راه حل Nancal Electric برای درایوهای ولتاژ متوسط ​​در کاربردهای پمپ شناور الکتریکی (ESP) با شرایط کابل طولانی

1. مقدمه

پمپ های شناور الکتریکی (ESP) به طور گسترده در استخراج نفت چاه های عمیق خشکی، تولید نفت و گاز دریایی و انتقال مواد شیمیایی مایع استفاده می شود. موتور و پمپ یکپارچه شده و مستقیماً در محیط های خشن با دمای بالا، فشار بالا و سیالات خورنده غوطه ور می شوند. در مهندسی واقعی، کابل برق بین درایو و موتور سوراخ معمولاً به صدها یا حتی هزاران متر می رسد.

اثر خازنی توزیع شده و انعکاس ولتاژ ناشی از کابل های مسافت طولانی می تواند منجر به اضافه ولتاژ در ترمینال های موتور شود و پیری عایق و آسیب را تسریع کند. در عین حال، سیگنال های دوره ای مثبت و منفی DC تزریق شده توسط سیستم چوک سنسور پایین چاله می توانند بر مدارهای نمونه گیری درایو قرار بگیرند و باعث اختلال در کنترل و خطاهای مکرر شوند.

با توجه به چالش‌های اصلی برنامه‌های درایو ESP، Nancal Electric راه‌حلی را برای سیستم‌های درایو ولتاژ متوسط ​​ESP مبتنی بر توپولوژی چند سطحی سری سلولی، بهره‌گیری از فناوری‌های هسته‌ای مانند کنترل تطبیقی ​​با کابل بلند و پردازش سازگاری سیگنال خفگی معرفی کرده است . این راه حل با موفقیت در پروژه های کابل بلند مانند پمپ غوطه ور پروپان به کار گرفته شده است و به طور موثر مشکلاتی از جمله اضافه ولتاژ کابل طولانی، تداخل سیگنال خفه کننده و کاهش دقت کنترل را حل می کند.

2. چالش های اصلی سیستم

سیستم درایو فرکانس متغیر ESP عمدتاً از چهار بخش تشکیل شده است: درایو ولتاژ متوسط، کابل برق راه دور، واحد ESP پایین چاه و سیستم نظارت بر خفگی. در عملیات واقعی، سیستم با سه چالش اصلی مواجه است.

شکل 1: شماتیک ساده شده سیستم درایو فرکانس متغیر ESP

اولاً، انتقال از راه دور عامل اصلی مؤثر بر پایداری سیستم است. اثر ظرفیت توزیع شده کابل بلند باعث انعکاس ولتاژ می شود که منجر به اضافه ولتاژ در پایانه های موتور می شود. در عین حال، جریان شارژ خازنی باعث اعوجاج جریان خروجی می شود و عایق موتور و عملکرد ایمن دستگاه های قدرت درایو را تهدید می کند.

دوم، تداخل سیگنال از سیستم چوک یک چالش فنی است که نمی توان آن را نادیده گرفت. سیستم چوک، که برای نظارت بر وضعیت چاله استفاده می شود، سیگنال های متناوب مثبت و منفی DC را به مدار اصلی تزریق می کند. این سیگنال ها روی ولتاژ خروجی درایو قرار می گیرند و با الگوریتم های نمونه گیری ولتاژ و کنترل بردار تداخل می کنند و به راحتی می توانند باعث خاموش شدن کاذب جریان اضافه و حفاظت از خطای زمین شوند.

سوم، محیط عملیاتی سخت، تقاضاهای بیشتری را برای قابلیت اطمینان سیستم درایو فرکانس متغیر ایجاد می کند. در کاربردهایی مانند سکوهای دریایی، سر چاه ها یا کارخانه های شیمیایی، درایوهای ولتاژ متوسط ​​اغلب با شرایط سختی از جمله دمای بالا، رطوبت بالا، خوردگی اسپری نمک، لرزش و نوسانات برق مواجه هستند. سکوهای فراساحلی، به ویژه، باید با شرایط شدید مانند طوفان و طوفان مقابله کنند. چنین شرایط عملیاتی الزاماتی را بر سازگاری محیطی، دقت کنترل، قابلیت اطمینان حفاظت و افزونگی سیستم تحمیل می کند که بسیار بالاتر از سناریوهای صنعتی معمولی است.

3. مشکلات و راه حل های کابل طولانی

تحت انتقال کابل از راه دور، ویژگی‌های کوپلینگ الکتریکی بین درایو و موتور تغییر می‌کند و در درجه اول به عنوان چهار موضوع اصلی ظاهر می‌شود: بازتاب ولتاژ، اثر خازن توزیع‌شده، افت ولتاژ حالت پایدار، و خطر تشدید سیستم.

هنگامی که پالس های PWM در طول کابل منتقل می شوند، به دلیل عدم تطابق امپدانس، بازتاب در انتهای موتور رخ می دهد. برهم نهی امواج فرودی و منعکس شده می تواند دامنه ولتاژ را در پایانه های موتور به میزان قابل توجهی افزایش دهد، در موارد شدید به دو برابر ولتاژ باس DC نزدیک می شود و تهدیدی مستقیم برای عایق دور پیچ سیم پیچ موتور است.

در عین حال، کابل بلند به عنوان یک ظرفیت خازنی توزیع شده بزرگ عمل می کند. فرآیند شارژ و دشارژ دوره‌ای ناشی از پالس‌های PWM جریان‌های خازنی با فرکانس بالا ایجاد می‌کند. این جریان‌ها که روی جریان بار قرار می‌گیرند، ممکن است باعث ایجاد اعوجاج در شکل موج جریان خروجی درایو شوند و استرس سوئیچینگ و افزایش دمای دستگاه‌های قدرت را افزایش دهند.

علاوه بر این، مقاومت و اندوکتانس خود کابل یک افت ولتاژ در حالت ثابت تحت جریان بار ایجاد می کند و باعث می شود ولتاژ واقعی در پایانه های موتور کمتر از ولتاژ خروجی درایو باشد که ممکن است منجر به کاهش گشتاور خروجی موتور شود.

اندوکتانس و خازن توزیع شده کابل یک مدار رزونانس LC را تشکیل می دهد که ممکن است نوسانات هارمونیک را در فرکانس های خاص تحریک کند و باعث تقویت غیر طبیعی ولتاژ و جریان شود. در موارد شدید، این می‌تواند منجر به بی‌ثباتی سیستم یا خاموشی محافظ شود.

برای رسیدگی به مسائل فوق، Nancal Electric یک راه حل سیستماتیک برای کاربردهای طولانی کابل پیشنهاد کرده است. در سطح توپولوژی، توپولوژی چند سطحی سری سلولی پذیرفته شده است، که یک شکل موج خروجی پلکانی نزدیک به موج سینوسی با du/dt بسیار کم ایجاد می کند، انعکاس ولتاژ را در منبع سرکوب می کند و با انتقال کابل از راه دور سازگار می شود. در همان زمان، یک فیلتر موج سینوسی در سمت خروجی درایو پیکربندی می‌شود تا هارمونیک‌های PWM فرکانس بالا را بیشتر فیلتر کند، شکل موج ولتاژ خروجی را به موج سینوسی نزدیک‌تر می‌کند و خطرات اضافه ولتاژ و رزونانس را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.

در سطح الگوریتم کنترل، درایو دارای جبران افت ولتاژ خودکار داخلی برای کابل‌های بلند است که نمونه‌برداری ولتاژ خروجی و جریان را در زمان واقعی تصحیح می‌کند و اطمینان می‌دهد که موتور ولتاژی نزدیک به مقدار نامی دریافت می‌کند و در عین حال دقت کنترل را حفظ می‌کند. علاوه بر این، با بهینه‌سازی آستانه‌ها و زمان‌های عمل حفاظت از خطای زمین و حفاظت در برابر جریان اضافه، از خاموش شدن کاذب ناشی از جریان شارژ کابل بلند به طور موثر جلوگیری می‌شود و عملکرد مداوم و پایدار سیستم را تضمین می‌کند.

4. تداخل و سرکوب سیگنال خفگی

سیستم چوک ESP یک واحد یکپارچه برای منبع تغذیه سنسور پایین چاه و انتقال سیگنال است. توابع اصلی سیستم عبارتند از: تزریق سیگنال های متناوب DC مثبت و منفی به مدار اصلی موتور برای تامین قدرت سنسورهای سوراخ سوراخ که دما، فشار، وضعیت عایق موتور و جریان نشتی را اندازه گیری می کنند. و دریافت سیگنال‌های برگشت از سنسورهای پایین چاله و انتقال آنها به صفحه کنترل سطح، امکان نظارت بر زمان واقعی شرایط چاه را فراهم می‌کند.

سیستم به طور معمول یک دور از جمع آوری داده ها را در هر ساعت کامل می کند. به عنوان مثال، سیگنال DC مثبت تقریباً یک ساعت حفظ می شود، پس از آن قطبیت به DC منفی برمی گردد و برای چند ثانیه حفظ می شود و چرخه تکرار می شود. با این حال، سیگنال خفگی تأثیر منفی قابل توجهی بر عملکرد عادی درایو دارد. آفست DC مثبت و منفی که روی ولتاژ خروجی AC قرار گرفته اند، با محاسبات کنترل بردار تداخل می کنند و باعث عدم دقت در مشاهدات شار و محاسبه گشتاور می شوند. در طول عملیات بارگذاری شده، معکوس شدن قطبیت سیگنال DC می تواند به راحتی حفاظت از جریان اضافه یا خطای زمین را ایجاد کند و از عملکرد مداوم سیستم جلوگیری کند. علاوه بر این، بایاس DC الگوریتم کنترل را مختل می کند و به طور بالقوه باعث نوسانات سرعت موتور می شود.

برای سرکوب موثر تداخل فوق، Nancal Electric بهینه سازی هدفمند سخت افزار، نرم افزار و استراتژی های حفاظتی درایو را انجام داده است. در سمت سخت افزار ، مدار نمونه برداری ولتاژ خروجی برد کنترل اصلی دوباره طراحی شد و یک مدار جداسازی بایاس DC اضافه شد تا به طور فیزیکی سیگنال DC را از ورود به کانال نمونه برداری مسدود کند. در سمت نرم‌افزار ، یک ماژول جبرانی نرم‌افزار بایاس DC اضافه شد تا مولفه DC را از سیگنال نمونه‌گیری در زمان واقعی حذف کند، و الگوریتم کنترل برداری برای محافظت از تداخل در هنگام انتقال سیگنال خفگی بهینه‌سازی شد. در سمت استراتژی حفاظت ، پارامترهای حفاظت از خطای زمین موتور مجدد کالیبره شدند و تنظیم زمان تشخیص حفاظت خطای زمین خروجی برای جلوگیری از حفاظت کاذب ناشی از انتقال سیگنال تنظیم شد.

5. مزایای فنی و تضمین قابلیت اطمینان درایو ولتاژ متوسط ​​Nancal Electric

برای کاربردهای کابل بلند ESP، درایوهای ولتاژ متوسط ​​ارائه شده توسط Nancal Electric مزایای قابل توجهی در پیکربندی سخت افزار، فناوری کنترل و کاربرد مهندسی دارند. معماری سخت افزار درایو در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 2: توپولوژی درایو ولتاژ متوسط ​​چند سطحی سری سلولی

از نظر پیکربندی سخت‌افزاری ، این سری از درایوها از توپولوژی چند سطحی سری سلولی استفاده می‌کنند و شکل موج‌های خروجی سینوسی با کیفیت بالا با du/dt کم ارائه می‌دهند. بسته به طول کابل بین درایو و موتور، فیلتر موج سینوسی را می توان پیکربندی کرد که آن را به صورت حرفه ای برای کاربردهای کابل بلند مناسب می کند. این سیستم ویژگی های اختیاری مانند افزونگی سیستم کنترل اصلی و بای پس خودکار سلول قدرت را ارائه می دهد که قابلیت اطمینان و پایداری را بیشتر می کند.

از نظر فناوری کنترل ، این سری از درایوها از کنترل بردار حلقه باز استفاده می کنند، که دقیقاً با نیازهای درایو موتور پایین چاله، با مشاهده دقیق شار و پاسخ سریع گشتاور سازگار شده است. برای تداخل سیستم خفگی، دارای حفاظت دوگانه از طریق جداسازی سخت افزاری و جبران نرم افزاری است که تاثیر سیگنال های بایاس DC را به حداقل می رساند. عملکرد جبران تطبیقی ​​کابل بلند به طور خودکار امپدانس کابل را شناسایی می کند و افت ولتاژ را در زمان واقعی جبران می کند. فناوری شناسایی آنلاین پارامتر موتور به طور خودکار مقاومت استاتور و ثابت زمانی روتور را شناسایی می کند و با رانش پارامتر ناشی از گرمایش و اشباع موتور سازگار می شود.

از منظر کاربرد مهندسی ، این سری از درایوها قابلیت اطمینان بالایی را ارائه می دهند. همه تخته ها با پوشش همسان UV پوشانده شده اند و از رطوبت، قالب و پاشش نمک محافظت می کنند. تابلوهای سلول های قدرت و دستگاه های قدرت دارای ساختارهای مهر و موم شده مستقل با درجه حفاظت بالا هستند که آنها را برای محیط های سخت و نیازهای طولانی مدت عملکرد مداوم مناسب می کند. محصولات با موفقیت در چندین پروژه راه اندازی شده اند و همه راه حل ها تحت شرایط عملیاتی سخت تایید شده اند.

6. مورد درخواست

در پروژه پمپ شناور انتقال پروپان مایع شیمیایی، بدنه پمپ در یک محیط مایع غوطه ور می شود. پیکربندی سیستم شامل یک درایو ولتاژ متوسط، کابل بلند (تقریباً 1000 متر)، پمپ غوطه‌ور، و سیستم نظارت بر خفگی است. درایو ولتاژ متوسط ​​دارای سخت افزار و عملکردهایی از جمله افزونگی سیستم کنترل اصلی، بای پس خودکار سلول قدرت، افزونگی فن بالای کابینت و فیلتر موج سینوسی است که به طور قابل توجهی قابلیت اطمینان را افزایش می دهد.

شکل 3: نمودار خطی سیستم Singl

| موتور آسنکرون ولتاژ متوسط ​​| | درایو ولتاژ متوسط ​​NC سری HVVF |

| مورد | پارامتر | مورد | پارامتر |

| توان نامی | 261 کیلو وات | توان نامی | 350 کیلو وات |

| ولتاژ نامی | 2655 ولت (50 هرتز) / 3187 ولت (60 هرتز) | ولتاژ خروجی | 0–3300 ولت |

| فعلی دارای رتبه | 66.7 A | جریان خروجی | 0-100 A |

| فرکانس نامی | 50/60 هرتز | فرکانس خروجی | 0-180 هرتز |

| مجاز du/dt | ≤2000 V/μs | خروجی du/dt | <500 V/μs |

| ولتاژ حالت مشترک مجاز | ≤1000 ولت | خروجی حالت مشترک ولتاژ | <200 ولت |

جدول 1: پیکربندی پایه موتور و درایو

شکل 4: نصب کامل درایو و چوک باکس در محل

شکل 5: سیگنال DC سیستم خفگی

در طول اجرای پروژه، Nancal Electric به طور موثر یک سری مسائل فنی کلیدی را با بهینه‌سازی مسیریابی مدار کنترل، طراحی مجدد مدار نمونه‌برداری سخت‌افزاری با افزودن جداسازی بایاس DC، معرفی الگوریتم‌های جبران نرم‌افزاری، و کالیبره کردن مجدد پارامترهای حفاظتی حل کرد. این موارد شامل تداخل سیگنال در محل و خاموش شدن کاذب حفاظت از جریان اضافه و خطای زمین ناشی از سیگنال بایاس دوره‌ای 120 ولت DC از سیستم چوک بود (قطب مثبت تقریباً یک ساعت حفظ شد و پس از آن برگشت قطبیت به منفی برای تقریباً 1.5 ثانیه).

این پروژه به طور رسمی در دسامبر 2024 راه اندازی شد. عملکرد واقعی نشان داده است که درایو به طور پایدار کار می کند، بدون اضافه ولتاژ یا رزونانس در انتقال کابل بلند، سازگاری خوب بین سیستم چوک و درایو، و کنترل دقیق موتور. این محصول مورد توجه مشتریان قرار گرفته است.

7. نتیجه گیری

سیستم درایو فرکانس متغیر ESP به عنوان یک تجهیزات انتقال حفره حیاتی، با سه چالش عمده مواجه است: انتقال کابل بلند، تداخل سیگنال خفه، و محیط‌های عملیاتی سخت در محل. درایوهای ولتاژ متوسط ​​Nancal Electric، بر اساس توپولوژی چند سطحی سری سلولی، با کنترل تطبیقی ​​کابل بلند به عنوان هسته و سازگاری با سیستم خفه کننده به عنوان یک ویژگی متمایز، به طور موثر نقاط درد صنعت را از طریق یکپارچه سازی عمیق بهینه سازی سخت افزار و الگوریتم های نرم افزاری برطرف می کند.

Nancal Electric به تعمیق تخصص خود در برنامه‌های درایو فرکانس متغیر ESP، تکرار و ارتقای مداوم سازگاری کابل بلند، سازگاری سیگنال پیچیده و فناوری‌های افزونگی با قابلیت اطمینان بالا ادامه خواهد داد. این شرکت متعهد به ارائه راه‌حل‌های درایو فرکانس متغیر ایمن‌تر، کارآمدتر و پایدارتر برای بخش‌های استخراج نفت، شیمیایی و اعماق دریا است که به بومی‌سازی تجهیزات پیشرفته و توسعه با کیفیت بالا کمک می‌کند.