La aplicación de los tirisores en el control eléctrico del horno de arco para la fabricación de acero

Este dispositivo de control de potencia eléctrica (EAFs) es el eje de la producción de acero moderna, que ofrece una ruta flexible, eficiente y cada vez más sostenible al acero de alta calidad. A diferencia de las operaciones de hornos de explosión tradicionales que dependen de la coque y el mineral de hierro, EAFs funde el acero o el hierro reducido directamente con energía eléctrica.

Comprensión de los tirisores: El dispositivo de conmutación de núcleo

Un tiristor es un dispositivo de dos capas, de tres órdenes semiconductor que funciona como un interruptor bistable. Puede ser de un estado de alto impacto (off) a un estado de baja impedancia (on) mediante la aplicación de un corto pulso de corriente positivo a su terminal de portones. Una vez que conduce, el tisristo permanece invertido hasta que el circuito alterna de diez gotas de corriente debajo de un umbral de retención naturalmente cero

Comparados con otros dispositivos semiconductores de potencia como transistores de energía o transistores bipolares de ágatas aisladas (IGBTs), los tirisores ofrecen ventajas distintas para aplicaciones de ultraalta potencia. Pueden manejar corrientes de alta velocidad (en diez ocasiones la corriente nominal durante cortos períodos) y soportar altas tensiones con pérdidas mínimas de conducción.

Control de potencia basado en tiristor en hornos eléctricos de arco

Cómo funciona el control de energía

El sistema de control de la raíz de disparos (a menudo 33–220 kV) se reduce por un transformador de horno a una tensión inferior (normalmente 400–1,200 V) a una corriente muy alta. El transformador secundario está conectado a los tres electrodos a través de un conjunto de reactores y un controlador de potencia basado en tiristorquar. El controlador de onda es esencialmente un controlador de tensión de tres fases o, más controlado

La relación entre ángulo de disparo y tensión de salida es no lineal. Para un par tiristor (de vuelta a espalda SCRs), el voltaje de salida promedio varía con el cosino del ángulo de disparo. En una configuración de tres fases, normalmente un rectificador de puente de seis pulsaciones o un controlador de tensión AC con tirisores antiparalelos por fase, el controlador debe sincronizar los pulsos de puerta con la frecuencia de línea

Topologías de circuito para el control de potencia EAF

Varias configuraciones de circuitos de tiros se utilizan en las instalaciones de EAF. Lo más común es el controlador de tensión AC, donde dos tirisores antiparalelos se colocan en serie con cada fase del transformador de horno primario o secundario. Al controlar el ángulo de disparo de 0 a 180 grados, el voltaje de onda RMS entregado al horno puede ser regulado desde la salida nominal hasta cerca de cero.

Una topología alternativa es el rectificador controlado con el circuito de hornos DC, donde el suministro de AC se rectifica primero a DC utilizando un puente tiristor, luego alimentado al horno a través de un reactor de aislante. En esta configuración, el poder entregado al arco puede ser controlado independientemente del voltaje de línea AC, y el reactor ayuda a estabilizarctu corriente.

Tiristor Stacks y Sistemas de Enfriamiento

Las corrientes de calor en las decenas de kiloamperos requieren que los tirisores se conecten en conjuntos paralelos. Cada turristor es calificado para una tensión inversa de varios kilovoltios y una corriente continua de varios kiloampos. Para lograr la capacidad necesaria para una EAF, que puede extraer 100 kA o más, los motores conectan múltiples tirisores en paralelo en un montaje de calor sink, a menudo llamado una pila.

Ventajas operacionales del control de los tiristores en las EAFs

La adopción de control de potencia basado en tiristor ha traído numerosos beneficios a los fabricantes de acero, impactando directamente la eficiencia del proceso, la calidad del producto y el costo operativo.

  • Regulación de potencia avanzada: El control de ángulo de fijación permite un ajuste fino de la potencia de casi cero a la salida de valor completo. Esta precisión permite a los operadores optimizar el perfil de fusión de diferentes grados de chatarra, minimizar la sobre fundición y reducir los residuos de energía. Se reportan mejoras típicas del consumo de energía del 5–10% en comparación con la regulación de transformador de corriente más antigua o el control de reactores.
  • Respuesta dinámica rápida: Los controladores de tisristor pueden cambiar la potencia entregada al arco dentro de un solo ciclo (16–20 ms para sistemas de 50/60 Hz). Esta respuesta rápida descompone las inestabilidades de arco causadas por la chatarra, el movimiento de electrodos o las ondas de tensión. Un arco estable reduce el deslizamiento en la red de utilidad, reduce el ruido térmico.
  • ] Alto Eficiencia y Baja Pérdida: Los tirisores tienen caídas de tensión avanzadas típicamente entre 1.0 y 1.8 V a corriente nominal. Las pérdidas de conducción en la electrónica de potencia son una pequeña fracción de la potencia total del horno (a menudo inferior al 0,5%).Esto contrasta con métodos antiguos como reactores estufables, que tuvieron importantes pérdidas de hierro y cobre.
  • Consumo Electrodo reducido: El control más estricto del arco reduce las oleadas de corriente erráticas que causan el desgaste excesivo de la punta del electrodo. El grafito electrodo es un costo consumible importante en las operaciones del EAF; las mejoras del 5-15% en el consumo de electrodo son alcanzables con la regulación de tiristor.
  • ] Factor de potencia mejorado: Los controladores de tisristor pueden integrarse con los compensadores de Var estáticos (SVC) o filtros activos para corregir el factor de potencia de carga causado por la reacción del horno. Al coordinar los ángulos de disparo con el equipo de compensación, el factor de potencia de planta general puede mantenerse por encima de 0.9, evitando las sanciones de utilidad.
  • Repetibilidad del proceso mejorado: Los controles digitales almacenan perfiles de potencia precisos para diferentes grados de acero, asegurando condiciones térmicas y metalúrgicas consistentes de calor a calor. Esta repetibilidad mejora el control de calidad y reduce la necesidad de re- fundir o ajustar la aleación.

Desafíos y estrategias de mitigación

A pesar de sus ventajas, los sistemas basados en tiristor introducen desafíos que deben abordarse en el diseño y la operación.

Distorsión armónica

Los circuitos de tiristor controlados por fase generan corrientes armónicas que fluyen de nuevo a la red de utilidades. Los armónicos predominantes son los 5, 7, 11 y 13, con magnitudes que dependen del ángulo de tiro. A baja potencia (ángulos de tiro), el contenido armónico aumenta significativamente. Los armónicos excesivos pueden interferir con otros equipos de planta, causan sobrecalentamiento del transformador, y conducen a las multas de utilidad.

  • Filtros armónicos pasivos: Filtros de serie LC en sintonía en frecuencias armónicas dominantes, a menudo combinados con un filtro de alto paso.
  • 12-pulse o configuraciones de mayor presión: Al utilizar dos puentes de seis pulsaciones de fase, desactivados por 30 grados, algunos armónicos cancelan. Los sistemas de 12 púls son comunes en grandes instalaciones de EAF.
  • Filtros activos de potencia : Invertientes avanzados basados en IGBT inyectan armónicos contra fases para cancelar la distorsión dinámicamente. Estos son cada vez más utilizados en plantas modernas.

Potencia reactiva y Flicker

El funcionamiento de EAF provoca fluctuaciones rápidas en la demanda de energía reactiva debido a la inestabilidad del arco. Estas fluctuaciones se manifiestan como voltaje de tensión en la red de transmisión, perturbando a otros consumidores. Controladores basados en tistóraros, al tiempo que mejora la estabilidad, todavía producen variaciones reactivas del var. La solución es instalar un compensador de Var estática (SVC) o un compensador sincr estático (STATCOM) cerca de los límites del reactor de tiempo de cargado.

Interferencia electromagnética (EMI)

El rápido cambio de las corrientes altas genera ruido electromagnético que puede afectar a sistemas electrónicos de instrumentación y comunicación cercanos. Proper blindaje, puesta en tierra y el uso de circuitos de snubber (redes RC) a través de cada turistor reduce dv/dt y el estrés di/dt al suprimir las emisiones radiadas. Además, los controladores de puerta de tiristor deben estar aislados eléctricamente del sistema de control para prevenir la interferencia de movimiento común.

Consideraciones de la aplicación y el diseño de sistemas

Integrar un controlador de energía tiristor en un EAF requiere ingeniería cuidadosa en varios dominios. La pila tiristor debe estar ubicada lo más cerca posible al transformador de horno para minimizar las gotas de tensión inductiva en cables de alta corriente. Las barras de autobús son a menudo aire aislado o barras de cobre refrigeradas por agua. El sistema de control de la lógica programable (PLC) o procesador de señales digitales (DSP) que adaptan los parámetros de cálculo de raspados

Los sistemas de protección son críticos. La detección, la sobrecarga térmica y los fusibles de acción rápida protegen a los tirisores de las condiciones de falla. Un circuito de crowbar (un tisristor o un interruptor) puede desviar rápidamente la corriente en caso de un fallo de error o conmutación. Ya que los tirisores pueden ser destruidos por un solo pico de sobrevoltura, dispositivos de fijación de tensión como los varisores de metal colocados a través de cada dispositivo.

La Comisión consiste en verificar la rotación de fases, el tiempo de entrada y el uso actual entre dispositivos paralelos. Los operadores también afinan los beneficios de la bucle de control para ajustar la dinámica del horno, a menudo utilizando un simulador antes de la operación en vivo. Las tareas de mantenimiento incluyen la inspección periódica de las fugas de agua, el endurecimiento de las conexiones de la barra de autobús, y el monitoreo de la temperatura de la unión de tiristor mediante sensores ópticos o térmicos incrustados en la pila.

[LTnalip] [Lecciones de recursos técnicas de IEC 60747-6] definen las calificaciones y pruebas de los titubeos, y IEEE 519 regula los límites armónicos. Muchas instalaciones también cumplen con los códigos de red locales para la regulación de los flickers y del voltaje.

Tendencias futuras en el control de potencia de la EAF

Los tirisores siguen siendo dominantes en grandes EAFs, el paisaje está evolucionando. Los avances en semiconductores de banda ancha, como carburo de silicio (SiC) MOSEFTs e IGBTs, ofrecen mayores frecuencias de conmutación y bajas pérdidas. Sin embargo, sus calificaciones actuales y robustez en entornos industriales actualmente limitan a aplicaciones de potencia más baja o a filtros activos en plantas EAF.

Conclusión

Los tirisores han transformado el control eléctrico de hornos de arco de una práctica gruesa, limitada mecánicamente en un sistema electrónico de regulación preciso, rápido y altamente eficiente. Al permitir el ajuste dinámico de tensión y corriente con pérdidas mínimas, los controladores basados en tiristor mejoran directamente la economía y la calidad de la producción de acero. La tecnología sigue madurando, con avances en el enfriamiento, operación paralela y mitigación armónica empujando límites más.