توصيفگر ها :
كوره قوس الكتريكي , مدل آشوب , مبدل تمام پل , كنترل جريان ثابت , كنترل توان ثابت
چكيده فارسي :
كورههاي قوس الكتريكي، يكي از دستاوردهاي مهم صنايع فولاد به شمار ميآيند. در سالهاي اخير، اين كورهها به دليل هزينه سرمايهگذاري پايين و انرژي مورد نياز كمتر نسبت به كورههاي بلند و كورههاي بر پايه اكسيژن، به شدت مورد توجه قرار گرفتهاند. كورههاي قوس الكتريكي، عليرغم مزايايي كه دارند، بارهايي غيرخطي، پرنوسان و شديداً متغير با زمان هستند كه اين امر، خود منجر به مسائل كيفيت توان نظير نوسانات لحظهاي توان اكتيو و راكتيو، هارمونيك، ضريب توان پايين و فليكر ميشود. كورههاي قوس به طور كلي به دو دستۀ كورههاي قوس الكتريكي AC و كورههاي قوس الكتريكي DC تقسيم ميشوند. با گسترش فناوري ذوبآهن و فولاد و نيز پيشرفتهاي سريع و چشمگير در نيمههاديها و مبدلهاي توان بالاي الكترونيك قدرت، كاربرد كورههاي قوس DC در اين صنايع نيز افزايش يافته است. لذا در اين پاياننامه، تمركز بر روي كورههاي قوس DC قرار گرفته است.
منابع تغذيۀ مورد استفاده براي كورههاي قوس الكتريكي DC به طور كلي به دو دستۀ منابع تغذيۀ مبتني بر يكسوسازهاي تريستوري و منابع تغذيه مبتني بر برشگرهاي IGBT تقسيمبندي ميشوند. در ابتدا با انجام بررسي مقايسهاي، نشان داده ميشود كه منابع تغذيۀ مبتني بر سوئيچهاي IGBT نسبت به منابع تغذيۀ مبتني بر يكسوسازهاي تريستوري داراي برتري هستند. پس از آن، با بررسي جامع مدلهاي كورۀ قوس، مدلي دقيق و كاربردي براي شبيهسازي رفتار غيرخطي و تصادفي كورۀ قوس الكتريكي DC استخراج شده است. اين مدل، از جمله مدلهاي مبتني بر آشوب است كه مدلهاي مناسبي براي شبيهسازي رفتار غيرقابل پيشبيني و متغير با زمان كورۀ قوس الكتريكي DC هستند. مدل آشوب مورد استفاده در اين پاياننامه، مدل چوآ بوده كه با مدل استاتيكي كوره نيز جمع شده است و در نهايت مدلي جامع و كامل براي شبيهسازي ارائه ميدهد. سپس، با مطالعۀ مبدلهاي DC-DC توان بالا، مبدل تمام پل كه مبتني بر سوئيچهاي IGBT است، به عنوان منبع تغذيۀ قوس الكتريكي DC انتخاب ميشود. استراتژي كنترلي پيشرفتهاي نيز براي كنترل اين مبدل مورد استفاده قرار گرفته است. اين استراتژي كنترلي بر اين اساس عمل ميكند كه فرآيند ذوب را شامل دو مرحلۀ ذوب و حرارتدهي مدنظر قرار ميدهد. از آنجا كه در مرحلۀ ذوب نوسانات جريان قوس بسيار بالا است، از استراتژي كنترل جريان ثابت و از آنجايي كه در مرحلۀ حرارتدهي، نوسانات جريان تا حد مطلوبي كاهش يافته و نيازمند انتقال توان نسبتاً ثابت به كوره هستيم، از استراتژي كنترل توان ثابت استفاده شده است. در نهايت، نتايج شبيهسازيهاي انجام شده در محيط سيمولينك نرمافزار متلب به وضوح نشان ميدهد كه سيستم پيشنهادي قادر است با موفقيت، نوسانات شديد قوس را در مراحل مختلف ذوب كاهش دهد.
چكيده انگليسي :
Electric Arc Furnaces are considered one of the major achievements in the steel industry. In recent years, these furnaces have attracted significant attention due to their lower investment cost and reduced energy consumption compared to blast furnaces and oxygen-based furnaces. Despite their advantages, electric arc furnaces represent nonlinear, highly fluctuating, and strongly time-varying loads, which lead to power quality issues such as instantaneous fluctuations of active and reactive power, harmonics, low power factor, and flicker. Arc furnaces are generally classified into two categories: AC arc furnaces and DC arc furnaces. With the advancement of iron and steelmaking technologies, along with the rapid and remarkable progress in semiconductor devices and high-power power-electronic converters, the application of DC arc furnaces in these industries has also increased. Therefore, this thesis focuses on DC arc furnaces. The power supplies used for DC arc furnaces are generally divided into two categories: Thyristor-based rectifier power supplies and IGBT-based chopper power supplies.
First, through a comparative study, it is shown that power supplies based on IGBT switches have advantages over those based on thyristor rectifiers. Subsequently, through a comprehensive review of arc furnace models, an accurate and practical model is derived for simulating the nonlinear and stochastic behavior of DC electric arc furnaces. This model belongs to the class of chaotic models, which are suitable for simulating the unpredictable and time-varying behavior of DC arc furnaces. The chaotic model used in this thesis is the Chua model, which is also combined with the static model of the furnace, ultimately providing a comprehensive and complete model for simulation. Next, after studying high-power DC–DC converters, the full-bridge converter based on IGBT switches is selected as the power supply of the DC arc furnace. An advanced control strategy is also proposed for the control of this converter. This control strategy is designed based on the melting process, which consists of two stages: the melting stage and the heating stage. Since arc current fluctuations during the melting stage are very high, the constant-current control strategy is applied. In contrast, during the heating stage, where arc current fluctuations are considerably reduced and relatively a constant power is required to be transferred to the furnace, the constant-power control strategy is employed. Finally, the simulation results carried out in the MATLAB/Simulink clearly demonstrate that the proposed system is capable of successfully mitigating severe arc fluctuations during different stages of the melting process.