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Semiconductores en la minería

La cantidad de energía necesaria para llevar a cabo todos los procesos productivos de un proyecto minero es enorme; la complejidad y precisión de los mismos también lo es. En la cadena de producción, cada proceso y subproceso debe ejecutarse con la mayor eficacia y eficiencia posibles, de modo de garantizar una producción segura y rentable. En esta línea, la electrónica de potencia tiene mucho que decir, ya que las diferentes aplicaciones desarrolladas a base de semiconductores abarcan casi por completo las necesidades de la industria minera.

Existen variados tipos de semiconductores, los cuales tienen diferentes características, por lo que, para optimizar su funcionamiento, deben ser utilizados en distintas aplicaciones. En la Tabla, podemos ver una comparación que muestra los cinco tipos de semiconductores más comunes. Además de existir diferencias en cuanto a los sistemas de control (por voltaje o por corriente), los parámetros más importantes a considerar son: el rango de frecuencia donde operan, el rango de la capacidad de corriente y los diferentes voltajes en los que pueden trabajar. Estos parámetros son absolutamente determinantes a la hora de diseñar una aplicación con semiconductores.

Comparación de semiconductores
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Aun cuando las aplicaciones con semiconductores se encuentran en constante desarrollo, existen topologías básicas (Figura 1) que pueden resumir de alguna manera las potencialidades de estos productos. Por ejemplo, el inversor trifásico o variador de frecuencia, que permite convertir energía desde una fuente continua de voltaje y transformarla en una fuente alterna de tensión (o corriente), a la cual se le puede variar su amplitud y frecuencia. Esta topología es de particular interés para la alimentación de motores, ya sea para tracción, correas transportadoras, bombas, ventiladores y otros.

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Figura 1: Principales topologías

Al variar la frecuencia y amplitud del voltaje de alimentación de un motor, se logra básicamente un efecto parecido al que se busca utilizando una caja de transmisión en un automóvil, donde lo que se busca es dejar al motor trabajando en una zona de operación óptima, independizándolo en lo posible de la zona en donde debería operar conectado directamente a la carga (ejemplo de aplicación en una bomba, Figura 2).

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Figura 2: Ejemplo del potencial de ahorro

Ambos casos se diferencian principalmente en que el inversor es capaz de operar el motor de manera óptima a casi cualquier nivel de carga y velocidad del eje. En cambio, una operación mecánica siempre es discreta y, por lo general, mucho más lenta. Asimismo, la mayoría de las soluciones mecánicas implican además una serie de etapas de conversión, como el convertidor de torque, cardán y diferenciales, que restan eficiencia y aumentan la necesidad de mantenimiento.

Prácticamente, todos los grandes fabricantes de vehículos mineros están incorporando la energía eléctrica en sus máquinas (Figura 3), pues esto les otorga grandes ventajas respecto a sus pares que funcionan únicamente quemando combustible. La cadena de conversión de la energía de un vehículo híbrido (usa combustible, pero su tracción es eléctrica) es varios puntos más eficiente que la convencional (Figura 4), lo que para un vehículo de gran potencia y que opera muchas horas al día, significa un ahorro no menor en su operación. Por otro lado, los circuitos de potencia requieren menos mantenimiento, sus fallas son más fáciles de detectar y anticipar, y siempre se pueden agregar nuevas soluciones a las ya aplicadas, como, por ejemplo, el desarrollo de sistemas que reutilicen la energía del frenado de los vehículos en lugar de disiparla en forma de calor.

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Figura 3: Camión minero con tracción eléctrica

Otra de las aplicaciones fuertes que tienen los semiconductores en la minería, y en general en cualquier industria que presente cargas no lineales (como los rectificadores), son los filtros de armónicos. Los armónicos se producen al haber corrientes en el sistema que no tienen la forma sinusoidal "ideal" y provocan que por la red de una determinada frecuencia (50Hz, como la usada en Chile), circulen además corrientes múltiplos de la misma (150Hz, 250Hz, etc.). Este fenómeno provoca mayores pérdidas en los cables y contamina el sistema de alimentación, ya que todos los demás equipos están diseñados para trabajar con la alimentación ideal.

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Figura 4: Simplificación del proceso de transformación de la energía

El constante y acelerado desarrollo de los semiconductores, ha dado como resultado dispositivos pequeños, eficientes, de bajo mantenimiento, seguros y extremadamente confiables, los cuales además se han abierto camino en un gran número de aplicaciones, permitiendo gigantescos avances en cada una de ellas. Existe actualmente un sinnúmero de soluciones utilizando esta tecnología en todos los campos del quehacer humano y se espera que a futuro haya cada vez más, sobre todo pensando en que la eficiencia energética se está convirtiendo en un tema primordial hoy en día.

idt6.jpg (1874 bytes) Por Maximiliano Mura, MSc.,
Ingeniero Civil Electricista,
Ingeniero de Aplicaciones IDT.
mmura@idt.cl
Mayo 2010
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