Kestomagneettimoottorin paranneltu skalaariohjaus uppopumppusovelluksissa

This thesis is a study into control methods for permanent magnet synchronous motors used to power electrical submersible pumps in order to discover a solution, which combines simplicity in both design and end user operation. The objective is to discover methods to improve energy efficiency and the capability to withstand sudden changes in load torque. Permanent magnet motors have recently been increasing in popularity in electrical submersible pump systems due to their higher energy efficiency and longer lifespan in comparison to induction motors. The motor may be located up to several kilometers down a narrow bore-well subjecting it to heat, pressure and impurities. Due to the location of the motor, replacing one is a difficult and costly operation and pumps powered by the motor are offline during the change as well. Sine wave filter, step-up transformer and transmission cables are typically installed between the voltage source and the motor, which complicates designing a control system. The study will be conducted by reviewing existing literature on the subject and developing solutions based on the review. The fundamentals regarding the equipment used in an electrical submersible pump system are reviewed. The problems regarding the control of a permanent magnet synchronous motor will be covered to which solutions are presented and evaluated. The mathematical model of the system will be presented after which a stability analysis is conducted. Simulations will be used as development tools as well as to verify the functionality of the implemented control system before testing with hardware. Several study cases will be tested to evaluate the performance of the controllers under conditions similar to permanent magnet motors operating in actual electrical submersible pump systems. These study cases consist of the ability to withstand sudden changes in load torque, which would be caused by rocks, sand and other impurities in an electrical submersible pump system. Other test cases are related to the ability of the motor to accelerate and decelerate while operating a pump. The study found, that power factor reference based input voltage amplitude control may be utilized to improve energy efficiency.Tämä diplomityö tutkii ohjausmetodeja kestomagneettimoottoreille, joita käytetään uppopumppusovelluksissa tarkoituksena löytää ratkaisu, jossa yhdistyy yksinkertaisuus niin järjestelmän suunnittelussa kuin loppukäyttäjällä. Tavoitteena on myös löytää metodeja parantaa energiatehokkuutta ja momentti-iskujen kestoa. Kestomagneettimoottoreiden suosio on kasvamassa uppopumppujärjestelmissä johtuen kestomagneettimoottorin paremmasta enegriatehokkuudesta ja käyttöiästä verrattuna induktiomoottoriin. Uppopumpun moottori voi sijaita jopa useiden kilometrien syvyydessä kapeassa porausreiässä altistuen tästä johtuen kuumuudelle, paineelle sekä epäpuhtauksille. Johtuen moottorin sijainnista, sen vaihtaminen on hankala ja kallis toimenpide. Lisäksi moottorin pyörittämät pumput seisovat toimenpiteen ajan. Uppopumppujärjestelmässä sähkönsyötön ja moottorin välille on yleensä kytketty siniaaltosuodatin, muuntaja sekä pitkät siirtojohdot. Nämä komponentit jännnitelähteen ja moottorin välissä aiheuttavat haasteita ohjausjärjestelmän suunnittelulle. Tässä työssä käydään läpi tieteellisiä kirjoituksia aiheesta, minkä pohjalta ohjausratkaisuja lähdetään kehittämään. Ensin käydään läpi uppopumppujärjestelmään liittyvän laitteiston sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet. Tämän jälkeen käsitellään kestomagneettimoottorin ohjaukseen liittyviä ongelmia, mihin sitten esitetään ratkaisuja. Järjestelmän matemaattiset mallit käydään läpi sekä analysoidaan sen stabiiliutta. Simulaatioita käytetään kehitystyökaluina varmentamaan luotujen ohjausratkaisujen toimivuus ennen käytännön testejä. Useita uppopumppumoottoreille tyypillisiä skenaarioita on valittu testattavaksi, jotta ohjainten suorituskykyä saadaan mitattua mahdollisimman realistisissa tapauksissa. Tapauksissa testataan kykyä kestää momentti-iskuja eri nopeuksilla, sekä suorituskykyä kiihdytyksessä ja jarrutuksessa pumppua muistuttavan kuorman kanssa. Tutkimuksen tuloksena tehokertoimeen perustuvan syöttöjännitteen amplitudin ohjauksen todettiin parantavan moottorin energiatehokkuutta