ANALYSIS AND MITIGATION OF EFFECTS OF ELECTRIC ARC FURNACE OPERATION ON SHAFT OF SYNCHRONOUS GENERATOR. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_Thesis_Final_Report.pdf Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives. Download (2MB) | Preview

Arabic Abstract

الهدف من هذه الرسالة البحثية هو تقييم تأثير أفران القوس الكهربائية الصناعية المستخدمة للفولاذ على عمود المولد المتزامن. تم أخذ القراءات الفعلية سواء كانت للفولتية أو التيار لأفران القوس باستخدام عدادات الطاقة النوعية (PQ). بالاضافة الى ذلك، تم استعمال تقنية النمذجة التحليلية الصحيحة لبناء نموذج فرن القوس الكهربائي (EAF). النموذج المستخدم في ذلك يستعمل التغير العشوائي لطول القوس لدمج الخصائص الديناميكية لهذا الفرن. تم بناء هذا النموذج باستخدام برنامج PSCAD . تم تخمين معاملات النموذج بناء على قيم اشتعال وخمود الفولتية المنبثقة من مجموعة البيانات المستقاة من قيم البيانات المقاسة. بالاضافة الى ذلك، تم مقارنة قيم الفولتية والتيار بالقيم المقاسة بناء على التشوه التوافقي الكلي (THD) وأيضا تحويلة فوريير السريعة (FFT) للتأكد من صحة هذا النموذج. ولتقييم تأثيرات تشغيل أفران القوس الكهربائية على عامود المولد، تم بناء نظام الطاقة (IEEE First Bench Mark Power System)على برنامج (PSCAD) وأيضا توصيل فرن القوس الكهربائي على نقطة ربط المولد. يمر تشغيل الفرن الكهربائي بمرحلتين أساسيتين كما الواقع العملي لأفران القوس الكهربائي. فأما المرحلة الأولى فتمثل المرحلة المبدئية حيث يتم صهر الخردة مع تغير سريع لطول القوس الكهربائي حيث أن هذه المرحلة تمثل نموذج المقاومة المعتمدة على المعادلات الزمنية المتغيرة غير الخطية مع تغير عشوائي لطول القوس. أما المرحلة الثانية فهي تمثل مرحلة الصهر الأخيرة أو ما يدعى بمرحلة الصهر التام حيث أنه في هذه المرحلة يكون تغير طول القوس أقل بكثير من المرحلة السابقة. هذه المرحلة يتم تمثيلها ونمذجتها باستخدام نموذج المقاومة ذات التيار المتحكم به بالمعادلات غير الخطية البسيطة مع المحافظة على طول ثابت لطول القوس الكهربائي. مما سبق تبين أن أفران القوس الكهربائي (EAF)تسبب التواءات تذبذبية خلال المرحلة الأولى من تشغيلها و أن القيم الذاتية الالتوائية الثانية والثالثة والرابعة والخامسة لعامود توربين المولد حساسة. لا تسبب هذه الأفران الكهربائية أيا من الرنين المتزامن الفرعي (SSR)خلال المرحلة الاولى من التشغيل لأن الترددات المتزامنة الفرعية لعزم التوربين لا تساوي تلك الترددات المتذبذبة للقيم الذاتية الالتوائية لنظام توربين المولد. وحيث أن أفران القوس الكهربائي لا تسبب هذا الرنين المتزامن الفرعي فلم يطبق أيا من تقنيات التخفيف. على أية حال، بناء على التحليل الحرج في أدبيات الموضوع فانه تم التوصية بتقنية التخفيف لتحسين نوعية الطاقة والتقليل من التذبذبات الالتوائية الناتجة من افران القوس الكهربائي. وأما المرحلة الثانية فان هذه الأفران الكهربائية لا تسبب أيا من تلك التذبذبات الالتوائية.

English Abstract

The purpose of this thesis is to assess the impacts of steel industrial electric arc furnaces on the shaft of the synchronous generator. Actual electric arc furnace current and voltage measurements are taken through Power Quality (PQ) meter. An appropriate analytical modeling technique to build the Electric Arc Furnace (EAF) model is used. The modeling technique utilizes the stochastic variation of arc length to incorporate the dynamic characteristics of the electric arc furnace. The model is built in PSCAD. Parameters of the model are estimated on the basis of values of ignition and extinction voltages of the dataset taken from the measured data. The modeled current and voltage waveforms are compared with the measured data on the basis of Total Harmonic Distortion (THD) and Fast Fourier Transform (FFT) in order to validate the model. To assess the effects of the EAF operation on the shaft of the generator, IEEE First Bench Mark Power System is modeled into PSCAD and the EAF is connected to the generator bus. The operation of the EAF is divided into two major stages as happens in real electric arc furnaces. The first stage represents the initial melting stage in which scrap is melted and arc length changes very rapidly. This stage is represented by a non-linear time varying resistance model with the arc length varying stochastically. The second stage represents the later melting stage also called quiet melting stage in which most of the scrap has been melted and there are very less arc length variations. This stage has been modeled by a simple non-linear current-controlled resistance model with a constant arc length. It is found that the EAF causes torsional oscillations during the first stage of its operation. Second, third, fourth and fifth torsional modes of the shaft of the turbine-generator system are found to be susceptible. The EAF does not cause Sub-Synchronous Resonance (SSR) during the first stage of its operation because the sub-synchronous frequencies appearing in the turbine torques are not equal to the oscillating frequencies of torsional modes of the turbine-generator system. Since the EAF does not cause the SSR, no mitigation technique is applied. However, based on the critical analysis of literature, a mitigation technique is recommended to improve the power quality and alleviate the torsional oscillations caused by the EAF. During the second stage, the EAF does not cause any torsional oscillations.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Research Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	El-Amin, Ibrahim Mohamed
Committee Members:	Abido, Mohammad Ali Y. and Al-Awami, Ali
Depositing User:	FAZAL ILLAHI (g201202200)
Date Deposited:	14 May 2015 08:50
Last Modified:	01 Nov 2019 15:45
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139545