AUMENTO DE LA CORRIENTE CONTINUA CONTROLADA EN PLANTAS DE ELECTROOBTENCION DE COBRE .

Ricardo Fuentes F Ing. Civil Electricista UTFSM Depto. Electricidad UTFSM

rifuente@eli.utfsm.cl

Luis Neira O

Ing. Ejec. Electricista UTFSM IDT Ing. y Des. Tecnológico

lneira@idt.cl

Patricio Lagos L

Ing.Civil Electricista U de Chile IDT Ing. y Desarrollo

Tecnológico plagos@idt.cl

RESUMEN En el presente trabajo se plantea modos de funcionamiento especiales o soluciones de emergencia para rectificadores controlados de alta corriente empleados en plantas de electroobtención. El objetivo es mostrar a ingenieros de planta “no electricistas” la característica de operación de estos equipos como fuente de corriente controlada. Los conceptos vertidos en este trabajo son avalados por soluciones reales implementadas en algunas plantas de electroobtención chilenas.

INTRODUCCION En las plantas de electroobtención de cobre se emplea rectificadores controlados para la alimentación de la nave principal con corriente continua. La buena respuesta de los sistemas de control de corriente es esencial para producción de cátodos de buena calidad. A continuación se presenta algunos aspectos de la operación de los rectificadores en condiciones no usuales. La Fig. 1 muestra un caso típico de una planta de electroobtención para una producción de 35 ton/cátodos por día. Los transformadores-rectificadores se diseñan normalmente en configuraciones de unidades de 6 pulsos en paralelo por 2 razones: a) Aumentar la confiabilidad del equipo en el caso de una falla, principalmente del transformador b) Mitigar las armónicas inyectadas en las líneas de alimentación en corriente alterna.

T4'

T2'

ANSI 45Transformer T11640[kVA] 50HzVLLprim. 4160[V]VLLsec. 104[V]

++

Fig. 1: ANSI 45/46 12 Pulses Configuration. Normal Operation

Equivalent load

Idc 2

Rb

Idc

+Rb

Idc 2

Idc = 40000 [A] Vdc = 62 [V]Vdc = VdcR - Idc·Rb 2Rb : Bar resistanceRb = 0.86 [?? /m] (typical)

Three Phase Supply 4160[V]

i1(ANSI 46)

T1'

T3 ' -

T6'

T5 'Vdc

-

T3

T5

T1

i1(ANSI 45)

iA

VdcR

-T6

T4

T2

iB

ANSI 46Transformer T21640[kVA] 50HzVLLprim. 4160[V]VLLsec. 104[V]

VdcR

THYRISTORS:POWEREX TGA20COPPER BARS:Current density : 1 A/mm 2Resistivity : 0.0172 ? ?mm2/mBar resistance/m : 0.86 ?? /m (20000 DC A)Voltage drop/m : 17.2 mV/m

El equipo está eléctricamente protegido mediante un conjunto de señales que se envían a una unidad central de control, la que en caso de operar debe dar una orden de desconexión (trip) del interruptor principal y además una señal de inhibición de los pulsos de disparo de los tiristores del rectificador.

EL CONCEPTO DEL TRANSFORMADOR - RECTIFICADOR COMO FUENTE DE CORRIENTE. La Fig. 2 muestra un diagrama simplificado de un transformador-rectificador de 6 pulsos. El control de corriente debe seguir la referencia o consigna determinada por el operador en forma local o desde la sala de control. La señal de la medición de corriente I med se compara con la consigna I ref . La diferencia o error se procesen un controlador. El parámetro Req representa una resistencia equivalente de la nave y sistema de barras, incluyendo el electrolito. Si para un punto de operación dado, ajustado en la corriente de referencia, se produce un aumento de la resistencia del electrolito, el sistema de control deberá reaccionar aumentando la tensión de salida Vdc

del rectificador. En consecuencia, para que funcione el control de corriente debe haber un respaldo o reserva de tensión (también respaldo de potencia) desde el rectificador a través del ángulo de disparo de los tiristores. Con esta reserva, el equipo funciona como una fuente de corriente continua controlada .

Req.

dcI

V-+

int naveprincipalA.C.

ref.IImed.

+ -

Fig. 2 Circuito equivalente

De esta condición de funcionamiento se deduce varias situaciones contingentes usuales. A modo de ejemplo: 1 Conexión invertida de los cables con la señal de medición: Si al hacer una mantención (limpieza de contactos) accidentalmente se conectara invertidos los cables de la señal de medición, (realimentación positiva y error máximo), el rectificador alimentará la nave con la máxima tensión Esta situación sería catastrófica y termina con la operación de las protecciones y probable quema de fusibles del rectificador.

2. Cortocircuito de una celda de la nave: Si en la operación se produjese un cortocircuito de una celda cuya tensión aproximada es de 2,2 V, simplemente el control de corriente “ve” la nave con menos tensión. Como resultado el rectificador disminuye su tensión de salida Vdc para mantener la corriente según el valor de la consigna.

3 Cortocircuito de varias celdas: Si accidentalmente se cortocircuitase un número importante de celdas (50 % de la nave) el rectificador entregará la corriente de referencia pero con aproximadamente la mitad de la tensión. Esta operación produce calentamiento adicional en el transformador. 4 Fase abierta: Si dejara de operar una fase por ausencia de pulsos de disparo o destrucción de todos los fusibles de ésta, el transformador operará en condiciones de asimetría, pero manteniendo la corriente continua en la nave de acuerdo a la consigna. El equipo funcionará con las fases restantes y un nuevo ángulo de disparo. Normalmente esta condición está eléctricamente protegida, pues lo contrario significa saturar el reactor de interfase, poniendo en alto riesgo al transformador. El concepto anterior de fuente de corriente se puede aplicar a otras situaciones más interesantes, por ejemplo, resolver una situación de implementar una solución de emergencia por falla o repotenciar una planta .

REPOTENCIAMIENTO : USO DE UNIDADES DE MENOR CAPACIDAD EN PARALELO Si en una planta de electroobtención de cobre se desea recuperar o aumentar la producción en forma importante, el camino más atractivo es aumentar la densidad de corriente más allá del valor nominal siempre que el proceso, el electrolito y el transformador - rectificador lo permitan. Si este último opera en el límite admisible de su capacidad la solución al aumento de corriente requerido apunta a una unidad “fuente de corriente” en paralelo. La Fig. 3 muestra una solución mediante un rectificador alimentado por un grupo electrógeno o una red auxiliar. Este rectificador tiene su propio control de corriente y su “misión” es inyectar a la barra de CC la corriente indicada por la referencia o consigna. Sólo debe tener “aguas arriba” una tensión (y potencia) capaz de entregar esta corriente. Como los controles de corriente de ambos equipos son independientes la tensión continua de salida se ajusta en un nivel que permite que ambos entreguen las corrientes continuas “pedidas” por el control.

int naveprincipal

-

5º 7 º11º pasa alto

Imed. Imed.Idc d cI

Req.

+V

dcItotal

+ -Iref.

+ -Iref.

A.C.

MD

G

RedA.C.auxiliar

Fig.3 Aumento de corriente en la nave con un rectificador controlado en paralelo La unidad conectada en paralelo no necesariamente debe tener la misma configuración que el rectificador principal. Es deseable que tenga una tensión similar, pero se puede calcular cuál es el rango admisible de tensión de la red. Aún más, esta unidad puede ser alimentada desde un grupo electrógeno o una red directa y estar formada por un rectificador no controlado (diodos) en cascada con chopper controlado en corriente. SOLUCIONES DE EMERGENCIA El concepto de fuente de corriente a que se ha hecho mención ha permitido a los autores diseñar novedosas soluciones de emergencia en plantas donde no se contaba con un transformador de repuesto y ocurrió una falla del transformador. La siguiente Fig. 4 muestra un ejemplo. Se trata de una planta con 4 rectificadores de 18 kA c/u en paralelo donde uno de los transformadores falló. Al no disponerse de un transformador de repuesto similar al fallado, se implementó la solución de emergencia mostrada en la Fig. 5.

-+ Iref

23 kV

+22.5º -7.5º

18 kA 18 kA36 kA

150 V

Secundario: Doble estrella con

TransformadorPrimario: Polígono 23 kV

+-

Iref ++-

Iref-

Iref

POLIGONO POLIGONO POLIGONO-22.5º

POLIGONO+7.5º

18 kA 36 kA

150 V

18 kA

reactor de interfase

Fig. 4 Diagrama de conexiones 4 rectificadores controlados en paralelo de 18 kA c/u

En esta solución de emergencia se diseñó una conexión de 2 transformadores en cascada para formar la tensión trifásica de magnitud necesaria . Además se diseñó un control electrónico y circuito de pulsos de disparo independiente, de modo de controlar la corriente en forma manual y autónoma. Para ello “se engañó” el circuito de disparo original haciendo que sus pulsos sean enviados a otro circuito volante (“tiristores fantasma”). La solución implementada fue muy exitosa y se recuperó la producción en tiempo record. La Fig 5 muestra la solución implementada .

Iref+Iref+

18 kA

150 V

36 kA

-

18 kA

-

+22.5º

1

-7.5º

2

23 kV

13º y pasa alto

7º5 º 11º

A

7 º5 º

18 kA

+7.5º

3

31.5 kA

150 V

Iref+-

13º y pasa alto

11º

B

F1 F1

TRANSFORMERSPrimary:zigzag forkSecondary:double star withinterphase reactor

13.2 kV

150 V

Yd1

4

13.5 kA

23 kV

5

-+ Iref

Primary:zigzag poligon +15ºSecondary:double star withinterphase reactor

Fig. 5 Solución de emergencia implementada

MEDIDAS PREVIAS: Sin embargo, no todo es tan simple como se presenta. Para todas estas configuraciones se debe evaluar y calcular cuidadosamente los siguientes aspectos y en forma previa a la conexión: 1º Corrientes circulantes entre unidades, que aparecen magnificadas por el hecho de que las condiciones de los equipos son asimétricas. 2º Generación de corrientes armónicas, por la misma razón anterior. 3º Capacidad de los filtros armónicos, ya que al tener condiciones de asimetría aparecen componentes armónicos de orden 5º,7º,11º y 13º que en condiciones normales no debería tenerse. 4º Estado y estrategia de las protecciones, pues ahora son otras las condiciones de operación. Los autores han participado en el diseño y desarrollo de varias soluciones exitosas de emergencia donde el concepto de “fuente de corriente controlada, con reserva de tensión” ha sido muy importante para recuperar la producción en tiempos muy cortos.