Exposicin Tema de InvestigacinHorno de Arco Elctrico

1. Introduccin

Los hornos de arco elctrico vienen siendo utilizados en la industria metalrgica como la mejor forma de fundir algunos metales (aluminio, cobre, plomo, acero de alta pureza). Bsicamente operan transformando la energa elctrica en calor aplicado a la chatarra o reducido de metal, por lo que el resultado es un tipo de acero limpio y de alta aleacin. Se caracterizan por ser una carga no lineal, de impedancia variable con altos consumos de potencia activa y reactiva, lo que conlleva a efectos adversos en la calidad de la energa para el sistema elctrico de distribucin al cual se encuentran conectados.

En los sistemas elctricos de potencia el horno de arco es considerado como el principal causante de fluctuaciones de voltaje, produciendo cadas momentneas de tensin (Flicker) en el punto de conexin comn de la instalacin y en otros barrajes aledaos. El Flicker puede originar molestias visuales en las instalaciones de iluminacin y depende bsicamente de dos parmetros, frecuencia y amplitud.

Adicionalmente, el horno de arco es una fuente de armnicos y sub-armnicos de voltaje y corriente debido a la naturaleza no lineal del arco elctrico. Los armnicos son el tipo de perturbacin con mayor incidencia en la calidad de la energa elctrica, estableciendo condiciones indeseables de operacin en otros equipos o mquinas en la misma empresa y en otras instalaciones conectadas a travs de distintos alimentadores en el mismo sistema de distribucin.

Operadores de red y usuarios de este tipo de carga conocen estos inconvenientes y en consecuencia deben generar estrategias para su atenuacin, como por ejemplo, el empleo de modelos matemticos de hornos de arco que permitan predecir los efectos en los ndices de calidad de la energa del sistema de distribucin que tendran nuevas aceras, o evaluar el desempeo de equipos mitigadores para aceras ya existentes, de modo que se cumpla la normativa de Calidad de Energa.

2. Marco Referencial

2.1 Conceptos bsicos

2.2 Marco Terico

Horno de Arco Elctrico

Fenmeno de Aro Elctrico

Un horno de arco elctrico es un horno que calienta el material cargado por medio de un arco elctrico.

Etapa de Fusin.Luego de que el horno es cargado en el interior de la cuba con el material a fundir, los tres electrodos de carbn son bajados hacia la carga la cual completa el circuito elctrico entre las tres fases, ocasionando intencionalmente un cortocircuito para establecer el arco elctrico. El calor generado por el arco empieza a fundir el metal y permite el avance de los electrodos perforando el material.

Durante esta primera parte de la fusin del acero llamada fase de perforacin, el arco elctrico es fcilmente extinguido por trozos de material solido que golpean la punta de los electrodos o por el material ya fundido que cae en ellos cuando la cuba del horno es sometida a un balanceo para reacomodar el material. Una vez los circuitos de control de posicin que tienen cada uno de los electrodos detectan la ausencia de corriente, los electrodos son bajados nuevamente hasta hacer contacto con la chatarra y de esta manera establecer de nuevo el arco elctrico. Este proceso de extincin y reinicio del arco elctrico ocurre una y otra vez de manera aleatoria en la fase de perforacin, ocasionando cambios en la impedancia de la carga lo que conlleva a cadas momentneas de voltaje en el barraje de conexin de la instalacin y en otros barrajes cercanos a ellas.

Al comienzo de la etapa se producen las mayores fluctuaciones de potencia activa y reactiva. Las grandes variaciones de potencia reactiva ocasionan severas fluctuaciones de tensin en lared, por ello, el horno debe ser conectado en un punto con alto nivel de corto circuito, que por logeneral slo es posible en sistemas de alta tensin.

Tambin se presentan fuertes desbalances entre fases, en donde una fase puede estar en corto circuito y otra en circuito abierto.

Etapa de Refinado.Su duracin depende de la calidad del acero que se quiera obtener, durante esta etapa elconsumo de potencia activa es menor y el factor de potencia alcanza valores de hasta 0.9. staes una fase mucho ms estable, donde las fluctuaciones de potencia activa y reactiva sonmenores y se deben fundamentalmente al burbujeo del material fundido

Circuito Elctrico del Horno de Arco

En la Figura se muestra un diagrama unifilar tpico de una instalacin que cuenta con un horno de arco elctrico.

Contenido Armnico

En un sistema de potencia ideal, la tensin suministrada al equipo del consumidor y la corriente de carga resultante son ondas seno perfectas. Sin embargo, en la prctica, las condiciones nunca son ideales, as que estas formas de onda son con frecuencia distorsionadas.

Los armnicos son tensiones y/o corrientes presentes en un sistema a frecuencias mltiplos de la frecuencia fundamental de trabajo del sistema elctrico y cuya amplitud va decreciendo conforme aumenta el mltiplo. En el caso de sistemas alimentados por la red de 60 Hz, pueden aparecer armnicos de 180, 300, 420, 540, 600Hz, etc. Los armnicos de una forma de onda distorsionada pueden representarse por series de Fourier.

Las principales fuentes de armnicos son las siguientes: Equipos de cmputo: computadores personales, impresoras lser, comunicaciones. Fotocopiadoras. Sistemas de potencia ininterrumpida (UPS). Controladores electrnicos de ascensores. Convertidos de frecuencia para motores sncronos y de induccin. Rectificadores. Hornos de arco y de induccin. Lmparas de encendido electrnico y Lmparas fluorescentes

Los principales efectos de los armnicos son los siguientes: Sobrecalentamiento y dao de conductores elctricos, particularmente del neutro en sistemas trifsicos. Sobrecalentamiento y falla prematura de transformadores, inclusive incendio. Distorsin de la tensin de lnea en alimentadores y circuitos ramales alimentados desde fuentes de alta impedancia (generadores, transformadores y reguladores de alta impedancia, alimentadores primarios, etc.). Operacin indeseada de interruptores, rels y contactores. Quema de fusibles (de bancos de condensadores). Sobrecalentamiento y falla de bancos de capacitores para correccin del factor de potencia. Induccin de ruido en las lneas (por acople magntico o electromagntico entre circuitos de potencia elctrica y de comunicaciones). Aumento de prdidas (hmicas y dielctricas) en conductores.

Flicker de Tensin

El flicker es el efecto de luminosidad resultante de pequeas fluctuaciones de voltaje provocadas por el funcionamiento de cargas variables con bajo factor de potencia como hornos de arco, equipos de soldadura, motores, etc.

Para ilustrar mejor esto, la Figura muestra un sistema alimentando un horno de arco y algunas cargas domsticas donde el flicker de tensin puede causar problemas.

Mientras que las corrientes de carga domsticas son prcticamente constantes, la carga del horno de arco cambia rpidamente y genera cadas de tensin variables y momentneas a lo largo del alimentador de distribucin. La tensin del alimentador primario llega a ser variable, y los disturbios pueden ser observados por algunas de las cargas domsticas vecinas.

2.3 Estado del Arte