مرشح الموجة الجيبية مقابل. مرشح dV/dT لتطبيقات VFD ذات الكابلات الطويلة: مقارنة ميدانية وجهاً لوجه — ميروس الدولية
| عميل | هيئة مياه سان أنطونيو – محطات رفع المياه |
| طلب | محركات ضخ المياه في قاع البئر - 800 قدم (245 م) عمق الكابل |
| المواقع التي تم اختبارها | 1 من 6 منشآت متطابقة (تم اختيار أعلى موقع لمعدل الفشل) |
| تاريخ الفشل | متوسط الوقت بين حالات الفشل 6-12 شهرًا; ومضات متعرجة + تحمل المزامير لاحظت |
| تردد تبديل VFD | 2 كيلوهرتز |
| الفلتر الأصلي | مرشح LRC dV/dT |
| مرشح الاختبار | مرشح الموجة الجيبية Mirus AUSF INVERSINE |
| تاريخ الاختبار | مسيرة 31, 2016 |
| المتابعة (ديسمبر 2020) | صفر أعطال في المحرك/المضخة على الإطلاق 6 مواقع في 4+ سنوات منذ نشر INVERSINE |
01 سياق التشغيل: محركات قاع البئر, 800-كابلات القدم, والإخفاقات المتكررة
تقوم هيئة المياه في سان أنطونيو بتشغيل محطات رفع المياه التي تستخدم محركات متغيرة التردد للتحكم في محركات المضخات الموجودة في قاع البئر. يتم تثبيت المحركات تقريبًا 800 قدم (245 م) تحت الأرض - كابل طويل بما يكفي لخلق مشاكل كبيرة في شكل موجة إخراج VFD حتى عندما يعمل المحرك نفسه بشكل مثالي. تعرضت ستة منشآت متطابقة لأعطال متكررة في المحرك والمضخة, مع متوسط الوقت بين حالات الفشل 6 إلى 12 شهور. كشف فحص ما بعد الفشل للمعدات الفاشلة عن توقيعين مختلفين للضرر: ومضات متعرجة (مما يدل على الوضع التفاضلي الإجهاد العازل) وتحمل المزمار (تشير إلى الوضع المشترك الحالي).[1]
وقد تم تجهيز كل تركيب بمرشح LRC dV/dT القياسي - وهو الحل التقليدي لتشغيل كابل VFD الطويل. لم تمنع مرشحات dV/dT حالات الفشل. وكان السؤال الذي يجري التحقيق فيه هو ما إذا كان مرشح الموجة الجيبية سيعمل بشكل أفضل, وإذا كان الأمر كذلك, بالكمية - يتم قياسها عن طريق القياس الميداني المباشر بدلاً من مواصفات الشركة المصنعة.
02 ما الذي يفعله مرشح dV/dT - وما لا يفعله
2.1 آلية تصفية dV/dT
مرشح dV/dT عبارة عن شبكة LRC يتم إدخالها بين مخرج VFD وكابل المحرك. والغرض منه هو إبطاء وقت صعود كل نبضة جهد PWM - مما يقلل من dV/dT (معدل تغير الجهد) - بحيث يبدو النبض أقل شبهاً بوظيفة خطوة بالنسبة إلى مقاومة الكابل والمحرك. عن طريق تفكيك تردد الرنين الطبيعي للدائرة الثانوية, فهو يقلل من شدة الجهد الزائد للموجة المنعكسة وظروف الرنين.[1]
ما لا يفعله: لا يلغي شكل موجة PWM. لا يزال الناتج عبارة عن سلسلة من النبضات، تتباطأ عند حوافها, ولكن لا يزال يتم التبديل بين مستويات ناقل DC الموجب والسالب عند 2 كيلوهرتز. يتم تقليل الضغط التفاضلي الأساسي لـ PWM على عزل الكابل والمحرك ولكن لا يتم التخلص منه. لا يزال التوافقي الحالي عالي التردد المرتبط بتردد التبديل موجودًا في المحرك.
2.2 مشكلة الوضع الشائع - ما لا يعالجه dV/dT
يتدفق تيار الوضع المشترك في نظام VFD من جميع مراحل الإخراج الثلاثة في وقت واحد عبر السعة الشاردة إلى الأرض - عبر غلاف الكابل, إطار المحرك, محامل, وأي مسار توصيل آخر إلى أرض النظام. وهو يختلف عن الوضع التفاضلي (مرحلة إلى مرحلة) حالي. ينتج تيار الوضع المشترك من خلال محامل المحرك عملية تفريغ كهربائي (موسيقى الرقص الإلكترونية) من سباقات التحمل - وهو نمط ضرر يسمى المزمار, الذي لوحظ في المحامل الفاشلة في سان أنطونيو.[1]
كما تشير ورقة طلب إيتون AP043001EN, قد لا يكون مرشح dV/dT هو الخيار الأفضل للتحكم في الوضع الشائع, وقد يكون مرشح الموجة الجيبية أكثر ملاءمة. للكابلات الأطول, ينزف تيار الوضع المشترك على طول الكابل, مما يجعلها أقل عند المحرك مقارنةً بأطوال الكابلات الأقصر - ولكن بكابل بطول 800 قدم, يعد توزيع تيار الوضع الشائع وتأثيره المحمل معقدًا ولا يتم تقليله ببساطة بطول الكابل وحده.[1][2]
ضجيج الوضع المشترك: إجهاد الجهد من جميع المراحل إلى الأرض في وقت واحد, محركات تحمل الفشل الحالي. الآلية - السعة الشاردة بين موصلات الكابلات والدرع/الدرع, إنتاج التيار الذي يتدفق من خلال محامل المحرك إلى الأرض.
يعالج مرشح dV/dT الوضع التفاضلي جزئيًا. يعالج مرشح الموجة الجيبية الوضع التفاضلي بالكامل ويوفر تخفيفًا جزئيًا للوضع المشترك. للتحكم الكامل في الوضع المشترك, يعد مرشح الموجة الجيبية مع خنق الوضع المشترك المتكامل هو الحل المناسب.
03 بروتوكول الاختبار الميداني: ثلاث نقاط قياس, محرك واحد
تم إجراء الاختبار في شهر مارس 31, 2016 بواسطة مايك ماكجرو (شركة إن إس أو إي إم) و آرون سيكولا (خمس نجوم الكهربائية), باستخدام AEMC 8335 مقياس جودة الطاقة - تم اختياره خصيصًا لأنه يقيس بدقة 3 كيلوهرتز (التوافقي الخمسين), تغطي 2 كيلو هرتز تبديل توافقيات التردد التي هي القضية السائدة في هذا التطبيق. قام الاختبار بقياس شكل الموجة والظروف التوافقية في ثلاث نقاط متتالية:[1]
- نقطة 1: خرج عاكس VFD — منبع مرشح dV/dT الموجود (أداء محرك خط الأساس)
- نقطة 2: إخراج مرشح dV/dT الموجود (أداء التثبيت القياسي الحالي)
- نقطة 3: إخراج مرشح الموجة الجيبية Mirus INVERSINE AUSF, تم تركيبه بدلاً من مرشح dV/dT
تين. 1. محطة رفع المياه التابعة لهيئة مياه سان أنطونيو - واحدة من ست منشآت متماثلة لمضخات قاع البئر مدفوعة بـ VFD تم اختبارها. مصدر: ميروس الدولية / شركة إن إس أو إي إم.[1]
3.1 نقطة 1 — خط الأساس لإخراج VFD
أكدت قياسات خرج العاكس التشغيل العادي للمحرك - لا يوجد رنين, اختلالات المرحلة, أو غيرها من شروط الخطأ. كان أداء VFD ضمن المواصفات. إن الشكل الموجي للتيار المسنن المميز وارتفاع THDv عند خرج محرك الأقراص يعتبر نموذجيًا للتشغيل بشكل صحيح 2 كيلو هرتز PWM العاكس.[1]
| مرحلة | تي دي آي (الأسلحة) | ثدف (VRMS) |
|---|---|---|
| A | 11.36% (136 A) | 37.91% (467 في) |
| B | 10.63% (132 A) | 38.74% (470 في) |
| C | 10.46% (131 A) | 37.94% (467 في) |
عامل القوة الحقيقي 0.575 مقابل. عامل قوة الإزاحة 0.785 يشير إلى قوة رد فعل توافقية كبيرة (كيلوفار = 100.4) يتم رسمها - نموذجية لدائرة خرج VFD مع مفاعلة سعوية لمرشح dV/dT أسفل نقطة القياس مما يساهم في قياس القدرة التفاعلية.
04 النتائج المقاسة: الأرقام تحكي القصة
4.1 نقطة 2 — خرج مرشح dV/dT
أنتج مرشح dV/dT تحسنًا طفيفًا فقط في تشويه الجهد - انخفض THDv من ~38% إلى ~34%. لا يزال شكل الموجة الحالي يُظهر نمط مسنن مميز لتبديل PWM. التوافقي الحالي عالي التردد في 2 بقي تردد التبديل كيلو هرتز موجودًا. تحسن عامل الطاقة الحقيقي بشكل هامشي من 0.575 إلى 0.597.[1]
4.2 نقطة 3 - إخراج مرشح الموجة الجيبية العكسية
| مرحلة | تي دي آي (الأسلحة) | ثدف (VRMS) |
|---|---|---|
| A | 7.24% (132 A) | 3.08% (412 في) |
| B | 8.05% (134 A) | 3.79% (413 في) |
| C | 8.60% (139 A) | 4.17% (413 في) |
تمت إزالة شكل موجة PWM تمامًا عند مخرج الفلتر - وتم استبداله بجيب جيبي نظيف. انخفض تشويه الجهد من 34%+ (دي في / دي تي) بحد أقصى 4.17% في جميع المراحل – انخفاض بنسبة 87.9-90.9%. انخفض استهلاك الطاقة التفاعلية من 96.39 كيلوفار اثنين 28.73 KVAR, ل 70.1% تخفيض, تحسين عامل الطاقة الحقيقي من 0.597 إلى 0.660.[1]
4.3 المقارنة الكاملة
| المعلمة | إخراج العاكس (المنبع من dV/dT) |
إخراج مرشح dV/dT | عكس الإخراج | تحسين معكوس مقابل. دي في / دي تي |
|---|---|---|---|---|
| تي دي آي | 10.46 - 11.36% | 10.61 - 11.32% | 7.24 - 8.60% | 24– تخفيض بنسبة 32% |
| أنا آر إم إس | 131 - 136 A | 131 - 137 A | 134 - 139 A | +1.4-2.3% (زيادة طفيفة) |
| ثدف | 37.91 - 38.74% | 34.10 - 34.71% | 3.08 - 4.17% | 88– تخفيض بنسبة 91% |
| الخامس آر إم إس | 467 - 470 في | 450 - 451 في | 412 - 413 في | 8.4% أقل - صحيح للتشغيل 52-55 هرتز |
| KVAR | 100.4 KVAR | 96.39 KVAR | 28.73 KVAR | 70.1% تخفيض |
| صحيح الجبهة الوطنية | 0.575 | 0.597 | 0.660 | +10.6% تحسين |
4.4 المتابعة لمدة 4 سنوات
تم تسجيل نقطة البيانات الأكثر إقناعًا في دراسة الحالة هذه ليس في وقت الاختبار ولكن بعد أربع سنوات. تم نشر مرشحات INVERSINE في جميع مواقع محطات الرفع الستة في 2016. اعتبارا من ديسمبر 2020 - وقت كتابة هذا التقرير - لم يتم تسجيل أي أعطال في المحرك أو مجموعة المضخة في أي من المواقع الستة. مقابل متوسط الوقت السابق بين حالات الفشل 6 إلى 12 شهور, ويمثل هذا القضاء التام على وضع الفشل المتكرر عبر فترة مراقبة مدتها أربع سنوات.[1]
05 الفرق العكسي: ضبط التردد هو المتغير الرئيسي
إن INVERSINE AUSF ليس مجرد مرشح للموجة الجيبية - بل هو مرشح للموجة الجيبية بأسلوب ضبط مختلف تمامًا عن المنتجات التقليدية. كان اختلاف الأداء الذي لوحظ في سان أنطونيو نتيجة مباشرة لاختيار الضبط هذا.[1]
5.1 لماذا 600 ضبط هرتز غير كاف
معظم مرشحات الموجة الجيبية لـ 60 يتم ضبط تطبيقات هرتز بالقرب 600 هرتز - التوافقي العاشر. يؤدي هذا إلى وضع تردد قطع المرشح أعلى بكثير من التردد الأساسي ولكن أقل من تردد تبديل محرك الأقراص. لكن, 600 هرتز قريب بدرجة كافية من منطقة تردد التبديل التي توجد بها توافقيات تردد التبديل 2 لا يتم تخفيف كيلوهرتز وما فوق بشكل كامل. يبقى محتوى الجهد العالي التردد المتبقي في مخرج الفلتر - يمكن قياسه فوق التوافقي الخمسين (3,000 هرتز على أ 60 نظام هرتز). يستمر هذا المحتوى المتبقي في فرض الضغط العازل والحراري على الدائرة الثانوية.
5.2 نهج ضبط INVERSINE - تقريبًا 180 هرتز
يتم ضبط INVERSINE على ما يقرب من 3× التردد الأساسي — حوالي 180 هرتز على أ 60 نظام هرتز. هذا عقد كامل تحت 2 تردد التبديل كيلو هرتز, توفير توهين أعمق بكثير لجميع التوافقيات تردد التبديل. والنتيجة هي إخراج مرشح يلبي <5% THDv حتى عند قياسه حتى التوافقي رقم 100 (6,000 هرتز على أ 60 نظام هرتز) - شيء تقليدي 600 نادرًا ما تحقق المرشحات المضبوطة هرتز أعلى من التوافقي الخمسين.[1]
تين. 2. مقارنة مخرجات مرشح الموجة الجيبية ثلاثية الاتجاهات: الموت العكسي (أزرق) مقابل. منافس 1 (أحمر) مقابل. منافس 2 (أسود). يمكن رؤية التخلص من ضوضاء الجهد العالي التردد من خلال ضبط INVERSINE بوضوح. عادي 600 تُظهر المرشحات المضبوطة بالهرتز تموجًا عالي التردد متبقيًا. مصدر: ميروس الدولية.[1]
5.3 مزايا INVERSINE الإضافية مقابل. مرشحات الموجة الجيبية التقليدية
- تصحيح معامل القدرة: تم تصميم المكثفات INVERSINE لتزويد معظم الطاقة التفاعلية التحريضية للمحرك, تحسين الإزاحة PF عند مخرج العاكس إلى الوحدة القريبة. لم يتم تصميم المرشحات التقليدية لتصحيح PF - يظل المحرك PF متخلفًا.
- انخفاض فقدان الإدراج: انخفاض الجهد العكسي أدناه 3%, مقابل. 5-12% للمرشحات المنافسة. انخفاض فقدان الإدراج يعني أن المحرك يتلقى جهدًا طرفيًا أعلى, تقليل الخسائر الحالية والمرتبطة.
- لا يوجد مقاومات التخميد: يؤدي تردد الضبط المنخفض إلى التخلص من ظروف الرنين التي تتطلب مقاومات تخميد في التصميمات التقليدية. تضيف المقاومات فقدان الإدخال وتولد الحرارة - وغيابها في INVERSINE يجعلها أكثر كفاءة وبساطة.
- التبريد بالحمل الحراري الطبيعي: يسمح التصميم الأقل خسارة بالتبريد بالحمل الحراري الطبيعي بدلاً من التبريد بالمروحة الذي تتطلبه بعض المنتجات المنافسة، مما يقلل من متطلبات الصيانة.
- ميزة الكفاءة: 1.5-2% أكثر كفاءة من مرشحات الموجة الجيبية المنافسة, خفض تكاليف التشغيل بشكل مباشر.
06 منظور جودة الطاقة: ما توضحه دراسة الحالة هذه
6.1 مرشح dV/dT كحل جزئي
توضح حالة سان أنطونيو من خلال البيانات المقاسة ما أثبتته دراسة حالة المحرك ESP سابقًا في هذه السلسلة من الناحية النظرية: يعد مرشح dV/dT حلاً غير كامل لتطبيقات كابلات VFD الطويلة. فهو يقلل من dV/dt لنبضات الجهد وبالتالي يخفف من الجهد الزائد للموجة المنعكسة - لكنه لا يلغي شكل موجة PWM, ولا يعالج الضغط العازل للوضع التفاضلي المستمر المرتبط بمحتوى تبديل الجهد العالي التردد.
مرشح dV/dT 34% مخرج THDv مقابل. العكس 4% يحكي إخراج THDv هذه القصة مباشرة. A 34% THDv في أطراف المحرك يعني أن نظام عزل المحرك يتعرض للضغط المستمر من خلال توافقيات الجهد أعلى بكثير من حالة التشغيل التصميمية. حتى لو تم تقليل الجهد الزائد للنبض الفردي, إن الإجهاد العازل التراكمي على مدى فترة 6-12 شهرًا يكفي للتسبب في فشل وميض الملف.
6.2 التحديد حسب النتيجة, ليس عن طريق الاتفاقية
الاستنتاج من دراسة الحالة هذه هو توصية مواصفات محددة: للدوائر الثانوية VFD/ASD ذات الكابلات الطويلة, حدد الحد الأقصى لـ THDv ≥ 5% والحد الأقصى THDi ≥ 8% عند التحميل الكامل عند أطراف المحرك - وليس ببساطة “قم بتثبيت مرشح dV/dT.” تجبر مواصفات الأداء الحل على معالجة المشكلة الفعلية بدلاً من تطبيق إجابة تقليدية قد تكون غير مناسبة لشروط التطبيق المحددة.
6.3 حالة الاختبار الميداني على مطالبات الشركة المصنعة
تم تصميم اختبار سان أنطونيو بشكل صريح لتوليد بيانات ميدانية مقاسة بدلاً من الاعتماد على مواصفات الشركة المصنعة. كما لاحظ المؤلفون, غالبًا ما تقدم أدبيات مرشح dV/dT ادعاءات حول تقليل الوضع الشائع وإطالة عمر المحرك دون توفير البيانات الفنية لدعمها. بروتوكول القياس ثلاثي النقاط – خرج العاكس, إخراج دي في/ دي تي, خرج مرشح الموجة الجيبية - أنتج بيانات قابلة للمقارنة مباشرة في ظل ظروف تشغيل متطابقة على نفس محرك الأقراص والكابل. هذه هي الطريقة الصحيحة لتقييم تقنيات التصفية المتنافسة, وكانت النتيجة لا لبس فيها.
المراجع
- [1] M. ماكجرو (شركة إن إس أو إي إم. / ميروس الدولية) وA. أبداً (خمس نجوم الكهربائية), “مناقشة مرشح الموجة الجيبية العكسية من سلسلة Mirus AUSF مقابل مرشح dV/dT: مراجعة حالة هيئة المياه في سان أنطونيو,” مراجعة الحالة الفنية, شركة ميروس الدولية, برامبتون, أونتاريو, كندا, ديسمبر 2020. متاح: mirusinternational.com/inversine
- [2] شركة إيتون, “تطبيق مرشحات dV/dT مع AFDs,” ورق التقديم AP043001EN, اعتبارا من سبتمبر 2014.