Laboratorio de control de sistemas Eléctricos de Potencia y Energía .
Dr. Johan Guzmán Profesor Asistente Universidad de Talca Departamento de Tecnologías Industriales +56+75+201781 jguzmand@ieee.org
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Outline Introducción Abastecimiento de Energía eléctrica Procesos sensibles en Industria Metalmecánica. Caso practico: reducción de perdidas en maquina de cromado. Conclusiones
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Introducción El costo de la energía eléctrica en Chile supera promedio de la región. Problemas con comunidad mantiene incertidumbre respecto a disponibilidad de nuevas fuentes propias en el corto plazo. Costo afecta directamente la competitividad de todos el sector industrial y específicamente el de la industria minera y metalmecánica. Situación obliga a buscar la forma de optimizar los procesos electroquímicos y electromecánicos para reducir consumo energético. Existen brechas de acceso a información, mayor parte de Industrias metalmecánicas son PYME con poca información respecto a nuevas tecnologías y herramientas de apoyo para auditorias tecnológicas e innovación de procesos. KIPUS Centro de Sistemas de Ingeniería Universidad de Talca1
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Abastecimiento de Energía Con datos del 2011, Chile tiene 5 Preció más caro electricidad para industrias, solo superado por Japón, Eslovaquia, Republica Checa, y Alemania. 2011 costo de energía eléctrica a industrias en Chile fue de fue de us$ 154/MW-hr , US$ 40 sobre promedio ponderado OECD.
Fuente: Comparación de Precios de Electricidad en Chile y países de la OCDE y América Latina1 informe BCN
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Abastecimiento de Energía
Fuente: Comparación de Precios de Electricidad en Chile y países de Iberoamérica informe BCN
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Abastecimiento de Energía Problemas con las comunidades Oposición Instalación de Centrales Hídricas. Oposición Instalación de centrales a Carbón con judicialización de proyectos. Problemas para trazado de redes de transmisión. Oposición a instalación de centrales nucleares.
Política Regional No se proyecta en corto plazo interconexión eléctrica con Argentina, Paraguay o Brasil usando HVDC. KIPUS Centro de Sistemas de Ingeniería Universidad de Talca1
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Abastecimiento de Energía Escenario proyectado indica continuidad de altos precios de energía. Efectos de esta situación, incremento de proyectos mineros e industrias que prefieren instalarse en Perú y no en chile. Faltan políticas publicas que difundan efectos de costo de energía, las ventajas y desventajas de cada una de las alternativas . KIPUS Centro de Sistemas de Ingeniería Universidad de Talca1
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Sector Metalmecánico 3.740 3.720 3.700 3.680 3.660 3.640 3.620 2.005
2.006
2.007
2.008
2.009
2.010
Total empresas en rubro metalúrgico en zona centro sur Elaboración propia con datos del SII año 2010. KIPUS Centro de Sistemas de Ingeniería Universidad de Talca1
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Sector Metalmecánico 2.692
531 133 VI Región
257
92
VII Región
VIII Región
IX Región
RM
Número de empresas por región para el año 2010 en la zona centro sur. Elaboración propia con datos del SII año 2010. KIPUS Centro de Sistemas de Ingeniería Universidad de Talca1
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Sector Metalmecánico MICRO 2 22%
MICRO 3 24%
PEQUEÑA 1 11% PEQUEÑA 2 8%
MICRO 1 20%
PEQUEÑA 3 8%
Tipo empresa Micro 1 Micro 2 Micro 3 Pequeña 1 Pequeña 2 Pequeña 3 Mediana 1 Mediana 2 Grande 1 Grande 2 Grande 3 Grande 4
Volumen de ventas anuales ( UF) 0,01 a 200 200,01 a 600 600,01 a 2.400 2.400,01 a 5.000 5.000,01 a 10.000 10.000,01 a 25.000 25.000,01 a 50.000 50.000,01 a 100.000 100.000,01 a 200.000 200.000,01 a 600.000 600.000,01 a 1.000.000 Más de 1.000.000
MEDIANA 1 3% MEDIANA 2 2% GRANDE 1 1% GRANDE 2 1% GRANDE 3 0% GRANDE 4 0%
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Sector Metalmecánico Procesos intensivos en energía eléctrica Industria metalmecánica Fundición y calentamiento de materiales en hornos eléctricos Procesos de Galvanoplastia
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Sector Metalmecánico Hornos eléctricos: Capaces de generar altas temperaturas. Se utilizan en desulfuración y desfosforarían, fundición aceros especiales y tratamientos térmicos. Permiten tener un control eficiente de la cantidad de calor que se aplica al material. Permiten fundir metal en centros urbanos respecto a hornos de combustión que usan combustibles fósiles.
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Sector Metalmecánico Hornos de Resistencia: En estos hornos se hace pasar corriente por un conductor resistivo generando calor por el efecto Joule. Muy buen control de temperatura.
El calentamiento puede ser directo, si la corriente circula por la misma pieza, o indirecto cuando una resistencia externa cede calor a la carga mediante convección y/o radiación.
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Sector Metalmecánico Hornos de Resistencia: Desde el punto de vista eléctrico el control de temperatura en estos hornos es muy sencillo, bastando con un grupo de resistencias que se pueden encender utilizando controladores por histéresis. KIPUS Centro de Sistemas de Ingeniería Universidad de Talca1
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Sector Metalmecánico Esquemas de control más elaborados incluyen el uso de rectificador con SCR y chopper rectificador.
Rectificador tiristorizado
Chopper rectificador
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Sector Metalmecánico Poca posibilidad de mejorar eficiencia modificando fuente de poder. Esfuerzo debe centrarse en mejorar proceso de calentamiento, utilizando más de un horno ordenados en forma conveniente. Uso de calor residual para precalentamiento de material.
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Sector Metalmecánico Hornos de Arco: Corresponden a hornos de solera, donde los quemadores se han reemplazado por electrodos que generan el arco eléctrico. Al conectar los electrodos se genera alta corriente, que calienta electrodos provocando emisión de electrones por efecto termoiónico, al separar electrodos este plasma permite que continúe la conducción emitiendo calor, generando canal estable y auto sostenible para densidad de energía entre 100 A/cm2 a 100M A/cm2. KIPUS Centro de Sistemas de Ingeniería Universidad de Talca1
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Sector Metalmecánico Arco indirecto con electrodos horizontales (Stassano ).
Fuente “Aceria eléctrica” Enriquez, Tremps et al. Universidad Politecnica de Madrid.
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Sector Metalmecánico Arco directo entre electrodo y solera conductora (Girod):
Fuente “Aceria eléctrica” Enriquez, Tremps et al. Universidad Politecnica de Madrid.
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Sector Metalmecánico Arco entre los tres electrodos a través del baño:
Fuente “Aceria eléctrica” Enriquez, Tremps et al. Universidad Politecnica de Madrid.
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Sector Metalmecánico Fuentes de poder utilizados en hornos de arco DC
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Sector Metalmecánico Fuentes de poder utilizadas en hornos de arco Trifásico
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Sector Metalmecánico Posibilidades Para mejorar la eficiencia. Ejecutar control de flujo de potencia en lado de alta tensión para potencias superiores a 200kW. Uso de calor residual para precalentar material y mezclas de aire.
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Sector Metalmecánico Hornos de Inducción Corresponde a una fuente de corriente alterna que alimenta al primario de un transformador, induciendo una alta corriente en el secundario que esta formado por el material conductor a fundir. Estas corrientes son las que tienen el mayor aporte en el calentamiento del material , seguidas por los efectos de histéresis en materiales ferro magnéticos. La frecuencia de la corriente alterna determina la profundidad de penetración de los campos magnéticos en el material. Esto determina que el material se calienta desde afuera hacia adentro. A mayor frecuencia, más rápido se alcanza una alta temperatura en la superficie. KIPUS Centro de Sistemas de Ingeniería Universidad de Talca1
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Sector Metalmecánico Hornos de Inducción con núcleo magnético
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Sector Metalmecánico Hornos de Inducción sin núcleo magnético
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Sector Metalmecánico Primeros hornos de inducción operando a frecuencia de la red son simples transformadores de alta corriente. Fundición lenta requieren incorporar un poco de material fundido. Hornos de inducción modernos incorporan diferentes tipos de topología para elevar la frecuencia de trabajo utilizando configuraciones resonantes o cuasi resonantes. Operando en el rango de kHz para hornos de fundición y en el rango de centenas de kHz para tratamiento térmico.
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Sector Metalmecánico
Fuente “Modelling and Analysis of the Induction-Heating Converters” A. Kelemen et al, University of Transylvania..
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Sector Metalmecánico Posibilidades Para mejorar la eficiencia. Mejoras en el control de temperatura y curvas de calentamiento permiten ahorros de energía. Uso de topologías robustas, modulares permiten ahorro en tiempo fuera de servicio.
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Sector Metalmecánico Procesos de galvanoplastia El proceso de galvanoplastia consiste en utilizar la electrodeposición de un material sobre otro material conductor, con el objeto de mejorar alguna característica, ya sea dureza, resistencia a la corrosión o para joyería. Procesos industriales más utilizados, protección de acero con cromo, zinc, aluminio. Joyería procesos mas utilizados cobertura de sustrato con metales como oro y plata. Proceso requiere circulación de altas corrientes controladas a bajos voltajes, lo que trae aparejado un aumento significativo de perdidas de conducción en algunos casos. Fuentes de poder sencillas, pesadas, con rendimiento de 60-70%. KIPUS Centro de Sistemas de Ingeniería Universidad de Talca1
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Caso practico: Reducción de perdidas en maquina de cromado. Diseño de maquina de cromado de alto desempeño Se busca maximizar eficiencia. Se busca minimizar tamaño del sistema para poder transportar fuente de poder en forma sencilla.
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Caso practico: Reducción de perdidas en maquina de cromado. ¿Que alternativas existen? Rectificador tradicional SCR, maquina robusta, utiliza transformador trifásico reductor de 380/6V de 10kVA. Rendimiento máximo 67%. Peso fuente de poder, 120 kg. Propuesta de reemplazo 1: Utilizar mismo transformador de maquina tradicional, desplazando control de flujo de potencia al primario con arreglo de SCR operando a frecuencia natural y reemplazando rectificador controlado de secundario por rectificador de diodos. Rendimiento máximo 83%. Peso fuente de poder, 120 kg. Propuesta de reemplazo 2: Se reemplaza transformador por transformador de alta frecuencia. Se desplaza control potencia al primario con un variador de frecuencia que entrega una salida de voltaje variable a una frecuencia de 20 kHz y reemplazando rectificador controlado de secundario por rectificador de diodos. Rendimiento máximo, 80%. Peso fuente de poder, 40 kg. KIPUS Centro de Sistemas de Ingeniería Universidad de Talca1
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Caso practico: Reducción de perdidas en maquina de cromado. v sa
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Current (A)
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Topología Original KIPUS Centro de Sistemas de Ingeniería Universidad de Talca1
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Caso practico: Reducción de perdidas en maquina de cromado. I o.ref io
Io.ref
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Propuesta de reemplazo 1: KIPUS Centro de Sistemas de Ingeniería Universidad de Talca1
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Caso practico: Reducción de perdidas en maquina de cromado.
Este ejemplo busca mostrar que existen soluciones disponibles para mejoras tecnológicas. Falta mejorar canales de transferencia tecnológica hacia PYME.
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Conclusiones Condiciones de mercado eléctrico indican tendencia a mantener precios altos de energía. Industria nacional pierde competitividad, búsqueda de procesos mas eficientes es aporte para paliar problema de costos. Soluciones existen, normalmente son conocidas por gran industria pero no por PYME. Se debe fomentar auditoria tecnológica en PYME para indicar posibles mejoras en procesos productivos. Independiente de programas de eficiencia energética, gobierno y privados deben buscar forma de obtener energía de bajo costo. KIPUS Centro de Sistemas de Ingeniería Universidad de Talca1
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Gracias
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