Mirosław WCIŚLIK

ELEKTROTECHNIKA PIECÓW ŁUKOWYCH PRĄDU PRZEMIENNEGO - ZAGADNIENIA WYBRANE

Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej

Kielce 2011

 

Stal jest jednym z niewielu surowców, który po przeminięciu cyklu życia wyrobu może być powtórnie, całkowicie wykorzystany w ramach recyklingu. Jednakże, popyt na stal jest znacznie większy. W państwach europejskich stal produkowana w piecach łukowych wykorzystujących złom stalowy stanowi tylko ok. 40% całkowitej produkcji stali. W porównaniu do produkcji w zestawie wielki piec – konwerter tlenowy zużycie energii w procesie łukowym jest trzykrotnie mniejsze, uwzględniając w tym sprawność wytwarzania energii elektrycznej wynoszącą średnio 35%. Stosowanie złomu, surowca z recyklingu oraz efektywność energetyczna pieca łukowego powoduje że jest on uznawany za urządzenie produkcyjne proekologiczne.

Efektywność energetyczna pieca rośnie wraz ze wzrostem pojemności pieca, która wiąże się ze zwiększeniem mocy elektrycznej pieca. W efekcie moc dużych pieców łukowych UHP (Ultra High Power) jest tego rzędu co moc generatorów zainstalowanych w systemie energetycznym. Z tego względu zaczynają odgrywać istotną rolę oddziaływania piec łukowy – system energetyczny. Oddziaływania te uwidaczniają się w postaci migotania światła, zaniki i zapady napięcia, które powodowane są przez wahania mocy obciążenia oraz występowania wyższych harmonicznych w systemie energetycznym, generowanych przez nieliniowość obciążenia - łuki elektryczne. Zjawiska te traktowane są jako ograniczenia rozwoju produkcji stali w piecu łukowym. I właśnie te zagadnienia rozważane są w monografii „ Elektrotechnika pieców łukowych prądu przemiennego, Zagadnienia wybrane”.

Zagadnienia ewolucji produkcji stali, jej ograniczeń z uwzględnieniem rozwiązań innowacyjnych technologii procesu łukowego przedstawiono w rozdziale pierwszym. Na tym tle, mimo rozwoju pieców łukowych prądu stałego, piece łukowe prądu przemiennego wciąż odgrywają istotną role. W rozdziale drugim omówiono problem wahań napięcia w systemie zasilania pieca łukowego. W podsumowaniu tego rozdziału podkreślono znaczenie analizy symulacyjnej modelu toru elektrycznego pieca łukowego dla zrozumienia i przeciwdziałania wahaniom napięcia.

W rozdziale 3 przedstawiono model matematyczne toru elektrycznego pieca łukowego z wyróżnieniem toru wielkoprądowego i toru pomiaru napięć. Znaczne prądy płynące w torze wielkoprądowym wytwarzają silne pola magnetyczne, które bardzo zakłócają układy pomiaru napięcia. Strukturę modelu toru elektrycznego pieca łukowego, sprawdzono kilka razy w trakcie pomiarów w dwu największych stalowniach Polski. Była ona prezentowana na konferencjach krajowych i międzynarodowych oraz w znaczących czasopismach. Ważnym elementem obwodu energoelektrycznego jest łuk elektryczny. Modele matematyczne łuku elektrycznego omówiono w rozdziale 4 w tym m.in. cieszący się największą liczbą cytowań w internecie, model łuku prądu stałego opracowany przez Lowkego. Na podstawie tego modelu utworzono model łuku elektrycznego prądu przemiennego.

W rozdziale 5 przedstawiono model obwodu wielkoprądowego, w którym wykorzystano modele z rozdziałów 3 i 4. Przeprowadzono analizę jakościową zjawisk występujących w obwodzie. Szczególną uwagę zwrócono na przebiegi chwilowe mocy czynnej, biernej, sumy kwadratów prądów i sumy kwadratów ich pochodnych. Przebiegi wartości chwilowych tych wielkości dla obciążenia nieliniowego posiadają bardzo interesujące właściwości. Należy dodać, że moc bierną wyznaczano jako iloczyn wartości chwilowych napięć i pochodnych czasowych z odpowiednim dodatkowym współczynnikiem. Taka definicja była dyskutowana w 2011 roku w grupie roboczej IEEE. W przebiegach tych wielkości wyróżniono stan przejściowy, występujący po załączaniu systemu oraz stan ustalony. Stan ten jest podstawowym stanem pracy obwodu. Ogólną postać modeli opisujących te dwa stany zawarto w rozdziale 6. Procesy przejściowe w obwodzie dobrze opisuje suma kwadratów prądów fazowych, którą wyznaczono dla obwodu z obciążeniem liniowym. Piece łukowego najczęściej pracują ze współczynnikiem mocy zapewniającym maksimum mocy czynnej obciążenia. Stad do analizy pracy pieca wystarczające są charakterystyki w stanie ustalonym – quasi statyczne. Parametry obwodu pieca łukowego są w ogólnym przypadku różne, ale wartości bezwzględne  odchylenia parametrów fazowych od wartości średniej z faz obwodu są istotnie mniejsze od tej wartości średniej. Dlatego w rozdziale 6 wprowadzono pojęcie obwodu prawie-symetrycznego. Dla uproszczenia analizy zastosowano zmienne bezwymiarowe poprzez odniesienie zmiennych i parametrów, do wartości średnich fazowych tych wielkości. W modelu obwodu prawie-symetrycznego wydzielić można części: symetryczną oraz asymetryczną. Część symetryczną tego modelu dla obciążenia nieliniowego otrzymano w rozdziale 7. W przypadku nieliniowości opisanej funkcją signum rozwiązanie otrzymano analitycznie. Dla innych nieliniowości charakterystyki otrzymano stosując metodę symulacji komputerowej, zrealizowanej z wykorzystaniem systemu MATLAB-Simulink. Wyniki symulacji aproksymowano dobierając postać wskaźników, zmiennych wzorowaną na przypadku rozwiązania analitycznego. W ten sposób otrzymano wielkości użyteczne do identyfikacji nieliniowości i elementów jej schematu zastępczego.

W rozdziale 8 przedstawiono model linearyzowany opisujący asymetrie wnoszone przez wielkości wejściowe takie jak: indukcyjności obwodu wielkoprądowego, napięcia łuków oraz napięcia zasilania. Analitycznie otrzymano postać tej części modelu dla obciążenia liniowego, natomiast symulacyjnie dla nieliniowego.

W rozdziale ostatnim, dziewiątym przedstawiono system monitorowania pracy pieca łukowego, zbudowany na Wydziale Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Świętokrzyskiej na zlecenie Huty Zawiercie. Dla budowy oprogramowania wykorzystano podstawy teoretyczne przedstawione we wcześniejszych rozdziałach.

Podsumowania większości rozdziałów umieszczono na ich końcach. W związku ze znacznym zróżnicowaniem tematyki bibliografii poszczególnych rozdziałów, każdy z nich zawiera oddzielny jej wykaz.

Należy dodać, że wprowadzony model linearyzowany układu prawie-symetrycznego może być bardzo użyteczny w analizie układów generacji rozproszonej i w sieciach inteligentnych, gdy wystąpi mniejsza sztywność systemu elektroenergetycznego. Może być też stosowany w analizie maszyn i napędów trójfazowych. Ten model jest bardziej uniwersalny niż wprowadzone ok. 100 lat temu składowe symetryczne.