Entwicklung eines hybriden Kompensatorkonzeptes für einen Drehstromlichtbogenofen

Ellinger, Thomas GND

Abstract Ellinger, Thomas: Development a hybrid compensator concept for a three-phase AC arc furnace 125 pages, 64 figures, 55 lit. Ilmenau Technical University, Faculty of Electrical Engineering and Information Technology, Dissertation A, 2003 The AC arc furnace has a non-linear current-voltage characteristic. Therefore it acts as a source of disturbance in the grid from which it is supplied. It emits, both harmonics and interharmonics and generates voltage unbalances, voltage dips and voltage fluctuations. However, one of the most substantial disadvantages of arc furnace is caused by the variations in the line voltage leading to flicker, which can be observed due to the luminosity fluctuation of incandescent lamps. The results of present work show how the disturbances caused by the three-phase AC arc furnace can be minimized using modern compensators. As an introduction an overview of this complex topic based on available literature is presented. By using system theoretical methods the above-mentioned disturbances are analysed. Therefore the main point of analysis focuses on the characteristics of harmonics, unbalances and also on the flicker. A hybrid filter design is proposed in the present work for the compensation of the arc furnace produced disturbances. The active part of this compensator consists of a thyristor-controlled Static Var Copensator (SVC) as well as a parallel active power filter. The SVC provides the compensation of fundamental reactive power of the furnace. In addition, it mitigates the flicker. To compensate the distortion power of the overall system an active filter is used. By using an optimised network topology for the hybrid filter, it is possible to greatly reduce the power rating of the voltage source converter. Another main point of this investigation is the control structures of the active var compensators. These novel control strategies are based on the above-mentioned analysis. They are frequency selective and operate in a stationary reference frame. The transformed PI-controllers are the main component of these control structures. The transfer functions are derived using the lowpass to bandpass transformation. By the use of transformed PI-controllers we are able to achieve zero steady-state error of the closed loop system for sinusoidal quantities. The zero steady-state error is achieved at each desired frequency by tuning the parameters of the controller. As simulation results shows, it is possible to obtain a good damping of the flicker with the proposed compensation scheme. The harmonics emitted by the total system (arc furnace and compensator) could also be limited to a permissible level.

Der Drehstromlichtbogenofen besitzt eine nichtlineare Strom- Spannungs-Charakteristik. Folglich wirkt er als Störquelle in dem Netz, das ihn versorgt. Er emittiert Oberschwingungen und Zwischenharmonische und erzeugt Spannungsunsymmetrien, -einbrüche und -schwankungen. Eines seiner wesentlichsten Nachteile ist jedoch der durch die Spannungsschwankungen erzeugte Flicker, der infolge von Leuchtdichteschwankungen bei Glühlampen auftritt. Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit zeigt, wie unter Nutzung von modernen Kompensatoren die Störungen, die durch den Drehstromlichtbogenofen entstehen, minimiert werden können. Auf der Basis der Literatur erfolgt zunächst ein Überblick über diesen Themenkomplex. Unter Nutzung von systemtheoretischen Methoden werden anschließend die oben genannten Störungen analysiert. Der Schwerpunkt wird dabei auf die Kenngrößen Oberschwingungen und Unsymmetrien sowie den Flicker gelegt. Zur Kompensation der durch den Ofen verursachten Störungen wird in der vorliegenden Arbeit ein hybrides Filterkonzept vorgeschlagen. Der aktive Teil des Kompensators besteht aus einem thyristorgesteuerten Blindstromsteller (TCR-Anlage) sowie einem parallelen aktiven Filter. Die TCR-Anlage übernimmt die Kompensation der Grundschwingungsblindleistung des Ofens. Sie ist außerdem für die Flickerminderung zuständig. Zur Kompensation der Verzerrungsblindleistung des Gesamtsystems kommt ein aktives Filter zur Anwendung. Durch Verwendung einer optimierten Netzwerktopologie für das Hybridfilter wurde es möglich, die Bauleistung des dafür erforderlichen Spannungswechselrichters stark zu vermindern. Einen weiteren Schwerpunkt der Untersuchungen bildeten die Regelungsstrukturen der aktiven Kompensatoren. Diese zukunftsorientierten Regelkonzepte basieren auf der oben angesprochen Analyse. Sie sind frequenzselektiv und arbeiten in ruhenden Koordinaten. Ein Hauptbestandteil der Strukturen sind die transformierten PI-Regler. Ihre Übertragungsfunktionen werden mit Hilfe der Tiefpass-Bandpass-Transformation bestimmt. Sie ermöglichen es, dass auch bei sinusförmigen Größen eine stationäre Genauigkeit der Regelkreise erreicht werden kann. Die stationäre Genauigkeit stellt sich dabei jeweils bei den Abstimmfrequenzen der Regler ein. Wie durch Simulationsergebnisse bewiesen wird, ist mit der entwickelten Kompensationsanlage eine starke Dämpfung des Flickers möglich. Auch die durch das Gesamtsystem (Schmelzofen und Kompensator) emittierten Netzstromoberschwingungen konnten auf ein zulässiges Maß reduziert werden.

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Ellinger, Thomas: Entwicklung eines hybriden Kompensatorkonzeptes für einen Drehstromlichtbogenofen. 2004.

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