전원 품질 VFD · 사인파 필터 ESP · 유전 사례 연구

ESP 모터 보호를 위한 사인파 필터: 필터 설계 및 모터 열 응답에 대한 현장 사례 연구 — Mirus International

데니스 Ruest, 석사. (적용된), 물리 공학과. (퇴사.) · IPQDF · 기술 참조 시리즈

출처 & 승인

이 글은 현장 데이터를 바탕으로 작성되었습니다., 측정, 및 응용 엔지니어링 미루스 인터내셔널(주). (브램톤, 온타리오, 캐나다) — INVERSINE 사인파 필터 및 Lineator AUHF 고조파 필터 제품 라인 개발자. 원본 사례 연구 문서는 다음에서 확인할 수 있습니다. mirusinternational.com. IPQDF는 이 현장 데이터를 엔지니어링 커뮤니티에 제공한 Mirus International에게 감사의 마음을 전합니다..

01 운영 상황: ESP와 인공 리프트 문제

위에 90% 전 세계 육상 및 해상 유정의 70%가 생산을 유지하기 위해 어떤 형태로든 인공 리프트를 필요로 합니다.. 가장 널리 배포된 기술은 전기 수중 펌프입니다. (ESP) — 다운홀 유도 모터로 구동되는 다단 원심 펌프, 속도 조절이 가능한 드라이브를 통해 표면에서 제어됨 (ASD).[1]

이 조합은 ASD의 반대쪽 끝에 있는 두 가지 뚜렷한 전력 품질 문제를 야기합니다.:

입력측: ASD의 6펄스 프런트엔드 정류기는 특징적인 전류 고조파를 주입합니다. (5일, 7일, 11일, 13일…) 다시 공급망으로 돌아가기 - 잘 이해된 완화 옵션을 통해 잘 알려진 문제.
출력측: PWM 인버터 스테이지는 긴 모터 케이블에 적용할 때 전압 오버슈트를 생성하는 고주파 전환 전압 파형을 생성합니다., 반사파 과도, 다운홀 모터의 고조파 유발 가열.

몬타나의 유전에서, 두 번째 문제를 해결하기 위해 모든 PWM 작동 ESP에는 출력 사인파 필터가 장착되었습니다.. 이러한 예방 조치에도 불구하고, 사인파 필터 자체가 고장나기 시작했습니다. 종종 설치 후 6개월 이내에. 필터가 실패했을 때, 운전자는 강제로 드라이브를 6단계 모드로 전환해야 했습니다. (PWM 없음, 사인파 필터가 필요하지 않습니다), 반사파 문제를 제거했지만 다른 응력 세트를 도입했습니다.. 6단계 모드의 모터는 더 뜨겁게 작동합니다., 모터 고장이 계속되었습니다.[1]

운영상의 결과

다운홀 모터가 고장난 경우, 교체 장비는 교체를 위해 유정에서 전체 어셈블리를 당겨야 합니다.. 비용 - 장비, 장비 시간, 생산 손실 - ESP 모터 수명을 인위적으로 들어 올리는 유정 운영에서 가장 중요한 경제 변수로 만듭니다..

무화과. 1. 전압 (맨 위) 그리고 현재 (맨 아래) 모터 고장 순간에 6단계 ESP로. 오류 발생 전 기간에 지속적인 과전압 링잉에 유의하세요.. 출처: Mirus International 사례 연구.[1]

02 문제 해부: 수중 모터에서 PWM이 어려운 이유

2.1 반사파 메커니즘

PWM 인버터는 일반적으로 캐리어 주파수에서 출력 단자 전체에 걸쳐 DC 버스 전압을 전환합니다. 2 에 8 ESP 드라이브용 kHz, 해당 범위의 낮은 끝을 사용하는 더 큰 드라이브. 각 스위칭 전환은 매우 빠른 전압 단계입니다. (높은 dv/dt). 이 단계가 드라이브를 모터에 연결하는 케이블을 따라 전파되면, 모터 단자에서 임피던스 불연속성이 발생합니다.. 결과적인 전압 반사는 DC 버스 전압의 두 배에 가까운 피크 전압을 생성할 수 있습니다..[2]

표준의 경우 480 V 드라이브, DC 버스가 근처에 있어요 675 에. 따라서 반사파 오버슈트는 모터 권선 절연에 순간적으로 1,200~1,350V를 부과할 수 있습니다. 이는 인버터 듀티 등급이 지정되지 않은 모터의 설계 내력 성능보다 훨씬 높습니다..

2.2 첫 번째 권선 회전 시 용량 응력

PWM 드라이브에 사용되는 스위칭 주파수에서, 모터 권선의 분산 인덕턴스와 턴-투-턴 커패시턴스는 손실이 있는 전송선을 형성합니다.. 전압 파면은 권선 전체에 균등하게 분배되지 않습니다. 권선의 처음 몇 권선은 불균형한 서지 몫을 흡수해야 합니다.. 이게 첫턴 문제야, 이는 PWM 구동 애플리케이션에서 모터 권선 절연의 주요 고장 메커니즘입니다..[2]

유틸리티 관점

유틸리티 PQ 관점에서, ESP 모터와 해당 케이블은 공진 LC 네트워크를 형성합니다.. 인버터는 고주파 전압 여기의 원천입니다.. 여자 주파수가 모터 케이블 시스템의 고유 공진 주파수에 가까운 경우, 첫 번째 주기의 오버슈트뿐만 아니라 지속적인 진동이 발생할 수 있습니다.. 이것은 공명 문제입니다, 단순히 일시적인 문제가 아닌, 이를 해결하려면 적절한 감쇠 특성을 갖춘 필터가 필요합니다..

2.3 6단계 모드로 문제가 해결되지 않는 이유

6-스텝 동작은 기본 주파수에서 준 구형파로 모터를 구동합니다., 고주파수 PWM 스위칭 및 관련 과도 현상 제거. 그러나, 준사각형파는 저차 고조파(주로 5차 및 7차)가 풍부합니다.. 이러한 고조파는 고정자에서 역회전 자기장을 생성합니다., 모터 온도를 증가시키는 추가 구리 및 철 손실 생성. ESP 애플리케이션에서, 작동 온도가 높을수록 씰 성능 저하 및 절연체 노화가 가속화됩니다..[1]

결론은 뻔하다: 올바른 해결책은 PWM을 제거하는 것이 아닙니다, 하지만 효과적으로 필터링하려면.

03 필터 설계: 중요한 매개변수인 튜닝 주파수

3.1 사인파 필터가 수행해야 하는 작업

사인파 필터는 인버터 출력과 모터 단자 사이에 삽입되는 저역 통과 LC 필터입니다.. 그 기능은 모터에 나타나는 전압이 기본 드라이브 출력 주파수에서 정현파에 가까워지도록 스위칭 주파수 고조파를 충분히 감쇠시키는 것입니다.. 재설계 노력을 위해 두 가지 성능 기준이 설정되었습니다.:[1]

필터 출력의 전압 총 고조파 왜곡: < 3% THDv
인버터 출력의 전류 총 고조파 왜곡: < 5% THDi

장기적인 신뢰성에 중요한 추가적인 설계 제약은 필터가 시스템 공진을 제한해야 한다는 것이었습니다. 본질적으로, 삽입 손실을 추가하고 열을 발생시키는 감쇠 저항기에 의존하지 않고.

3.2 기존 튜닝의 공명 문제

기존 사인파 필터 60 Hz 시스템은 일반적으로 근처에서 조정됩니다. 600 Hz에서 (10차 고조파). 컴퓨터 분석 200 HP, 480 에, 60 Hz ESP 시스템 600 Hz 조정 필터 및 2 kHz 인버터 스위칭 주파수 생성 9.1% THDv — 목표보다 나쁘고 공명 상태를 나타냅니다.. 저항성 감쇠를 추가하면 공진이 감소했지만 허용 가능한 왜곡을 생성하는 수준은 아닙니다.. 기존 디자인은 근본적으로 이 애플리케이션에 적합하지 않았습니다..[1]

무화과. 2. 인버터 출력 PWM 전압 파형 및 고조파 스펙트럼 2 kHz 스위칭 주파수. THDv ≒ 39.6%. 출처: 미루스 인터내셔널.[1]

3.3 The 180 헤르츠 솔루션

튜닝된 주파수가 다음으로 낮아졌을 때 180 Hz에서 (3차 고조파 60 Hz에서), 댐핑 저항 없이도 공진이 사라졌습니다.. 필터 출력 THDv가 아래로 떨어졌습니다. 2% 둘 다에 대한 200 HP와 1,100 HP ESP 시스템. The 180 Hz 컷오프는 필터의 고유 주파수를 반송파 고조파보다 훨씬 아래에 배치합니다., 반송파 주파수 변동에 관계없이 전체 스위칭 주파수 범위에서 강력한 감쇠를 보장합니다..[1]

로 설계된 사인파 필터의 출력전압 파형과 스펙트럼 180 Hz 차단 주파수

무화과. 3. 출력 전압 파형 및 스펙트럼 180 Hz 조정 사인파 필터. THDv는 대략적으로 떨어집니다. 1.64% — 글쎄요 < 3% 디자인 대상. 출처: 미루스 인터내셔널.[1]

왜 180 Hz - 엔지니어링 이론적 근거

ESP 드라이브의 스위칭 주파수 범위는 다음과 같습니다. 2 kHz에서로 8 kHz에서. A 180 Hz 필터 차단은 가장 낮은 반송파 주파수로부터 10년의 분리를 제공합니다.. 이러한 분리는 드라이브 설정 위치에 관계없이 반송파 고조파의 깊은 감쇠를 보장합니다., 필터의 고유 공진 주파수가 가변 속도 작동 중 작동 주파수 이동으로 인해 여기되지 않도록 보장합니다.. 더 넓은 마진 = 더 견고한 디자인.

3.4 보조 성능 개선

매개변수	기존 필터 (600 Hz 튜닝)	인버사인 필터 (180 Hz 튜닝)
출력 THDv	~9.1% (공명과 함께)	< 2%
삽입 전압 강하 (완전 부하)	~10%	< 3%
인버터 출력의 역률	보온재 (모터 무효 부하)	거의 일치 (커패시터는 모터 VAr을 보상합니다.)
댐핑 저항 필요	예 (아직 부족하다)	아니요 - LC 튜닝으로 인한 고유 감쇠

삽입 손실이 낮음 (10% 대. 3%) 모터가 주어진 인버터 출력 설정에서 비례적으로 더 높은 단자 전압을 수신함을 의미합니다., 모터 전류 및 관련 I²R 손실을 줄여 작동 온도를 낮추는 데 직접적으로 기여합니다..

인버터 출력의 역률이 거의 1에 가까워 동일한 축 전력에 대해 ASD 출력 전류를 줄입니다., 인버터 손실 감소 및 드라이브 수명 연장. 모터 크기가 ASD 등급에 가까운 ESP 애플리케이션에서, 이러한 전류 감소로 인해 펌프 속도가 어느 정도 증가할 수 있으므로 생산 속도가 향상됩니다..

04 현장 결과: 진단 변수로서의 모터 온도

An 1,100 HP, 480 에, 60 Hz 역방향 필터 (180 Hz 튜닝) 사인파 필터 고장으로 인해 6단계 모드로 작동하던 우물에 설치되었습니다.. 설치 후, 드라이브가 다시 PWM 작동으로 전환되었습니다.. 다운홀 모터 온도는 ESP 계측 패키지를 통해 지속적으로 모니터링되었습니다..[1]

무화과. 4. The 1,100 유정에 설치된 HP INVERSINE AUSF 사인파 필터. 출처: 미루스 인터내셔널.[1]

4.1 정상 상태 온도 감소

사인파 필터를 사용하여 PWM으로 전환한 후 모터 작동 온도가 떨어집니다.

무화과. 6. INVERSINE 사인파 필터를 사용하여 6단계에서 FPWM 작동으로의 전환을 보여주는 모터 작동 온도 추세. A 12 °F 정상 상태 감소는 즉시 명백합니다.. 출처: 미루스 인터내셔널.[1]

정상 상태 모터 온도가 다음에서 떨어졌습니다. 249 °F ~ 237 °F - a 12 °F (약 5%) 감소 — 새 필터를 사용하여 PWM으로 전환한 직후. 이러한 개선은 함께 작용하는 두 가지 요인에 기인합니다.: 6단 운전의 특징인 5차, 7차 고조파 발열 제거, 향상된 단자 전압에서 낮은 모터 전류로 인한 구리 손실 감소.

4.2 시동 온도 스파이크 감소

시동 과도 현상은 모터 씰 섹션과 연결된 특정 고장 모드로 인해 ESP 모터에 특히 손상을 줍니다.. 시작하는 동안, 전류가 정격보다 훨씬 높기 때문에 모터 온도가 급격히 상승합니다.. 온도가 상승하면 메카니컬 씰의 모터 오일이 팽창하여 유정으로 배출됩니다.. 정지 후 모터가 냉각됨에 따라, 수축하는 오일은 유정 유체를 끌어옵니다. (고체와 부식성 물질로 인해) 다시 봉인 속으로. 반복적인 열 순환으로 인해 씰이 점차적으로 오염됩니다., 마모 가속화.[1]

사인파 필터를 사용하여 PWM으로 전환한 후 시동 시 모터 작동 온도가 떨어집니다.

무화과. 7. 시작-정지 사이클 중 모터 온도, 6-Step과 PWM을 INVERSINE 필터와 비교. The 39 시동 온도 스파이크의 °F 감소는 자체 평형 씰 섹션의 열 응력을 직접적으로 감소시킵니다.. 출처: 미루스 인터내셔널.[1]

주요 측정 결과

시동 모터 온도 스파이크가 대략적으로 감소했습니다. 39 INVERSINE 필터를 사용하여 PWM으로 전환한 후 °F. 이는 정상 상태 이점보다 더 큰 개선이며 ESP 씰 섹션의 주요 고장 원인이 직접적으로 감소함을 나타냅니다..

4.3 생산율 개선

사례 연구의 특정 유정 현장에는 개선된 역률로 인한 전류 감소를 활용할 만큼 충분히 큰 펌프/모터 조합이 없었습니다.. 그러나, 유사한 필터가 두 번째 유정에 설치되었을 때, 증가 125 하루에 배럴 (BPD) 총 유체 생산량이 보고되었습니다. 이는 감소된 ASD 전류로 인해 헤드룸이 확보되면서 펌프를 약간 더 높은 속도로 밀 수 있는 직접적인 결과입니다..[1]

4.4 파형 품질 비교

의 전압 파형 비교 1100 새로운 기존 사인파 필터가 장착된 HP PWM ESP

무화과. 5. 모터 단자의 전압 파형 비교: 새로운 180 Hz 조정 필터 (맨 위, 깨끗한 사인) 대. 기존 필터 (맨 아래, 잔여 PWM 리플 표시). 출처: 미루스 인터내셔널.[1]

05 전력 품질 관점: 이 사례 연구에서 보여주는 내용

유틸리티 전력 품질 배경은 몬타나 유전에서 일어난 일에 대한 다른 관점을 제공합니다.. 일련의 실패는 원래 사인파 필터의 단순한 제품 품질 문제가 아니라 기존 필터 설계 접근 방식이 예상하지 못한 시스템 공진 문제였습니다..

5.1 ESP 필터 설계의 규정 준수 역설

기존 사인파 필터 설계 60 Hz 산업용 애플리케이션은 근처에서 조정됩니다. 600 Hz에서. 이 선택은 짧은 케이블을 사용하는 표준 모터 부하에 적합하게 작동합니다.. ESP 애플리케이션에서, 긴 다운홀 케이블은 인버터 출력 단자에 나타나는 임피던스를 극적으로 변화시킵니다.. 모터 케이블 시스템에는 고유한 공진 주파수가 있습니다., 이는 필터의 튜닝 주파수 근처에 떨어질 수 있습니다. 즉, 필터를 감쇠기에서 해당 주파수의 증폭기로 전환합니다.. A 9.1% THDv 결과는 “기준” 필터는 필터 불량이 아닙니다; 설계되지 않은 시스템에서 작동하는 올바르게 제조된 필터입니다..[1]

시스템 사고 vs.. 구성요소 사고

이것이 중심 교훈이다. 전력 품질 솔루션은 시스템에 맞게 설계되어야 합니다., 고립되지 않은. 부하가 임피던스 특성이 다른 수중 모터를 구동하는 긴 케이블인 경우 표준 산업용 모터 드라이브에서 작동하는 필터가 작동하지 않거나 상황을 더 악화시킬 수 있습니다.. 전체 시스템 특성화, 케이블 길이 포함, 모터 임피던스, 및 작동 주파수 범위, 효과적인 필터 설계를 위한 전제 조건입니다..

5.2 PQ 진단 도구로서의 열 측정

사례 연구에서는 고조파 스펙트럼 측정이 아닌 연속 다운홀 모터 온도를 기본 검증 지표로 사용합니다., 전력 분석기 데이터가 아님. 이는 ESP 애플리케이션에 있어 실용적으로 정확합니다.: 다운홀 PQ 측정은 얻기 어렵고 비용이 많이 듭니다., 그러나 온도 센서는 ESP 계측 패키지에 필수적이며 실시간, 모터 스트레스의 통합 측정. The 39 시동 온도 스파이크의 °F 감소는 표면에서 측정된 모든 THD 수치보다 향상된 모터 상태를 나타내는 더 의미 있는 지표입니다..

PQ 측정 방법론의 관점에서, 이것은 중요한 원칙을 보여줍니다.: 방지하려는 결과에 가장 가까운 측정항목을 선택하세요.. 이 경우, 해당 측정항목은 모터 온도입니다., 전압 왜곡이 아닌.

5.3 VFD 전력 품질의 양면적 특성

조항 1 과 2 이 시리즈에서는 고조파 문제를 다루었습니다. 공급 VFD 측 — 6펄스 정류기에 의해 주입된 전류 고조파, 그리고 이러한 고조파와 역률 보정 커패시터의 상호 작용. 이 사례 연구는 동일한 장치의 반대편에 있습니다.: PWM 인버터로 인해 발생하는 출력 전압 품질 문제.

VFD 문제의 양면. 공급측 고조파는 네트워크 전력 품질과 동일한 버스를 공유하는 기타 장비에 영향을 미칩니다.. 출력측 고조파는 구동 모터에 직접 영향을 미칩니다.. VFD 전력 품질을 완벽하게 처리하려면 두 가지 모두를 고려해야 합니다.. 기사 4 이 시리즈에서는 이 주제를 계속 이어갈 것입니다, 6펄스 정류기를 다음과 같이 검토한다. 희생자 소스가 아닌 — 구체적으로, 낮은 공급 전압 품질로 인해 정류기 성능이 저하되고 인버터에서 확인되는 DC 버스에 어떤 영향을 미치는지.

참조

[1] 미루스인터내셔널(주), “INVERSINE 사인파 필터로 ESP 모터 고장 해결,” 응용 사례 연구, 브램톤, 온타리오, 캐나다. 사용 가능: mirusinternational.com
[2] A. 폰 조앤, 디. 렌두사라, 피. Enjeti, 및 J. 회색, “PWM 인버터 공급 AC 모터 드라이브 시스템에서 긴 모터 리드의 영향을 최소화하는 필터링 기술,” 산업 응용 프로그램에 IEEE 거래, 비행. 32, 아니. 4, PP. 919-926, 7월/8월. 1996.