El impacto de los hornos de arco eléctrico en la eficiencia energética eléctrica

El impacto de los hornos de arco eléctrico en la eficiencia energética eléctrica

Entorno eléctrico y características operativas de los hornos de arco eléctrico

Hornos de arco eléctrico (EAF) utilizados para la fundición suelen operar en tres etapas distintas:

1.  Fase de fusión: Fusión inicial de la carga sólida, que representa el período de mayor demanda de energía.

2.  Etapa inicial de refinado y calentamiento.

3.  Etapa de refinado: Donde la entrada de energía compensa principalmente las pérdidas térmicas.

Un horno de arco eléctrico de CA estándar tiene un ciclo de fundición que oscila entre aproximadamente 3 y 8 horas, dependiendo de los parámetros de suministro de energía, la capacidad del horno y el proceso de fundición específico. El período de fusión, que dura entre 0,5 y 2 horas, presenta una carga de impacto trifásica muy desequilibrada. Durante esta fase, la corriente es extremadamente inestable y el consumo de energía está en su punto máximo, lo que representa aproximadamente del 60% al 70% del uso total de energía. Por el contrario, las fluctuaciones de voltaje y el consumo de energía disminuyen significativamente durante los períodos de refinado de oxidación y reducción.

Las características operativas clave durante la fusión de chatarra incluyen:

   Extinción y re-ignición frecuentes del arco al inicio de la fusión.

   Fluctuaciones continuas del arco durante todo el período de fusión, lo que lleva a cambios rápidos de corriente, colapso del material y cortocircuitos.

El factor de potencia operativo para un circuito EAF estándar suele oscilar entre 0,8 y 0,85, mientras que para los hornos de alta potencia es menor, entre 0,7 y 0,8. Este factor de potencia más bajo inherentemente resulta en una menor eficiencia eléctrica.

Impacto en la eficiencia energética

El desperdicio de energía eléctrica en los EAF se manifiesta principalmente en dos formas: un bajo factor de potencia y la generación de parpadeo y armónicos significativos durante la fusión.

El parpadeo es una fuente primaria de varios efectos secundarios, incluida la distorsión armónica y los desequilibrios de fase. Se refiere a distorsiones transitorias, como sobretensiones, picos y armónicos, superpuestos a la onda sinusoidal de CA. Como señaló el destacado teórico de la energía Dr. Hersfield, las características clave de esta distorsión son el voltaje ultra alto, la velocidad ultra alta y la frecuencia ultra alta.

   Voltaje ultra alto: Los picos de parpadeo pueden alcanzar de 2 a 50 veces la amplitud de voltaje normal, potencialmente hasta 500 a 10,000 voltios.

   Velocidad ultra alta: Estos picos ocurren en una duración extremadamente breve, a menudo completando su ráfaga y decaimiento en microsegundos o nanosegundos.

   Frecuencia ultra alta: La actividad de parpadeo es incesante. Docenas de tales eventos pueden ocurrir a partir de acciones simples como encender una luz, encender un electrodoméstico o incluso hacer clic con el mouse de una computadora, con voltajes asociados que alcanzan los 500-1200 voltios.

El efecto dañino de estos transitorios de alto voltaje y alta frecuencia en equipos eléctricos sensibles a menudo se pasa por alto. Además, dado que el trabajo eléctrico es el producto de la corriente y el voltaje, los aumentos instantáneos en cualquiera de ellos resultan en un mayor consumo de energía instantáneo.

El elemento calefactor de un EAF es una carga resistiva (el arco). Por lo tanto, estos picos instantáneos de voltaje o corriente no pueden contribuir al inicio o calentamiento del arco. En cambio, se retroalimentan como potencia reactiva a las cargas inductivas dentro del sistema, principalmente el transformador del horno, donde se disipan como pérdidas en el núcleo y en el cobre. Este consumo instantáneo de potencia reactiva no proporciona ningún beneficio al proceso de fundición, sin embargo, su impacto en la eficiencia general históricamente se ha subestimado en la operación de EAF.

Incluso sin tener en cuenta el desperdicio de energía del bajo factor de potencia, el parpadeo sustancial generado solo durante el período de fusión indica que la eficiencia eléctrica de un EAF es menor en comparación con un dispositivo que funciona sin problemas (con un parpadeo mínimo) de la misma potencia nominal.

Conclusión

Suprimir o reducir la magnitud y la frecuencia de los transitorios de parpadeo generados durante el período de fusión del EAF, y convertir esta porción de potencia ineficaz en potencia activa útil, presenta una oportunidad significativa. Este enfoque no solo puede mejorar la eficiencia energética eléctrica del horno y lograr importantes ahorros de energía, sino también mitigar el impacto adverso y la contaminación del horno en la red eléctrica, al tiempo que ofrece protección a los equipos eléctricos sensibles.

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