

controlar la celda convertidora (64), de manera que se reduce el parpadeo.

14. El método de una de las reivindicaciones 12 a 13, que comprende, además:

detectar una sobretensión y/o una corriente pico en el circuito convertidor (46a, 46b, 46c);

proteger el circuito convertidor (46a, 46b, 46c), cuando se detecta una sobretensión y/o un pico de corriente, conmutando el circuito convertidor (46a, 46b, 46c) en un estado de derivación.

15. Un horno de arco eléctrico (10), que comprende:

un sistema de fuente de alimentación (12) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 11;

un controlador (54) adaptado para realizar el método de acuerdo con una de las reivindicaciones 12 a 14; un recipiente (16) para recibir material metálico;

electrodos de potencia (14) para fundir el material metálico, cuando se suministra con corriente del sistema de fuente de alimentación (12).