ESPモーター保護用の正弦波フィルター: フィルター設計とモーターの熱応答におけるフィールドケーススタディ — Mirus International

01 動作コンテキスト: ESPと人工リフトの問題

以上 90% 世界中の陸上および海上油井の数は、生産を維持するために何らかの形の人工揚力を必要としています. 最も広く導入されている技術は電気水中ポンプです。 (超能力者) — ダウンホール誘導モーターによって駆動される多段遠心ポンプ, 可変速ドライブにより表面から制御 (ASD).[1]

この組み合わせにより、ASD の両端に位置する 2 つの異なる電力品質問題が発生します。:

• 入力側: ASD の 6 パルス フロントエンド整流器は、特徴的な電流高調波を注入します。 (5番目の, 7番目の, 11番目の, 13つ…) 供給ネットワークへの復帰 – よく理解された緩和オプションを伴うよく理解された問題.
• 出力側: PWM インバーター段は、長いモーター ケーブルに適用されると、電圧オーバーシュートを引き起こす高周波スイッチング電圧波形を生成します。, 反射波過渡現象, ダウンホールモーター内の高調波による加熱.

モンタナ州の油田にて, すべての PWM 動作 ESP には、2 番目の問題に対処するために出力正弦波フィルターが装備されていました。. このような予防策にもかかわらず, 正弦波フィルター自体が故障し始めました - 多くの場合、設置後 6 か月以内に. フィルターが失敗したとき, オペレーターはドライブを 6 ステップ モードに切り替えることを強制されました (PWMなし, 正弦波フィルターは必要ありません), これにより、反射波の問題は解消されましたが、異なる一連の応力が導入されました。. 6 ステップ モードのモーターはより高温になります, そしてモーターの故障が続いた.[1]

イチジク. 1. 電圧 (トップ) そして現在 (底) モーター故障時の 6 ステップ ESP 上. フォルト前の期間に持続する過電圧リンギングに注意してください。. ソース: ミラス・インターナショナルの事例紹介.[1]

02 問題の解剖学: PWM が水中モーターに厳しい理由

2.1 反射波の仕組み

PWM インバータは、出力端子間の DC バス電圧をキャリア周波数で切り替えます。通常、 2 へ 8 ESPドライブの場合はkHz, より大きなドライブではその範囲の下限を使用. 各スイッチング遷移は非常に高速な電圧ステップです (高いdv/dt). このステップがドライブとモーターを接続するケーブルに沿って伝播すると、, モーター端子でインピーダンスの不連続が発生する. 結果として生じる電圧反射により、DC バス電圧の 2 倍に近いピーク電圧が発生する可能性があります。.[2]

標準の場合 480 Vドライブ, DCバスは近くにあります 675 で. したがって、反射波のオーバーシュートにより、モーター巻線の絶縁に一時的に 1,200 ～ 1,350 V の電圧がかかる可能性があります。これは、インバーターのデューティが定格されていないモーターの設計耐力をはるかに超えています。.

2.2 最初の巻線ターンにおける容量性ストレス

PWMドライブで使用されるスイッチング周波数で, モーター巻線の分布インダクタンスとターン間キャパシタンスが損失の多い伝送線路を形成します。. 電圧波面は巻線全体に均等に分布しません。巻線の最初の数巻はサージの不均衡な部分を吸収する必要があります。. これが第一ターンの問題です, これは、PWM 駆動アプリケーションにおけるモーター巻線絶縁の主な故障メカニズムです。.[2]

2.3 6 ステップ モードでは問題が解決しない理由

6-ステップ動作では、基本周波数の準方形波でモーターを駆動します。, 高周波PWMスイッチングとそれに関連する過渡現象を排除します。. しかしながら, 準方形波には、主に 5 次と 7 次の低次高調波が豊富に含まれています。. これらの高調波はステータ内に逆回転磁界を生成します。, 追加の銅損失と鉄損失が発生し、モーターの温度が上昇します. ESP アプリケーション内, 動作温度が高いとシールの劣化と絶縁体の劣化が加速します.[1]

結論は明らかです: 正しい解決策は PWM を削除しないことです, しかし、それを効果的にフィルタリングするには.

03 フィルター設計: 重要なパラメータとしての周波数の調整

3.1 正弦波フィルターが行うべきこと

正弦波フィルターは、インバーター出力とモーター端子の間に挿入されるローパス LC フィルターです。. その機能は、スイッチング周波数の高調波を十分に減衰させ、モーターから観測される電圧が基本ドライブ出力周波数での正弦波に近似するようにすることです。. 再設計作業のために 2 つのパフォーマンス基準が設定されました:[1]

• フィルタ出力の電圧全高調波歪み: < 3% THDv
• インバータ出力の電流全高調波歪み: < 5% THDi

長期的な信頼性にとって重要な追加の設計制約は、フィルターがシステムの共振を制限する必要があるということでした。 本質的に, 挿入損失を追加し、発熱するダンピング抵抗に頼ることなく、.

3.2 従来のチューニングにおける共振の問題

従来の正弦波フィルタ 60 Hz システムは通常、次の値に調整されます。 600 ヘルツ (10次​​高調波). コンピュータによる分析 200 HP, 480 で, 60 Hz ESP システムを搭載 600 Hz 調整フィルターと 2 生成されるインバータスイッチング周波数 kHz 9.1% THDv — 目標よりも悪く、共振状態を示します. 抵抗ダンピングを追加すると共振は減少しましたが、許容可能な歪みを生成するレベルには達しませんでした。. 従来の設計は根本的にこの用途には適していませんでした.[1]

イチジク. 2. インバータ出力PWM電圧波形と高調波スペクトル 2 kHz スイッチング周波数. THDv ≈ 39.6%. ソース: ミラス・インターナショナル.[1]

3.3 ザ 180 Hz ソリューション

同調周波数を下げたとき 180 ヘルツ (の第 3 高調波 60 ヘルツ), ダンピング抵抗なしでも共振が消えた. フィルター出力THDvが以下に低下しました 2% 両方にとって 200 HPと 1,100 HP ESP システム. ザ 180 Hz カットオフにより、フィルターの固有周波数が搬送波高調波よりもかなり低くなります。, キャリア周波数の変動に関係なく、スイッチング周波数範囲全体にわたって堅牢な減衰を保証します。.[1]

イチジク. 3. 出力電圧波形とスペクトル 180 Hz同調正弦波フィルター. THDv は約に低下します 1.64% — 十分その範囲内で < 3% 設計目標. ソース: ミラス・インターナショナル.[1]

3.4 二次的なパフォーマンスの向上

挿入損失が低い (10% 対. 3%) モーターが所定のインバーター出力設定で比例してより高い端子電圧を受け取ることを意味します, これにより、モーター電流とそれに関連する I²R 損失が減少し、動作温度の低下に直接貢献します。.

インバーター出力の力率がほぼ 1 であるため、同じシャフト出力に対して ASD 出力電流が減少します。, インバータ損失を削減し、ドライブの耐用年数を延長します. モーターのサイズが ASD 定格に近い ESP アプリケーションの場合, この電流の減少により、ポンプ速度のわずかな増加が可能になり、したがって生産速度が増加します。.

04 フィールド結果: 診断変数としてのモーター温度

不定冠詞 1,100 HP, 480 で, 60 Hz インバーサインフィルター (180 Hzチューニング) 正弦波フィルタの故障後、6 ステップ モードで動作していた井戸に設置されました. インストール後, ドライブが PWM 動作に戻されました. ダウンホールモーターの温度は、ESP 計装パッケージを介して継続的に監視されました.[1]

イチジク. 4. ザ 1,100 坑井現場に設置された HP INVERSINE AUSF 正弦波フィルター. ソース: ミラス・インターナショナル.[1]

4.1 定常状態の温度低下

イチジク. 6. INVERSINE 正弦波フィルターを使用した 6 ステップから FPWM 動作への移行を示すモーター動作温度の傾向. A 12 定常状態での °F の低下がすぐにわかります. ソース: ミラス・インターナショナル.[1]

定常状態のモーター温度が低下 249 °Fから 237 °F — a 12 °F (約 5%) 低減 — 新しいフィルタを使用して PWM に切り替えた直後. この改善は 2 つの要因が相互に作用することによるものです: 6 ステップ動作の特徴である 5 次および 7 次高調波加熱の除去, 端子電圧の向上によるモーター電流の低下による銅損の減少.

4.2 起動時の温度スパイクの低減

始動過渡現象は、モーターのシール部分に関連する特定の故障モードのため、ESP モーターに特に悪影響を及ぼします。. 起動中, 電流が定格を大幅に超えると、モーターの温度が急激に上昇します. 温度が上昇すると、メカニカルシール内のモーターオイルが膨張し、坑井内に排出されます。. シャットダウン後にモーターが冷えるにつれて, 収縮する油は坑井の流体を引き込みます (固体や腐食性物質を含む) 封印の中に戻る. 熱サイクルを繰り返すとシールが徐々に汚染されます。, 摩耗の加速.[1]

イチジク. 7. 始動/停止サイクル中のモーター温度, INVERSINE フィルターを使用した 6 ステップと PWM の比較. ザ 39 始動時の温度スパイクを °F 削減することで、自己均等化シール部分の熱応力を直接削減します。. ソース: ミラス・インターナショナル.[1]

4.3 生産率の向上

The specific wellsite in the case study did not have a pump/motor combination large enough to exploit the current reduction from the improved power factor. しかしながら, when a similar filter was installed at a second wellsite, an increase of 125 barrels per day (BPD) of total fluid production was reported — the direct result of being able to push the pump to a slightly higher speed with the headroom freed by reduced ASD current.[1]

4.4 Waveform quality comparison

イチジク. 5. Voltage waveform comparison at motor terminals: new 180 Hz tuned filter (トップ, clean sine) 対. conventional filter (底, residual PWM ripple visible). ソース: ミラス・インターナショナル.[1]

05 電力品質の観点: このケーススタディが示すもの

A utility power quality background gives a different perspective on what happened in the Montana oil field. 一連の故障は、単にオリジナルの正弦波フィルターの製品品質の問題ではなく、従来のフィルター設計アプローチでは予測できなかったシステムの共振の問題でした。.

5.1 ESP フィルター設計におけるコンプライアンスのパラドックス

従来の正弦波フィルタ設計 60 産業用アプリケーションは Hz 付近に調整します 600 ヘルツ. この選択は、短いケーブルを使用した標準的なモーター負荷で問題なく機能します。. ESP アプリケーション内, 長いダウンホールケーブルはインバーター出力端子で見られるインピーダンスを劇的に変化させます. モーターケーブルシステムには独自の共振周波数があります, これらはフィルターの同調周波数付近に収まる可能性があり、その周波数ではフィルターが減衰器から増幅器に変わります。. A 9.1% THDv の結果 “標準” フィルターは欠陥フィルターではありません; 正しく製造されたフィルターが、設計されていないシステムで動作している.[1]

5.2 PQ 診断ツールとしての熱測定

このケーススタディでは、主な検証基準として高調波スペクトル測定ではなく、連続ダウンホールモーター温度を使用しています。, パワーアナライザーデータではありません. これは ESP アプリケーションにとって実用的に正しいです: ダウンホールの PQ 測定は入手が難しく、高価です, ただし、温度センサーは ESP 計測パッケージに組み込まれており、リアルタイムの, モーターストレスの統合測定. ザ 39 起動時の温度スパイクの °F の低下は、表面で測定されるどの THD 値よりもモーターの健康状態の改善を示すより有意義な指標です。.

PQ 測定方法の観点から, これは重要な原則を示しています: 防止しようとしている結果に最も近い指標を選択してください. この場合, その指標はモーター温度です, 電圧歪みではありません.

5.3 VFD の電力品質の両面の性質

記事 1 と 2 このシリーズでは、高調波の問題を取り上げました。 供給 VFD の側面 - 6 パルス整流器によって注入される電流高調波, and the interaction of those harmonics with power factor correction capacitors. This case study sits on the opposite side of the same device: the output voltage quality problems created by the PWM inverter.

Both sides of the VFD matter. Supply-side harmonics affect network power quality and other equipment sharing the same bus. Output-side harmonics affect the driven motor directly. A complete treatment of VFD power quality requires considering both. 記事 4 in this series will continue this theme, examining the 6-pulse rectifier as a 被害者 rather than a source — specifically, how poor supply voltage quality degrades rectifier performance and affects the DC bus seen by the inverter.

参照

1. [1] 株式会社ミラスインターナショナル, “INVERSINE Sinewave Filter Resolves ESP Motor Failures,” 適用事例, ブランプトン, オンタリオ, カナダ. 利用可能: mirusinternational.com
2. [2] A. von Jouanne, D. Rendusara, P. Enjeti, とJ. Gray, “PWM インバータ給電 AC モータ駆動システムに対する長いモータ リードの影響を最小限に抑えるフィルタリング技術,” 産業応用上のIEEEトランザクション, フライト. 32, しない. 4, PP. 919–926, 7月/8月. 1996.