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Title: Análise de filtros híbridos aplicados a um forno elétrico a Arco
metadata.dc.creator: Soares Junior, Dirceu
Keywords: Qualidade de Energia;Forno Elétrico a Arco;Sistemas de Energia Elétrica;Distorções Harmônicas;Filtragem Híbrida;Ressonância harmônica;Power Quality;Electric Arc Furnace;Electrical Power Systems;Harmonics Distortions;Hybrid Filtering;Resonance
Issue Date: 22-Sep-2011
Publisher: Universidade Federal do Espírito Santo
Citation: SOARES JUNIOR, Dirceu. Análise de filtros híbridos aplicados a um forno elétrico a Arco. 2011. 153 f. Dissertação (Mestrado em Robótica; Automação Inteligente; Inteligência Artificial; Processamento de Sinais; Eletrônica de Pot) - Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2011.
Abstract: Uma planta siderúrgica caracteriza-se pela existência em seu processo produtivo de cargas não lineares de elevada potência. Dentre estas cargas, as siderúrgicas do tipo mini-mill possuem normalmente Forno Elétrico a Arco (FEA) na sua fase inicial de produção do aço, que ocorre a partir da fusão de sucatas metálicas como principal matéria-prima utilizada. Os fornos elétricos absorvem uma corrente distorcida da rede elétrica, causando assim uma distorção de tensão no ponto de acoplamento comum (PAC) e inúmeros problemas de qualidade de energia elétrica. Uma solução muito utilizada para a mitigação harmônica neste tipo de carga elétrica é obtida através do uso de filtros passivos, com vários estágios de filtragem. Porém esta é uma solução que pode levar ao efeito da ressonância harmônica, elevando com isto a distorção harmônica no sistema elétrico e causando sobrecarga no sistema de filtragem. Neste trabalho é apresentado um estudo de caso em uma siderúrgica não integrada (siderúrgica que possui sucata metálica e ferro gusa como matérias-primas principais na fabricação do aço), localizada na região da Grande Vitória. Por meio de medições na subestação principal da usina, são apresentadas as principais formas de onda das correntes e tensões, em conjunto com seus espectros harmônicos, que comprovam a existência de distorções harmônicas, sobretudo provenientes da corrente do forno elétrico a arco. As medições consideradas no trabalho, para simulação dos modelos contendo os filtros híbridos, foram aquelas originadas da condição operacional mais crítica do processo, sob o ponto de vista de momento onde o comportamento da carga acarreta o maior desvio quanto à qualidade de energia nas variáveis elétricas medidas. O modelo utilizado para o sistema em questão apresenta forte grau de correlação com o sistema real, retratado através das medições elétricas efetuadas. De posse do modelo é realizada uma análise comparativa por meio de simulação entre duas topologias de filtragem híbrida, o filtro híbrido série e o filtro híbrido paralelo, para a compensação harmônica e amortecimento da ressonância. Os resultados das simulações e das análises das ressonâncias mostraram que o filtro híbrido paralelo é a topologia que permite a maior redução das distorções harmônicas de corrente e de tensão no PAC, utilizando-se um filtro ativo com a menor potência nominal. Contudo, a filtragem híbrida paralela não provê a eliminação por completo da ressonância paralela. E, quanto à ressonância série, o filtro utilizado não possui a capacidade de interferir na condição de amplificação harmônica existente no sistema elétrico. Finalmente, o estudo propõe que a definição da melhor alternativa de filtragem leve em consideração a escolha do ganho do filtro ativo e, consequentemente, a sua potência, de forma bem alinhada aos objetivos de melhoria na qualidade de energia elétrica que são esperados para o sistema em questão
A steelmaking plant is characterized for having in its productive process non linear loads of high power. For these loads, the steelmaking industries called mini-mill normally have Electric Arc Furnace (EAF) in its initial steel production phase that happen with metallic scrap melting being the principal raw material used. The EAF absorb a distorted current from the electric main, causing voltage distortion in its point of common coupling (PCC) and many problems with respects the electric power quality. A standard solution used for the harmonic mitigation in this application is obtained through the use of composite passive filter. However this is a solution that can cause harmonic resonance, increasing the harmonic distortion in the electrical system and causing overload in the filtering system. In this work, a case in a non integrated steel industry, located at Grande Vitoria region, is presented. Through measurements in the main substation of the plant, the main current and voltage waveforms are presented, along with its harmonic spectrum, that confirm the existence of harmonic resonance phenomenon, mainly from Electric Arc Furnace current. The measurement considered in this work to simulate the hybrid filters models, was that originated from operational condition with higher process criticism, under viewpoint of the moment where the behavior of the load brings to a major deviation regarding the power quality at the measured variables. The model used for the system under study shows strong correlation with the real system portrayed through the electrical measurements done. Using the model, a comparative simulation analysis is done, between two hybrid topologies, the series hybrid filter and the parallel hybrid filter, with the objective of harmonic compensation and resonance damping. The results of simulations and resonance analysis showed that the parallel hybrid filter is the topology that allows the greatest reduction in harmonic distortion of current and voltage in the PCC (Point of Common Coupling), using an active filter with the lowest nominal power rating. However, the parallel hybrid filtering does not provide the complete elimination of parallel resonance, and for the series resonance, the filter used does not have the ability to interfere in the harmonic amplification condition existing in the electrical system. Finally, the study proposes that the best filtering alternative takes into account the choice of the active filter gain and consequently its power, so well aligned with the objectives of improving the power quality that are expected for the system under analysis
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/6222
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