साइनवेव फ़िल्टर बनाम. लंबी-केबल वीएफडी अनुप्रयोगों के लिए डीवी/डीटी फ़िल्टर: आमने-सामने की फ़ील्ड तुलना - मिरस इंटरनेशनल

01 संचालन प्रसंग: डाउनहोल मोटर्स, 800-फुट केबल्स, और आवर्ती विफलताएँ

सैन एंटोनियो जल प्राधिकरण जल लिफ्ट स्टेशन संचालित करता है जो डाउनहोल पंप मोटर्स को नियंत्रित करने के लिए परिवर्तनीय आवृत्ति ड्राइव का उपयोग करता है. मोटरें लगभग स्थापित हैं 800 पैर (245 एम) below ground — a cable run that is long enough to create significant VFD output waveform problems even when the drive itself is operating perfectly. छह समान स्थापनाओं में बार-बार मोटर और पंप विफलता का सामना करना पड़ रहा था, की विफलताओं के बीच औसत समय के साथ 6 से 12 महीने. विफल उपकरण के विफलता के बाद के निरीक्षण से दो अलग-अलग क्षति के संकेत सामने आए: घुमावदार फ़्लैशओवर (विभेदक मोड ढांकता हुआ तनाव का संकेत) और बांसुरी बजाते हुए (सामान्य मोड करंट का संकेत).[1]

प्रत्येक इंस्टॉलेशन एक मानक एलआरसी डीवी/डीटी फिल्टर से सुसज्जित था - लंबे वीएफडी केबल रन के लिए पारंपरिक समाधान. डीवी/डीटी फिल्टर ने विफलताओं को नहीं रोका था. The question being investigated was whether a sinewave filter would perform better, और यदि तो, कितना - निर्माता विनिर्देश के बजाय प्रत्यक्ष क्षेत्र माप द्वारा मात्राबद्ध.

02 एक dV/dT फ़िल्टर क्या करता है - और क्या नहीं करता है

2.1 डीवी/डीटी फ़िल्टर तंत्र

एक dV/dT फ़िल्टर VFD आउटपुट और मोटर केबल के बीच डाला गया एक LRC नेटवर्क है. इसका उद्देश्य प्रत्येक पीडब्लूएम वोल्टेज पल्स के वृद्धि समय को धीमा करना है - डीवी/डीटी को कम करना (वोल्टेज परिवर्तन की दर) - ताकि पल्स केबल और मोटर प्रतिबाधा के लिए एक चरण फ़ंक्शन की तरह कम दिखाई दे. द्वितीयक सर्किट की प्राकृतिक गुंजयमान आवृत्ति को अलग करके, यह परावर्तित तरंग ओवरवोल्टेज और अनुनाद स्थितियों की गंभीरता को कम करता है.[1]

यह क्या नहीं करता: यह PWM तरंगरूप को समाप्त नहीं करता है. आउटपुट अभी भी दालों की एक श्रृंखला है - उनके किनारों पर धीमी, लेकिन अभी भी सकारात्मक और नकारात्मक डीसी बस स्तरों के बीच स्विच हो रहा है 2 kHz. केबल और मोटर इन्सुलेशन पर मौलिक पीडब्लूएम अंतर तनाव कम हो गया है लेकिन समाप्त नहीं हुआ है. स्विचिंग आवृत्ति से जुड़ा उच्च-आवृत्ति वर्तमान हार्मोनिक अभी भी मोटर पर मौजूद है.

2.2 सामान्य मोड समस्या - जिसे dV/dT संबोधित नहीं करता है

Common mode current in a VFD system flows from all three output phases simultaneously through stray capacitance to ground — through the cable jacket, मोटर फ्रेम, बीयरिंग, और सिस्टम ग्राउंड के लिए कोई अन्य संचालन पथ. It is distinct from differential mode (phase-to-phase) वर्तमान. Common mode current through motor bearings produces electrical discharge machining (ईडीएम) of the bearing races — a damage pattern called fluting, which was observed in the failed bearings at San Antonio.[1]

As Eaton’s Application Paper AP043001EN notes, a dV/dT filter may not be the best choice for common mode control, and a sinewave filter may be more appropriate. For longer cables, common mode current bleeds off along the cable length, making it lower at the motor than at shorter cable lengths — but with an 800-foot cable, the common mode current distribution and its bearing impact is complex and not simply reduced by cable length alone.[1][2]

03 फ़ील्ड परीक्षण प्रोटोकॉल: तीन माप बिंदु, एक अभियान

परीक्षण मार्च को आयोजित किया गया था 31, 2016 माइक मैकग्रा द्वारा (एनएसओईएम इंक.) और एरोन सेकुला (फाइव स्टार इलेक्ट्रिक), AEMC का उपयोग करना 8335 विद्युत गुणवत्ता मीटर - विशेष रूप से इसलिए चुना गया क्योंकि यह सटीकता से मापता है 3 kHz (50वाँ हार्मोनिक), को कवर करना 2 kHz स्विचिंग फ़्रीक्वेंसी हार्मोनिक्स जो इस एप्लिकेशन में प्रमुख मुद्दा है. परीक्षण ने तीन अनुक्रमिक बिंदुओं पर तरंगरूप और हार्मोनिक स्थितियों को मापा:[1]

• बिंदु 1: वीएफडी इन्वर्टर आउटपुट - मौजूदा डीवी/डीटी फिल्टर का अपस्ट्रीम (बेसलाइन ड्राइव प्रदर्शन)
• बिंदु 2: मौजूदा dV/dT फ़िल्टर का आउटपुट (वर्तमान मानक स्थापना प्रदर्शन)
• बिंदु 3: मिरस इनवर्साइन एयूएसएफ साइनवेव फिल्टर का आउटपुट, dV/dT फ़िल्टर के स्थान पर स्थापित किया गया

अंजीर. 1. सैन एंटोनियो जल प्राधिकरण जल लिफ्ट स्टेशन - परीक्षण किए गए छह समान वीएफडी-संचालित डाउनहोल पंप प्रतिष्ठानों में से एक. स्रोत: मिरस इंटरनेशनल / एनएसओईएम इंक.[1]

3.1 बिंदु 1 - वीएफडी आउटपुट बेसलाइन

इन्वर्टर आउटपुट माप ने सामान्य ड्राइव ऑपरेशन की पुष्टि की - कोई प्रतिध्वनि नहीं, चरण असंतुलन, या अन्य दोष स्थितियाँ. वीएफडी विनिर्देश के भीतर प्रदर्शन कर रहा था. ड्राइव आउटपुट पर विशेषता सॉटूथ वर्तमान तरंग और उच्च टीएचडीवी ठीक से संचालन के विशिष्ट हैं 2 kHz PWM इन्वर्टर.[1]

का सच्चा पावर फैक्टर 0.575 बनाम. का विस्थापन पावर फैक्टर 0.785 महत्वपूर्ण हार्मोनिक प्रतिक्रियाशील शक्ति को इंगित करता है (केवीएआर = 100.4) being drawn — typical of a VFD output circuit with the dV/dT filter capacitive reactance downstream of the measurement point contributing to the reactive power measurement.

04 मापे गए परिणाम: संख्याएँ कहानी बताती हैं

4.1 बिंदु 2 - डीवी/डीटी फिल्टर आउटपुट

DV/dT फ़िल्टर ने वोल्टेज विरूपण में केवल मामूली सुधार उत्पन्न किया - THDv ~38% से गिरकर ~34% हो गया. वर्तमान तरंगरूप अभी भी पीडब्लूएम स्विचिंग की एक सॉटूथ पैटर्न विशेषता प्रदर्शित करता है. उच्च-आवृत्ति वर्तमान हार्मोनिक पर 2 kHz स्विचिंग आवृत्ति मौजूद रही. ट्रू पावर फैक्टर में मामूली सुधार हुआ 0.575 से 0.597.[1]

4.2 बिंदु 3 - इनवर्साइन साइनवेव फ़िल्टर आउटपुट

PWM तरंग को फ़िल्टर आउटपुट पर पूरी तरह से समाप्त कर दिया गया - एक स्वच्छ साइनसॉइड द्वारा प्रतिस्थापित किया गया. वोल्टेज विरूपण कम हो गया 34%+ (डीवी/डीटी) अधिकतम तक 4.17% सभी चरणों में - 87.9-90.9% की कमी. प्रतिक्रियाशील बिजली की खपत में गिरावट आई 96.39 केवीएआर दो 28.73 बाएं, एक 70.1% कमी, से ट्रू पावर फैक्टर में सुधार 0.597 से 0.660.[1]

4.3 पूरी तुलना

4.4 4 साल का अनुवर्ती

इस मामले के अध्ययन में सबसे सम्मोहक डेटा बिंदु परीक्षण के समय नहीं बल्कि चार साल बाद दर्ज किया गया था. इनवर्साइन फ़िल्टर सभी छह लिफ्ट स्टेशन साइटों पर तैनात किए गए थे 2016. दिसंबर तक 2020 - लेखन के समय - छह साइटों में से किसी पर भी शून्य मोटर या पंप पैकेज विफलता दर्ज की गई थी. की विफलताओं के बीच पिछले औसत समय के विपरीत 6 से 12 महीने, यह चार साल की अवलोकन अवधि में आवर्ती विफलता मोड के पूर्ण उन्मूलन का प्रतिनिधित्व करता है.[1]

05 उलटा अंतर: ट्यूनिंग आवृत्ति मुख्य चर है

The INVERSINE AUSF is not simply a sinewave filter — it is a sinewave filter with a fundamentally different tuning approach from conventional products. सैन एंटोनियो में देखा गया प्रदर्शन अंतर इस ट्यूनिंग विकल्प का प्रत्यक्ष परिणाम था.[1]

5.1 क्यों 600 हर्ट्ज़ ट्यूनिंग अपर्याप्त है

अधिकांश साइनवेव फ़िल्टर के लिए 60 हर्ट्ज अनुप्रयोगों को निकट से ट्यून किया जाता है 600 हर्ट्ज - 10वां हार्मोनिक. यह फ़िल्टर कटऑफ़ आवृत्ति को मौलिक से काफी ऊपर लेकिन ड्राइव की स्विचिंग आवृत्ति से नीचे रखता है. तथापि, 600 हर्ट्ज़ स्विचिंग आवृत्ति क्षेत्र के काफी करीब है जिस पर स्विचिंग-फ़्रीक्वेंसी हार्मोनिक्स है 2 kHz और उससे ऊपर पूरी तरह से क्षीण नहीं हुए हैं. अवशिष्ट उच्च-आवृत्ति वोल्टेज सामग्री फ़िल्टर आउटपुट में बनी रहती है - 50वें हार्मोनिक से ऊपर मापने योग्य (3,000 ए पर हर्ट्ज 60 हर्ट्ज प्रणाली). यह अवशिष्ट सामग्री द्वितीयक सर्किट पर ढांकता हुआ और थर्मल तनाव लागू करना जारी रखती है.

5.2 इनवर्साइन ट्यूनिंग दृष्टिकोण - लगभग 180 हर्ट्ज

इनवर्साइन को लगभग 3× मौलिक आवृत्ति - के आसपास ट्यून किया गया है 180 ए पर हर्ट्ज 60 हर्ट्ज प्रणाली. यह पूरा एक दशक नीचे है 2 kHz स्विचिंग आवृत्ति, सभी स्विचिंग-फ़्रीक्वेंसी हार्मोनिक्स का कहीं अधिक गहरा क्षीणन प्रदान करना. परिणाम एक फ़िल्टर आउटपुट है जो मिलता है <5% 100वें हार्मोनिक तक मापे जाने पर भी THDv (6,000 ए पर हर्ट्ज 60 हर्ट्ज प्रणाली) - कुछ पारंपरिक 600 हर्ट्ज़-ट्यून्ड फ़िल्टर शायद ही कभी 50वें हार्मोनिक से ऊपर पहुँचते हैं.[1]

अंजीर. 2. तीन-तरफ़ा साइनवेव फ़िल्टर आउटपुट तुलना: मृत्यु उलटा (नीला) बनाम. प्रतियोगी 1 (लाल) बनाम. प्रतियोगी 2 (काला). इनवर्साइन ट्यूनिंग के साथ उच्च-आवृत्ति वोल्टेज शोर का उन्मूलन स्पष्ट रूप से दिखाई देता है. पारंपरिक 600 हर्ट्ज़-ट्यून्ड फ़िल्टर अवशिष्ट उच्च-आवृत्ति तरंग दिखाते हैं. स्रोत: मिरस इंटरनेशनल.[1]

5.3 अतिरिक्त इनवर्साइन लाभ बनाम. पारंपरिक साइनवेव फिल्टर

• पावर फैक्टर सुधार: इनवर्साइन कैपेसिटर मोटर की अधिकांश प्रेरक प्रतिक्रियाशील शक्ति की आपूर्ति करने के लिए आकार में हैं, इन्वर्टर आउटपुट पर विस्थापन पीएफ को एकता के करीब सुधारना. पारंपरिक फिल्टर पीएफ सुधार के लिए डिज़ाइन नहीं किए गए हैं - मोटर पीएफ धीमा रहता है.
• कम प्रविष्टि हानि: INVERSINE voltage drop is below 3%, बनाम. 5प्रतिस्पर्धी फ़िल्टर के लिए -12%. कम प्रविष्टि हानि का मतलब है कि मोटर को उच्च टर्मिनल वोल्टेज प्राप्त होता है, वर्तमान और संबंधित हानियों को कम करना.
• कोई अवमंदन अवरोधक नहीं: निचली ट्यूनिंग आवृत्ति उन अनुनाद स्थितियों को समाप्त कर देती है जिनके लिए पारंपरिक डिजाइनों में भिगोना प्रतिरोधों की आवश्यकता होती है. प्रतिरोधक सम्मिलन हानि जोड़ते हैं और गर्मी उत्पन्न करते हैं - इनवर्साइन में उनकी अनुपस्थिति इसे अधिक कुशल और सरल बनाती है.
• प्राकृतिक संवहन शीतलन: The lower loss design allows natural convection cooling rather than fan cooling required by some competing products — reducing maintenance requirements.
• Efficiency advantage: 1.5प्रतिस्पर्धी साइनवेव फिल्टर की तुलना में -2% अधिक कुशल, परिचालन लागत को सीधे कम करना.

06 विद्युत गुणवत्ता परिप्रेक्ष्य: यह केस स्टडी क्या दर्शाती है

6.1 आंशिक समाधान के रूप में dV/dT फ़िल्टर

सैन एंटोनियो मामला मापा डेटा के साथ दर्शाता है कि इस श्रृंखला में पहले ईएसपी मोटर केस अध्ययन ने सैद्धांतिक रूप से क्या स्थापित किया था: लंबे वीएफडी केबल अनुप्रयोगों के लिए डीवी/डीटी फिल्टर एक अधूरा समाधान है. यह वोल्टेज पल्स के dV/dt को कम करता है और इस तरह परावर्तित तरंग ओवरवॉल्टेज को कम करता है - लेकिन यह PWM तरंग को समाप्त नहीं करता है, और यह उच्च-आवृत्ति वोल्टेज स्विचिंग सामग्री से जुड़े निरंतर अंतर मोड ढांकता हुआ तनाव को संबोधित नहीं करता है.

डीवी/डीटी फ़िल्टर 34% THDv आउटपुट बनाम. इनवर्साइन का 4% THDv आउटपुट इस कहानी को सीधे बताता है. एक 34% THDv at the motor terminals means the motor insulation system is continuously stressed by voltage harmonics far above its design operating condition. भले ही व्यक्तिगत पल्स ओवरवॉल्टेज कम हो जाए, 6-12 महीने की अवधि में संचयी ढांकता हुआ तनाव वाइंडिंग फ्लैशओवर विफलता का कारण बनने के लिए पर्याप्त है.

6.2 परिणाम द्वारा निर्दिष्ट करना, परंपरा से नहीं

इस केस अध्ययन का निष्कर्ष एक विशिष्ट विनिर्देश अनुशंसा है: लंबे केबल रन वाले वीएफडी/एएसडी सेकेंडरी सर्किट के लिए, अधिकतम THDv ≤ निर्दिष्ट करें 5% और अधिकतम THDi ≤ 8% मोटर टर्मिनलों पर पूर्ण लोड पर - सरलता से नहीं “एक dV/dT फ़िल्टर स्थापित करें।” A performance specification forces the solution to address the actual problem rather than applying a conventional answer that may be inadequate for the specific application conditions.

6.3 निर्माता के दावों पर फ़ील्ड परीक्षण का मामला

सैन एंटोनियो परीक्षण स्पष्ट रूप से निर्माता विनिर्देशों पर भरोसा करने के बजाय मापा फ़ील्ड डेटा उत्पन्न करने के लिए डिज़ाइन किया गया था. जैसा कि लेखकों ने उल्लेख किया है, dV/dT filter literature often makes claims about common mode reduction and motor life extension without providing the technical data to support them. तीन-बिंदु माप प्रोटोकॉल - इन्वर्टर आउटपुट, डीवी/डीटी आउटपुट, साइनवेव फ़िल्टर आउटपुट - एक ही ड्राइव और केबल पर समान परिचालन स्थितियों के तहत सीधे तुलनीय डेटा का उत्पादन करता है. प्रतिस्पर्धी फ़िल्टर प्रौद्योगिकियों का मूल्यांकन करने का यह सही तरीका है, और परिणाम स्पष्ट था.

सन्दर्भ

1. [1] एम. मैकग्रा (एनएसओईएम इंक. / मिरस इंटरनेशनल) and A. कभी नहीं (फाइव स्टार इलेक्ट्रिक), “मिरस सीरीज़ एयूएसएफ इनवर्सिन साइनवेव फ़िल्टर बनाम डीवी/डीटी फ़िल्टर चर्चा: सैन एंटोनियो जल प्राधिकरण मामले की समीक्षा,” तकनीकी मामले की समीक्षा, मिरस इंटरनेशनल इंक., Brampton, ओंटारियो, कनाडा, दिसंबर 2020. उपलब्ध: mirusinternational.com/inversine
2. [2] ईटन कॉर्पोरेशन, “एएफडी के साथ डीवी/डीटी फ़िल्टर लागू करना,” आवेदन पत्र AP043001EN, सितंबर से प्रभावी 2014.