正弦波滤波器与. 适用于长电缆 VFD 应用的 dV/dT 滤波器: 面对面的现场比较 — Mirus International
| 客户 | 圣安东尼奥水务局 — 提水站 |
| 应用 | 井下水泵电机 — 800 英尺 (245 米) 电缆深度 |
| 测试站点 | 1 的 6 相同的安装 (选择故障率最高的站点) |
| 故障历史 | 平均故障间隔时间 6-12 个月; 绕组闪络 + 观察到轴承凹槽 |
| 变频器开关频率 | 2 千赫 |
| 原装滤芯 | LRC dV/dT 滤波器 |
| 测试过滤器 | Mirus AUSF INVERSINE 正弦波滤波器 |
| 测试日期 | 三月 31, 2016 |
| 跟进 (十二月 2020) | 所有电机/泵故障均为零 6 站点位于 4+ 自 INVERSINE 部署以来的年数 |
01 操作环境: 井下马达, 800-脚电缆, 和反复出现的故障
圣安东尼奥水务局运营的提水站使用变频驱动器来控制井下泵电机. 电机安装位置大约为 800 脚 (245 米) 地下 - 即使驱动器本身运行良好，足够长的电缆也会产生严重的 VFD 输出波形问题. 六个相同的装置反复出现电机和泵故障, 平均故障间隔时间为 6 至 12 月. 对故障设备的故障后检查发现了两个不同的损坏特征: 绕组闪络 (指示差模介电应力) 和轴承槽 (指示共模电流).[1]
每个安装都配备了标准 LRC dV/dT 滤波器——长 VFD 电缆线路的传统解决方案. dV/dT 滤波器未能防止故障. 正在研究的问题是正弦波滤波器是否会表现更好, 如果是这样, 多少——通过直接现场测量而不是制造商规格来量化.
02 dV/dT 滤波器的作用和不作用
2.1 dV/dT 滤波器机制
dV/dT 滤波器是插入 VFD 输出和电机电缆之间的 LRC 网络. 其目的是减慢每个 PWM 电压脉冲的上升时间 — 降低 dV/dT (电压变化率) — 使脉冲看起来不像电缆和电机阻抗的阶跃函数. 通过失谐次级电路的自然谐振频率, 它降低了反射波过压和谐振条件的严重程度.[1]
它不做什么: 它不会消除 PWM 波形. 输出仍然是一系列脉冲——边缘减慢, 但仍然在正负直流母线电平之间切换 2 千赫. 电缆和电机绝缘上的基本 PWM 差应力有所降低，但并未消除. 与开关频率相关的高频电流谐波仍然存在于电机中.
2.2 共模问题 — dV/dT 无法解决的问题
VFD 系统中的共模电流同时从所有三个输出相位通过杂散电容流至地面（通过电缆护套）, 电机架, 轴承, 以及任何其他到系统接地的传导路径. 它与差模不同 (相间) 当前. 共模电流通过电机轴承产生放电加工 (电火花加工) 轴承座圈的损坏——一种称为凹槽的损坏模式, 这是在圣安东尼奥的失效轴承中观察到的.[1]
正如伊顿的申请文件 AP043001EN 所指出的, dV/dT 滤波器可能不是共模控制的最佳选择, 正弦波滤波器可能更合适. 对于更长的电缆, 共模电流沿着电缆长度流失, 与较短电缆长度相比，电机处的高度更低 - 但电缆长度为 800 英尺, 共模电流分布及其承载影响很复杂，不能简单地通过电缆长度来减小.[1][2]
共模噪声: 同时从所有相到地的电压应力, 驱动轴承电流故障. 机制——电缆导体和屏蔽/铠装之间的杂散电容, 产生通过电机轴承流向地面的电流.
dV/dT 滤波器部分解决差分模式问题. 正弦波滤波器完全解决差模问题并提供部分共模缓解. 用于完整的共模控制, 具有集成共模扼流圈的正弦波滤波器是合适的解决方案.
03 现场测试协议: 三个测量点, 一驱车
测试于三月进行 31, 2016 通过迈克·麦格劳 (NSOEM公司) 和阿伦·塞库拉 (五星级电气), 使用 AEMC 8335 电能质量计 — 专门选择它是因为它能够准确测量 3 千赫 (50次谐波), 覆盖 2 kHz 开关频率谐波是该应用中的主要问题. 该测试测量了三个连续点的波形和谐波条件:[1]
- 观点 1: VFD 逆变器输出 — 现有 dV/dT 滤波器的上游 (基准驱动性能)
- 观点 2: 现有 dV/dT 滤波器的输出 (现行标准安装性能)
- 观点 3: Mirus IVERSINE AUSF 正弦波滤波器的输出, 安装代替 dV/dT 滤波器
无花果. 1. 圣安东尼奥水务局提水站——经过测试的六个相同的 VFD 驱动井下泵装置之一. 源: 米鲁斯国际 / NSOEM公司.[1]
3.1 观点 1 — VFD 输出基线
逆变器输出测量证实驱动器正常运行 - 无谐振, 相位不平衡, 或其他故障情况. VFD 的性能符合规范. 驱动输出处的特征锯齿电流波形和高 THDv 是正常工作的典型特征。 2 kHz 脉宽调制逆变器.[1]
| 阶段 | 总谐波失真 (武器) | 总谐波失真 (有效值) |
|---|---|---|
| 一 | 11.36% (136 一) | 37.91% (467 在) |
| 乙 | 10.63% (132 一) | 38.74% (470 在) |
| Ç | 10.46% (131 一) | 37.94% (467 在) |
真实功率因数 0.575 与. 位移功率因数 0.785 表示显着的谐波无功功率 (无功无功 = 100.4) 绘制 — 典型的 VFD 输出电路，其测量点下游的 dV/dT 滤波器容抗有助于无功功率测量.
04 测量结果: 数字讲述故事
4.1 观点 2 — dV/dT 滤波器输出
dV/dT 滤波器仅对电压失真产生了微小的改善 — THDv 从 ~38% 降至 ~34%. 电流波形仍然呈现出 PWM 开关的锯齿波特性. 高频电流谐波 2 kHz 开关频率仍然存在. 真实功率因数略有改善 0.575 至 0.597.[1]
4.2 观点 3 — INVERSINE 正弦波滤波器输出
| 阶段 | 总谐波失真 (武器) | 总谐波失真 (有效值) |
|---|---|---|
| 一 | 7.24% (132 一) | 3.08% (412 在) |
| 乙 | 8.05% (134 一) | 3.79% (413 在) |
| Ç | 8.60% (139 一) | 4.17% (413 在) |
滤波器输出处完全消除了 PWM 波形 — 取而代之的是干净的正弦波. 电压失真度从 34%+ (dV/dT) 最多为 4.17% 所有阶段 — 减少 87.9–90.9%. 无功消耗下降 96.39 无功功率二 28.73 kVAR, 一 70.1% 减少, 提高真实功率因数 0.597 至 0.660.[1]
4.3 完整的比较
| 范围 | 逆变器输出 (dV/dT 上游) |
dV/dT 滤波器输出 | 反弦输出 | 改进 逆弦 vs. dV/dT |
|---|---|---|---|---|
| 总谐波失真 | 10.46 - 11.36% | 10.61 - 11.32% | 7.24 - 8.60% | 24–32% 减少 |
| 有效值 | 131 - 136 一 | 131 - 137 一 | 134 - 139 一 | +1.4–2.3% (小幅增加) |
| 总谐波失真 | 37.91 - 38.74% | 34.10 - 34.71% | 3.08 - 4.17% | 88–91% 减少 |
| 有效值电压 | 467 - 470 在 | 450 - 451 在 | 412 - 413 在 | 8.4% 较低 — 适用于 52–55 Hz 操作 |
| kVAR | 100.4 kVAR | 96.39 kVAR | 28.73 kVAR | 70.1% 减少 |
| 真实功率因数 | 0.575 | 0.597 | 0.660 | +10.6% 改进 |
4.4 4年随访
本案例研究中最引人注目的数据点不是在测试时记录的，而是在四年后记录的. INVERSINE 过滤器已部署在所有六个提升站站点上 2016. 截至 12 月 2020 - 撰写本文时 - 六个站点中任何一个都记录了零电机或泵组故障. 与之前的平均故障间隔时间相比 6 至 12 月, 这意味着在四年的观察期内彻底消除了重复出现的故障模式.[1]
05 INVERSINE 的差异: 调谐频率是关键变量
IVERSINE AUSF 不仅仅是一个正弦波滤波器 — 它是一个与传统产品采用根本不同的调谐方法的正弦波滤波器. 在圣安东尼奥观察到的性能差异是这种调整选择的直接结果.[1]
5.1 为什么 600 Hz 调谐不足
大多数正弦波滤波器用于 60 Hz 应用程序调近 600 Hz — 10 次谐波. 这使得滤波器截止频率远高于基波频率，但低于驱动器的开关频率. 然而, 600 Hz 足够接近开关频率区域，开关频率谐波在 2 kHz 及以上未完全衰减. 残余高频电压含量保留在滤波器输出中 — 可在 50 次谐波以上进行测量 (3,000 赫兹上 60 赫兹系统). 该残余含量继续对次级电路施加介电应力和热应力.
5.2 INVERSINE 调整方法 — 大约 180 赫兹
INVERSINE 调谐至基频的大约 3 倍 — 大约 180 赫兹上 60 赫兹系统. 这比 2 kHz 开关频率, 对所有开关频率谐波提供更深层次的衰减. 结果是滤波器输出满足 <5% THDv，即使测量到 100 次谐波时也是如此 (6,000 赫兹上 60 赫兹系统) — 一些传统的东西 600 Hz 调谐滤波器很少能达到 50 次以上的谐波.[1]
无花果. 2. 三路正弦波滤波器输出比较: 死亡逆 (蓝色) 与. 竞争者 1 (红色) 与. 竞争者 2 (黑色). 通过 IVERSINE 调谐消除高频电压噪声的效果清晰可见. 传统的 600 Hz 调谐滤波器显示残余高频纹波. 源: 米鲁斯国际.[1]
5.3 与其他相比，INVERSINE 的优势. 传统正弦波滤波器
- 功率因数校正: IVERSINE 电容器的尺寸可以提供大部分电机的感性无功功率, 将逆变器输出处的位移 PF 提高到接近 1. 传统滤波器并非专为 PF 校正而设计 — 电机 PF 仍然滞后.
- 更低的插入损耗: INVERSINE 电压降低于 3%, 与. 5–12%（竞争过滤器）. 较低的插入损耗意味着电机接收较高的端电压, 减少电流和相关损耗.
- 无阻尼电阻: 较低的调谐频率消除了传统设计中需要阻尼电阻的谐振条件. 电阻器会增加插入损耗并产生热量——INVERSINE 中没有电阻器使其更加高效和简单.
- 自然对流冷却: 较低损耗的设计允许自然对流冷却，而不是某些竞争产品所需的风扇冷却 - 减少维护要求.
- 效率优势: 1.5– 比同类正弦波滤波器效率高 2%, 直接降低运营成本.
06 电能质量视角: 这个案例研究说明了什么
6.1 dV/dT 滤波器作为部分解决方案
圣安东尼奥案例通过测量数据证明了本系列前面的 ESP 电机案例研究在理论上建立的内容: dV/dT 滤波器对于长 VFD 电缆应用来说是一个不完整的解决方案. 它降低了电压脉冲的 dV/dt，从而减轻反射波过压 — 但它并不能消除 PWM 波形, 并且它没有解决与高频电压开关内容相关的连续差模介电应力.
dV/dT 滤波器 34% THDv 输出 vs. INVERSINE 的 4% THDv 输出直接讲述了这个故事. 一 34% 电机端子处的 THDv 意味着电机绝缘系统持续受到远高于其设计运行条件的电压谐波的压力. 即使单个脉冲过电压降低, 6-12 个月内的累积介电应力足以导致绕组闪络故障.
6.2 按结果指定, 不按惯例
该案例研究的结论是具体的规范建议: 适用于具有长电缆线路的 VFD/ASD 二次电路, 指定最大 THDv ≤ 5% 且最大 THDi ≤ 8% 电机端子满载——不仅仅是 “安装 dV/dT 滤波器。” 性能规范迫使解决方案解决实际问题，而不是应用可能不足以满足特定应用条件的传统答案.
6.3 针对制造商声称进行现场测试的案例
圣安东尼奥测试的明确设计目的是生成测量的现场数据，而不是依赖制造商的规格. 正如作者指出的, dV/dT 滤波器文献经常声称减少共模和延长电机寿命，但没有提供技术数据来支持它们. 三点测量协议——逆变器输出, dV/dT 输出, 正弦波滤波器输出——在相同的驱动器和电缆上的相同操作条件下产生直接可比较的数据. 这是评估竞争过滤器技术的正确方法, 结果是明确的.
参考文献
- [1] 中号. 麦格劳 (NSOEM公司. / 米鲁斯国际) 和A. 绝不 (五星级电气), “Mirus 系列 AUSF 反正弦波滤波器与 dV/dT 滤波器讨论: 圣安东尼奥水务局案例审查,” 技术案例审查, 米鲁斯国际公司, 布兰普顿, Ontario, 加拿大, 十二月 2020. 可用的: mirusinternational.com/inversine
- [2] 伊顿公司, “将 dV/dT 滤波器与 AFD 结合使用,” 申请文件 AP043001EN, 九月生效 2014.