ईएसपी मोटर सुरक्षा के लिए साइनवेव फिल्टर: फ़िल्टर डिज़ाइन और मोटर थर्मल रिस्पांस में एक फील्ड केस स्टडी - मिरस इंटरनेशनल

01 संचालन प्रसंग: ईएसपी और कृत्रिम लिफ्ट समस्या

ऊपर 90% दुनिया भर में तटवर्ती और अपतटीय तेल कुओं को उत्पादन बनाए रखने के लिए किसी न किसी रूप में कृत्रिम लिफ्ट की आवश्यकता होती है. सबसे व्यापक रूप से प्रयुक्त तकनीक इलेक्ट्रिकल सबमर्सिबल पंप है (ईएसपी) - डाउनहोल इंडक्शन मोटर द्वारा संचालित एक मल्टीस्टेज सेंट्रीफ्यूगल पंप, एक समायोज्य गति ड्राइव द्वारा सतह से नियंत्रित (एएसडी).[1]

यह संयोजन दो अलग-अलग बिजली गुणवत्ता समस्याएं पैदा करता है जो एएसडी के विपरीत छोर पर बैठती हैं:

• इनपुट पक्ष: एएसडी का 6-पल्स फ्रंट-एंड रेक्टिफायर विशिष्ट वर्तमान हार्मोनिक्स को इंजेक्ट करता है (5वें, 7वें, 11वें, 13वां…) आपूर्ति नेटवर्क में वापस - अच्छी तरह से समझे गए शमन विकल्पों के साथ एक अच्छी तरह से समझी जाने वाली समस्या.
• आउटपुट पक्ष: पीडब्लूएम इन्वर्टर चरण एक उच्च-आवृत्ति स्विच्ड वोल्टेज तरंग उत्पन्न करता है - जब एक लंबी मोटर केबल पर लागू किया जाता है - वोल्टेज ओवरशूट उत्पन्न करता है, परावर्तित तरंग क्षणिकाएँ, और डाउनहोल मोटर में हार्मोनिक-प्रेरित हीटिंग.

मोंटाना के एक तेल क्षेत्र में, दूसरी समस्या के समाधान के लिए सभी पीडब्लूएम-संचालित ईएसपी आउटपुट साइनवेव फिल्टर से लैस थे. इस एहतियात के बावजूद, साइनवेव फ़िल्टर स्वयं विफल होने लगे - अक्सर स्थापना के छह महीने के भीतर. जब फ़िल्टर विफल हो गए, ऑपरेटरों को ड्राइव को 6-स्टेप मोड पर स्विच करने के लिए मजबूर किया गया (कोई पीडब्लूएम नहीं, कोई साइनवेव फ़िल्टर की आवश्यकता नहीं है), जिसने परावर्तित-तरंग समस्या को समाप्त कर दिया लेकिन तनावों का एक अलग सेट पेश किया. 6-स्टेप मोड में मोटरें अधिक गर्म चलती हैं, और मोटर विफलताएँ जारी रहीं.[1]

अंजीर. 1. वोल्टेज (शीर्ष) और वर्तमान (तल) मोटर विफलता के समय 6-चरणीय ईएसपी पर. पूर्व-दोष अवधि में निरंतर ओवरवॉल्टेज बजने पर ध्यान दें. स्रोत: मिरस इंटरनेशनल केस स्टडी.[1]

02 समस्या शरीर रचना: सबमर्सिबल मोटर्स पर पीडब्लूएम सख्त क्यों है?

2.1 परावर्तित तरंग तंत्र

एक पीडब्लूएम इन्वर्टर अपने डीसी बस वोल्टेज को वाहक आवृत्ति पर आउटपुट टर्मिनलों पर स्विच करता है - आमतौर पर 2 से 8 ईएसपी ड्राइव के लिए kHz, उस सीमा के निचले सिरे का उपयोग करके बड़ी ड्राइव के साथ. प्रत्येक स्विचिंग संक्रमण एक बहुत तेज़ वोल्टेज चरण है (उच्च डीवी/डीटी). जब यह चरण ड्राइव को मोटर से जोड़ने वाले केबल के साथ फैलता है, यह मोटर टर्मिनलों पर प्रतिबाधा असंततता का सामना करता है. परिणामी वोल्टेज प्रतिबिंब डीसी बस वोल्टेज के दोगुने तक पहुंचने वाले चरम वोल्टेज का उत्पादन कर सकता है.[2]

एक मानक के लिए 480 वी ड्राइव, डीसी बस पास बैठती है 675 में. इसलिए एक परावर्तित तरंग ओवरशूट क्षण भर के लिए मोटर वाइंडिंग इन्सुलेशन पर 1,200-1,350 V लगा सकता है - जो इन्वर्टर ड्यूटी के लिए रेटेड मोटरों की डिजाइन झेलने की क्षमता से काफी ऊपर है।.

2.2 पहले घुमावदार मोड़ पर कैपेसिटिव तनाव

PWM ड्राइव में उपयोग की जाने वाली स्विचिंग आवृत्तियों पर, मोटर वाइंडिंग का वितरित इंडक्शन और टर्न-टू-टर्न कैपेसिटेंस एक हानिपूर्ण ट्रांसमिशन लाइन बनाता है. वोल्टेज वेवफ्रंट घुमावों में समान रूप से वितरित नहीं होता है - वाइंडिंग के पहले कुछ घुमावों को उछाल के अनुपातहीन हिस्से को अवशोषित करना चाहिए. यह पहली बारी की समस्या है, और यह पीडब्लूएम-संचालित अनुप्रयोगों में मोटर वाइंडिंग इन्सुलेशन के लिए प्राथमिक विफलता तंत्र है.[2]

2.3 6-स्टेप मोड समस्या का समाधान क्यों नहीं करता?

6-स्टेप ऑपरेशन मोटर को मौलिक आवृत्ति पर अर्ध-वर्ग तरंग के साथ चलाता है, उच्च-आवृत्ति पीडब्लूएम स्विचिंग और उससे जुड़े क्षणिक तत्वों को समाप्त करना. तथापि, अर्ध-वर्ग तरंग निम्न-क्रम हार्मोनिक्स में समृद्ध है - मुख्य रूप से 5वीं और 7वीं. ये हार्मोनिक्स स्टेटर में काउंटर-रोटेटिंग चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करते हैं, तांबे और लोहे की अतिरिक्त हानि उत्पन्न होती है जिससे मोटर का तापमान बढ़ जाता है. ईएसपी एप्लिकेशन में, उच्च परिचालन तापमान सील के क्षरण और इन्सुलेशन की उम्र बढ़ने को तेज करता है.[1]

निष्कर्ष स्पष्ट है: पीडब्लूएम को हटाना सही समाधान नहीं है, लेकिन इसे प्रभावी ढंग से फ़िल्टर करने के लिए.

03 फ़िल्टर डिज़ाइन: महत्वपूर्ण पैरामीटर के रूप में ट्यूनिंग फ़्रीक्वेंसी

3.1 साइनवेव फ़िल्टर को क्या करना चाहिए

साइनवेव फ़िल्टर एक कम-पास एलसी फ़िल्टर है जो इन्वर्टर आउटपुट और मोटर टर्मिनलों के बीच डाला जाता है. इसका कार्य स्विचिंग-आवृत्ति हार्मोनिक्स को पर्याप्त रूप से क्षीण करना है ताकि मोटर द्वारा देखा जाने वाला वोल्टेज मौलिक ड्राइव आउटपुट आवृत्ति पर एक साइनसॉइड का अनुमान लगा सके।. रीडिज़ाइन प्रयास के लिए दो प्रदर्शन मानदंड निर्धारित किए गए थे:[1]

• फ़िल्टर आउटपुट पर वोल्टेज कुल हार्मोनिक विरूपण: < 3% टीएचडीवी
• इन्वर्टर आउटपुट पर वर्तमान कुल हार्मोनिक विरूपण: < 5% टी.एच.डी.आई

एक अतिरिक्त डिज़ाइन बाधा - दीर्घकालिक विश्वसनीयता के लिए महत्वपूर्ण - यह थी कि फ़िल्टर को सिस्टम अनुनाद को सीमित करना चाहिए स्वाभाविक, डैम्पिंग रेसिस्टर्स पर भरोसा किए बिना जो सम्मिलन हानि जोड़ते हैं और गर्मी उत्पन्न करते हैं.

3.2 पारंपरिक ट्यूनिंग के साथ अनुनाद समस्या

के लिए पारंपरिक साइनवेव फ़िल्टर 60 हर्ट्ज सिस्टम आमतौर पर निकट ट्यून किए जाते हैं 600 हर्ट्ज (10वाँ हार्मोनिक). ए का कंप्यूटर विश्लेषण 200 हिमाचल प्रदेश, 480 में, 60 एक के साथ हर्ट्ज ईएसपी प्रणाली 600 हर्ट्ज ट्यून्ड फ़िल्टर और ए 2 kHz इन्वर्टर स्विचिंग आवृत्ति उत्पन्न हुई 9.1% टीएचडीवी - लक्ष्य से भी बदतर और अनुनाद स्थिति का संकेतक. प्रतिरोधक अवमंदन जोड़ने से प्रतिध्वनि कम हो गई लेकिन उस स्तर तक नहीं जिससे स्वीकार्य विकृति उत्पन्न हो. पारंपरिक डिज़ाइन इस एप्लिकेशन के लिए मौलिक रूप से अनुपयुक्त था.[1]

अंजीर. 2. इन्वर्टर आउटपुट पीडब्लूएम वोल्टेज तरंग और हार्मोनिक स्पेक्ट्रम 2 kHz स्विचिंग आवृत्ति. टीएचडीवी ≈ 39.6%. स्रोत: मिरस इंटरनेशनल.[1]

3.3 The 180 हर्ट्ज समाधान

जब ट्यून की गई आवृत्ति को कम कर दिया गया 180 हर्ट्ज (का तीसरा हार्मोनिक 60 हर्ट्ज), प्रतिरोधों को भिगोने के बिना भी प्रतिध्वनि गायब हो गई. फ़िल्टर आउटपुट THDv नीचे चला गया 2% दोनों के लिए 200 एचपी और 1,100 एचपी ईएसपी सिस्टम. The 180 हर्ट्ज कटऑफ फिल्टर की प्राकृतिक आवृत्ति को वाहक हार्मोनिक्स से काफी नीचे रखता है, वाहक आवृत्ति भिन्नताओं की परवाह किए बिना संपूर्ण स्विचिंग-आवृत्ति रेंज में मजबूत क्षीणन सुनिश्चित करना.[1]

अंजीर. 3. आउटपुट वोल्टेज तरंगरूप और स्पेक्ट्रम के साथ 180 हर्ट्ज ट्यून्ड साइनवेव फ़िल्टर. THDv लगभग गिर जाता है 1.64% -अच्छी तरह से भीतर < 3% डिजाइन लक्ष्य. स्रोत: मिरस इंटरनेशनल.[1]

3.4 माध्यमिक प्रदर्शन में सुधार

निम्न प्रविष्टि हानि (10% बनाम. 3%) इसका मतलब है कि किसी दिए गए इन्वर्टर आउटपुट सेटिंग पर मोटर को आनुपातिक रूप से उच्च टर्मिनल वोल्टेज प्राप्त होता है, जो मोटर करंट और संबंधित I²R हानियों को कम करता है - सीधे ऑपरेटिंग तापमान को कम करने में योगदान देता है.

इन्वर्टर आउटपुट पर निकट-एकता पावर फैक्टर समान शाफ्ट पावर के लिए एएसडी आउटपुट करंट को कम करता है, इन्वर्टर के नुकसान को कम करना और ड्राइव सेवा जीवन को बढ़ाना. ईएसपी अनुप्रयोगों में जहां मोटर का आकार एएसडी रेटिंग के करीब होता है, यह वर्तमान कमी पंप गति में मामूली वृद्धि की अनुमति दे सकती है - और इसलिए उत्पादन दर.

04 फ़ील्ड परिणाम: डायग्नोस्टिक वेरिएबल के रूप में मोटर तापमान

एक 1,100 हिमाचल प्रदेश, 480 में, 60 हर्ट्ज इन्वर्सिन फ़िल्टर (180 हर्ट्ज ट्यूनिंग) एक कुएं पर स्थापित किया गया था जो साइनवेव फिल्टर विफलता के बाद 6-स्टेप मोड में काम कर रहा था. स्थापना के बाद, ड्राइव को वापस PWM ऑपरेशन पर स्विच कर दिया गया. ईएसपी इंस्ट्रुमेंटेशन पैकेज के माध्यम से डाउनहोल मोटर तापमान की लगातार निगरानी की गई.[1]

अंजीर. 4. The 1,100 एचपी इनवर्साइन एयूएसएफ साइनवेव फिल्टर वेलसाइट पर स्थापित किया गया है. स्रोत: मिरस इंटरनेशनल.[1]

4.1 स्थिर-अवस्था तापमान में कमी

अंजीर. 6. मोटर परिचालन तापमान प्रवृत्ति, इनवर्साइन साइनवेव फ़िल्टर के साथ 6-चरण से एफपीडब्ल्यूएम ऑपरेशन में संक्रमण दिखा रही है. एक 12 °F स्थिर-अवस्था में कमी तुरंत स्पष्ट है. स्रोत: मिरस इंटरनेशनल.[1]

स्थिर-अवस्था मोटर का तापमान गिर गया 249 °F से 237 °F - ए 12 °F (लगभग 5%) कमी - नए फ़िल्टर के साथ पीडब्लूएम पर स्विच करने के तुरंत बाद. यह सुधार दो कारकों के एक साथ कार्य करने के कारण है: 5वें और 7वें हार्मोनिक हीटिंग का उन्मूलन जो 6-चरणीय ऑपरेशन की विशेषता है, और बेहतर टर्मिनल वोल्टेज पर कम मोटर करंट के परिणामस्वरूप तांबे की हानि में कमी आई है.

4.2 स्टार्टअप तापमान स्पाइक में कमी

मोटर सील अनुभाग से जुड़े एक विशिष्ट विफलता मोड के कारण ईएसपी मोटर्स के लिए स्टार्टअप ट्रांसिएंट विशेष रूप से हानिकारक होते हैं. स्टार्टअप के दौरान, मोटर का तापमान तेजी से बढ़ जाता है क्योंकि करंट रेटेड से काफी ऊपर होता है. ऊंचे तापमान के कारण यांत्रिक सील में मोटर तेल का विस्तार होता है और वेलबोर में डिस्चार्ज हो जाता है. जैसे मोटर बंद होने के बाद ठंडी हो जाती है, अनुबंधित तेल वेलबोर तरल पदार्थ खींचता है (इसके ठोस और संक्षारक के साथ) वापस सील में. बार-बार थर्मल साइक्लिंग करने से सील धीरे-धीरे प्रदूषित हो जाती है, तेजी से घिसाव.[1]

अंजीर. 7. स्टार्ट-स्टॉप चक्र के दौरान मोटर का तापमान, 6-चरण और PWM की तुलना INVERSINE फ़िल्टर से करना. The 39 स्टार्टअप तापमान स्पाइक्स में °F की कमी सीधे सेल्फ-इक्वलाइज़िंग सील अनुभाग पर थर्मल तनाव को कम करती है. स्रोत: मिरस इंटरनेशनल.[1]

4.3 उत्पादन दर में सुधार

मामले के अध्ययन में विशिष्ट वेलसाइट में पंप/मोटर संयोजन इतना बड़ा नहीं था कि बेहतर पावर फैक्टर से वर्तमान कमी का फायदा उठाया जा सके।. तथापि, जब एक समान फ़िल्टर दूसरे वेलसाइट पर स्थापित किया गया था, की वृद्धि 125 प्रति दिन बैरल (बीपीडी) कुल द्रव उत्पादन की सूचना दी गई - कम एएसडी धारा द्वारा हेडरूम मुक्त होने के साथ पंप को थोड़ी अधिक गति पर धकेलने में सक्षम होने का प्रत्यक्ष परिणाम.[1]

4.4 तरंग गुणवत्ता तुलना

अंजीर. 5. मोटर टर्मिनलों पर वोल्टेज तरंगरूप तुलना: नया 180 हर्ट्ज ट्यून्ड फ़िल्टर (शीर्ष, साफ़ साइन) बनाम. पारंपरिक फिल्टर (तल, अवशिष्ट पीडब्लूएम तरंग दृश्यमान). स्रोत: मिरस इंटरनेशनल.[1]

05 विद्युत गुणवत्ता परिप्रेक्ष्य: यह केस स्टडी क्या दर्शाती है

उपयोगिता बिजली गुणवत्ता पृष्ठभूमि मोंटाना तेल क्षेत्र में जो हुआ उस पर एक अलग दृष्टिकोण देती है. विफलताओं का क्रम केवल मूल साइनवेव फिल्टर के साथ उत्पाद की गुणवत्ता की समस्या नहीं थी - यह एक सिस्टम अनुनाद समस्या थी जिसका अनुमान लगाने में पारंपरिक फिल्टर डिजाइन दृष्टिकोण विफल रहा।.

5.1 ईएसपी फ़िल्टर डिज़ाइन में अनुपालन विरोधाभास

पारंपरिक साइनवेव फ़िल्टर डिज़ाइन 60 हर्ट्ज़ औद्योगिक अनुप्रयोग निकट ट्यून 600 हर्ट्ज. यह विकल्प छोटे केबल वाले मानक मोटर लोड पर स्वीकार्य रूप से काम करता है. ईएसपी एप्लिकेशन में, लंबी डाउनहोल केबल इन्वर्टर आउटपुट टर्मिनलों पर देखी जाने वाली प्रतिबाधा को नाटकीय रूप से बदल देती है. मोटर-केबल प्रणाली की अपनी गुंजयमान आवृत्तियाँ होती हैं, और ये फ़िल्टर की ट्यूनिंग आवृत्ति के निकट आ सकते हैं - उन आवृत्तियों पर फ़िल्टर को एटेन्यूएटर से एम्पलीफायर में बदलना. एक 9.1% टीएचडीवी परिणाम ए के साथ “मानक” फ़िल्टर दोषपूर्ण फ़िल्टर नहीं है; यह एक सही ढंग से निर्मित फ़िल्टर है जो उस सिस्टम में काम कर रहा है जिसके लिए इसे डिज़ाइन नहीं किया गया था.[1]

5.2 पीक्यू डायग्नोस्टिक टूल के रूप में थर्मल माप

केस स्टडी अपने प्राथमिक सत्यापन मीट्रिक के रूप में निरंतर डाउनहोल मोटर तापमान का उपयोग करती है - हार्मोनिक स्पेक्ट्रम माप नहीं, पावर विश्लेषक डेटा नहीं. यह ईएसपी एप्लिकेशन के लिए व्यावहारिक रूप से सही है: डाउनहोल पीक्यू माप प्राप्त करना कठिन और महंगा है, लेकिन तापमान सेंसर ईएसपी इंस्ट्रूमेंटेशन पैकेज का अभिन्न अंग हैं और वास्तविक समय प्रदान करते हैं, मोटर तनाव का एकीकृत माप. The 39 स्टार्टअप तापमान स्पाइक्स में °F की कमी सतह पर मापे गए किसी भी THD नंबर की तुलना में बेहतर मोटर स्वास्थ्य का अधिक सार्थक संकेतक है.

पीक्यू माप पद्धति के दृष्टिकोण से, यह एक महत्वपूर्ण सिद्धांत को दर्शाता है: जिस परिणाम को आप रोकने का प्रयास कर रहे हैं उसके निकटतम मीट्रिक चुनें. इस मामले में, वह मीट्रिक मोटर तापमान है, वोल्टेज विरूपण नहीं.

5.3 वीएफडी बिजली गुणवत्ता की दोतरफा प्रकृति

सामग्री 1 और 2 इस श्रृंखला में हार्मोनिक समस्याओं पर चर्चा की गई आपूर्ति वीएफडी का किनारा - 6-पल्स रेक्टिफायर द्वारा इंजेक्ट किया गया वर्तमान हार्मोनिक्स, और पावर फैक्टर सुधार कैपेसिटर के साथ उन हार्मोनिक्स की बातचीत. यह केस स्टडी उसी डिवाइस के विपरीत दिशा में बैठती है: PWM इन्वर्टर द्वारा उत्पन्न आउटपुट वोल्टेज गुणवत्ता संबंधी समस्याएं.

वीएफडी के दोनों पक्ष मायने रखते हैं. आपूर्ति-पक्ष हार्मोनिक्स नेटवर्क बिजली की गुणवत्ता और एक ही बस को साझा करने वाले अन्य उपकरणों को प्रभावित करते हैं. आउटपुट-साइड हार्मोनिक्स संचालित मोटर को सीधे प्रभावित करते हैं. वीएफडी बिजली गुणवत्ता के संपूर्ण उपचार के लिए दोनों पर विचार करने की आवश्यकता है. लेख 4 इस श्रृंखला में यह विषय जारी रहेगा, 6-पल्स रेक्टिफायर की जांच करना पीड़ित किसी स्रोत के बजाय - विशेष रूप से, खराब आपूर्ति वोल्टेज गुणवत्ता रेक्टिफायर प्रदर्शन को कैसे ख़राब करती है और इन्वर्टर द्वारा देखी जाने वाली डीसी बस को प्रभावित करती है.

सन्दर्भ

1. [1] मिरस इंटरनेशनल इंक., “इनवर्साइन साइनवेव फ़िल्टर ईएसपी मोटर विफलताओं का समाधान करता है,” एप्लीकेशन केस स्टडी, Brampton, ओंटारियो, कनाडा. उपलब्ध: mirusinternational.com
2. [2] एक. वॉन जोआन, डी. रेंडुसरा, पी. Enjeti, and J. स्लेटी, “पीडब्लूएम इन्वर्टर-फेड एसी मोटर ड्राइव सिस्टम पर लंबी मोटर लीड के प्रभाव को कम करने के लिए फ़िल्टरिंग तकनीक,” उद्योग अनुप्रयोगों पर IEEE लेनदेन, उड़ान. 32, नहीं. 4, पीपी. 919-926, जुलाई/अगस्त. 1996.