Adaptive compensation of reactive, unbalanced and DC currents of AC arc furnaces

• Autorzy: Czarnecki Leszek S. , Almousa Motab

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2023.02.02

Warianty tytułu

PL

Adaptacyjna kompensacja składowej stałej prądu zasilania pieca łukowego prądu przemiennego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The arcs in AC arc furnaces at the furnace calm operation can be regarded as bi-directional and the arc currents of the furnace are symmetrical. This could be not true in the first, uneasy phase of the furnace operation The extinction of the arc in one direction causes the arc current asymmetry and a DC component occurs in the arcs’ currents. This DC component shifts the working point of the furnace transformer towards its saturation which causes additional distortion of the current and it contributes to energy loss in the transformer. Since AC arc furnaces can stand for one of the highest power loads in distribution systems, thus with very high disturbance capacity, compensation of the DC current could be important both for technical and economic reasons. The DC current can be compensated, along with the reactive and unbalanced currents, by an adaptive reactance compensator built of thyristor switched inductors with thyristors fired asymmetrically. The article presents a rationale for the selection of thyristors’ firing angles that enables the reduction of the DC component of the AC arc furnace current along with its reactive and unbalanced currents. The presented rationale is illustrated with an example of such compensation.

PL

W spokojnej fazie wytopu pieca łukowego prądu przemiennego, jego prąd zasilania może być traktowany jako symetryczny. Nie jest tak jednak w pierwszej fazie wytopu. Łuk może być zerwany całkowicie lub w jednym tylko kierunku, co może powodować, że prąd zasilania traci symetrię, oraz może się w nim pojawić składowa stała. Ze względu na nieliniowość rdzenia transformatora pieca, składowa taka może powodować nie tylko wzrost odkształceń prądu, lecz także wzrost strat energii. Składowa stała prądu może być kompensowana, wraz z prądem biernym i prądem niezrównoważenia, adaptacyjnym kompensatorem reaktancyjnym z induktorami włączanymi tyrystorem. Wymaga to jednak asymetrycznego ich załączania, to jest kąty zapłonu tyrystorów włączonych w kierunku dodatnim prądu i w kierunku ujemnym muszą być wzajemnie różne. Artykuł przedstawia metodę wyznaczania kątów zapłonu tyrystorów tak, aby kompensator redukował nie tylko prąd bierny i prąd niezrównoważenia pieca, lecz także składową stałą tego prądu. Metoda ilustrowana jest w artykule przykładem takiej kompensacji.

Słowa kluczowe

EN

thyristor switched inductors; currents physical components; CPC; unbalanced currents

PL

induktory włączane tyrystorem; składowe fizyczne prądów; CPC; prąd niezrównoważenia

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 99, nr 2
• Strony: 14--20
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Czarnecki Leszek S.

• IEEE Life Fellow, Distinguished Professor at the School of Electrical Eng. and Comp. Science, Louisiana State Univ., 824 Louray Dr., Baton Rouge, USA, LA 70808

autor

Almousa Motab

• IEEE member, Faculty member at the School of Electrical Eng. Prince Sattam bin Abdulaziz University. Alkharj,- Ryiadh Region, Saudi Arabia

Bibliografia

• [1] Ayrton, H., The Electric Arc, Van Nostrand Co., 1898.
• [2] Robinson, B.R., Winder, A.I., Supply-voltage and current variations produced by a 60-ton 3-phase electric arc furnace, Proc. of the IEE, pp.13, Part A, Vol. 105, No. 22, pp.306-318, 1958.
• [3] Brown, B., Jordan, G.R., Fitzgerald, F., Physics of high-current arcs, Journal of Iron and Steel Institute, 1969.
• [4] Czarnecki, L.S., Orthogonal decomposition of the current in a three-phase non-linear asymmetrical circuit with nonsinusoidal voltage," IEEE Trans. on IM, Vol. IM-37, No. 1, pp. 30-34, 1988.
• [5] Czarnecki, L.S., Reactive and unbalanced currents compensation in three-phase circuits under nonsinusoidal conditions, IEEE Trans. on IM, IM-38, No. 3, pp. 754-459, 1989.
• [6] Olson, D.L., Siewert, T.A., Liu, S., Edwards, G.R., ASM Handbook: Welding, Brazing and Soldering, Vol. 6, 1993.
• [7] Czarnecki, L.S., Equivalent circuits of unbalanced loads supplied with symmetrical and asymmetrical voltage and their identifica-tion”, Archiv fur Elektrotechnik, 78, pp. 165-168, 1995.
• [8] Gol, M., et. al., A new field-data based EAF model for power quality studies, DOI: 978-1-4244-2279-1/08/$25.00, 2008.
• [9] Sawicki, A., Effective arc in AC_EAF modeling, Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R. 85, Nr. 12, pp. 263-269, 2009.
• [10] Cernan, M., Tlusty, J., Model of electric arc furnace for designing of power quality improvement equipment, DOI: 10.1109/EPE. 2014.6839465, 2014.
• [11] Dionise, T.J., Assessing the performance of static Var comensators for an electric arc furnace, IEEE Trans. on Ind. Appl., Vol. 50, No. 3, 2014.
• [12] Izaguirre, A.R., Macias, M.E., Martell, F., Accurate CPC poweranalysis under extreme EAF’s distortion Conditions, XII Int. School on Nonsinusoidal Currents and Compensation, ISNCC, 2015.
• [13] Uz-Logoglu, E., Salor, O., Ermis, M., Online characterization of interharmonics and harmonics of AC electric arc furnace by multiple synchronous reference frame analysis, IEEE Trans. on Ind. Appl., Vol.52, No. 3, pp. 2673-2683, 2016.
• [14] Czarnecki, L.S., Almousa, M., Gadiraju, V.M., Why the electric arc nonlinearity improves the power factor of AC arc furnaces? IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering (EEEIC), 2018.
• [15] Czarnecki, L.S., Ezeonwumelu, I.L., Considerations on direct balancing of ultra-high power AC arc furnaces in uneasy state, IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering (EEEIC), 2018.
• [16] Izaguirre, A.R., Macias, M.E., Martell, F., Analysis of the Currents Physical Components along a complete heat process in a real electric arc furnace, DOI: 978-1-5386-51-86-/$31.00, 2018.
• [17] Nikolaev, A.A., Tulupov, P.G., Tulupova, O.V., Melting stage diagnostic in different types of electric arc furnaces based on the analysis of the harmonic composition of the electric arc current, 8th Int. Conf. on Modeling Simulation and Applied Optimization (ICMSAO), pp. 1-6, DOI: 10.1109/ICMSAO.2019. 8880402, 2019.
• [18] Czarnecki, L.S., Currents’ Physical Components (CPC) – based Power Theory. A Review, Part II: Filters and reactive, switching and hybrid compensators, Przegląd Elektrotechniczny, R. 96, No. 4, pp. 1-10, 2020.
• [19] Czarnecki, L.S., Powers and Compensation in Circuits with Non-sinusoidal Currents, Oxford University Press, Section. 2.1, in print, 2023.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).