مرشحات Sinewave لحماية محرك ESP: دراسة حالة ميدانية في تصميم المرشح والاستجابة الحرارية للمحرك — Mirus International

01 سياق التشغيل: المرسبات الكهروستاتيكية ومشكلة الرفع الاصطناعي

زيادة 90% تتطلب آبار النفط البرية والبحرية في جميع أنحاء العالم شكلاً من أشكال الرفع الاصطناعي للحفاظ على الإنتاج. التكنولوجيا الأكثر انتشارًا هي المضخة الغاطسة الكهربائية (إسب) - مضخة طرد مركزي متعددة المراحل يتم تشغيلها بواسطة محرك حثي في ​​قاع البئر, يتم التحكم فيه من السطح بواسطة محرك سرعة قابل للتعديل (ASD).[1]

يؤدي هذا المزيج إلى إنشاء مشكلتين متميزتين في جودة الطاقة تقعان على طرفي نقيض من ASD:

• جانب الإدخال: يقوم المقوم الأمامي ذو 6 نبضات لـ ASD بحقن التوافقيات الحالية المميزة (5ال, 7ال, 11ال, 13ذ…) العودة إلى شبكة التوريد - وهي مشكلة مفهومة جيدًا مع خيارات تخفيف مفهومة جيدًا.
• جانب الإخراج: تولد مرحلة العاكس PWM شكل موجة جهد عالي التردد - عند تطبيقها على كابل محرك طويل - تنتج تجاوزات الجهد, عابري الموجة المنعكسة, والتسخين التوافقي في محرك قاع البئر.

في أحد حقول النفط في مونتانا, تم تجهيز جميع المرسبات الكهروستاتيكية التي تعمل بنظام PWM بمرشحات الموجة الجيبية لمعالجة المشكلة الثانية. ورغم هذا الاحتياط, بدأت مرشحات الموجة الجيبية نفسها بالفشل - غالبًا في غضون ستة أشهر من التثبيت. عندما فشلت المرشحات, اضطر المشغلون إلى تبديل محركات الأقراص إلى وضع 6 خطوات (لا بوم, لا حاجة لمرشح موجة جيبية), مما أدى إلى القضاء على مشكلة الموجة المنعكسة ولكنه قدم مجموعة مختلفة من الضغوط. تعمل المحركات في وضع 6 خطوات بشكل أكثر سخونة, واستمرت أعطال المحركات.[1]

تين. 1. الجهد (قمة) والحالية (قاع) على ESP ذو 6 خطوات في لحظة عطل المحرك. لاحظ رنين الجهد الزائد المستمر في فترة ما قبل الخطأ. مصدر: دراسة حالة ميروس الدولية.[1]

02 تشريح المشكلة: لماذا PWM صعب على المحركات الغاطسة؟

2.1 آلية الموجة المنعكسة

يقوم عاكس PWM بتبديل جهد ناقل التيار المستمر الخاص به عبر أطراف الخرج عند تردد الموجة الحاملة - عادةً 2 إلى 8 كيلو هرتز لمحركات ESP, مع محركات أقراص أكبر باستخدام الطرف السفلي من هذا النطاق. كل عملية تحويل هي خطوة جهد سريعة جدًا (ارتفاع dv/dt). عندما تنتشر هذه الخطوة على طول الكابل الذي يربط محرك الأقراص بالمحرك, يواجه انقطاعًا في المعاوقة عند أطراف المحرك. يمكن أن يؤدي انعكاس الجهد الناتج إلى إنتاج جهد ذروة يقترب من ضعف جهد ناقل التيار المستمر.[2]

لمعيار 480 محرك V, تقع حافلة DC بالقرب 675 في. وبالتالي فإن تجاوز الموجة المنعكسة يمكن أن يفرض مؤقتًا ما بين 1200 إلى 1350 فولت على عزل ملفات المحرك - أعلى بكثير من قدرة التصميم على تحمل المحركات غير المصنفة لواجب العاكس.

2.2 الإجهاد السعوي عند أول دورة متعرجة

عند ترددات التبديل المستخدمة في محركات PWM, تشكل الحث الموزع والسعة الدورانية لملف المحرك خط نقل ضائع. لا تتوزع واجهة موجة الجهد بالتساوي عبر اللفات - فاللفات القليلة الأولى من الملف يجب أن تمتص حصة غير متناسبة من التدفق. هذه هي مشكلة الدور الأول, وهي آلية الفشل الأساسية لعزل ملفات المحرك في التطبيقات التي تعتمد على PWM.[2]

2.3 لماذا لا يحل وضع 6 خطوات المشكلة؟

6-تعمل عملية الخطوة على تشغيل المحرك بموجة شبه مربعة بتردد أساسي, القضاء على تبديل PWM عالي التردد والعابرين المرتبطين به. لكن, الموجة شبه المربعة غنية بالتوافقيات ذات الترتيب المنخفض - في المقام الأول الخامس والسابع. تولد هذه التوافقيات مجالات مغناطيسية متعاكسة الدوران في الجزء الثابت, مما يؤدي إلى إنتاج خسائر إضافية من النحاس والحديد مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارة المحرك. في تطبيق ESP, تعمل درجة حرارة التشغيل المرتفعة على تسريع تدهور الختم وشيخوخة العزل.[1]

الاستنتاج واضح: الحل الصحيح هو عدم إزالة PWM, ولكن لتصفية ذلك بشكل فعال.

03 تصميم الفلتر: ضبط التردد كمعلمة حرجة

3.1 ما يجب أن يفعله مرشح الموجة الجيبية

مرشح الموجة الجيبية هو مرشح LC منخفض المرور يتم إدخاله بين مخرج العاكس وأطراف المحرك. وتتمثل وظيفته في تخفيف توافقيات تردد التبديل بدرجة كافية بحيث يقترب الجهد الكهربي الذي يراه المحرك من الشكل الجيبي عند تردد خرج المحرك الأساسي. تم وضع معيارين للأداء لجهود إعادة التصميم:[1]

• إجمالي التشوه التوافقي للجهد عند مخرج المرشح: < 3% ثدف
• التشوه التوافقي الكلي الحالي عند خرج العاكس: < 5% تي دي آي

كان أحد القيود الإضافية على التصميم - وهو أمر بالغ الأهمية لتحقيق الموثوقية على المدى الطويل - هو أن المرشح يجب أن يحد من رنين النظام بطبيعتها, دون الاعتماد على مقاومات التخميد التي تزيد من فقدان الإدخال وتولد الحرارة.

3.2 مشكلة الرنين مع الضبط التقليدي

مرشحات الموجة الجيبية التقليدية ل 60 عادة ما يتم ضبط أنظمة هرتز بالقرب 600 هرتز (التوافقي العاشر). التحليل الحاسوبي لـ أ 200 HP, 480 في, 60 نظام هرتز ESP مع 600 مرشح ضبط هرتز و 2 تم إنتاج تردد تبديل العاكس كيلو هرتز 9.1% THDv — أسوأ من الهدف ويدل على حالة الرنين. أدت إضافة التخميد المقاوم إلى تقليل الرنين ولكن ليس إلى المستوى الذي ينتج عنه تشويهًا مقبولًا. كان التصميم التقليدي غير مناسب بشكل أساسي لهذا التطبيق.[1]

تين. 2. العاكس الناتج PWM الجهد الموجي والطيف التوافقي في 2 تردد التبديل كيلو هرتز. ثدف ≈ 39.6%. مصدر: ميروس الدولية.[1]

3.3 و 180 حل هرتز

عندما تم تخفيض التردد المضبوط إلى 180 هرتز (التوافقي الثالث من 60 هرتز), اختفى الرنين حتى بدون مقاومات التخميد. انخفض مخرج المرشح THDv أدناه 2% لكل من 200 اتش بي و 1,100 أنظمة HP ESP. و 180 قطع هرتز يضع التردد الطبيعي للمرشح تحت توافقيات الموجة الحاملة, ضمان التوهين القوي عبر نطاق تردد التبديل بأكمله بغض النظر عن اختلافات تردد الموجة الحاملة.[1]

تين. 3. الجهد الناتج الموجي والطيف مع 180 هرتز ضبطها مرشح موجة جيبية. ينخفض ​​THDv إلى ما يقرب من 1.64% — جيدا داخل < 3% هدف التصميم. مصدر: ميروس الدولية.[1]

3.4 تحسينات الأداء الثانوية

انخفاض خسارة الإدراج (10% مقابل. 3%) يعني أن المحرك يتلقى جهدًا طرفيًا أعلى نسبيًا عند إعداد إخراج عاكس معين, مما يقلل من تيار المحرك وفقدان I²R المرتبط به - مما يساهم بشكل مباشر في انخفاض درجة حرارة التشغيل.

يعمل عامل الطاقة القريب من الوحدة عند خرج العاكس على تقليل تيار خرج ASD لنفس قوة العمود, تقليل خسائر العاكس وإطالة عمر خدمة محرك الأقراص. في تطبيقات ESP حيث يكون حجم المحرك قريبًا من تصنيف ASD, وهذا التخفيض الحالي يمكن أن يسمح بزيادة متواضعة في سرعة المضخة، وبالتالي معدل الإنتاج.

04 النتائج الميدانية: درجة حرارة المحرك كمتغير تشخيصي

و 1,100 HP, 480 في, 60 مرشح عكسي هرتز (180 ضبط هرتز) تم تثبيته على بئر كان يعمل في وضع 6 خطوات بعد فشل مرشح الموجة الجيبية. بعد التثبيت, تم تحويل محرك الأقراص مرة أخرى إلى تشغيل PWM. Downhole motor temperature was monitored continuously via the ESP instrumentation package.[1]

تين. 4. و 1,100 HP INVERSINE AUSF sinewave filter installed at the wellsite. مصدر: ميروس الدولية.[1]

4.1 Steady-state temperature reduction

تين. 6. Motor operating temperature trend showing the transition from 6-Step to FPWM operation with the INVERSINE sinewave filter. A 12 °F steady-state reduction is immediately apparent. مصدر: ميروس الدولية.[1]

Steady-state motor temperature dropped from 249 °F to 237 °F — a 12 °F (تقريبًا 5%) reduction — immediately after switching to PWM with the new filter. This improvement is attributable to two factors acting together: elimination of the 5th and 7th harmonic heating that is characteristic of 6-Step operation, وانخفاض خسائر النحاس الناتجة عن انخفاض تيار المحرك عند تحسين الجهد الطرفي.

4.2 تخفيض ارتفاع درجة الحرارة عند بدء التشغيل

تعتبر عمليات بدء التشغيل العابرة ضارة بشكل خاص لمحركات ESP بسبب وضع فشل محدد مرتبط بقسم ختم المحرك. أثناء بدء التشغيل, ترتفع درجة حرارة المحرك بشكل حاد حيث أن التيار أعلى بكثير من المعدل. تؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى تمدد زيت المحرك الموجود في الختم الميكانيكي وتفريغه في حفرة البئر. كما يبرد المحرك بعد إيقاف التشغيل, يسحب الزيت المتعاقد سائل البئر (بموادها الصلبة والمواد المسببة للتآكل) العودة إلى الختم. يؤدي التدوير الحراري المتكرر إلى تلويث الختم بشكل تدريجي, تسريع التآكل.[1]

تين. 7. درجة حرارة المحرك أثناء دورات البدء والتوقف, مقارنة 6 خطوات وPWM مع مرشح INVERSINE. و 39 يؤدي انخفاض درجة الحرارة في ارتفاع درجة حرارة بدء التشغيل إلى تقليل الضغط الحراري على قسم الختم ذاتي التوازن بشكل مباشر. مصدر: ميروس الدولية.[1]

4.3 تحسين معدل الإنتاج

لم يكن موقع البئر المحدد في دراسة الحالة يحتوي على مجموعة مضخة/محرك كبيرة بما يكفي لاستغلال انخفاض التيار الناتج عن عامل الطاقة المحسن. لكن, عندما تم تركيب مرشح مماثل في موقع البئر الثاني, زيادة 125 برميل يوميا (اضطراب الشخصية الحدية) of total fluid production was reported — the direct result of being able to push the pump to a slightly higher speed with the headroom freed by reduced ASD current.[1]

4.4 Waveform quality comparison

تين. 5. Voltage waveform comparison at motor terminals: new 180 Hz tuned filter (قمة, clean sine) مقابل. conventional filter (قاع, residual PWM ripple visible). مصدر: ميروس الدولية.[1]

05 The Power Quality Perspective: What This Case Study Illustrates

A utility power quality background gives a different perspective on what happened in the Montana oil field. The sequence of failures was not simply a product quality problem with the original sinewave filters — it was a system resonance problem that the conventional filter design approach failed to anticipate.

5.1 مفارقة الامتثال في تصميم مرشح ESP

تصاميم مرشحات الموجة الجيبية التقليدية ل 60 هرتز التطبيقات الصناعية لحن قريب 600 هرتز. يعمل هذا الاختيار بشكل مقبول على أحمال المحركات القياسية ذات الكابلات القصيرة. في تطبيق ESP, يغير الكابل الطويل الموجود أسفل البئر بشكل كبير المعاوقة التي تظهر في أطراف إخراج العاكس. يحتوي نظام كابل المحرك على ترددات الرنين الخاصة به, ويمكن أن تقع هذه بالقرب من تردد ضبط الفلتر - مما يحول الفلتر من مخفف إلى مضخم صوت عند تلك الترددات. A 9.1% نتيجة THDv مع “معيار” الفلتر ليس مرشحًا معيبًا; إنه مرشح تم تصنيعه بشكل صحيح ويعمل في نظام لم يتم تصميمه من أجله.[1]

5.2 القياسات الحرارية كأداة تشخيصية PQ

تستخدم دراسة الحالة درجة حرارة المحرك المستمر في قاع البئر كمقياس أساسي للتحقق - وليس قياسات الطيف التوافقي, لا بيانات محلل الطاقة. وهذا صحيح بشكل عملي لتطبيق ESP: من الصعب والمكلف الحصول على قياسات PQ في قاع البئر, لكن أجهزة استشعار درجة الحرارة جزء لا يتجزأ من حزمة أجهزة ESP وتوفر الوقت الفعلي, المقياس المتكامل للإجهاد الحركي. و 39 يعد انخفاض درجة الحرارة في ارتفاع درجة حرارة بدء التشغيل مؤشرًا أكثر أهمية لتحسين الصحة الحركية من أي رقم THD يتم قياسه على السطح.

من وجهة نظر منهجية قياس PQ, وهذا يوضح مبدأ هاما: اختر المقياس الأقرب إلى النتيجة التي تحاول منعها. في هذه الحالة, هذا المقياس هو درجة حرارة المحرك, لا تشويه الجهد.

5.3 الطبيعة ذات الوجهين لجودة طاقة VFD

مقالات 1 و 2 في هذه السلسلة تناولت المشاكل التوافقية على إمداد جانب VFD — التوافقيات الحالية التي يتم حقنها بواسطة مقوم ذو 6 نبضات, وتفاعل تلك التوافقيات مع مكثفات تصحيح معامل القدرة. توجد دراسة الحالة هذه على الجانب الآخر من نفس الجهاز: مشاكل جودة جهد الخرج الناتجة عن عاكس PWM.

كلا الجانبين من VFD مهم. Supply-side harmonics affect network power quality and other equipment sharing the same bus. Output-side harmonics affect the driven motor directly. A complete treatment of VFD power quality requires considering both. شرط 4 in this series will continue this theme, examining the 6-pulse rectifier as a victim rather than a source — specifically, how poor supply voltage quality degrades rectifier performance and affects the DC bus seen by the inverter.

المراجع

1. [1] شركة ميروس الدولية, “INVERSINE Sinewave Filter Resolves ESP Motor Failures,” Application Case Study, برامبتون, أونتاريو, كندا. متاح: mirusinternational.com
2. [2] A. von Jouanne, D. Rendusara, P. Enjeti, وJ. Gray, “Filtering Techniques to Minimize the Effect of Long Motor Leads on PWM Inverter-Fed AC Motor Drive Systems,” المعاملات IEEE على تطبيقات الصناعة, طيران. 32, لا. 4, ص. 919–926, Jul./Aug. 1996.