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: jorge.pontt@usm.cl, 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 !
Jorge.pontt@usm.cl