sistema de control de un horno de arco eléctrico trifásico usando

Universidad Politécnica de Madrid
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
Master Oficial en Ingeniería Mecánica
Cátedra de Instrumentación Industrial
SISTEMA DE CONTROL DE UN HORNO DE ARCO
ELÉCTRICO TRIFÁSICO USANDO LABWINDOWS
CVI
ALUMNO:
LÓPEZ, FERNANDO
M13080
MADRID, ENERO DEL 2014
1. HORNO DE ARCO ELÉCTRICO TRIFÁSICO
El horno de arco eléctrico para acería, consiste en un recipiente
refractario alargado, refrigerado por agua para tamaños grandes, cubierto con
una bóveda también refractaria y que a través de la cual uno o más electrodos
de grafito están alojados dentro del horno. El horno está compuesto
principalmente de tres partes:



El armazón, que consiste en las paredes refractarias y la cimentación.
El hogar, que consiste en el lecho refractario que bordea la cimentación.
La bóveda o cubierta, de aspecto esférico, cubre el horno con material
refractario. Puede estar refrigerada con agua. La bóveda está construida
con materiales de alta resistencia térmica (generalmente hormigón
refractario) para soportar grandes choques térmicos y en la que se
encuentran los electrodos que producen el arco eléctrico.
Separado de la estructura del horno está el sistema eléctrico y el soporte
del electrodo.
Un horno típico de corriente alterna tiene tres electrodos, que tienen una
sección redonda. El arco se forma entre el material cargado y el electrodo. Así
la carga se calienta tanto por la corriente que pasa a través de la carga como
por la energía radiante generada por el arco. Los electrodos suben y bajan
automáticamente mediante un sistema de posicionamiento, que puede emplear
ya sean montacargas eléctricos o cilindros hidráulicos.
HORNO DE ARCO ELÉCTRICO TRIFÁSICO PARA FUNDICIÓN DE FERROSILICIO
2. SISTEMA DE CONTROL
El sistema de control tiene como objetivo, mantener los electrodos en su
punto óptimo de funcionamiento, que ha sido fijado previamente.
La tarea de regulación de los electrodos consiste en acercar los
electrodos a la chatarra o al metal fundido, encender el arco y mantener el
punto de trabajo deseado. Durante la fusión se producen roturas de arco,
debidas a la completa fusión de la chatarra o cortocircuitos entre los electrodos
por caída de chatarra. En la etapa de afinamiento activo se producen
movimientos del baño y de las escorias. Asimismo pueden producirse
interrupciones en el suministro de energía. Estos incidentes deben ser
subsanados regulando los electrodos en cada una de las fases o en las tres
fases, sin que el sistema trifásico se vuelva inestable. Para ajustar la posición
de los electrodos se dispone de un sistema hidráulico.
3. PARÁMETROS DEL SISTEMA DE CONTROL
3.1.
VARIABLE DE CONTROL
El proceso de fundición por medio de un horno de arco eléctrico es
bastante complejo, y por lo tanto son muchas las variables que deben
controlarse. Para efectos del sistema de control que se va a desarrollar en este
trabajo, la variable que se ha de controlar es la corriente eléctrica de cada
electrodo. Para ésto, se ajustará la posición de los electrodos obedeciendo la
siguiente relación: si el electrodo sube disminuye la corriente transmitida
(pierde amperaje), puesto que disminuye la superficie en contacto con la carga,
que es la que conduce la corriente y permite generar el arco eléctrico, además
se aleja de la zona de metal fundido y entra en contacto con carga “fría”, que
tiene peores propiedades de conducción. Por el contrario, si el electrodo baja
aumentará la corriente transmitida (ganará amperaje).
El sistema de control permitirá fijar manualmente una corriente consigna
por electrodo, esto establecerá unos límites superior e inferior de corriente que
serán 1,5 y 0,5 veces el valor de la corriente consigna respectivamente. Si el
valor de corriente que está conduciendo el electrodo está dentro de los límites
el electrodo mantendrá su posición, si está por encima del límite superior el
sistema subirá el electrodo, y si está por debajo del límite inferior el sistema
hará bajar el electrodo. El valor instantáneo de corriente que está conduciendo
cada electrodo está representado en verde.
El panel dispone de una gráfica en tiempo real de las corrientes de cada
electrodo y del punto de disparo fijado. Se agregó un botón que permitirá poner
la gráfica en blanco cuando se desee.
3.2.
SISTEMAS DE SEGURIDAD
3.2.1. BOTÓN DE EMERGENCIA
En los tableros de control de los hornos, viene incorporado un botón de
emergencia, que corta la alimentación eléctrica cuando es pulsado, por lo tanto,
no se podrá arrancar el horno mientras esté activado.
3.2.2. BOMBA DE AGUA
La corriente eléctrica es conducida desde el transformador secundario
hasta los electrodos por medios de varios elementos que normalmente están
hechos de cobre (flexibles, tubos, placas de contacto, etc). Para que los
mismos no se fundan, es necesario refrigerarlos con agua, para lo cual se
dispone de un sistema de refrigeración. Para evitar daños a dichos elementos,
el horno se apagará o no se pondrá en funcionamiento si la bomba de agua no
está encendida.
3.2.3. INTERRUPTOR
El panel de control cuenta con un interruptor para apagar y encender el
horno.
3.2.4. PUNTO DE DISPARO
Para proteger el transformador eléctrico del horno, se fijará manualmente un
límite de corriente, de modo que si algún electrodo excede éste límite, se
apagará el horno y se encenderá una señal.
3.3.
SISTEMA DE MOVIMIENTO DE LOS ELECTRODOS
Como se dijo anteriormente, se dispone de un sistema hidráulico para
ajustar la posición de los electrodos. En el panel se podrá ajustar manualmente
la presión del sistema, en caso de que la presión sea inferior a 2.5 bar, los
electrodos quedarán sin movimiento independientemente de la corriente que
esté conduciendo cada uno; se encenderá una alerta en el panel.
En el panel de control de podrá observar por separado la posición actual
de cada electrodo. Los mismos tienen un límite superior fijado en 2m por
encima del piso de la cuba del horno, y un límite inferior fijado en 1m por
encima del piso de la cuba. Entonces, cada electrodo puede desplazarse entre
éstos dos límites, cada vez que el sistema los mande a cambiar de posición,
éstos subirán o bajarán 10cm (0.1m). Una vez alcanzado uno de los límites, el
electrodo no podrá desplazarse más en esa dirección, de modo que si el
electrodo presenta sobrecorriente y está situado en el límite superior,
seguramente excederá el punto de disparo y se desconectará por
sobrecorriente.
En la realidad, los transformadores de los hornos cuentan con un
sistema cambiador de taps o de tomas, que consiste en un conjunto de puntos
de conexión a lo largo de un devanado, lo que permite seleccionar el número
de espiras de éste. Así, se consigue un transformador con el número de
espiras variable, permitiendo la regulación de voltaje en el devanado
secundario. En el caso que se presente la situación descrita anteriormente en
que el electrodo está en el límite superior y tiene sobreamperaje, el sistema
cambiador de taps variaría el número de espiras para reducir la corriente que
llega a los electrodos. Para efectos de éste trabajo, no se consideró el
cambiador de taps debido a la complejidad del mismo.
Por otra parte, también se puede presentar el caso en que un electrodo
esté posicionado en el límite inferior y su amperaje esté por debajo del límite
inferior, lo que también puede solucionarse en la realidad con el cambiador de
tap. Además de esto, suele ocurrir que haya fugas de agua en los elementos
de cobre que transmiten la corriente a los electrodos, esto produce el
enfriamiento del electrodo y la pérdida del arco eléctrico, generando la
condición descrita anteriormente. Para éste caso es necesario desconectar el
horno e intervenirlo con el personal de mantenimiento.
4. PROGRAMACIÓN EN LABWINDOWS CVI
4.1.
INTERFAZ DE USUARIO
La interfaz de usuario contiene todos los elementos que fueron descritos
anteriormente, con la cualidad de que se agregó un tab con dos pestañas, en la
primera se establecen los valores consigna de las corrientes y se puede
visualizar los límites superior e inferior, en la segunda se observa la gráfica en
tiempo real de las corrientes generadas.
4.2.
CALLBACKS

Interruptorhorno: corresponde al binaryswitch donde se enciende o se
apaga el horno. Es éste callback se evalúa el estado del switch de
encendido del horno y de la bomba y del estado del botón de
emergencia. En caso de que la bomba esté encendida, el botón de
emergencia no esté pulsado y el switch del horno se ponga en on, el led
de funcionamiento del horno de pondrá en verde indicando que está
operativo, si alguna de las condiciones no se cumple, el led se
mantendrá en rojo indicando que el horno no está operativo.

Interruptorbomba: corresponde al binaryswitch donde se enciende o
apaga la bomba. Es éste callback se evalúa el estado del switch
encendido de la bomba, si está encendido el led de la bomba
colocará en verde indicando que está operativa, de lo contrario
se
de
de
se
mostrará en rojo. Además, en caso de que la bomba esté encendida, el
botón de emergencia no esté pulsado y el switch del horno esté en on, el
led de funcionamiento del horno de pondrá en verde indicando que está
operativo, si alguna de las condiciones no se cumple, el led se
mantendrá en rojo indicando que el horno no está operativo.

Hidráulica: corresponde al numeric donde se ajusta manualmente la
presión del sistema. En éste callback se evalúa el valor de la presión, si
es menor o igual a 2,5 se enciende una advertencia en el panel.

Emergencia: corresponde al togglebutton que representa el botón de
emergencia. En este callback se evalúa el estado del botón, en caso de
estar activado se coloca el interruptor del horno en off. Además, en caso
de que la bomba esté encendida, el botón de emergencia no esté
pulsado y el switch del horno esté en on, el led de funcionamiento del
horno de pondrá en verde indicando que está operativo, si alguna de las
condiciones no se cumple, el led se mantendrá en rojo indicando que el
horno no está operativo.

Operar: corresponde al timer del panel. En este callback se ejecuta
prácticamente todo el sistema de control. Por cada tick del timer se
ejecutan las funciones de control que se describirán más adelante. Lo
primer que hace es revisar el estado operativo, si la función encendido
devuelve un valor 1(lo que indica que se dan todas las condiciones
operativas), se procederá a ejecutar todas las funciones de control, sino
la función devolverá 0 y no hará nada.


Quit: corresponde al commandbutton QUIT. Permite salir del programa.
REINICIAR: corresponde al commandbutton que está situado junto a la
gráfica. Permite borrar todo lo que se haya graficado y empezar de cero.

4.3. FUNCIONES
 int encendido(): devuelve 1 cuando se dan todas las condiciones de
operación, es decir, switch del horno encendido, switch de la bomba encendido
y el negado del botón de emergencia el cual debe estar en cero (no está
pulsado). De lo contrario devuelve 0.
 void actualizarElectrodo(int electrodo): ésta función recibe un entero que
es el número de electrodo (1,2 o 3) para actualizar el estado de cada uno de
éstos. Utiliza las variables target(valor consigna de corriente asignado a cada
electrodo), sobrepasado (estado en el que electrodo alcanza uno de los límites
de desplazamiento y se genera un valor de corriente que haría que el electrodo
debiese superar el límite de desplazamiento para poder normalizar la corriente,
toma valor -1 si está en el límite inferior y la corriente lo obligaría a seguir
bajando, 0 si no está en ninguno de los límites y 1 si está en el límite superior y
la corriente lo obligaría a seguir subiendo), generado (es el valor de corriente
generado de una función aleatoria para cada electrodo), limSup y limInf (1.5 y
0.5 veces el valor consigna respectivamente), presion (valor de la presión de la
bomba hidráulica), bloquear (toma valor 1 si la presión hidráulica es menor a
2.5bar). Para cada electrodo se actualiza el valor consigna (target), el último
valor de corriente generado y el valor de la variable sobrepasado.
Se verifica la presión. Si la presión es menor a 2.5 la variable bloquear toma el
valor 1.
La función toma el valor de la corriente consigna(target) y calcula los límites
superior e inferior según se había comentado anteriormente.
El siguiente paso consiste en comparar si el último valor de corriente generado
para el electrodo está por debajo del límite inferior, por encima del límite
superior o entre los límites. En cada caso actuará de forma distinta
-
caso 1. último valor generado es menor al límite inferior: si la variable
bloquear tiene valor 1 (presión hidráulica baja), el electrodo no se
moverá, y el próximo valor de corriente generado tendrá un valor
cercano, que puede variar entre target * (0,2 a 0,5). Si la variable
bloquear tiene valor 0, llamará a la función moverElectrodo y le dirá que
electrodo mover y que baje un paso (0.1m).
-
caso 2. Último valor generado es mayor al límite superior: si la variable
bloquear tiene valor 1 (presión hidráulica baja), el electrodo no se
moverá, y el próximo valor de corriente generado tendrá un valor
cercano, que puede variar entre target * (1,2 a 1,4). Si la variable
bloquear tiene valor 0, llamará a la función moverElectrodo y le dirá que
electrodo mover y que suba un paso (0.1m).
-
caso 3. Último valor generado entre los límites de corriente: este caso se
procederá a generar un valor de corriente que puede estar por encima,
por debajo, o entre los límites. Para esto se generará un valor aleatorio
entre 0 y 9. En caso de que el valor aleatorio sea 0 o 1 se generará un
valor de corriente por debajo de lo límites, si es 8 o 9, se generará una
corriente por encima del límite, y si es 2,3,4,5,6 o 7, se generará un valor
de corriente entre los límites.
 void graficar(): en ésta función se usa la variable corrientes[4], la cual es
un vector de 4 posiciones, donde se almacena el valor del límite de disparo y la
corriente generada en cada electrodo(generado1, generado2 y generado3). Por
cada tick del timer se grafican éstos valores en el strip chart de la pestaña 2.
 void moverElectrodo(int electrodo, int pasos): ésta función permite
desplazar los electrodos. La variable electrodo contiene el número de electrodo
que se va a mover (1,2 o 3), y la variable pasos indica hacia donde se va a
mover (-1 hacia abajo y 1 hacia arriba). Lo primero que se hace es tomar las
posiciones de cada electrodo desde el numeric tank, y asignarle ese valor a
una variable llamada valorActual.
Seguidamente se compara la posición actual del electro con los límites
de desplazamiento del mismo que son límite inferior=1m y límite superior=2m.
Si el electrodo está en el límite inferior y se le pide que descienda
(pasos<0), el mismo no podrá realizar el movimiento y a la variable definida
anteriormente como sobrepasado se le dará el valor -1. Si el electrodo está en
el límite superior y se le pide que ascienda (pasos>0), el mismo no podrá
realizar el movimiento y a la variable definida anteriormente como sobrepasado
se le dará el valor 1.
Si el electrodo no está posicionado en alguno de los límites entonces se
procederá a modificar su posición. Si a la función moverElectrodo se le indica
que suba el electrodo, entonces al valor actual le sumará 0.1m y se almacenará
como el nuevo valor, por el contrario, se le indica que baje el electrodo,
entonces restará 0.1m al valor actual.
Lo siguiente que hace la función es actualizar la posición de cada
electrodo en los numeric tank, y comparar las posiciones con los límites de
desplazamiento. Si el electrodo ha alcanzado algún límite, se encenderá el led
correspondiente en el panel de control.