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El caso de Trolley Assist

Los altos precios en los combustibles son la principal razón para que los operadores de minas consideren “trolley assist” para el transporte en sus caminos, aunque la seguridad y la sustentabilidad son también importantes consideraciones.

Por Dr. Joy Mazumdar, Siemens, Estados Unidos.

Los avances en las tecnologías de los camiones eléctricos durante los últimos 20 años han sido destacables. Los sistemas de manejo para estos camiones consisten en dos motores eléctricos integrados por engranajes en las ruedas traseras, un generador eléctrico y un potente motor diésel. Las características del sistema de manejo permiten aprovechar directamente la energía eléctrica. En algunas partes del mundo la energía eléctrica se puede generar a bajo costo y con bajas emisiones, dependiendo de la fuente del combustible. Los sistemas de trolley para camiones, que buscan sustituir al combustible diésel por electricidad, pueden ofrecer una alternativa para futuros desarrollos.

En lugar de generar electricidad a partir del motor diésel y del generador eléctrico en el camión, aquí se abastece a partir de una subestación y se transmite a través de una catenaria a los motores de accionamiento en el camión.

La experiencia del pasado ha demostrado que el mejor sistema para cumplir esta función debe basarse en los diseños utilizados en los sistemas convencionales de catenaria, como los utilizados en las unidades de tracción en la infraestructura de tren ligero. Un sistema similar ha sido optimizado para las operaciones mineras, que tienen demandas similares, como la estabilidad mecánica, la fiabilidad en el funcionamiento y bajo mantenimiento. La infraestructura de un sistema trolley completo incluye un sistema de catenaria, subestaciones de tracción, un carro montado en un mástil de suministro de alta tensión, suministro del alto voltaje montado en mástil, y la iluminación del sistema de catenaria.

Los cables aéreos son alimentados desde una estación transportable rectificadora a través de interruptores high speed DC. Los mástiles se colocan a lo largo de las rutas de recorrido, llevando dos catenarias en un solo voladizo.

Cada catenaria consta de cables de mensajería de alambre de cobre y alambres de contacto con aleaciones de cobre-plata. Los cables de mensajería y contacto son tensados a través de equipos especiales. El mástil y los polos de fundación están pintados, mientras que las otras piezas de acero están galvanizadas. El equipo de la línea se ha montado usando aleaciones de cobre galvanizado o acero inoxidable. Una robusta subestación de tracción transportable ha sido diseñada para poder enfrentar duras condiciones ambientales y operacionales, incluyendo la carga repetida, tan típica en aplicaciones de tracción, junto con el polvo, elementos corrosivos, altas temperaturas y 24 horas de operación. El equipo de la subestación es de estructura modular y está montado sobre móviles que le permiten desplazarse fácilmente de un sitio a otro en la mina.

Beneficios del Trolley
Los largos recorridos y las pendientes ofrecen una oportunidad para el transporte asistido con trolley. Una capacidad de carga típica para un camión requiere de una gran fuente de electricidad (cerca de 2.200 kW) que tiene que ser usada con efi ciencia. Mantener el peso bruto vehicular en los camiones tan bajo como sea posible también es importante, por lo que el consumo de energía se limita al transporte de mineral.

En este contexto, cada tonelada agregada al camión en sí es una tonelada menos de mineral que se transporta. Además, la mayoría de las mineras se localizan en áreas remotas (desiertos, altas montañas, etc.) y los camiones deben lidiar con condiciones ambientales extremas. Estos parámetros hacen que el embalaje electrónico sea un componente fundamental en el diseño de los camiones, considerando el pequeño espacio localizado a la izquierda para colocar los controladores de la fuente de alimentación.

La crisis energética en los ’80 llevó al desarrollo de los sistemas trolley para minas. En la actualidad, Siemens encabeza a nivel de proveedores las tecnologías e infraestructura para este tema, y esta empresa a nivel corporativo tiene renovado interés en la materia, principalmente debido al consumo de diésel. Aparte de la obvia reducción en el costo del combustible, otras ventajas se destacan, incluyendo:

• Capacidad de producción incrementada de la mina y reducción en el número de camiones debido a la mayor velocidad de éstos en sistema trolley (mejor utilización de la flota).
• Mayor accesibilidad a las partes más profundas de la mina. Los camiones con sistema trolley son capaces de enfrentar mayores gradientes y operan con carga plena por periodos prolongados.
• Reducción en los costos de mantención de los camiones, en particular en los motores diésel, los cuales normalmente sufren el mayor desgaste mientras operan a plena carga en la rampa.
• Aumento de la disponibilidad y disminución de los costos del ciclo de vida para el motor diésel (menos horas de funcionamiento).
• Disponibilidad para manejar una amplia gama de voltajes
de línea.
• Capacidad para avanzar en línea a cualquier velocidad y
carga.
• Y mejoras ambientales (bajas emisiones y menor ruido).
En términos de instalaciones, África es la zona líder respecto de sistema trolley. Sin embargo, a medida que los costos de combustible continúen subiendo, a nivel mundial las minas ya están tomando un enfoque proactivo al respecto.

El concepto Trolley
El sistema de camión trolley es más efectivo en términos de costo en las rampas, donde la mayor porción de energía es requerida. El restante tramo del recorrido utiliza energía diésel convencional. Sin embargo, como se verá más adelante, es muy beneficioso poner líneas para trolley tanto en subidas como en bajadas, para recuperar la energía del frenado. En todo caso, algunas minas están considerando la posibilidad de la asistencia trolley para trayectos planos para reducir el consumo de diésel y extender la vida útil del motor del camión. En lugar de alimentar energía al vehículo desde el motor diésel, ésta se obtiene a partir de líneas elevadas. Éstas se conectan directamente al DC link. A la velocidad máxima del motor, la tasa de combustible es de 450 litros/hora, pero con trolley assist, el motor funciona ralentizado y la tasa de consumo se reduce a 40 litros/hora. Esta disminución supone un ahorro considerable de combustible y es un paso significativo hacia minas cada vez más eficientes en el uso de la energía.

Los sistemas trolley son ventajosos para minas donde hay una gran diferencia entre los costos de electricidad y diésel. Por ejemplo, una planta suministradora podría tener su propia mina, o una mina podría tener su propia planta generadora. En ambos casos, para las minas que quieran utilizar sus camiones con sistema trolley, resulta más barato. Los camiones mineros, como otras aplicaciones móviles, constantemente funcionan con el motor encendido y aplicando sistemas de freno. La regeneración completa de la energía a partir de los frenados es una de las fuentes más prometedoras de ahorro de energía a una mina. Los sistemas trolley para minería son derivados de los sistemas generales de tracción. Las soluciones en las líneas de tracción existen para 750 VDC o 1.500 VDC. Los camiones mineros operan con los voltajes más altos.

Los sistemas trolley para la mayoría de los camiones mineros se instalan para trayectos cuesta arriba. En el descenso, la energía se pierde en las resistencias. Sin embargo, trolley assist podría ser diseñado de tal manera que mejore la receptividad general de la línea del sistema de generación DC mediante la transferencia de la energía de frenado hacia el AC, regenerándola a través del transformador, para la red de distribución medio voltaje AC. Esta energía podría ser utilizada para otras cargas en la mina o utilizada por la red de suministro eléctrico.

Este sistema se puede conseguir fácilmente mediante la sustitución del puente rectificador de diodos incontrolado con un rectificador activo. Esto transforma la subestación unidireccional tradicional en una reversible. Los principales beneficios que se esperan de subestaciones reversibles son los siguientes:

• Regeneración de energía de frenado en todo momento, mientras se mantiene la prioridad de intercambio natural de energía entre los camiones.
• Reducción/eliminación de las resistencias de frenado y, por tanto, reducción de la masa del camión y liberación de calor.
• Regulación de la tensión continua de salida para hacer la sobrecarga de voltaje DC independiente de las fluctuaciones de la línea AC.
• Reducción en los niveles de armónicos y mejora del factor de potencia en el lado AC.

El término Active Front End (AFE) normalmente se usa para describir el convertidor del lado con conmutadores activos tales como IGBT. Un típico sistema rectificador Siemens AFE consiste en un convertidor AFE sobre el lado de la línea, un condensador DC-link e inductores de impulso. Dependiendo de los requerimientos de energía, el sistema rectificador podría tener múltiples convertidores AFE, todos conectados a un común DC-link.

Pero, durante la regeneración también puede ser operado como un inversor, alimentando de energía a la línea. El inversor AFE también es conocido popularmente como rectificador PWM. Esto debido al hecho de que, con conmutadores activos, el rectificador puede ser cambiado mediante una adecuada anchura de modulación de impulsos.

El inversor AFE funciona básicamente como un helicóptero de gran impulso con voltaje de corriente alterna en la entrada, pero voltaje DC en la salida. El voltaje intermedio DC-link debería ser mayor que el peak del voltaje del suministro. Esto es requerido para evitar la saturación del controlador PWM debido al insuficiente voltaje DC-link. El voltaje DC-link requerido necesita ser mantenido constantemente durante la rectificación tal como la operación del inversor del convertidor del lado de la línea. La ondulación en el voltaje DC-link se puede reducir usando un banco de condensadores de tamaño adecuado.

La sustitución del puente rectificador de diodos en una subestación unidireccional con IGBT se transforma en una subestación bidireccional. Las características clave del uso de convertidores de AFE incluyen:

• Capacidades regenerativas. En el modo de motor normal de la unidad, la energía fluye del suministro al motor. El convertidor del lado opera como un rectificador, mientras que el convertidor de carga del lado funciona como un inversor. Durante el modo de frenado regenerativo, los roles respectivos de los transformadores se invierten. El sistema puede regenerar a la perfección el poder siempre que sea necesario.
• Unidad de factor de potencia en operación. Con las corrientes de línea en fase con las tensiones de línea, las corrientes reactivas no deseadas son eliminadas. Puesto que la regeneración es posible también en el factor de potencia unitaria, la calidad de la energía mejora significativamente.
• Compensación de Potencia Reactiva. Alternativamente, los ratings kVA ahorrados debido a la operación de la unidad de factor de potencia se pueden utilizar para proporcionar una compensación de potencia reactiva en el sistema. El convertidor de potencia de doble cara actúa como compensador VAR mientras se suministra la carga.
• Cancelación de armónicos y mejora de la interfaz. Los armónicos introducidos por la línea de rectificadores conmutados por la red no existen en los inversores AFE. Los armónicos introducidos por los dispositivos activos de conmutación (IGBT) se reducen en un escalonamiento de los inversores de AFE. En general la distorsión armónica total (THD) en corrientes de línea y el voltaje de línea son mucho menores y cumplen con las regulaciones.
• Operación satisfactoria durante voltaje de línea dips. El reactor de línea y la impedancia del transformador secundario permiten a los inversores AFE empujar el circuito de enlace con una tensión superior a la tensión de línea alta. En la línea dips de tensión de hasta 30%, una constante tensión del voltaje DC-link se puede mantener y el buen funcionamiento de la unidad es posible.

Potenciales ahorros
Con base en parámetros de sistema de minas específicas, como distancias de acarreo, grado, requisitos de producción y precios de diésel y electricidad, es posible predecir los costos de inversión, los costos de energía y de mantenimiento, así como los valores de producción y el tiempo de recuperación de la inversión (retorno sobre la inversión). En última instancia, el ahorro de costos de trolley assist puede ocurrir cuando se transporta la misma cantidad de material aunque con menos camiones, o transportar más carga útil con el mismo número de camiones.

Los cálculos han demostrado que un camión cargado con 300 toneladas bajando la rampa regenera aproximadamente 3 MW. Un camión vacío cuesta abajo, en un perfil similar, regenerará aproximadamente 1,3 MW a la red. Los cálculos, así como estudios de factibilidad, han demostrado que un sistema trolley logra recuperar la inversión en un periodo de dos a cuatro años.

Gracias a un análisis que se realizó en Sudáfrica, se observó que un camión cargado en un tramo de 1 km de descenso generó aproximadamente 7.900 kWh de energía por día (20 horas de operación, 5 minutos cargando y marcando el tiempo por ciclo). A un costo de energía de 0,60 ZAR-Rand Sudafricano (USsh,077) por kWh, el costo de recuperación de energía diario por camión será 4.750 ZAR (US08). Para un camión vacío de un perfil similar, el costo de recuperación de energía diario por camión será 2.050 ZAR (US62). El impacto y los ahorros serán mayores a medida que la rampa sea más larga y la flota de camiones incremente su tamaño.

La tecnología de transporte en camiones ha mostrado un enorme desarrollo en los últimos años. Se han producido importantes mejoras en el rendimiento con capacidades de carga cada vez mayores. Ahora, los camiones eléctricos equipados con pantógrafos pueden obtener energía de una línea trolley elevada. Los camiones funcionan con diésel en el rajo y alrededor del chancador. La línea trolley ofrece la energía para aumentar de la velocidad del camión, extendiendo los intervalos entre las revisiones del motor y reduciendo costos. Hasta la fecha, Siemens es la única empresa que ofrece soluciones trolley camiones AC en el rango ultra class.

Referencias
1. J. Mazumdar and W. Koellner; “System and Method for Reinjection of Retard Energy in a Trolley Based IGBT Electric Truck,” U.S. patent application filed 2009.
2. J. Mazumdar and W. Koellner; “Peak Demand Reduction in Mining Haul Trucks Utilizing an On-Board Energy Storage System,” U.S. patent application filed 2009.

Joy Mazumdar es product marketing manager para camiones en Siemens Industry. Cob base en Atlanta, Georgia, Estados Unidos, puede ser ubicado en: Teléfono: 740-3707. E-mail: Joy.Mazumdar@Siemens.com. Este artículo es reproducido con la autorización de Engineering & Mining Journal (E&MJ).