Todo lo que siempre quiso saber acerca de la selección de convertidores, pero que no se atrevió a preguntar.
Proceso de laminación de productos largos
Los trenes de laminación de productos largos son de las aplicaciones más exigentes para los motores. El proceso de laminación consiste en hacer pasar una barra, también llamada tocho, de acero caliente a través de un tren de laminación. Este tren de laminación consiste en múltiples cajas de laminación dispuestos en una configuración en línea. Cada caja de laminación consiste en un rodillo superior y otro inferior, conducido a través de una caja de cambios por un motor eléctrico. Los rodillos de las cajas tienen unos contornos o ranuras mecanizadas, de manera que con el paso de tocho caliente entre las ranuras reduce el tamaño y forma por cada una de las cajas consecutivamente. Típicamente los tamaños de los motores en trenes modernos es de 600kW a 1200kW para cada caja. Se suelen usar entre 15 a 21 cajas dependiendo del tamaño de la palanquilla y del producto final. Las velocidades de salida más comunes hoy en día son de 10-15 m/sec.
La tensión entre cada caja debe ser controlada con precisión, ya que el menos cambio en la tensión afectará a la forma del producto. Además con la entrada de la cabeza de la barra en cada caja de laminación, la caída de velocidad debe recuperarse muy rápido, a fin de no afectar al control de tensión. Los drives son controlados por un sofisticado sistema de cascada/tensión/control de bucle, con el que se debe tener en cuenta la reducción de diseño de cada caja, y el diámetro eficaz de cada ranura ya que está en constante cambio debido al desgaste y a los cambios de temperatura.
A medida que la barra caliente pasa a través del tren de laminación se da forma, reduce en tamaño y alarga por las cajas de laminación. El producto es transferido a una cama de enfriamiento galopante (típicamente de 60-90m de largo), vía un sistema de transferencia de alta velocidad (zancón/placa de frenado). Las cizallas en el tren hacen cortes de cabeza y cola, así como la división del materia para adaptarse a la cama de enfriamiento.
Selección del convertidor
Debido a las cargas de impacto involucradas, los motores y convertidores de frecuencia deben ser seleccionados para permitir altas sobrecargas momentáneas. El estándar NEMA MG-1 especifica sobrecargas momentáneas (1 minuto) de al menos el 200%. En la práctica los requerimientos reales pueden ser diferentes. Cuando se conoce el ciclo de carga real, el dimensionamiento de la sobrecarga del motor y convertidor deben ser comprobados por especialistas en aplicaciones de laminación con experiencia utilizando herramientas de software de dimensionamiento ofrecidos por la mayoría de fabricantes de convertidores y motores.
Por experiencia se ha demostrado que a fin de cumplir con los requisitos de control de tensión la velocidad del motor debe ser controlada al 0,01%. Afortunadamente muchas unidades digitales modernas de AC y DC pueden cumplir con esta tasa de exactitud. Sin embargo, el criterio más importante es la valoración del comportamiento dinámico del convertidor el cual es necesario para minimizar la caída de tensión cuando la cabeza de la barra entra en cada caja. La caída de velocidad se ve afectada por la inercia de la combinación de la caja / reductora / motor así como el comportamiento dinámico del convertidor. La caída máxima de la velocidad debe estar limitada a no más del 0,25%, como se definió anteriormente.
DC vs. AC
La mayoría de los trenes de laminación existentes tienen convertidores de DC, porque hasta hace poco, los variadores de AC no tienían el rendimiento necesario. Puesto que todas las unidades del tren de laminación deben tener un rendimiento similar, los primeros intentos de instalar alguna caja en AC en un tren de laminación de DC conllevó al desajuste de los drives de DC existentes. Hoy en día es todo lo contrario, el tren de laminación antes mencionado tiene un total de 17 cajas, con las cajas de la 1 a la 13 alimentadas por modernos convertidores de corriente continua. En este caso los cuatro nuevos convertidores de AC fueron "des-ajustados" para que coincidan con los requerimientos de los convertidores existentes de DC.
A pesar de que los motores de AC son más eficientes y requieren menos mantenimiento, el gasto de cambiar los motores del tren de laminación de DC a AC no siempre pueden ser razonablemente justificado. Además del costo de la sustitución de los cables de alimentación y las nuevas modificaciones de montaje de motor, muchas veces es necesario reemplazar las reductoras. Los motores de corriente continua son mejores a bajas velocidades, aplicaciones con par elevado, mientras que los motores de AC típicamente necesitan funcionar por encima de 800rpm para ser económicos. A veces también la mayor eficiencia de los motores de AC se ve contrarrestada por métodos de frenado despilfarradores. Como veníamos diciendo, para motores por debajo de 200-300kW, o cuando se necesita reemplazar los motores de DC existentes, la alternativa de AC debe ser estudiada cuidadosamente.
Frenado
Muchas cajas de laminación en el tren pueden funcionar con convertidores de dos cuadrantes, pero se necesita algún sistema de frenado para el control rápido de parada para cambios de producto, o para paradas de emergencia. Sin embargo, algunos convertidores de cajas canteadoras, convertidores de cizallas, así como muchos convertidores pequeños del área de salida requieren control total de operación de cuatro cuadrantes. En los convertidores de corriente contínua los sistemas de frenado de potencia son tipicamente regenerados por un puente inverso de inducido (cuatro cuadrantes). Cuando solo se necesita una parada controlada una inversión en el campo es suficiente. Para los convertidores de DC el coste de la regeneración es muy barata. Los convertidores más modernos pueden ir hasta unos 5.000 amperios con solo seis tiristores. La opción de los regenerativos de cuatro cuadrantes, conlleva, en el peor de los casos 6 tiristores adicionales. Otra novedad son los tiristores bidireccionales controlados (BTC) que ya están disponibles, por lo que es común verlo en convertidores DC de cuatro cuadrantes conduciendo hasta 5000A con solo seis BTCs de potencia.
Sin embargo, el frenado en un sistema de convertidor de AC no es tan sencillo. Estos consisten en un rectificador (AC a DC), alimentados de un inversor (DC a AC). Durante el frenado los inversores son regenerativos al bus de DC, pero la seccion de rectificador estándar no puede trasferir esta energía de nuevo a la linea de entrada. Para gestionar esto, muchos fabricantes ofrecen diferentes tipos de soluciones para los rectificadores.
Los tipos de rectificadores son:
Este es el tipo más común y más robusto. En muchos casos este rectificador también incluye algunos tiristores u otros dispositivos de conmutación para la carga suave de los capacitadores en las sección de inversores. Durante el frenado el bus de DC aumenta su tensión, y a un cierto nivel un chopper controlado descarga la potencia en una resistencia mayor. La existencia de esta resistencia que simplemente gasta esta energía es una de los motivos que habitualmente niega la mayor eficiencia de los motores de AC frente a los de DC.
Este es uno de los diseños más antiguos. Son similares a los convertidores de DC de cuatro cuadrantes. Durante el frenado, el bus de DC aumenta su tensión. A un cierto nivel las señales de disparo de los tiristores directos desaparece y los inversos se activan. Sin embargo, mientras que el convertidor DC alimenta a un inductor (motor), el rectificador de AC está alimentando un banco de condensadores. En el caso de una caida de tensión de linea al mismo tiempo que los tiristores inversos están disparados, el set de tiristores directos pueden no apagarse. Esto da lugar a un corto circuito a través del bus de CC que funde todos los fusibles. aunque esta solución es un poco menos cara, este tipo de rectificador no se recomienda para la mayoría de aplicaciones de trenes de laminación.
Diferentes fabricantes de convertidores tienen nombres distintos para este tipo. Básicamente este consiste en un inversor de IGBTs actuando como una unidad rectificadora. Esto proporciona la verdadera operación en cuatro cuadrantes de un convertidor de DC, mientras también garantiza un factor de potencia de cerca de la unidad o mejor, e incluso limita la capacidad de respaldo ante algunas caídas de potencia. Sin embago este es el tipo más caro, típicamente cuesta más de dos veces que el tipo de Diodo/chopper/Resistencia. La unidad estándar de diodo proporciona un factor de potencia mejor que 0,95 por lo que la función de factor de potencia unitario normalmente no es un gran beneficio.
Para sistemas aislados como cizallas, zancón,etc. que se requiere operación de cuatro cuadrantes, esta es prácticamente la única alternativa. Para estas aplicaciones las resistencias de frenado no son una solución viable.
Convertidores de AC con bus común de DC
Una opción cada vez más popular para los variadores de AC es la solución de bus común. Ahora los integradores pueden montar convertidores de la mayoría de los fabricantes como un rectificador común que alimenta a múltiples inversores. Cualquiera de los inversores cuando frenan regeneran al bus de DC común, esta potencia de frenado es entonces usado por otros inversores que estén trabajando. Esto permite el uso de simples rectificadores de diodos para proporcionar la mayor parte de los beneficios de los rectificadores más caros, los IGBTs. Normalmente se incorpora un solo chopper y la resistencia de frenado, principalmente usados en condiciones de paro de emergencia.
Cuando un inversor regenera la potencia a un bus de DC, este carga los condensadores en todos los módulos de inversores conectados. En un tren de laminación todas los inversores necesitan ser sobredimensionados para dar respuesta al impacto en la entrada de la cabeza del 200%, a pesar de que solo uno estará experimentando este impacto a la vez. El resultado es una gran capacitancia total en comparación con la potencia usada. Esta es una situación ideal para el frenado. Este gran banco de condensadores junto con las cargas motoras son capaces de absorber la potencia de frenado inmediata y frecuente incuso de las cizallas de marcha-paro, y luego distribuir esta potencia almacenada a las cargas motoras.
Cuantos más motores e inversores estén bajo el mismo bus de DC, mayor será la efectividad de la capacidad regenerativa. También en coste total de instalación se reduce utilizando sistemas de convertidores grandes, en lugar de múltiples sistemas de convertidores. Poniendo en paralelo múltiples módulos de rectificadores se puede construir un bus de DC común de hasta 4000kW. Un sólo transformador es todo lo que se necesita para alimentar el sistema.
Un temor frecuente en los sistemas de bus de DC es que, el rectificador falle, conllevando al fallo de la linea completa. Esto es cierto. Pero en un tren de laminación, normalmente el fallo de cualquier convertidor conlleva a la parada de todo el tren hasta que se repare o se encuentre una "solución temporal". Normalmente se utilizan grandes buses de convertidores para trenes de laminación que requieren 2 o 3 módulos de rectificadores en paralelo. Añadir un módulo de rectificador adicional para proporcional capacidad de redundancia puede hacerse fácilmente, con lo que se alivia claramente esta preocupación.
Consideraciones de mantenimiento
Hoy en día los variadores de AC son muy fiables, pero en el pasado esto no siempre fue así. Por esta razón la mayoría de los fabricantes han dado grandes pasos para mejorar la capacidad de servicio de sus sistemas. En lugar de intentar reemplazar los IGBTs con otros componentes dentro de los convertidores, muchos variadores ahora se construyen de manera que un módulo rectificador o inveror pueden ser fácilmente extraible del armario y se reemplaza con un módulo de repuesto completo. Algunos fabricantes de convertidores suministran los módulos de rectificador e inversor como unidades trifásicas completas sobre ruedas con conexiones enchufables (similar a los interruptores extraibles). Un módulo defectuoso puede ser reemplazado en aproximadamente 10 minutos en total.
El módulo defectuoso puede ser reparado en un banco de pruebas, o ser enviado al fabricante para su reparación. La mayoría de fabricantes tienen un precio fijo de cambio, en el cual el cliente envía de vuelta el módulo dañado. El fabricante arregla y prueba el módulo y lo almacena para ser utilizado con el siguiente cliente.
Consideraciones en la instalación
Los sistemas de bus común de DC combinan las funciones de un centro de control de motores (CCM) con las unidades de drive pre-montadas.
Una sola alimentación da energía al rectificador, además de que tienen todos los componentes pre-ensamblados y probados en un armario ahorrando considerablemente en los costes de la instalación y espacio.
Conclusiones
Los trenes de laminación de productos largos tienen requisitos estrictos para las unidades de motor. La caída de la velocidad durante el impacto de la cabeza presenta el mayor desafío. Esta caída en la velocidad depende de la inercia total del sistema y el rendimiento dinámico del convertidor de velocidad variable. Teniendo cuidado en la selección de componentes para la inercia, los variadores de AC han demostrado un rendimiento superior a los sistemas de convertidores de DC.
Los requisitos que se necesitan para ciertos convertidores en los que se demanda una potencia de frenado del 200% como la cizalla marcha-paro, el zancón (placa de frenado), la cama de enfriamiento...; los convertidores de DC han disfrutado de una clara ventaja de coste. Sin embargo, sistemas con múltiples motores AC y convertidores bajo un bus con sistema común de DC permite usar la energía de frenado de un motor (por ejemplo una cizalla) para ser reutilizada en otros convertidores (por ejemplo las cajas de laminación). Este sistema ofrece un enfoque rentable, por lo que impulsa los sistemas de AC para aplicaciones de trenes de laminación de productos largos.
Nombre | Finalidad | Observaciones |
PHPSESSID | La cookie PHPSESSID es nativa de PHP y permite a los sitios web almacenar datos de estado serializados. En el sitio web se utiliza para establecer una sesión de usuario y para pasar los datos de estado a través de una cookie temporal, que se conoce comúnmente como una cookie de sesión. Estas Cookies solo permanecerán en su equipo hasta que cierre el navegador. |
Nombre | Finalidad | Observaciones |
Google analytics (__utma, __utmb, __utmc, __utmz, _ga) | Estas cookies se utilizan para recoger información sobre el uso de nuestro sitio web por parte de los visitantes. Utilizamos la información para elaborar informes y para mejorar el sitio. Las cookies recopilan información de forma anónima, que incluye el número de visitantes al sitio, el lugar de procedencia al sitio de los visitantes y las páginas visitadas. | Más información en Tipos de cookies que utiliza Google. |
Youtube(ACTIVITY, APISID, HSID, LOGIN_INFO, PREF, SID, VISITOR_INFO1_LIVE, YSC, demographics, dkv) | Se utiliza YouTube para ofrecer vídeos útiles o vídeos informativos. Youtube almacena información para poder generar estadísticas sobre las visitas de videos incrustados en otras páginas. | Más información en Tipos de cookies que utiliza Google. |
Google Maps (APISID, HSID, NID, PREF, S, SAPISID, SID, SSID, S_awfe, khcookie) | Mostrar dónde se encuentran las oficinas de nuestros diferentes servicios mediante Google Maps. | Más información en Tipos de cookies que utiliza Google. |