Filtres sinusoïdaux pour la protection du moteur ESP: Une étude de cas sur le terrain sur la conception de filtres et la réponse thermique du moteur — Mirus International
01 Contexte opérationnel: Les ESP et le problème de l'ascenseur artificiel
Sur 90% des puits de pétrole terrestres et offshore dans le monde nécessitent une certaine forme de levage artificiel pour maintenir la production. La technologie la plus largement déployée est la pompe électrique submersible. (ESP) — une pompe centrifuge multicellulaire entraînée par un moteur à induction de fond, contrôlé depuis la surface par un variateur de vitesse (ASD).[1]
Cette combinaison crée deux problèmes distincts de qualité d’énergie situés aux extrémités opposées de l’ASD.:
- Côté entrée: Le redresseur frontal à 6 impulsions de l'ASD injecte des harmoniques de courant caractéristiques (5e, 7e, 11e, 13ème…) retour dans le réseau d’approvisionnement – un problème bien compris avec des options d’atténuation bien comprises.
- Côté sortie: L'étage inverseur PWM génère une forme d'onde de tension commutée haute fréquence qui, lorsqu'elle est appliquée à un long câble moteur, produit des dépassements de tension., transitoires d'ondes réfléchies, et chauffage induit par les harmoniques dans le moteur de fond.
Dans un champ de pétrole au Montana, tous les ESP fonctionnant par PWM étaient équipés de filtres sinusoïdaux de sortie pour résoudre le deuxième problème. Malgré cette précaution, les filtres sinusoïdaux eux-mêmes ont commencé à tomber en panne – souvent dans les six mois suivant l'installation. Lorsque les filtres ont échoué, les opérateurs ont été contraints de passer les entraînements en mode 6 étapes (pas de PWM, aucun filtre sinusoïdal n'est nécessaire), qui a éliminé le problème des ondes réfléchies mais a introduit un ensemble différent de contraintes. Les moteurs en mode 6 étapes chauffent plus, et les pannes de moteur ont continué.[1]
Figue. 1. Tension (haut) et actuel (bas) sur un ESP à 6 étapes au moment d'une panne moteur. Notez la sonnerie de surtension soutenue dans la période précédant le défaut.. Source: Étude de cas Mirus International.[1]
02 Anatomie du problème: Pourquoi le PWM est difficile pour les moteurs submersibles
2.1 Le mécanisme des ondes réfléchies
Un onduleur PWM commute sa tension de bus CC entre les bornes de sortie à la fréquence porteuse - généralement 2 à 8 kHz pour les lecteurs ESP, avec des disques plus grands utilisant l'extrémité inférieure de cette plage. Chaque transition de commutation est un pas de tension très rapide (dv/dt élevé). Lorsque cette étape se propage le long du câble reliant le variateur au moteur, il rencontre une discontinuité d'impédance aux bornes du moteur. La réflexion de tension qui en résulte peut produire des tensions de crête approchant le double de la tension du bus CC..[2]
Pour une norme 480 Lecteur V, le bus DC se trouve à proximité 675 En. Un dépassement d'onde réfléchie peut donc momentanément imposer 1 200 à 1 350 V sur l'isolation de l'enroulement du moteur, bien au-dessus de la capacité de tenue nominale des moteurs non conçus pour le service d'onduleur..
2.2 Contrainte capacitive au premier tour d'enroulement
Aux fréquences de commutation utilisées dans les variateurs PWM, l'inductance distribuée et la capacité tour à tour d'un enroulement de moteur forment une ligne de transmission avec perte. Le front d'onde de tension ne se répartit pas uniformément entre les tours : les premiers tours de l'enroulement doivent absorber une part disproportionnée de la surtension.. C'est le problème du premier tour, et c'est le principal mécanisme de défaillance pour l'isolation des enroulements de moteur dans les applications pilotées par PWM..[2]
2.3 Pourquoi le mode 6 étapes ne résout pas le problème
6-Le fonctionnement pas à pas entraîne le moteur avec une onde quasi carrée à la fréquence fondamentale, éliminant la commutation PWM haute fréquence et ses transitoires associés. Cependant, l'onde quasi carrée est riche en harmoniques d'ordre inférieur - principalement les 5ème et 7ème. Ces harmoniques génèrent des champs magnétiques contrarotatifs dans le stator, produisant des pertes supplémentaires de cuivre et de fer qui augmentent la température du moteur. Dans l'application ESP, une température de fonctionnement plus élevée accélère la dégradation des joints et le vieillissement de l'isolation.[1]
La conclusion est claire: la bonne solution est de ne pas supprimer PWM, mais pour le filtrer efficacement.
03 Conception du filtre: Fréquence de réglage comme paramètre critique
3.1 Ce que doit faire un filtre sinusoïdal
Un filtre sinusoïdal est un filtre LC passe-bas inséré entre la sortie du variateur et les bornes du moteur.. Sa fonction est d'atténuer suffisamment les harmoniques de fréquence de découpage pour que la tension vue par le moteur se rapproche d'une sinusoïde à la fréquence de sortie fondamentale du variateur.. Deux critères de performance ont été fixés pour l'effort de refonte:[1]
- Distorsion harmonique totale de tension à la sortie du filtre: < 3% THDv
- Distorsion harmonique totale actuelle à la sortie de l'onduleur: < 5% THDi
Une contrainte de conception supplémentaire — essentielle pour la fiabilité à long terme — était que le filtre devait limiter la résonance du système. intrinsèquement, sans compter sur des résistances d'amortissement qui ajoutent des pertes d'insertion et génèrent de la chaleur.
3.2 Le problème de résonance avec l’accordage conventionnel
Filtres sinusoïdaux conventionnels pour 60 Les systèmes Hz sont généralement accordés à proximité 600 Hz (la 10ème harmonique). Analyse informatique d'un 200 HP, 480 En, 60 Système ESP Hz avec un 600 Filtre accordé en Hz et un 2 fréquence de commutation de l'onduleur kHz produite 9.1% THDv – pire que la cible et révélateur d’un état de résonance. L'ajout d'un amortissement résistif a réduit la résonance mais pas à un niveau produisant une distorsion acceptable. La conception conventionnelle était fondamentalement inadaptée à cette application.[1]
Figue. 2. Forme d'onde de tension PWM de sortie de l'onduleur et spectre harmonique à 2 fréquence de commutation kHz. THDv ≈ 39.6%. Source: Mirus International.[1]
3.3 La 180 Solution Hz
Lorsque la fréquence accordée a été abaissée à 180 Hz (la 3ème harmonique de 60 Hz), la résonance a disparu même sans résistances d'amortissement. Le THDv de sortie du filtre est tombé en dessous 2% pour les deux 200 HP et le 1,100 Systèmes HP ESP. La 180 La coupure Hz place la fréquence naturelle du filtre bien en dessous des harmoniques porteuses, garantissant une atténuation robuste sur toute la plage de fréquence de commutation, quelles que soient les variations de fréquence porteuse.[1]
Figue. 3. Forme d'onde et spectre de tension de sortie avec 180 Filtre sinusoïdal accordé en Hz. Le THDv chute à environ 1.64% - bien dans le < 3% cible de conception. Source: Mirus International.[1]
3.4 Améliorations des performances secondaires
| Paramètre | Filtre conventionnel (600 Accordage en Hz) | Filtre INVERSINE (180 Accordage en Hz) |
|---|---|---|
| Sortie THDv | ~9,1% (avec résonance) | < 2% |
| Chute de tension d'insertion (pleine charge) | ~10% | < 3% |
| Facteur de puissance à la sortie de l'onduleur | En retard (charge réactive du moteur) | Proche de l'unité (les condensateurs compensent la VAr du moteur) |
| Résistances d'amortissement requises | Oui (encore insuffisant) | Non - amortissement inhérent au réglage LC |
La perte d'insertion inférieure (10% contre. 3%) signifie que le moteur reçoit une tension aux bornes proportionnellement plus élevée à un réglage de sortie donné de l'onduleur, ce qui réduit le courant du moteur et les pertes I²R associées – contribuant directement à une température de fonctionnement plus basse.
Le facteur de puissance proche de l'unité à la sortie de l'onduleur réduit le courant de sortie ASD pour la même puissance à l'arbre., réduisant les pertes de l'onduleur et prolongeant la durée de vie du variateur. Dans les applications ESP où le moteur est dimensionné proche de la valeur nominale ASD, cette réduction de courant peut permettre une augmentation modeste de la vitesse de la pompe – et donc du taux de production.
04 Résultats sur le terrain: Température du moteur comme variable de diagnostic
Un 1,100 HP, 480 En, 60 Filtre Hz INVERSINE (180 Accordage en Hz) a été installé sur un puits qui fonctionnait en mode 6 étapes suite à une défaillance du filtre sinusoïdal. Après l'installation, le variateur est revenu en fonctionnement PWM. La température du moteur de fond a été surveillée en permanence via le package d'instrumentation ESP..[1]
Figue. 4. La 1,100 Filtre sinusoïdal HP INVERSINE AUSF installé sur le site du puits. Source: Mirus International.[1]
4.1 Réduction de la température en régime permanent
Figue. 6. Tendance de la température de fonctionnement du moteur montrant la transition du fonctionnement en 6 étapes au fonctionnement FPWM avec le filtre sinusoïdal INVERSINE. Une 12 La réduction en régime permanent de °F est immédiatement apparente. Source: Mirus International.[1]
La température du moteur en régime permanent a chuté de 249 °F à 237 °F — un 12 °F (environ 5%) réduction - immédiatement après le passage au PWM avec le nouveau filtre. Cette amélioration est imputable à deux facteurs agissant ensemble: élimination du chauffage des 5ème et 7ème harmoniques caractéristiques du fonctionnement en 6 étapes, et les pertes de cuivre réduites résultant d'un courant moteur plus faible à une tension aux bornes améliorée.
4.2 Réduction des pics de température de démarrage
Les transitoires de démarrage sont particulièrement dommageables pour les moteurs ESP en raison d'un mode de défaillance spécifique lié à la section du joint du moteur.. Au démarrage, la température du moteur augmente fortement car le courant est bien supérieur à la valeur nominale. La température élevée provoque l'expansion de l'huile moteur contenue dans la garniture mécanique et son évacuation dans le puits de forage.. Pendant que le moteur refroidit après l'arrêt, le pétrole en contraction aspire le fluide du puits de forage (avec ses solides et corrosifs) de retour dans le sceau. Des cycles thermiques répétés contaminent progressivement le joint, usure accélérée.[1]
Figue. 7. Température du moteur pendant les cycles marche-arrêt, comparaison de 6 étapes et PWM avec le filtre INVERSINE. La 39 La réduction de °F des pics de température de démarrage réduit directement la contrainte thermique sur la section du joint auto-égalisant. Source: Mirus International.[1]
4.3 Amélioration du taux de production
Le site de puits spécifique dans l'étude de cas ne disposait pas d'une combinaison pompe/moteur suffisamment grande pour exploiter la réduction de courant due au facteur de puissance amélioré.. Cependant, lorsqu'un filtre similaire a été installé sur un deuxième site de puits, une augmentation de 125 barils par jour (TPB) de la production totale de fluide a été rapportée - le résultat direct de la possibilité de pousser la pompe à une vitesse légèrement plus élevée avec la marge libérée par le courant ASD réduit.[1]
4.4 Comparaison de la qualité des formes d'onde
Figue. 5. Comparaison de la forme d'onde de tension aux bornes du moteur: nouveau 180 Filtre accordé en Hz (haut, sinus propre) contre. filtre conventionnel (bas, ondulation PWM résiduelle visible). Source: Mirus International.[1]
05 La perspective de la qualité de l’énergie: Ce qu’illustre cette étude de cas
Un historique de la qualité de l'énergie électrique donne une perspective différente sur ce qui s'est passé dans le champ pétrolifère du Montana. La séquence de défaillances n'était pas simplement un problème de qualité du produit avec les filtres sinusoïdaux d'origine : il s'agissait d'un problème de résonance du système que l'approche conventionnelle de conception de filtre n'avait pas réussi à anticiper..
5.1 Le paradoxe de la conformité dans la conception des filtres ESP
Conceptions de filtres sinusoïdaux conventionnels pour 60 Les applications industrielles Hz se rapprochent 600 Hz. Ce choix fonctionne de manière acceptable sur des charges de moteur standard avec des câbles courts. Dans l'application ESP, le long câble de fond modifie considérablement l'impédance vue aux bornes de sortie de l'onduleur. Le système moteur-câble possède ses propres fréquences de résonance, et celles-ci peuvent tomber près de la fréquence d'accord du filtre, transformant le filtre d'un atténuateur en un amplificateur à ces fréquences.. Une 9.1% Résultat THDv avec un “standard” le filtre n'est pas un filtre défectueux; il s'agit d'un filtre correctement fabriqué fonctionnant dans un système pour lequel il n'a pas été conçu.[1]
5.2 Mesures thermiques comme outil de diagnostic PQ
L'étude de cas utilise la température continue du moteur de fond comme principale mesure de validation - et non les mesures du spectre harmonique., pas les données de l'analyseur de puissance. Ceci est pragmatiquement correct pour l'application ESP: les mesures PQ en fond de trou sont difficiles et coûteuses à obtenir, mais les capteurs de température font partie intégrante de l'ensemble d'instruments ESP et fournissent une information en temps réel., mesure intégrée du stress moteur. La 39 La réduction en °F des pics de température de démarrage est un indicateur plus significatif de l'amélioration de la santé du moteur que n'importe quel nombre THD mesuré à la surface..
Du point de vue de la méthodologie de mesure PQ, cela illustre un principe important: choisissez la métrique la plus proche de la conséquence que vous essayez d'éviter. Dans ce cas,, cette métrique est la température du moteur, pas de distorsion de tension.
5.3 La nature bilatérale de la qualité de l’alimentation du VFD
Articles 1 et 2 dans cette série a abordé les problèmes harmoniques sur le fournir côté d'un VFD - les harmoniques de courant injectées par le redresseur à 6 impulsions, et l'interaction de ces harmoniques avec les condensateurs de correction du facteur de puissance. Cette étude de cas se trouve du côté opposé du même appareil: les problèmes de qualité de tension de sortie créés par l'onduleur PWM.
Les deux côtés de l’affaire VFD. Les harmoniques côté alimentation affectent la qualité de l’alimentation du réseau et les autres équipements partageant le même bus. Les harmoniques côté sortie affectent directement le moteur entraîné. Un traitement complet de la qualité de l’alimentation du VFD nécessite de prendre en compte à la fois. Article 4 dans cette série, nous poursuivrons ce thème, examiner le redresseur à 6 impulsions comme un victime plutôt qu'une source - en particulier, comment une mauvaise qualité de la tension d'alimentation dégrade les performances du redresseur et affecte le bus CC vu par l'onduleur.
Références
- [1] Mirus International Inc., “Le filtre sinusoïdal INVERSINE résout les pannes de moteur ESP,” Étude de cas d'application, Brampton, Ontario, Canada. Disponible: mirusinternational.com
- [2] Une. von Jouanne, D. Rendusara, P. Enjeti, et J. Gris, “Techniques de filtrage pour minimiser l'effet des longs câbles de moteur sur les systèmes d'entraînement de moteur à courant alternatif alimentés par un inverseur PWM,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 32, pas. 4, pp. 919–926, Juil./Août. 1996.