1. Introducción
Las empresas siderúrgicas son los principales consumidores de energía de la economía nacional, y la industria siderúrgica ha sido designada como un sector clave para la conservación de los recursos nacionales. Dada la tensión actual entre la oferta y la demanda de energía tanto a nivel nacional como internacional, las empresas siderúrgicas necesitan urgentemente reducir el consumo de energía a través de diversos medios para lograr beneficios económicos y productividad óptimos.
Por ejemplo, en la producción de sinterización, el consumo de energía impulsado por motores representa por sí solo más del 20% de los costos totales de energía , y los motores de media tensión que accionan los ventiladores constituyen una parte importante de esto. En una línea de producción de sinterización típica, entre el 25% y el 30% de la energía eléctrica se utiliza para accionar varios tipos de ventiladores. Por tanto, reducir el consumo y mejorar la eficiencia de los aficionados es una tarea urgente.
Los extractores principales de sinterización suelen estar accionados por motores síncronos de alta potencia. Los primeros métodos de arranque para motores síncronos eran principalmente arranques por resistencia líquida. Este método de arranque y regulación presentaba numerosos problemas, como una alta corriente de arranque, susceptibilidad a desfases bajo cargas pesadas y un gran desperdicio de energía. Además, por consideraciones de seguridad y estabilidad, los propios sistemas de sinterización se diseñaron originalmente con márgenes significativos para equipos de ventilador, lo que llevó al fenómeno predominante de "usar un mazo para romper una nuez" en muchas plantas de sinterización.
A medida que cambian las condiciones operativas y la producción, también cambia el flujo de aire requerido para el sistema. Sin embargo, la mayoría de los ventiladores todavía utilizan métodos de regulación tradicionales, es decir, ajustando la apertura de las compuertas de entrada y salida. Este método logra su objetivo aumentando la resistencia al viento y sacrificando la eficiencia del ventilador, lo que resulta en una pérdida de energía significativa. Por lo tanto, es imperativo implementar modificaciones del variador de frecuencia (VFD) para los motores síncronos de voltaje medio y alta potencia que impulsan los ventiladores de extracción principales de sinterización.
Figura 1: Sitio del ventilador de extracción principal de sinterización
2. Solución técnica
Aprovechando sus años de experiencia en aplicaciones de productos de la industria metalúrgica con ventiladores de escape principales de sinterización, Nancal Electric llevó a cabo una modernización del sistema de escape principal de sinterización de una planta siderúrgica. Este proyecto involucró una máquina de sinterización de 238 m² equipada con dos ventiladores de extracción principales, accionados por motores síncronos de 10 kV / 4600 kW. Originalmente, los extractores principales usaban arranque por resistencia a líquidos y operaban a frecuencia eléctrica, cumpliendo con los requisitos del proceso para la presión negativa de la caja de viento y el flujo de aire ajustando las aberturas de las compuertas de entrada para garantizar una producción estable. Para esta modernización, se quitaron los dos dispositivos de arranque de resistencia líquida 'uno-uno' originales y se reemplazaron con dos VFD para regulación de velocidad, logrando un arranque suave 'dos-impulsos-dos' y regulación de velocidad de frecuencia variable con respaldo manual mutuo . El diagrama unifilar del sistema se muestra a continuación:
Figura 2: Diagrama unifilar del VFD
Procedimiento operativo:
(1) Cuando la máquina de sinterización funciona a plena carga, los ventiladores de sinterización funcionan a máxima velocidad. El VFD arranca su motor correspondiente de la siguiente manera (usando el VFD #1 para arrancar el motor #1 como ejemplo):
a. Seleccione el funcionamiento a velocidad constante en el sistema de control; MBL1 está abierto.
b. El interruptor de media tensión del lado de entrada MBC1 del VFD y el interruptor de media tensión del lado de salida MBM1 están abiertos; El interruptor de aislamiento QS1 está cerrado, el interruptor de aislamiento QS12 está abierto.
do. El interruptor de derivación del reactor limitador de corriente está abierto y tiene prohibido cerrarse.
d. Cierre el interruptor MBC1 del lado de entrada del VFD.
mi. Cierre el interruptor MBM1 del lado de salida del VFD.
F. Arranque el motor a la velocidad nominal con la compuerta del ventilador cerrada. Cuando el voltaje de salida del VFD cumpla con los requisitos de sincronización de la red (amplitud, frecuencia, fase), cierre MBL1, bloquee los pulsos de activación del VFD, abra MBM1 y luego abra MBC1.
gramo. El motor n.º 1 y el ventilador de sinterización han completado el arranque y ahora están funcionando en línea a la frecuencia eléctrica.
El motor n.º 2 se arranca y se sincroniza con la red de la misma manera.
(2) Cuando un VFD está en mantenimiento o presenta fallas, el otro VFD puede arrancar ambos motores y cambiarlos a operación de frecuencia eléctrica. El procedimiento es el siguiente (usando el VFD n.° 1 para arrancar el motor n.° 2 como ejemplo):
a. Seleccione la operación a frecuencia eléctrica en el sistema de control; MBL2 está abierto.
b. Seleccione para iniciar el VFD n.º 1.
do. Seleccione para iniciar el motor n.º 2.
d. El interruptor MBM1 del lado de salida del VFD está abierto; el interruptor de aislamiento QS2 está abierto; QS1 y QS12 están cerrados.
mi. El interruptor de derivación del reactor limitador de corriente está abierto y tiene prohibido cerrarse.
F. Cierre el interruptor de media tensión del lado de entrada MBC1 del VFD y el interruptor de media tensión del lado de salida MBM2.
gramo. Arranque el motor a la velocidad nominal con la compuerta del ventilador cerrada. Cuando la salida del VFD esté sincronizada con la red, cierre MBL2, bloquee los pulsos de disparo del VFD, abra MBM2 y luego abra MBC1.
h. El motor n.º 2 y el ventilador de sinterización han sido arrancados por el VFD n.º 1 y ahora están funcionando a la frecuencia eléctrica.
3. Configuración básica
Según los requisitos del motor y los parámetros de carga, los parámetros básicos del variador de media tensión Nancal Electric son los siguientes:
Los parámetros del motor son los siguientes:
4. Funciones del VFD
4.1 Tecnología de control de motores síncronos de excitación
Utilizando control vectorial de alto rendimiento, el variador logra un control desacoplado del par y el flujo del motor, lo que permite un control preciso de la corriente de excitación y la corriente de par del motor síncrono . El motor síncrono emplea una estrategia de control vectorial orientada a campos. El sistema de control utiliza una estructura dual de circuito cerrado con un circuito de velocidad y un circuito de corriente. El bucle de corriente utiliza un regulador PI para un buen rendimiento de seguimiento de corriente. El bucle de velocidad utiliza un regulador PI para limitar eficazmente el exceso durante la respuesta dinámica y acelerar la velocidad de respuesta.
4.2 Detección de la posición inicial del rotor del motor síncrono
Antes de arrancar el motor síncrono, el variador de media tensión de Nancal Electric aplica una señal de excitación al rotor y utiliza el modelo matemático del motor para detectar la posición del rotor. Esta tecnología logra un error de precisión de detección de la posición inicial del rotor de < 3° . El ángulo del vector de voltaje inicial de la salida del VFD comienza desde el ángulo de posición del rotor, evitando la inversión y la sobrecorriente durante el arranque.
4.3 Control de arranque suave y parada suave de frecuencia variable sin perturbaciones
El VFD está configurado con funcionalidad de arranque suave e incorpora tecnología de conmutación sin perturbaciones (frecuencia eléctrica/frecuencia variable). El sistema de control totalmente digital integra la funcionalidad de conexión a red síncrona. Al utilizar dispositivos de detección electrónicos integrados para voltaje de entrada y salida, no requiere PT externos ni relés de sincronización, lo que mejora significativamente la confiabilidad y las tasas de éxito de la conexión a la red..
4.4 Pasarela de bajo voltaje (LVRT)
Los variadores de media tensión de la serie NC HVVF incorporan tecnología avanzada de funcionamiento de bajo voltaje (LVRT) diseñada para mejorar la capacidad de operación continua. Maximiza la capacidad del equipo para resistir problemas de calidad del suministro eléctrico , garantizando que el equipo no se vea afectado por perturbaciones externas en la medida de lo posible, salvaguardando así la continuidad de la producción.
4.5 Arranque rápido
Para adaptarse a las fluctuaciones de voltaje de la red y la necesidad de cambiar el bus de suministro de energía principal en el sitio, el sistema proporciona una función de reinicio para motores en rotación. Al arrancar un motor que ya está girando, el VFD puede buscar y rastrear automáticamente la velocidad del motor, volviendo al estado de funcionamiento normal de acuerdo con el tiempo de aceleración/desaceleración establecido , lo que garantiza un funcionamiento seguro de la unidad sin disparos.
Figura 3: Diagrama lógico de inicio al vuelo
5. Resultados después de la modernización
Esta modernización cumplió con el requisito de parada de producción a corto plazo sin apagar el ventilador en la línea de escape principal de sinterización: cuando otros equipos en el sitio experimentaron fallas a corto plazo (tiempo de apagado inferior a 3 horas ), el motor podía funcionar a una frecuencia reducida a través del VFD, bajando la frecuencia a 25 Hz o incluso menos . Durante este período, se maximizó el ahorro de energía de los ventiladores.
Se optimizó el control del proceso de sinterización: el proceso de sinterización requiere un control preciso del flujo de aire, el grado de vacío, el espesor del lecho, la velocidad de la máquina y el punto final de la sinterización. Satisfacer todos estos puntos simultáneamente garantiza la calidad del sinterizado acabado. Al utilizar el método de regulación de velocidad del VFD, el punto de funcionamiento óptimo se puede encontrar controlando el VFD para ajustar el flujo de aire y el grado de vacío (principalmente la presión, que está influenciada por el espesor del lecho y la finura del material; el material grueso ofrece mayor permeabilidad y requiere menor presión; el material fino ofrece menor permeabilidad y requiere mayor presión) en función del espesor del lecho y la velocidad de la máquina, dejando al mismo tiempo un cierto margen. Esto satisface los requisitos reales del proceso de producción al tiempo que logra el máximo ahorro de energía, logrando los objetivos de aseguramiento de la producción y mejora de la eficiencia.
La probabilidad de deformación de los conductos de aire y fugas de aire se redujo significativamente, mejorando la seguridad de los conductos de aire : operar el ventilador de extracción principal de sinterización en su punto de funcionamiento óptimo a través del VFD evita una presión excesiva en los conductos de aire, previniendo incidentes como el colapso o la deformación de los conductos, reduciendo así la carga de trabajo de mantenimiento y los riesgos para el personal.
El VFD también proporciona funcionalidad de arranque suave: al arrancar suavemente el motor con el VFD, la corriente de arranque se puede controlar por debajo de la corriente nominal. Utilizando un esquema de precarga de media tensión y una tecnología de conmutación sin perturbaciones de conexión a red síncrona basada en reactor, se logra un arranque suave y verdaderamente libre de impactos..
Después de la modernización, se lograron importantes ahorros de energía mediante la regulación de velocidad VFD. Esta modernización del proyecto ahorró a la empresa costos sustanciales de electricidad, redujo los costos de producción y mejoró la eficiencia de la producción, lo que generó considerables beneficios económicos además de beneficios sociales positivos. Además, el ventilador ahora logra un arranque suave, lo que claramente resuelve problemas como corriente de arranque alta, carga pesada fuera de sincronismo y altos costos de mantenimiento.
Nancal Electric sigue centrado en el cliente y ofrece diversas soluciones técnicas de modernización para clientes de proyectos de modernización de ventiladores de extracción principales de sinterización de la industria metalúrgica. Estos incluyen arranque suave de un variador, uno, regulación de velocidad de frecuencia variable de dos variadores con conmutación automática de respaldo mutuo y configuraciones donde un VFD funciona en respaldo mutuo con un arrancador suave sólido (o arrancador de resistencia líquida). Estas soluciones brindan soporte técnico crucial para que las empresas reduzcan costos, mejoren la eficiencia y mejoren el control de procesos.