Filtro de onda sinusoidal vs.. Filtro dV/dT para aplicaciones VFD de cable largo: Una comparación de campo directa - Mirus International

01 Contexto operativo: Motores de fondo de pozo, 800-Cables de pie, y fallas recurrentes

La Autoridad del Agua de San Antonio opera estaciones de bombeo de agua que utilizan variadores de frecuencia para controlar los motores de las bombas de fondo de pozo.. Los motores están instalados aproximadamente 800 pies (245 m) Bajo tierra: un tendido de cable que es lo suficientemente largo como para crear problemas significativos en la forma de onda de salida del VFD, incluso cuando el variador está funcionando perfectamente.. Seis instalaciones idénticas habían experimentado fallos recurrentes en motores y bombas., con un tiempo medio entre fallas de 6 a 12 meses. La inspección posterior al fallo del equipo averiado reveló dos señales de daño distintas: flashovers sinuosos (indicando tensión dieléctrica en modo diferencial) y rodamientos acanalados (indicando corriente de modo común).[1]

Cada instalación estaba equipada con un filtro dV/dT LRC estándar: la solución convencional para tramos largos de cables VFD.. Los filtros dV/dT no habían evitado las averías. La cuestión que se investigaba era si un filtro de onda sinusoidal funcionaría mejor, y si es así, por cuánto: cuantificado mediante medición directa de campo en lugar de por especificación del fabricante.

02 Qué hace y qué no hace un filtro dV/dT

2.1 El mecanismo de filtro dV/dT

Un filtro dV/dT es una red LRC insertada entre la salida VFD y el cable del motor.. Su propósito es disminuir el tiempo de aumento de cada pulso de voltaje PWM, reduciendo el dV/dT. (tasa de cambio de voltaje) - para que el pulso se parezca menos a una función escalonada para la impedancia del cable y del motor. Desintonizando la frecuencia de resonancia natural del circuito secundario., Reduce la gravedad de las condiciones de resonancia y sobretensión de las ondas reflejadas..[1]

lo que no hace: no elimina la forma de onda PWM. La salida sigue siendo una serie de pulsos, ralentizados en sus bordes., pero aún cambiando entre los niveles de bus de CC positivo y negativo en 2 kHz. La tensión diferencial fundamental de PWM en el cable y el aislamiento del motor se reduce pero no se elimina.. El armónico de corriente de alta frecuencia asociado con la frecuencia de conmutación todavía está presente en el motor..

2.2 El problema del modo común: lo que dV/dT no soluciona

La corriente de modo común en un sistema VFD fluye desde las tres fases de salida simultáneamente a través de capacitancia parásita a tierra, a través de la cubierta del cable., marco del motor, aspectos, y cualquier otro camino conductor a la tierra del sistema.. Es distinto del modo diferencial. (fase a fase) corriente. La corriente de modo común a través de los cojinetes del motor produce mecanizado por descarga eléctrica (electroerosión) de las pistas de los rodamientos: un patrón de daño llamado estrías, que se observó en los rodamientos fallidos en San Antonio.[1]

Como señala el documento de solicitud AP043001EN de Eaton, Un filtro dV/dT puede no ser la mejor opción para el control de modo común., y un filtro de onda sinusoidal puede ser más apropiado. Para cables más largos, La corriente de modo común se drena a lo largo de la longitud del cable., haciéndolo más bajo en el motor que con cables de longitud más corta, pero con un cable de 800 pies, La distribución de corriente en modo común y su impacto en los rodamientos son complejos y no se reducen simplemente por la longitud del cable..[1][2]

03 Protocolo de prueba de campo: Tres puntos de medición, Una unidad

Las pruebas se realizaron en marzo. 31, 2016 por Mike McGraw (NSOEM Inc.) y Aron Sekula (Eléctrico de cinco estrellas), utilizando un AEMC 8335 Medidor de calidad de energía: seleccionado específicamente porque mide con precisión 3 kHz (el armónico 50), cubriendo el 2 Armónicos de frecuencia de conmutación de kHz que son el problema dominante en esta aplicación.. La prueba midió la forma de onda y las condiciones armónicas en tres puntos secuenciales.:[1]

• Punto 1: Salida del inversor VFD: aguas arriba del filtro dV/dT existente (rendimiento básico de la unidad)
• Punto 2: Salida del filtro dV/dT existente (rendimiento de instalación estándar actual)
• Punto 3: Salida del filtro de onda sinusoidal Mirus INVERSINE AUSF, instalado en lugar del filtro dV/dT

Higo. 1. Estación de bombeo de agua de la Autoridad del Agua de San Antonio: una de las seis instalaciones idénticas de bombas de fondo de pozo accionadas por VFD probadas. Fuente: Mirus Internacional / NSOEM Inc..[1]

3.1 Punto 1 — Línea base de salida del VFD

Las mediciones de salida del inversor confirmaron el funcionamiento normal del variador: sin resonancia, desequilibrios de fase, u otras condiciones de falla. El VFD estaba funcionando dentro de las especificaciones.. La característica forma de onda de corriente en diente de sierra y el alto THDv en la salida del variador son típicos de un funcionamiento correcto. 2 inversor pwm.[1]

El verdadero factor de potencia de 0.575 vs. Factor de potencia de desplazamiento de 0.785 indica potencia reactiva armónica significativa (kvar = 100.4) que se está dibujando: típico de un circuito de salida VFD con la reactancia capacitiva del filtro dV/dT aguas abajo del punto de medición que contribuye a la medición de potencia reactiva..

04 Resultados medidos: Los números cuentan la historia

4.1 Punto 2 — Salida de filtro dV/dT

El filtro dV/dT produjo solo una mejora menor en la distorsión de voltaje: THDv cayó de ~38 % a ~34 %.. La forma de onda actual todavía exhibía un patrón de dientes de sierra característico de la conmutación PWM.. El armónico de corriente de alta frecuencia en el 2 La frecuencia de conmutación de kHz permaneció presente.. El verdadero factor de potencia mejoró marginalmente desde 0.575 a 0.597.[1]

4.2 Punto 3 — Salida de filtro de onda sinusoidal INVERSINO

La forma de onda PWM se eliminó por completo en la salida del filtro y se reemplazó por una sinusoide limpia.. La distorsión de voltaje cayó de 34%+ (dV/dT) a un máximo de 4.17% en todas las fases: una reducción del 87,9% al 90,9%. El consumo de energía reactiva cayó de 96.39 kVAR dos 28.73 kVAR, un 70.1% reducción, mejorando el factor de potencia real de 0.597 a 0.660.[1]

4.3 La comparación completa

4.4 El seguimiento de 4 años

El dato más convincente de este estudio de caso no se registró en el momento de la prueba, sino cuatro años después.. Los filtros INVERSINE se implementaron en los seis sitios de estaciones de bombeo en 2016. A partir de diciembre 2020 — al momento de escribir este artículo, no se habían registrado fallas en el motor o el paquete de bomba en ninguno de los seis sitios. Contra un tiempo medio previo entre fallos de 6 a 12 meses, Esto representa una eliminación completa de un modo de falla recurrente durante un período de observación de cuatro años..[1]

05 La diferencia INVERSINA: La frecuencia de sintonización es la variable clave

El INVERSINE AUSF no es simplemente un filtro de onda sinusoidal: es un filtro de onda sinusoidal con un enfoque de sintonización fundamentalmente diferente al de los productos convencionales.. La diferencia de rendimiento observada en San Antonio fue una consecuencia directa de esta elección de ajuste..[1]

5.1 Por qué 600 La sintonización Hz es insuficiente

La mayoría de los filtros sinusoidales para 60 Las aplicaciones Hz están sintonizadas cerca 600 Hz: el décimo armónico. Esto coloca la frecuencia de corte del filtro muy por encima de la fundamental pero por debajo de la frecuencia de conmutación del variador.. Sin embargo, 600 Hz está lo suficientemente cerca de la región de frecuencia de conmutación como para que los armónicos de frecuencia de conmutación en 2 kHz y superiores no están completamente atenuados. El contenido de voltaje residual de alta frecuencia permanece en la salida del filtro, medible por encima del armónico 50. (3,000 Hz en un 60 sistema Hz). Este contenido residual continúa imponiendo estrés dieléctrico y térmico en el circuito secundario..

5.2 El método de ajuste INVERSINE: aproximadamente 180 Hz

El INVERSINE está sintonizado aproximadamente a 3 veces la frecuencia fundamental, aproximadamente 180 Hz en un 60 sistema Hz. Esta es una década completa por debajo del 2 frecuencia de conmutación kHz, proporcionando una atenuación mucho más profunda de todos los armónicos de frecuencia de conmutación. El resultado es una salida de filtro que cumple <5% THDv incluso cuando se mide hasta el armónico 100 (6,000 Hz en un 60 sistema Hz) - algo convencional 600 Los filtros sintonizados en Hz rara vez alcanzan más del armónico 50.[1]

Higo. 2. Comparación de salida de filtro de onda sinusoidal de tres vías: Muerte INVERSA (azul) vs. Competidor 1 (rojo) vs. Competidor 2 (negro). La eliminación del ruido de tensión de alta frecuencia con la sintonización INVERSINE es claramente visible. Convencional 600 Los filtros sintonizados en Hz muestran una ondulación residual de alta frecuencia. Fuente: Mirus Internacional.[1]

5.3 Ventajas adicionales de INVERSINE vs.. filtros sinusoidales convencionales

• Corrección del factor de potencia: Los condensadores INVERSINE están dimensionados para suministrar la mayor parte de la potencia reactiva inductiva del motor., mejorando el desplazamiento PF en la salida del inversor a cerca de la unidad. Los filtros convencionales no están diseñados para la corrección de PF: el PF del motor permanece retrasado.
• Menor pérdida de inserción: La caída de voltaje INVERSINO está por debajo 3%, vs. 5–12% para filtros de la competencia. Una pérdida de inserción más baja significa que el motor recibe un voltaje terminal más alto, Reducir las pérdidas actuales y asociadas..
• Sin resistencias de amortiguación: La frecuencia de sintonización más baja elimina las condiciones de resonancia que requieren resistencias de amortiguación en diseños convencionales.. Las resistencias añaden pérdida de inserción y generan calor; su ausencia en INVERSINE lo hace más eficiente y simple.
• Refrigeración por convección natural: El diseño de menor pérdida permite el enfriamiento por convección natural en lugar del enfriamiento por ventilador requerido por algunos productos de la competencia, lo que reduce los requisitos de mantenimiento..
• Ventaja de eficiencia: 1.5–2% más eficiente que los filtros de onda sinusoidal de la competencia, reduciendo directamente los costos operativos.

06 La perspectiva de la calidad de la energía: Lo que ilustra este estudio de caso

6.1 El filtro dV/dT como solución parcial

El caso de San Antonio demuestra con datos medidos lo que el estudio de caso del motor ESP anterior en esta serie estableció teóricamente.: un filtro dV/dT es una solución incompleta para aplicaciones de cables VFD largos. Reduce el dV/dt de los pulsos de voltaje y, por lo tanto, mitiga la sobretensión de la onda reflejada, pero no elimina la forma de onda PWM., y no aborda el estrés dieléctrico de modo diferencial continuo asociado con el contenido de conmutación de voltaje de alta frecuencia..

El filtro dV/dT 34% Salida THDv frente a. los INVERSINO 4% La salida THDv cuenta esta historia directamente. La 34% THDv en los terminales del motor significa que el sistema de aislamiento del motor está continuamente estresado por armónicos de voltaje muy por encima de su condición operativa de diseño.. Incluso si se reducen las sobretensiones de impulso individuales, La tensión dieléctrica acumulada durante un período de 6 a 12 meses es suficiente para provocar una falla por descarga disruptiva del devanado..

6.2 Especificación por resultado, no por convención

La conclusión de este estudio de caso es una recomendación de especificación específica.: para circuitos secundarios VFD/ASD con cables largos, especificar THDv máximo ≤ 5% y THDi máximo ≤ 8% a plena carga en los terminales del motor, no simplemente “instale un filtro dV/dT.” Una especificación de rendimiento obliga a la solución a abordar el problema real en lugar de aplicar una respuesta convencional que puede ser inadecuada para las condiciones de aplicación específicas..

6.3 El caso de las pruebas de campo frente a las afirmaciones del fabricante

La prueba de San Antonio fue diseñada explícitamente para generar datos medidos en el campo en lugar de depender de las especificaciones del fabricante.. Como señalaron los autores, La literatura sobre filtros dV/dT a menudo hace afirmaciones sobre la reducción del modo común y la extensión de la vida útil del motor sin proporcionar los datos técnicos que las respalden.. El protocolo de medición de tres puntos: salida del inversor, salida dV/dT, Salida de filtro de onda sinusoidal: produce datos directamente comparables en condiciones de funcionamiento idénticas en el mismo variador y cable.. Esta es la forma correcta de evaluar las tecnologías de filtrado de la competencia, y el resultado fue inequívoco.

Referencias

1. [1] M. McGraw (NSOEM Inc.. / Mirus Internacional) y A. nunca (Eléctrico de cinco estrellas), “Discusión sobre el filtro de onda sinusoidal inversa AUSF de la serie Mirus versus el filtro dV/dT: Revisión del caso de la Autoridad del Agua de San Antonio,” Revisión de casos técnicos, Mirus Internacional Inc., brampton, Ontario, Canadá, Diciembre 2020. Disponible: mirusinternational.com/inversine
2. [2] Corporación Eaton, “Aplicación de filtros dV/dT con AFD,” Documento de solicitud AP043001EN, A partir de septiembre 2014.