إمداد فرن القوس الكهربائي بالطاقة: مبدأ ونظام وقيمة تعويض القدرة التفاعلية

في صناعة صهر الحديد والصلب، تُعدّ أفران القوس الكهربائي المعدّات الأساسية لصناعة الصلب. وبينما حسّن تطويرها واسع النطاق وعالي الطاقة كفاءة الإنتاج، إلا أن خصائص أحمالها غير المتماثلة والمتغيرة زمنيًا وغير الخطية أدت إلى تقلبات حادة في القدرة التفاعلية لخطوط إمداد الطاقة، مما تسبب في مشاكل مثل تذبذب الجهد وزيادة خسائر الخطوط، مما يُهدد بشكل خطير استقرار الشبكة واستمرارية الإنتاج. وكحل رئيسي لهذه المشاكل، يُمكن لتقنية تعويض القدرة التفاعلية تعويض تقلبات القدرة التفاعلية في الوقت الفعلي وتحسين جودة الطاقة من خلال بناء نظام تعويض سريع الاستجابة. واستنادًا إلى الأدبيات التقنية المتخصصة، تشرح هذه المقالة المبادئ الأساسية، وتصميم نظام التحكم، ومنطق تطبيق تعويض القدرة التفاعلية لخطوط إمداد الطاقة لأفران القوس الكهربائي، مما يُرشد الشركات لضمان التشغيل المستقر لأفران القوس الكهربائي.

أولا: نقاط الضعف الأساسية في مصدر طاقة فرن القوس: لماذا يعد تعويض القدرة التفاعلية ضروريا؟

أثناء فترة ذوبان أفران القوس، تؤدي التغييرات المتكررة في معاوقة الطور الثلاثي إلى مشكلات متعددة تتعلق بجودة الطاقة في خطوط إمداد الطاقة، ويعتبر تعويض القدرة التفاعلية هو الحل المستهدف:

1. تقلبات شديدة في القدرة التفاعلية: يلزم تعويض القدرة التفاعلية لتحقيق الإزاحة

تيار القوس في أفران القوس عشوائي، مما يؤدي إلى تقلبات كبيرة قصيرة المدى في القدرة التفاعلية (يصل تردد التذبذب إلى 10-50 هرتز). بدون تعويض مناسب، قد يتسبب ذلك في تذبذبات متكررة في جهد الشبكة (نطاق تباين الجهد يصل إلى ±10%)، مما يتداخل مع التشغيل العادي لمعدات التحكم الدقيق (مثل أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة والمستشعرات) في منطقة المصنع، وقد يؤدي حتى إلى إيقاف خطوط الإنتاج المحيطة، مما يؤدي إلى خسائر اقتصادية. مع ذلك، يمكن لأنظمة تعويض القدرة التفاعلية ضبط المخرجات ديناميكيًا لتعويض تقلبات القدرة التفاعلية في الوقت الفعلي، وتثبيت جهد الشبكة.

2. عدم تماثل التيار ثلاثي الطور: تعويض القدرة التفاعلية ضروري لموازنة

تُولّد خصائص الحمل غير الخطية لأفران القوس الكهربائي كمية كبيرة من تيار التسلسل السالب (بنسبة تتراوح بين 15% و20%)، مما يؤدي إلى عدم تناسق حاد في التيار ثلاثي الأطوار. هذا يزيد من خسائر المحولات وخطوط النقل (تصل إلى 10%-15%)، ويُسرّع من شيخوخة عزل المعدات. من خلال طوبولوجيا الدوائر وخوارزميات التحكم الخاصة، يُمكن لتعويض القدرة التفاعلية موازنة الأحمال ثلاثية الأطوار بفعالية، وتقليل تأثير تيار التسلسل السالب، وإطالة عمر المعدات.

3. التلوث التوافقي: تعويض القدرة التفاعلية ضروري للترشيح

يحتوي تيار القوس الكهربائي على توافقيات متعددة، مثل الرتب الثالثة والخامسة والسابعة. عند حقنها مباشرةً في الشبكة، قد تتداخل هذه التوافقيات مع أنظمة حماية المرحلات، بل وقد تُسبب حوادث رنين. في أنظمة تعويض القدرة التفاعلية ، تعمل المعوضات والمرشحات بشكل تعاوني ليس فقط لموازنة القدرة التفاعلية، بل أيضًا لامتصاص التيارات التوافقية، مما يُتحكم في معدل التشوه التوافقي الكلي للشبكة ضمن النطاق المسموح به وفقًا للمعايير الوطنية (≤5%)، ويُحسّن توافق الشبكة.

II. مبادئ تعويض القدرة التفاعلية لخطوط إمداد الطاقة لفرن القوس الكهربائي: بناء شبكة تعويض سريعة الاستجابة

الهدف الأساسي من تعويض القدرة التفاعلية لخطوط إمداد طاقة فرن القوس هو جعل المُعوض شبكة قدرة تفاعلية سهلة التحكم. من خلال طوبولوجيا متوازية من المكثفات الثابتة والمفاعلات المُتحكم بها بالثايرستور (TCR)، يتم تنظيم القدرة التفاعلية بدقة. المبادئ المحددة هي كما يلي:

1. طوبولوجيا المعوض: المنطق التعاوني للمكثفات و TCR

يعتمد نظام تعويض القدرة التفاعلية على بنية متوازية من "المكثفات الثابتة (FC) + المفاعلات التي يتم التحكم فيها بواسطة الثايرستور (TCR)":

• المكثفات الثابتة (FC): توفر مجموعة المكثفات ثلاثية الطور المتصلة في تكوين دلتا طاقة تفاعلية سعوية أساسية لتعويض الطلب على الطاقة التفاعلية في الحالة المستقرة لفرن القوس وتقليل عبء التعديل على TCR؛
• المفاعلات التي يتم التحكم بها بواسطة الثايرستور (TCR): متصلة بالتوازي مع FC، تقوم TCR بتغيير خرج القدرة التفاعلية الحثية عن طريق ضبط زاوية إطلاق الثايرستور (α') - كلما كانت زاوية الإطلاق أصغر، كلما زادت القدرة التفاعلية الحثية؛ كلما كانت زاوية الإطلاق أكبر، كلما كانت القدرة التفاعلية الحثية أصغر.

عند العمل بشكل تعاوني، يُخرج مُركّب التفريغ الكهرومغناطيسي تيارًا سعويًا ثابتًا، ويُخرج مُركّب التفريغ التفاضلي تيارًا حثيًا قابلًا للتعديل. يُنتج دمج هذين التيارين تيار تعويض قابلًا للتعديل باستمرار، والذي يُمكنه تتبع تغيرات القدرة التفاعلية لفرن القوس الكهربائي في الوقت الفعلي، ويضمن استقرار القدرة التفاعلية في خط إمداد الطاقة.

2. قواعد التعويض: استنباط العلاقة بين تيار التعويض والقدرة

لتحقيق هدف تعويض القدرة التفاعلية ، من الضروري استنتاج العلاقة بين تيار التعويض والقدرة التفاعلية لحمل فرن القوس باستخدام طريقة المكونات المتماثلة ومفهوم القدرة المركبة. بافتراض أن جهد خط إمداد الطاقة هو جهد ثلاثي الأطوار متماثل (جهد الطور أ هو فولت، وجهد الطور ب هو أ² فولت، وجهد الطور ج هو أ فولت، حيث أ هو e^(-j₂π/3))، وأن القدرات التفاعلية للأطوار أ، ب، وج لفرن القوس هي Qa، Qb، وQc على التوالي، يمكن وصف تيار التعويض المطلوب لكل طور من أطوار المعوض كما يلي:

• تيار التعويض بين المرحلتين أ و ب: يساوي (القدرة التفاعلية للمرحلة أ + القدرة التفاعلية للمرحلة ب - القدرة التفاعلية للمرحلة ج) مقسومًا على (√3 مضروبًا في الجهد فولت)؛
• تيار التعويض بين المرحلتين B و C: يساوي (القدرة التفاعلية للمرحلة B + القدرة التفاعلية للمرحلة C - القدرة التفاعلية للمرحلة A) مقسومًا على (√3 مضروبًا في الجهد V)؛
• تيار التعويض بين الطورين C و A: يساوي (القدرة التفاعلية للطور C + القدرة التفاعلية للطور A - القدرة التفاعلية للطور B) مقسومًا على (√3 مضروبًا في الجهد V).​

تشكل هذه العلاقات الأساس الأساسي لتصميم أنظمة تعويض القدرة التفاعلية ، مما يضمن أن تيار التعويض يمكن أن يتطابق بدقة مع الطلب على القدرة التفاعلية للحمل وتحقيق تعويض فعال للقدرة التفاعلية.

ثالثًا: نظام التحكم في تعويض القدرة التفاعلية لخطوط إمداد الطاقة لفرن القوس الكهربائي: وصلات رباعية النواة تضمن الدقة

بناءً على قواعد تعويض القدرة التفاعلية المذكورة أعلاه ، يجب أن يتمتع نظام التحكم بقدرات "الكشف السريع، والحساب الدقيق، والتشغيل الفوري، والتصحيح في حلقة مغلقة". يتكون النظام من أربع وصلات أساسية لضمان سرعة ودقة استجابة التعويض:

1. رابط اكتشاف الطاقة التفاعلية: التقاط الطلب على الطاقة التفاعلية للحمل في الوقت الفعلي

بصفته "مركز إدراك" لتعويض القدرة التفاعلية ، يجمع هذا الوصل إشارات الجهد والتيار لكل طور من أطوار فرن القوس الكهربائي عبر مستشعرات الجهد والتيار، ويُنشئ دائرة كشف باستخدام مكونات الحالة الصلبة، ويجمع بين عمليات التفاضل والضرب لحساب القدرة التفاعلية لكل طور في الوقت الفعلي (القدرة التفاعلية تساوي حاصل ضرب الجهد والتيار في جيب فرق الطور بينهما، حيث فرق الطور هو الزاوية بين الجهد والتيار). يجب أن يُرشّح وصل الكشف المكونات التوافقية في تيار القوس الكهربائي، مع ضمان أن يكون خطأ اكتشاف القدرة التفاعلية ≤2% وزمن الاستجابة ≤1 مللي ثانية، مما يوفر بيانات موثوقة لحسابات التعويض اللاحقة.

2. رابط حساب تيار المفاعل: تحديد هدف تنظيم TCR

بناءً على قدرة رد الفعل الناتجة عن الحمل من خلال وصلة كشف القدرة الرد الفعل، ومُدمجةً مع قواعد تعويض القدرة الرد الفعل ، تُحسب القيمة الفعالة لتيار التعويض المطلوب. ثم، وفقًا للعلاقة "القيمة الفعالة لتيار التعويض = تيار المكثف الثابت - تيار مُحسِّن الجهد (TCR)،" تُشتق القيمة الفعالة للتيار الأساسي الذي يجب أن يُخرجه مُحسِّن الجهد (TCR) بشكل معاكس. يجب أن يضمن هذا الوصل دقة الحساب لتجنب نقص أو زيادة التعويض الناتج عن انحرافات الحساب.

3. رابط التحويل غير الخطي: التحويل إلى زاوية

يتم التحكم في خرج القدرة التفاعلية الحثي لمُحسِّن القدرة الحثية (TCR) بواسطة زاوية إطلاق الثايرستور (α'). لذلك، يحتاج نظام التحكم في تعويض القدرة التفاعلية إلى تحويل التيار الأساسي المحسوب لمُحسِّن القدرة الحثية (TCR) إلى زاوية الإطلاق المقابلة من خلال خوارزمية تحويل غير خطية. يمكن وصف علاقة حساب زاوية الإطلاق على النحو التالي: التيار الأساسي لمُحسِّن القدرة الحثية (TCR) يساوي (الجهد V مقسومًا على حاصل ضرب التردد الزاوي لمصدر الطاقة في محاثة المفاعل) مضروبًا في (1 ناقص 2 في زاوية الإطلاق مقسومًا على π، ناقص جيب ضعف زاوية الإطلاق مقسومًا على π) (حيث يكون التردد الزاوي لمصدر الطاقة ω ومحاثة المفاعل L). يجب أن تصل دقة التحويل إلى ±1° لضمان استجابة مُحسِّن القدرة الحثية بدقة لمتطلبات تنظيم القدرة التفاعلية.

4. رابط توليد نبضات البوابة: التحكم في توقيت

يُولّد هذا الرابط نبضات تشغيل الثايرستور المقابلة بناءً على زاوية الإطلاق المُحوّلة (α')، مما يضمن توصيل الثايرستورات في مراحل محددة من جهد الشبكة لتحقيق تنظيم دقيق للقدرة التفاعلية الحثية لمُحسِّن القدرة التفاعلية (TCR). في الوقت نفسه، يحتاج النظام إلى إدخال إشارات إعادة ضبط ووظائف كشف عبور الصفر لتجنب النبضات الخاطئة وضمان استقرار تشغيل نظام تعويض القدرة التفاعلية . بالإضافة إلى ذلك، ولتحسين الموثوقية، يحتاج نظام التحكم أيضًا إلى إضافة حلقة تيار مغلقة لتصحيح الانحرافات عبر إشارة التغذية الراجعة الحالية لمُحسِّن القدرة التفاعلية (TCR)، مما يضمن دقة التعويض.

رابعًا. القيمة العملية لتعويض القدرة التفاعلية لخطوط إمداد الطاقة لفرن القوس الكهربائي: ثلاث فوائد

من خلال تنفيذ مبادئ تعويض القدرة التفاعلية وأنظمة التحكم المذكورة أعلاه، يمكن لخطوط إمداد طاقة الفرن القوسي تحقيق تحسينات كبيرة في الأداء وفوائد اقتصادية، والتي تنعكس في الجوانب الثلاثة التالية:

1. تحسين استقرار مصدر الطاقة وتقليل تذبذب

يتميز نظام تعويض القدرة التفاعلية بسرعة استجابة عالية (تصل إلى 5.6 مللي ثانية)، مما يُمكّنه من تعويض تقلبات القدرة التفاعلية لفرن القوس الكهربائي في الوقت الفعلي. كما يُقلل هذا النظام من قيمة تذبذب الجهد (تذبذب قصير المدى Pst) من النطاق المُفرط (مثل 2.5) إلى القيمة المسموح بها وفقًا للمعايير الوطنية (≤1.0)، مما يُجنّب أعطال المعدات وتوقف خطوط الإنتاج بسبب تقلبات الجهد، ويُحسّن استمرارية الإنتاج.

2. تحسين معامل القدرة وخفض تكاليف

يمكن لتعويض القدرة التفاعلية أن يزيد معامل القدرة لخط إمداد الطاقة لفرن القوس من 0.7-0.8 إلى أكثر من 0.95. هذا لا يُجنّب غرامات رسوم الكهرباء الناتجة عن انخفاض معامل القدرة فحسب، بل يُقلّل أيضًا من استهلاك معدات تحويل وتوزيع الطاقة (مثل المحولات وخزانات التوزيع) للقدرة الاستيعابية، مما يُخفّض نفقات رسوم الكهرباء الأساسية. يمكن أن تصل الوفورات السنوية في التكاليف إلى مئات الآلاف من اليوانات.

3. تقليل خسائر الخطوط وإطالة عمر

من خلال موازنة الأحمال ثلاثية الطور وتقليل تيار التسلسل السالب عبر تعويض القدرة التفاعلية ، يمكن تقليل خسائر خطوط النقل بنسبة 10%-15%. وفي الوقت نفسه، يُخفّض هذا من ارتفاع درجة حرارة المحول (مثلاً من 60 كلفن إلى 52 كلفن)، ويُطيل عمر عزل المعدات، ويُخفّض تكاليف التشغيل والصيانة، بالإضافة إلى تكاليف استبدال المعدات.

V. الخاتمة: تعويض القدرة التفاعلية - الضمان الأساسي لكفاءة إمداد أفران القوس

في ظل تطور أفران القوس الكهربائي واسعة النطاق وعالية القدرة، أصبحت تقنية تعويض القدرة التفاعلية الحل الأمثل لمشاكل إمداد الطاقة. فمن خلال بناء شبكة تعويض من "المكثفات الثابتة + TCR" ودمجها مع نظام تحكم سريع الاستجابة، يمكن تحقيق تنظيم دقيق للقدرة التفاعلية، مما يُخفف تذبذب الجهد بفعالية، ويُحسّن معامل القدرة، ويُقلل من خسائر الخطوط.

إذا واجهت شركتك مشاكل مثل عدم استقرار مصدر الطاقة أو انخفاض جودة الطاقة في أفران القوس الكهربائي، يُرجى ترك رسالة لنا تتضمن معلومات مثل سعة فرن القوس الكهربائي ومستوى جهد الشبكة. ستستخدم شركة هينجرونج للكهرباء المحدودة تقنيتنا الاحترافية لتعويض القدرة التفاعلية لإيجاد حل يناسب احتياجاتك!