بخشی از مقاله
چکیده
امروزه کوره هاي قوس الکتریکی براي ذوب آهن و فولاد، وسیله اي متداول شده اند. این نوع کوره ها باعث ایجاد گشتاورهاي بیش از حد، روي محور ژنراتورهاي اطرافشان می شوند. این گشتاورها به محل اتصال بین محور تجهیزات توربوژنراتورها اعمال می گردد. در حالت کار عادي، اضافه گشتاورهایی که به محور ژنراتور وارد میشود، اگرچه باعث شکست آنی محور نمی شود، ولی به علت آنکه یک کوره قوس در طول یک شبانه روز به طور مکرر راه اندازي می شود، می تواند باعث بروز حالت گذرا در ژنراتور گردد. این موضوع می تواند منجر به خستگی زودرس ژنراتور و نهایتاً منجر به شکست محور شود.
بنابراین به منظور بررسی عملکرد ژنراتورهاي سنکرون در سیستم هاي قدرت با کوره هاي قوس، از دو مدلی که به واقعیت نزدیکتر است، براي مدل سازي بار کوره استفاده گردیده تا تاثیر آن بر روي محور ژنراتور و محل اتصال بین توربین ها بررسی گردد. روش جدیدي که در این تحقیق از آن استفاده شده، در نظر گرفتن مراحل مختلف ذوب و استفاده از مناسبترین مدل کوره جهت شبیه سازي در آن مرحله است. بنابراین سعی بر آن است که به مراحل مهم ذوب - که می تواند روي ژنراتور اثرگذار باشد - توجه شده و در هر مرحله، از مدلی که بتواند عملکرد کوره را به بهترین شکل توصیف کند استفاده شود. با استفاده از شکل موج هاي گشتاور اعمال شده به محور ژنراتور مشکلات موجود بررسی و تحلیل میگردد.
-1 مقدمه
یکی از اساسی ترین اصول در مطالعات دینامیکی یک سیستم قدرت الکتریکی، بحث پایداري است؛ در همین راستا، باید تا حد امکان از بروز نوسانات حالت گذرا در سیستم جلوگیري شود. در این بین هارمونیک ها به عنوان یکی از عوامل تولید نوسان، مطرح می باشد؛ هارمونیک ها، مولفه هاي خاص در فرکانسهایی هستند که ضرایب صحیحی از فرکانس اصلی سیستم است [1]، در بین هارمونیک هاي فرکانس قدرت جریان و ولتاژ، فرکانس هاي اضافه قابل مشاهده اند که مقدار صحیحی از فرکانس اصلی سیستم - فرکانس سنکرون - نمی باشند، این هارمونیک ها با عنوان فرکانس هاي گسسته - میان هارمونیک ها - با طیف وسیعی شناخته میشوند؛ زیرهارمونیکها هم دستهاي از تحلیل اغتشاشات ناشی از مراحل مختلف کارکرد کوره هاي قوس الکتریکی بر ژنراتورهاي محلی سیستم هاي قدرت میان هارمونیک ها با فرکانسهاي کمتر از فرکانس اصلی سیستم میباشند
اکثر اعوجاج هاي ایجاد شده در شکل موج هاي ولتاژ و جریان شبکه قدرت، ناشی از بارهایی هستند که داراي
مشخصه غیرخطی بوده و یا در آنها از عناصر الکترونیک قدرت - نیمه هادي ها - ، استفاده می شود. نیمه هادي ها در مدارهاي راهاندازي و کنترل موتورهاي جریان مستقیم و متناوب، سیکلوکانورتورها، جوشکاري ها، کوره هاي قوس الکتریکی و . . . مورد استفاده قرار می گیرند. نیمه هادي هاي قدرت، از آن جهت که در هر نقطه از شکل موج ولتاژ بطور ناگهانی روشن یا خاموش می شوند [2]، حالت هاي گذرایی بافرکانس نوسان بالا و دامنه اي میراشونده پدید می آورند و در صورتی که در هر پریود، عمل کلیدزنی در نقطه مشابهی انجام شود، حالت گذرا شکلی متناوب به خود میگیرد.
کوره هاي قوس الکتریکی از عمده ترین بارهاي نامتعادل، غیرخطی و متغیر با زمان می باشند که بزرگترین تولیدکننده اختلالات هارمونیکی و میانهارمونیکی در شبکه قدرت هستندو به دلیل متغیربودن طول قوس الکتریکی حین عمل ذوب، هارمونیک هایی که در کوره هاي ذوب قراضه و گرم کننده تولید می شود، به طور پیوسته در حال تغییر هستند. مجموع اعوجاج هارمونیک - THD - تولید شده در این بارها، بخصوص هنگامی که الکترودهاي آنها در ابتداي کار داخل قطعات آهن قراضه قرار می گیرند، به شدت نامنظم و غیرقابل پیش بینی است و جرقه هاي نامنظم در کوره، باعث می شود تا هدایت جریان در نیم سیکل مثبت و منفی یکسان نباشد .
این اعوجاجات هارمونیکی، بصورت جریان هاي هارمونیکی، به بقیه شبکه تزریق شده و با توجه به امپدانس
شبکه بصورت اعوجاجات ولتاژ هارمونیکی به تجهیزات مختلف اعمال میشود. لذا تجهیزات مورد استفاده در شبکه هاي قدرت آلوده به هارمونیک، بطور دائم در معرض این اعوجاجات می باشند. اعوجاجات هارمونیکی داراي اثرات متفاوتی بر روي تجهیزات و سیستم هاي الکتریکی می باشند.
هارمونیک هاي جریان، باعث ایجاد تلفات اضافی سرگردان در ترانسفورماتورها گردیده و تلفات را در خطوط افزایش میدهند.
همانطور که گفته شد، کوره هاي قوس الکتریکی، از جمله بارهاي غیرخطی محسوب می شوند، تا کنون مدلهاي متعددي براي تحلیل عملکرد آنها پیشنهاد شده است، در نظر گرفتن پیچیدگی هاي عملکرد کوره هاي قوس الکتریکی در هر لحظه از زمان و فرآیند تصادفی و متغییر ذوب، دلیل تنوع این مدل ها می باشد.در این میان فاکتورهاي مختلفی بر عملکرد کوره هاي قوس الکتریکی تاثیرگذار می باشند؛ از جمله این
موارد، مواد خام مصرفی در کوره، وضعیت الکترودها، فرایند کنترل بازوي الکترودها و ولتاژ و امپدانس سیستم تغذیه و . . .مهم تر می باشند که ضرورت شناخت پارامترهاي ولتاژ قوس، جریان قوس و طول قوس - که با توجه به موقعیت الکترودها تخمین زده می شود - را در طراحی مدل، ایجاب می کند. با این توضیحات می توان گفت به منظور بررسی دقیق عملکرد کوره قوس الکتریکی می بایست مدل سازي بطور دقیق انجام گیرد.
به طور کلی روش هاي مدل سازي کوره هاي قوس الکتریکی در دو حوزه زمان [5-11] و فرکانس [12-14] مطرح می گردند.
مدل سازي در حوزههاي زمان، براي بررسی المانهاي کوره و تحلیل کوره هاي قوس مؤثر می باشد. این در حالی است که مدل هاي حوزه فرکانسی براي بررسی و محاسبه شبکه خارجی بسیار مناسب خواهند بود. شبکه خارجی مدل یک سیستم خطی است که در هر هارمونیک می تواند مطالعه شود
مدل سازي در حوزه هاي زمان، براي بررسی المان هاي کوره و تحلیل کوره هاي قوس مؤثر می باشد. این در حالی است که مدلهاي حوزه فرکانسی براي بررسی و محاسبه شبکه خارجی بسیار مناسب خواهند بود. شبکه خارجی مدل یک سیستم خطی است که در هر هارمونیک میتواند مطالعه شود. دسته اي از مدل ها مبتنی بر حل در حوزه فرکانس است که با توجه به معادلات دیفرانسیل غیر خطی سیستم می باشد و تنها بر توپولوژي سیستم و شرایط عملکرد آن بستگی دارد. دستهاي دیگر از این مدلها بر پایه هارمونیک هاي تولیدي کوره ها استوارند .
بنابراین می توان تحلیل اغتشاشات ناشی از مراحل مختلف کارکرد کوره هاي قوس الکتریکی بر ژنراتورهاي محلی سیستم هاي قدرت گفت اغلب مدلهاي حوزه فرکانس براي بررسی هارمونیک هاي سیستم قدرت با کوره قوس الکتریکی مناسب می باشند. این در حالی است که مدل هاي حوزه زمان علاوه بر این خاصیت، براي بیان سایر شرایط سیستم قدرت نیز مطلوب می باشند. برخی از این مدل ها مبتنی بر مدار معادل غیر خطی در حوزه زمان 5] و [6 می باشد که بر پایه منحنی مشخصه ولتاژ-جریان قوس بنا نهاده شده اند. لذا این مدل ها مبتنی بر خطی کردن مشخصه ولتاژ-جریان قوس می باشند.
البته مدل هایی نیز بر مبناي مدارات بی نظمی 7] و [8 و مدل هارمونیکی و غیر خطی 9] و [10 و برخی هم بر اساس معادلات دیفرانسیل [11] موجود میباشد. در این مقاله، ابتدا کورههاي قوس الکتریکی معرفی می شوند. به منظور بررسی اثرات کوره قوس الکتریکی در نوسانات پیچشی محور توربین ژنراتور، از وجود یک کوره قوس الکتریکی در یک سیستم قدرت به همراه یک توربوژنراتور محلی و باس بینهایت، استفاده می شود. لذا، در این مقاله سعی بر آن است که به مراحل مهم ذوب - که می تواند روي ژنراتور داراي اثرگذار باشد - توجه شده و در هر مرحله، از مدلی که بتواند عملکرد کوره را به بهترین شکل توصیف کند استفاده شود.
براي مدل سازي، در مرحله اي که کوره در حال ذوب قراضه و شارژ آهن اسفنجی است از مدل غیرخطی با ضریب توان کم و بر اساس نمونه برداري احتمالاتی به کار برده می شود. در این حالت ولتاژ کوره داراي نوسانات شدید و داراي فلیکر ولتاژ بوده و ضریب توان نیز به شدت تغییر می کند و در حدود 0/6 است.مرحله اي که اغتشاشات پایان یافته و ذوب، آرام و قوس، پایدار شده از مدل غیرخطی و با ضریب توان بالاتر استفاده شده است. دراین مرحله از ذوب نوسانات ولتاژ بسیار کم بود وضریب توان در حد 0/85 است.
به منظور مدل سازي قوس الکتریکی در این حالت از مدل هذلولی- نمایی استفاده شده است. در ادامه با استفاده از شکل موج هاي گشتاور اعمال شده به محور ژنراتور مشکلات موجود بررسی و تحلیل میگردد.
-2 کورههاي قوس الکتریکی AC
از دیرباز، از کوره ها به عنوان یک ابزار مرسوم براي تولید آهن مذاب استفاده می شده است و از حرارت تولیدي آنها، جهت ذوب قراضه هاي فولاد و آهن آلات فلزي استفاده می شود. کورههاي قوس الکتریکی، از بارزترین نوع کورهها در صنعت ذوب می باشند که در حالت کلی به دو دسته تقسیم می شوند: کوره هاي قوس الکتریکی غیرمستقیم - مستقل - که در آنها، مواد فلزي بوسیله جریان متناوبی که از یک الکترود به الکترود دیگر و از بالاي فلز عبور میکند، گرم شده و از طریق تشعشع، ذوب می شوند؛ نوع دیگر کوره هاي قوس الکتریکی، کوره هاي قوس مستقیم هستند که در آنها جریان قوس، بین الکترود و مواد فلزي برقرار میشود
در یک دسته بندي دیگر، کوره هاي قوس به دو نوع غوطه ور و مجزا تقسیم می گردند که اغلب در صنعت براي تولید فولاد از نوع مجزا، استفاده می گردد. کوره هاي قوس الکتریکی که براي تولید فولاد بهکار میروند، معمولاً بصورت جریان متناوب - AC - میباشند.
در این نوع کوره ها، ولتاژ اولیه ترانسفورماتور، بسته به توان کوره، بین 20 تا 132 کیلو ولت میباشد و در ثانویه ترانسفورماتور کوره با توجه به تپ چنجر ولتاژ که در سمت اولیه ترانسفورماتور نصب میشود، ولتاژ از حدود 350 ولت تا حدود 700 ولت متغیر است. در ثانویه ترانسفورماتور، بدلیل وجود جریان بسیار بالا - در حدود چند ده کیلو آمپر - ، از باس بارهاي مسی که معمولاً آب درون آنها جریان دارد استفاده می شود و بدلیل لغزش دائمی الکترودها و فراهم کردن امکان برداشتن سقف کوره، در قسمتی از مسیر به جاي لوله مسی از کابل هاي قابل انعطاف استفاده می گردد؛ این کابل ها به کفشک هایی در روي الکترود متصل می شوند و مسیر عبور جریان از طریق شارژ داخل کوره - مذاب - ، کامل خواهد شد.
در این کورهها، معمولاً تمام مسیر عبور جریان، از ترانسفورماتور تا کفشکها بوسیله آب خنک میشود. فاکتورهاي مختلفی بر عملکرد کوره هاي قوس الکتریکی تاثیرگذار می باشند
