Accionamientos de molinos de alta potencia
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Accionamientos de molinos de alta potencia
Accionamientos de molinos de alta potencia Jorge Pontt a,b, Ulises Ramos b, Fernando Rojasb, Waldo Valderramab, Francisco Albayayb a Laboratorio de Confiabilidad y Calidad de Servcio LACSE/NEIM, Universidad Federico Santa Maria (UTFSM), Chile b Centro de Automatización y Supervision para la Industria Minera (CASIM), Av. España 1680, Valparaiso, Chile E-mail: [email protected], Fono: +56-32-2654553, Fax:+56-32-2797530 • Formar capital humano • Crear Valor y Bienestar a la sociedad • Vía Ciencia-Tecnología-Innovación CENTRO DE AUTOMATIZACION Y SUPERVISION PARA LA INDUSTRIA MINERA Jorge Pontt, Juan Yianatos, Luis Bergh, Waldo Valderrama, Manuel Olivares, Fernando Rojas Núcleo Milenio Electrónica Industrial, Mecatrónica y Control de Procesos Programa Centros de Excelancia ICM-Mideplan Trabajos en plantas concentradoras Resumen Accionamientos LCI Accionamientos con cicloconversor Interacción armónica Ejemplo de filtros de armónicas Power circuit topology of a 12-pulse Load Commutated Inverter Synchronous Motor Drive DC link 12 pulse controlled rectifer reactor Power Inverter Ref.: Technical Evaluation and Practical Experience of High Power Grinding Mill Drives in Mining Applications, J. Rodríguez, J. Pontt, P. Newman, L.Moran, G.Alzamora Voltage waveform at the rectifier input side of an 18000 HP LCI SAG Mill Drive. (a) Line to line bus voltage waveform (11270 V peak). (b) Average rms value of the associated frequency spectrum versus order of the harmonic component. Current waveform at the rectifier input side of an 18000 HP LCI SAG Mill Drive. (a) Rectifier input line current (800 A peak). (b) Average rms value of the associated frequency spectrum versus order of the harmonic. Gearless motor for a high power mill supply system excitation i L1 open and closed loop controls Reference value i L1,L2,L3 v L1,L2,L3 Actual value v L1 i L2 M 3- v L2 i L3 v L3 Power circuit of a cycloconverter-fed mill drive with 2 three-phase windings is i2a i1a C.2a iu PCC Fuente principal, 23kV y 50Hz C.1a ia C.1b C.2b iv ib b C.2c C.1c iw v a w u i3a c ic Principio de operación del control vectorial Currents generated by the cycloconverter with large dead time Currents generated by the cycloconverter with reduced dead time iL1 iL1 iL2 iL2 iL3 iL3 iq id 30 ms Filtro pasa-altos MN - 06 R S T L1 C1 R1 L2 C2 R2 L3 C3 R3 C4 C5 C6 Relé de desbalance Centro Tecnológico de Molienda SAG y Sistemas Eléctricos - Universidad Técnica Federico Santa María Filtros tipo C, h=2,3,4 Input currents and frequency spectrum in a 12-pulse cycloconverter feeding a 38-foot SAG mill I [Amp]. I Amp. 400 300 200 100 0 -100 0 -200 -300 10 20 30 40 50 60 70 80 -400 Frequency spectrum 6.00% 5.00% 4.00% 3.00% 2.00% 1.00% 3163 3025 2888 2750 2613 2475 2338 2200 2063 1925 1788 1650 1513 1375 1238 1100 963 825 688 550 413 275 138 0 0.00% Single line diagram of the cycloconverter drives at a Concentartor 110 ktpd Multibranch 20 MVAR Harmonic Filter Module Comentarios Tendencia a economía de escala Accionamiento de molinos con motores sincrónicos Control de torque y velocidad variable mejora el proceso LCI y Cicloconversores requieren compensación de factor de potencia Uso de filtros de armónicas de múlitples ramas Uso de filtros tipo C y pasa-altos Casos: Situaciones de interés en Accionamiento de Molinos SAG -Sistema LCI -Sistema GMD con ciclococonversor Case3: Downtimes causados por quiebre de revestimientos Molino SAG Caso 1: Accionamiento LCI de LCI Configuración LCI 12-pulse • Dos LCI de 6 pulsos en paralelo con trafos de desfase de 30º Caso 2: Up-rating de un accionamiento GMD Capacidad de up-rating de trafos Rango 12000-27000 Hp 9-11 rpm Caso 1: Accionamiento LCI LCI 12-pulse • Dos LCI de 6 pulsos en paralelo con trafos de desfase de 30º Caso 1: Molino SAG con LCI • • • • Problema Descripción LCI Simulaciones y mediciones Solución Circuito de Molienda 15.5 rpm Esquema Unilineal • Planta14.000 mtd (1st stage) and 20.000 mtd (2nd stage), near 4.000 meters a.s.l. • The circuit includes a 12-pulse Load Commutated Inverter (LCI). • The LCI drives the SAG Mill and 2 BALL MIlls.. El Problema • Problemas operacionales por fallas en sistemas electrónicos – Nutridas downtimes en circuito de molienda – Fuertes pérdidas de producción – Destrucción de SCR’s – Destrucción de tarjetas de disparo Objetivo del trabajo • Identificar posibles causas de fallas • Acciones correctivas • Confiabilidad y disponibilidad del molino SAG • Procedimientos de Mantención • Uso de instrumentación • Reducción de riesgos Load Commutated Inverter (LCI) Thyristors Wire wrap technology Rated values of SAG Mill and Ball Mill. Description Ball-Mill Sag-Mill Power 4155[Hp] 6500[Hp] Stator voltage 6600[V] 6600[V] Stator current 300[A] 480[A] Field current 212[A] 212[A] speed 200[rpm] 200[rpm] Power factor 0.9 0.9 Poles 30 30 estator SAG mill is controlled to 11.2 -11.5 rpm with the LCI. Ball mills operate at 15.5 rpm. Polo Configuración de LCI LCI 12-pulse • Dos LCI de 6 pulsos en paralelo con trafos de desfase de 30º Normal operation of the inverter (steady state) Simulation Results: Field measurement: DC-Link Current and DC-Link Voltage of the LCI during a normal operation. DC-LINK current (above, 1120A/div) and DCLINK voltage (below, 1520V/div) at steady state during normal operations. Modeling and Simulation was made for the study. Model was verfied with field measurements. Consecuencias de falla de LCI Unexpected Shutdown Cacracterísticas de una falla (trip) - Damaged Thyristors and electronic cards Measurements show – DC-LINK overcurrents – Overcurrent in transformer windings Hipótesis “Problemas durante conmutación” Comportamiento del LCI bajo condiciones de falla de conmutación • Possible Causes – Fault in the thyristor. Loss of block capability. – Loss of input voltage – Loss of gate pulse – False pulse in the thyristors Comportamiento del LCI bajo condiciones de falla de conmutación • development of the failure – thyristor 1 and thyristor 2 conducting and delivering current to the motor (a). – A misfiring of gating pulse to Thyristor 3 avoids its conduction, which keeps thyristor 1 conducting. – The firing circuit delivers the triggering pulse to thyristor 4, which originates a short-circuit through the secondary winding of the transformer. Comportamiento del LCI bajo condiciones de falla de conmutación • development of the failure – idc goes up to dangerous value (app. 3 pu). – vdc motor side goes to zero – Huge torque is generated during the short circuit. Comportamiento del LCI bajo condiciones de falla de conmutación Simulation results (8.5rpm) DC-LINK current Field measurements DC-LINK current • The Protection System of the LCI stops the pulses to the thyristors if the DC-LINK current reaches 2 pu during a half period of 50Hz. Accionamiento LCI y motor 6500 Hp motor de SAG mill Simulación SCR Current (Motor side Converter) SCR 1 0 -2000 0 0.02 0.04 0.06 SCR 2 0.08 0.1 0.12 2000 0 -2000 0 0.02 0.04 0.06 SCR 3 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 SCR 4 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 SCR 5 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 SCR 6 0.08 0.1 0.12 2000 0 -2000 2000 0 -2000 2000 0 -2000 2000 0 -2000 0 0.02 0.04 a) 0.06 Time [s] 0.08 0.1 0.12 Voltage [V] Voltage [V] 0 0 0.02 0.04 0.06 SCR 2 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 SCR 3 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 SCR 4 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 SCR 5 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 SCR 6 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 Time [s] 0.08 0.1 0.12 5000 0 5000 0 5000 0 5000 0 5000 0 c) 1000 0 -1000 0 0.02 0.04 0.06 0.08 DC-Link Voltage (Motor side Converter) 0.1 0.12 2000 0 -2000 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Reactor Voltage Voltage [V] 5000 Overcurrent DC-Link Voltage (Line side Converter) 2000 Current [A] Current [A] 2000 Current [A] Current [A] Current [A] Current [A] Current [A] Voltage [V] Voltage [V] Voltage [V] Voltage [V] Voltage [V] Voltage [V] SCR Voltage (Motor side Converter) SCR 1 5000 0 -5000 0 0.02 0.04 0.06 DC-Link Current. 0.08 0.1 0.12 0.02 0.04 0.06 Time [s] 0.08 0.1 0.12 10000 5000 0 0 b) Fig.3 Simulation Model of the LCI - Drive a) Thyristors Voltages b) DC-Link variables c) Thyristors currents DC-Link Voltage (Line side Converter) Voltage [V] 2000 1000 0 Voltage [V] -1000 0 0.02 0.04 0.06 0.08 DC-Link Voltage (Motor side Converter) 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.08 0.1 0.12 2000 0 -2000 0.06 Current [A] Voltage [V] Reactor Voltage 5000 0 -5000 0 0.02 0.04 0.06 DC-Link Current. 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 Time [s] 0.08 0.1 0.12 10000 5000 0 Current [A] Current [A] Current [A] Current [A] Current [A] Current [A] SCR Current (Motor side Converter) SCR 1 5000 0 0 0.02 0.04 0.06 SCR 2 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 SCR 3 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 SCR 4 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 SCR 5 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 SCR 6 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 Time [s] 0.08 0.1 0.12 5000 0 5000 0 5000 0 5000 0 5000 0 Voltage [V] Voltage [V] Voltage [V] Voltage [V] Voltage [V] Voltage [V] SCR Voltage (Motor side Converter) SCR 1 2000 0 -2000 0 0.02 0.04 0.06 SCR 2 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 SCR 3 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 SCR 4 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 SCR 5 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 SCR 6 0.08 0.1 0.12 0 0.02 0.04 0.06 Time [s] 0.08 0.1 0.12 2000 0 -2000 2000 0 -2000 2000 0 -2000 2000 0 -2000 2000 0 -2000 DC-Link Current. Comportamiento medido bajo falla Solución • I+D • Hardware • Trabajo de terreno Solución • Ncesidad de fabricar tarjetas de repuesto • Necesidad de sistema de moinitoreo • Necesidad de servicios • Se patentó un nuevo sistema de monitoreo y se creó la empresa “spin-off” VALTEC Case2: Up-rating de un accionamiento GMD • Problema • Descripción • Solución Case2: Up-rating de un accionamiento GMD Capacidad de up-rating de trafos Rango 12000-27000 Hp 9-11 rpm Pérdidas importantes! I network OK! Fig.7. Phase currents of primary delta windings IpA obtained during a field measurement, fo = c.a. 6.0 Hz, 1 [V] ≡ 1.7 pu, 50 ms/div. Ipeak~1.26 pu A B Fig.6 Measured Phase currents of secondary delta windings IsdA, field measurement, fo = 6.0 Hz, 1 [V] ≡ 0.7pu, 50 ms/div, Ipeak~1.26 pu Fig. 8. Output current IDM of CCV as the envelope of three-phase Deltasecondary currents (Measurements of Fig.6). Case3: Downtimes causados por quiebre de revestimientos Molino SAG 36 pies,12 MW Proyectos USM en el área Proceso de Geo-minero-metalúrgica. conminución Molienda por impacto y abrasión Pero también hay impactos agresivos de bolas contra el revestimiento Producen quiebre de bolas y quiebre de revestimientos y pérdida de energía Además producen pérdida de tiempo productivo por recambio de revestimiento H=7- 10 m Revestimientos quebrados por impactos Revestimientos “martillados” por impactos Detección de impactos agresivos (Impactmeter system) Process control improvement Patented Spin-off ETT Ltda. Courtesy: ETT Ltda. Int’l Collaboration Collaboration with CERN-ATLAS Measurement EMC/EMI emissions 4.3Km 27Km Aeropuerto Ginebra, Suiza Algunos trabajos en plantas concentradoras Contenido Presentación • El problema • Aspectos eléctricos • Aspectos de proceso • Aspectos mecánicos • Resumen PROCESOS DE FLOTACION Definen la recuperación metalúrgica EQUIPOS DE GRAN TAMAÑ0 250 m3 130 m3 300 m3 100 m3 Colaboración con CCHEN: Uso de trazadores radioactivos EL PROBLEMA El molino gearless drive (GMD) Estator Polos del rotor apernados al molino Potencia es transferida sin engranajes Confidencial El Problema Primeras aplicaciones de GMD en Concentrador Chuquicamata Tecnología GMD se considera madura y exitosa. Recientes fallas han preocupado a la comunidad. • Aspectos eléctricos • Cicloconversor alimenta al motor con frecuencia variable • inyecta armónicas a la red • Es necesario filtros de armónicas Estudio de FACTS/STATCOM/ condensador sincrónico de sistemas con cicloconversores y redes débiles, se debe hacer el análisis de armónicas y de comportamiento dinámico con diseño compatible de compensacion de factor de potencia, control de armónicas, regulación de voltaje y mitigación de fluctuaciones dinámicas. Armónicas e interarmónicas Primary Currents Currents Waveforms [pu] 1 0 -1 [pu] 1 0 Secondary Currents -1 [pu] 1 0 -1 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 [s] Secondary Currents (Simulaton) Measurements Operación bajo condiciones normales Field measurements were performed in an actual drive Cycloconverter output voltages Cycloconverter output currents Comportamiento del torque y corriente provocado por falla de conmutación por evento en la red de potencia (Blackout) Field measurement Ref.: J. Rodríguez, J. Pontt, K. Tischler, N.Becker, J.Rebolledo, ''Operation of High Power Cycloconverter-Fed Gearless Drives under Abnormal Conditions'' , IEEE Trans. On Ind. Appl., Vol.43, Nr.3, pp.814-820. Efectos de cortocircuito en el cicloconversor • Fuertes componentes alternas de fuerza vertical (hasta 6 p.u.) . Si no están consideradas, el motor se puede mover. El perno se elonga La fuerza de fricción se reduce y el frame del motor puede desplazarse Aspectos de Proceso Para evitar quiebre de revestimientos y quiebres de bolas Impactmeter MonSAG Para el control de llenado y eficiencia Monsag System It gives an estimation of the internal load filling of the rinding mill Mejor producción y energía específica, ca. 3% Aspectos mecánicos Aspectos mecánicos Problemas con manifestaciones de tipo mecánico (ORIGEN ?) Fuente: Fuente: National Instruments Piezas quebradas de estator y rotor [Intl Conference SAG’06]. Deformación estructural Por expansión térmica Por fuerzas electromagnéticas -Tangenciales -Radiales (MP y UMP) Comportamiento dinámico estator y rotor Pressure [MN/m2] 1, 0 0 0 ,9 0 0 ,8 0 0 ,7 0 0 ,6 0 0 ,5 0 0 ,4 0 0 ,3 0 0 ,2 0 0 , 10 0 ,0 0 0 0,5 1 1, 5 B [ T e s la] El Pull magnético (estimación lineal). Diagnóstico • • • • • • Voltajes, Qué variables? corrientes Instrumentación? Dónde? Vibraciones Cómo? Qué métodos ? Deformaciones Modelo? Otras Donde? Cerca de lugares específicos Ref.: How Big is big revisited, C. Meimaris, SAG’06. COMO? Sensores y sistemas wireless Qué metodos usar para detección y diagnóstico? Métodos todos de pattern recognition (Análisis (An lisis espectral) Frequency Position Posibles mecanismos de fallas Torques oscilatorios causados por armónicas de flujo y corrientes • Pull magnético (des)balanceado causado por entrehierro asimetrico. • Deformación del estator causado por combinación de fuerzas térmicas y fuerzas oscilatorias de origen electromagnetico Experiencia funcional para detección de deformación y vibraciones • El procedimiento ha sido probado • Aplicaciones pueden emplear una pluralidad de sensores • La misión de reconocimiento de patrones se calibra segun los valores esperados de frecuencias naturales del estator y rotor. Características de sistema de instrumentación • Para funciones de monitoreo, vigilancia y supervisión. • A nivel de terreno • Robusta frente a interferencias electromagnéticas • Robusta frente al ambiente industrial Confiabilidad • Especialistas de CASIM han tenido la tarea de análisis de causa raíz de varias de las fallas que han provocado perdidas importantes en equipos críticos de plantas mineras, como GMD’s de Codelco y otras empresas en Chile y extranjero. • Se ha desarrollado sistemas, métodos e innovaciones tecnológicas para diagnóstico. Resumen • • • • Tendencia a grandes equipos por economía de escala. En el escalamiento de molinos GMD de 3840 pies han aparecido fenómenos nuevos. Los fabricantes se han visto sorprendidos. Las manifestaciones de fallas son mecánicas, pero con origen combinado de diversos fenómenos. Lecciones aprendidas • • • • • Importante el Know-how, I+D+I para mejor diseño, operacion de grandes GMDs. Problemas complejos requieren un enfoque multidisciplinario. Necesidad de capacidades de Innovaciones Indispensable incrementar aplicaciones de las TI’s en niveles físicos y de supervisión. Calibración basada en modelos de referencia Cómo? Desafíos del cluster • Capacidad de innovar • Desarrollo de Pymes de base tecnológica cluster minero hacia clase mundial • Encadenamiento productivo • Nuevos modelos de negocios Ref.: “Prog. Innovacion en Minería”, Omar Hernández, Subdirector minería, medioambiente e infraestructura, CORFO-Innova, 28.05.2010 Ref.: “Prog. Innovacion en Minería”, Omar Hernández, Subdirector minería, medioambiente e infraestructura, CORFO-Innova, 28.05.2010 • Camino de solución? • Know-how • Colaboración Intl Universidad Técnica Federico Santa María Núcleo Milenio de Electrónica Industrial, Mecatrónica y Control de Procesos Centro de Automatización y Supervision para la Industria Minera Muchas Gracias ! [email protected]