사인파 필터 대. 긴 케이블 VFD 애플리케이션을 위한 dV/dT 필터: A Head-to-Head Field Comparison — Mirus International

01 운영 상황: 다운홀 모터, 800-발 케이블, 그리고 반복되는 실패

샌안토니오 수자원청(San Antonio Water Authority)은 다운홀 펌프 모터를 제어하기 위해 가변 주파수 드라이브를 사용하는 워터 리프트 스테이션을 운영합니다.. 모터는 대략적으로 설치됩니다. 800 피트 (245 엠) 지하 - 드라이브 자체가 완벽하게 작동하는 경우에도 심각한 VFD 출력 파형 문제를 일으킬 만큼 긴 케이블. 6개의 동일한 설치에서 반복적인 모터 및 펌프 고장이 발생했습니다., 실패 사이의 평균 시간 6 에 12 개월. 고장난 장비에 대한 고장 후 검사를 통해 두 가지 뚜렷한 손상 징후가 드러났습니다.: winding flashovers (차동 모드 유전 응력을 나타냄) 그리고 베어링 플루팅 (공통 모드 전류 표시).[1]

각 설치에는 긴 VFD 케이블 연결을 위한 기존 솔루션인 표준 LRC dV/dT 필터가 장착되어 있습니다.. dV/dT 필터가 오류를 예방하지 못했습니다.. 조사 중인 질문은 사인파 필터가 더 나은 성능을 발휘할 수 있는지 여부였습니다., 그렇다면, 제조사 사양이 아닌 직접 현장 측정으로 정량화.

02 dV/dT 필터의 기능과 그렇지 않은 기능

2.1 dV/dT 필터 메커니즘

dV/dT 필터는 VFD 출력과 모터 케이블 사이에 삽입된 LRC 네트워크입니다.. 그 목적은 각 PWM 전압 펄스의 상승 시간을 늦추어 dV/dT를 줄이는 것입니다. (전압 변화율) — 펄스가 케이블 및 모터 임피던스에 대한 계단 함수처럼 덜 나타나도록 합니다.. 2차 회로의 고유 공진 주파수를 디튜닝함으로써, 반사파 과전압 및 공진 조건의 심각도를 줄입니다..[1]

하지 않는 것: PWM 파형을 제거하지 않습니다.. 출력은 여전히 ​​일련의 펄스이며 가장자리에서 느려집니다., 하지만 여전히 양극과 음극 DC 버스 레벨 사이를 전환합니다. 2 kHz에서. 케이블 및 모터 절연의 기본 PWM 차동 응력이 감소하지만 제거되지는 않습니다.. 스위칭 주파수와 관련된 고주파 전류 고조파가 모터에 여전히 존재합니다..

2.2 공통 모드 문제 - dV/dT가 해결하지 못하는 것

VFD 시스템의 공통 모드 전류는 표유 정전 용량을 통해 3개 출력 위상 모두에서 케이블 재킷을 통해 접지로 동시에 흐릅니다., 모터 프레임, 문장, 시스템 접지에 대한 기타 전도 경로. 차동 모드와는 다릅니다. (단계별) 현재. 모터 베어링을 통과하는 공통 모드 전류로 방전 가공이 발생합니다. (EDM) 베어링 레이스의 — 홈이라고 불리는 손상 패턴, 샌안토니오의 베어링 고장에서 관찰된 것.[1]

Eaton의 신청서 AP043001EN 참고 사항, dV/dT 필터는 공통 모드 제어를 위한 최선의 선택이 아닐 수 있습니다., 사인파 필터가 더 적절할 수 있습니다. 더 긴 케이블용, 공통 모드 전류는 케이블 길이를 따라 흐릅니다., 더 짧은 케이블 길이보다 모터에서 더 낮게 만듭니다. 하지만 800피트 케이블을 사용하면, 공통 모드 전류 분포와 베어링 영향은 복잡하며 단순히 케이블 길이만으로는 줄어들지 않습니다..[1][2]

03 현장 테스트 프로토콜: 세 가지 측정 포인트, 원드라이브

테스트는 3월에 진행되었습니다 31, 2016 마이크 맥그로 (엔소이엠(주)) 그리고 아론 세쿨라 (Five Star Electric), AEMC를 사용하여 8335 전력 품질 측정기 - 정확하게 측정하기 때문에 특별히 선택되었습니다. 3 kHz에서 (50번째 고조파), 덮고 있는 2 이 애플리케이션에서 주요 문제인 kHz 스위칭 주파수 고조파. 테스트에서는 세 개의 연속 지점에서 파형 및 고조파 조건을 측정했습니다.:[1]

• 가리키다 1: VFD 인버터 출력 - 기존 dV/dT 필터의 업스트림 (기본 드라이브 성능)
• 가리키다 2: 기존 dV/dT 필터의 출력 (현재 표준 설치 성능)
• 가리키다 3: Mirus INVERSINE AUSF 사인파 필터의 출력, dV/dT 필터 대신 설치됨

무화과. 1. 샌안토니오 수자원국(San Antonio Water Authority) 워터 리프트 스테이션 - 테스트된 6개의 동일한 VFD 구동 다운홀 펌프 설치 중 하나. 출처: 미루스 인터내셔널 / 엔소이엠(주).[1]

3.1 가리키다 1 — VFD 출력 기준선

인버터 출력 측정 결과 정상적인 드라이브 작동이 확인되었습니다. 공진 없음, 위상 불균형, 또는 기타 결함 조건. VFD가 사양 내에서 작동하고 있었습니다.. 드라이브 출력의 특징적인 톱니파 전류 파형과 높은 THDv는 적절하게 작동하는 전형적인 특징입니다. 2 kHz PWM 인버터.[1]

진정한 역률 0.575 대. 변위 역률 0.785 상당한 고조파 무효 전력을 나타냅니다. (kVAR = 100.4) 그려지는 중 - 무효 전력 측정에 기여하는 측정 지점 하류에 dV/dT 필터 용량성 리액턴스가 있는 VFD 출력 회로의 일반적인 형태.

04 측정 결과: 숫자가 말해주는 이야기

4.1 가리키다 2 — dV/dT 필터 출력

dV/dT 필터는 전압 왜곡이 약간만 개선되었습니다. THDv는 ~38%에서 ~34%로 떨어졌습니다.. 전류 파형은 여전히 ​​PWM 스위칭의 톱니 패턴 특성을 나타냈습니다.. 고주파 전류 고조파는 2 kHz 스위칭 주파수가 그대로 유지됨. 실제 역률은 다음과 같이 약간 개선되었습니다. 0.575 에 0.597.[1]

4.2 가리키다 3 — INVERSINE 사인파 필터 출력

필터 출력에서 ​​PWM 파형이 완전히 제거되어 깨끗한 정현파로 대체되었습니다.. 전압 왜곡이 감소했습니다. 34%+ (dV/dT) 최대로 4.17% 모든 단계에서 87.9~90.9% 감소. 무효 전력 소비가 감소했습니다. 96.39 kVAR 2 28.73 왼쪽, a 70.1% 절감, 실제 역률 개선 0.597 에 0.660.[1]

4.3 완전한 비교

4.4 4년간의 후속 조치

이 사례 연구에서 가장 설득력 있는 데이터 포인트는 테스트 당시가 아니라 4년 후에 기록되었습니다.. INVERSINE 필터는 6개 리프트 스테이션 현장 모두에 배치되었습니다. 2016. 12월 현재 2020 — 글을 쓰는 시점 — 6개 사이트 중 어디에서나 모터 또는 펌프 패키지 오류가 전혀 기록되지 않았습니다.. 이전 평균 실패 간격에 비해 6 에 12 개월, 이는 4년의 관찰 기간에 걸쳐 반복되는 실패 모드가 완전히 제거되었음을 나타냅니다..[1]

05 인버사인의 차이점: 튜닝 주파수가 핵심 변수입니다

INVERSINE AUSF는 단순한 사인파 필터가 아닌 기존 제품과 근본적으로 다른 튜닝 접근 방식을 갖춘 사인파 필터입니다.. 샌안토니오에서 관찰된 성능 차이는 이러한 튜닝 선택의 직접적인 결과였습니다..[1]

5.1 왜 600 Hz 튜닝이 불충분합니다.

대부분의 사인파 필터 60 Hz 애플리케이션은 근처에서 조정됩니다. 600 Hz - 10번째 고조파. 이렇게 하면 필터 차단 주파수가 기본 주파수보다 훨씬 높지만 드라이브의 스위칭 주파수보다 낮습니다.. 그러나, 600 Hz는 스위칭 주파수 고조파가 발생하는 스위칭 주파수 영역에 충분히 가깝습니다. 2 kHz 이상은 완전히 감쇠되지 않습니다.. 필터 출력에 잔류 고주파 전압 성분이 남아 있음 - 50차 고조파 이상에서 측정 가능 (3,000 에 헤르츠 60 헤르츠 시스템). 이 잔류 성분은 2차 회로에 계속해서 유전 및 열 응력을 가합니다..

5.2 INVERSINE 튜닝 접근 방식 — 대략 180 Hz에서

INVERSINE은 기본 주파수의 약 3배로 조정됩니다. 180 에 헤르츠 60 헤르츠 시스템. 이는 10년 아래입니다. 2 kHz 스위칭 주파수, 모든 스위칭 주파수 고조파에 대해 훨씬 더 깊은 감쇠 제공. 결과는 다음을 충족하는 필터 출력입니다. <5% 100번째 고조파까지 측정된 경우에도 THDv (6,000 에 헤르츠 60 헤르츠 시스템) — 전통적인 것 600 Hz 조정 필터는 50차 고조파 이상을 거의 달성하지 못합니다..[1]

무화과. 2. 3방향 사인파 필터 출력 비교: 데스 인버스 (blue) 대. 경쟁자 1 (붉은) 대. 경쟁자 2 (검은). INVERSINE 튜닝으로 고주파 전압 노이즈 제거가 명확하게 표시됩니다.. 전통적인 600 Hz 조정 필터에 잔류 고주파 리플이 표시됨. 출처: 미루스 인터내셔널.[1]

5.3 추가적인 INVERSINE 장점과 비교. 기존 사인파 필터

• 역률 보정: INVERSINE 커패시터는 모터의 유도성 무효 전력 대부분을 공급할 수 있는 크기입니다., 인버터 출력의 변위 PF를 거의 1로 개선. 기존 필터는 PF 보정용으로 설계되지 않았습니다. 모터 PF가 계속 지연됩니다..
• 낮은 삽입 손실: INVERSINE 전압 강하는 다음과 같습니다. 3%, 대. 5경쟁 필터의 경우 –12%. 삽입 손실이 낮다는 것은 모터가 더 높은 단자 전압을 받는다는 것을 의미합니다., 전류 및 관련 손실 감소.
• 댐핑 저항 없음: 낮은 튜닝 주파수는 기존 설계에서 댐핑 저항이 필요한 공진 조건을 제거합니다.. 저항기는 삽입 손실을 추가하고 열을 발생시킵니다. INVERSINE에 저항기가 없으면 더 효율적이고 간단해집니다..
• 자연 대류 냉각: 손실이 낮은 설계로 일부 경쟁 제품에 필요한 팬 냉각 대신 자연 대류 냉각이 가능하므로 유지 관리 요구 사항이 줄어듭니다..
• 효율성 이점: 1.5경쟁 사인파 필터보다 –2% 더 효율적, 운영 비용을 직접적으로 절감.

06 전력 품질 관점: 이 사례 연구에서 보여주는 내용

6.1 부분 솔루션으로서의 dV/dT 필터

샌안토니오 사례는 이 시리즈의 앞부분에서 ESP 모터 사례 연구를 통해 이론적으로 확립된 내용을 측정된 데이터로 보여줍니다.: dV/dT 필터는 긴 VFD 케이블 애플리케이션을 위한 불완전한 솔루션입니다.. 전압 펄스의 dV/dt를 줄여 반사파 과전압을 완화하지만 PWM 파형을 제거하지는 않습니다., 고주파 전압 스위칭 내용과 관련된 연속 차동 모드 유전 응력을 다루지 않습니다..

dV/dT 필터의 34% THDv 출력 대. 인버스인의 4% THDv 출력은 이 이야기를 직접적으로 말해줍니다. A 34% 모터 단자의 THDv는 모터 절연 시스템이 설계 작동 조건보다 훨씬 높은 전압 고조파에 의해 지속적으로 스트레스를 받는다는 것을 의미합니다.. 개별 펄스 과전압이 감소하더라도, 6~12개월 동안의 누적 유전 응력은 권선 플래시오버 오류를 유발하기에 충분합니다..

6.2 결과로 지정, 관례가 아닌

이 사례 연구의 결론은 특정 사양 권장 사항입니다.: 케이블 길이가 긴 VFD/ASD 보조 회로용, 최대 THDv 지정 ≤ 5% 최대 THDi ≤ 8% 모터 단자의 최대 부하에서 - 단순히 “dV/dT 필터를 설치하십시오.” 성능 사양은 솔루션이 특정 애플리케이션 조건에 부적절할 수 있는 기존 답변을 적용하는 대신 실제 문제를 해결하도록 강제합니다..

6.3 제조업체 주장에 대한 현장 테스트 사례

샌안토니오 테스트는 제조업체 사양에 의존하기보다는 측정된 현장 데이터를 생성하도록 명시적으로 설계되었습니다.. 저자들이 지적했듯이, dV/dT 필터 문헌에서는 이를 지원하는 기술 데이터를 제공하지 않고 공통 모드 감소 및 모터 수명 연장에 대해 주장하는 경우가 많습니다.. 3점 측정 프로토콜 - 인버터 출력, dV/dT 출력, 사인파 필터 출력 - 동일한 드라이브 및 케이블의 동일한 작동 조건에서 직접적으로 비교할 수 있는 데이터 생성. 이것이 경쟁 필터 기술을 평가하는 올바른 방법입니다., 그리고 그 결과는 확실했다.

참조

1. [1] 엠. 맥그로 (엔소이엠(주). / 미루스 인터내셔널) 과. 절대 (Five Star Electric), “Mirus 시리즈 AUSF 역사인파 필터 대 dV/dT 필터 토론: 샌안토니오 수자원청 사례 검토,” 기술 사례 검토, 미루스인터내셔널(주), 브램톤, 온타리오, 캐나다, 12월 2020. 사용 가능: mirusinternational.com/inversine
2. [2] 이튼 주식회사, “AFD를 사용하여 dV/dT 필터 적용,” 지원서 AP043001EN, 9월부터 시행 2014.