Filtros de onda sinusoidal para protección de motores ESP: Un estudio de caso de campo sobre diseño de filtros y respuesta térmica de motores — Mirus International
01 Contexto operativo: Los ESP y el problema del levantamiento artificial
Encima 90% de los pozos petroleros terrestres y marinos en todo el mundo requieren algún tipo de elevación artificial para sostener la producción. La tecnología más utilizada es la Bomba Eléctrica Sumergible. (ESP) — una bomba centrífuga multietapa impulsada por un motor de inducción de fondo de pozo, controlado desde la superficie mediante un variador de velocidad ajustable (ASD).[1]
Esta combinación crea dos problemas distintos de calidad de la energía que se encuentran en extremos opuestos del ASD.:
- Lado de entrada: El rectificador frontal de 6 pulsos del ASD inyecta armónicos de corriente característicos (5ª, 7ª, 11ª, 13el...) regresar a la red de suministro: un problema bien comprendido con opciones de mitigación bien entendidas.
- Lado de salida: La etapa del inversor PWM genera una forma de onda de voltaje conmutada de alta frecuencia que, cuando se aplica a un cable de motor largo, produce sobretensiones., transitorios de onda reflejada, y calentamiento inducido por armónicos en el motor de fondo de pozo.
En un campo petrolero en Montana, Todos los ESP operados por PWM estaban equipados con filtros de onda sinusoidal de salida para abordar el segundo problema.. A pesar de esta precaución, Los propios filtros de onda sinusoidal comenzaron a fallar, a menudo dentro de los seis meses posteriores a la instalación.. Cuando fallaron los filtros, Los operadores se vieron obligados a cambiar las unidades al modo de 6 pasos. (sin PWM, no se necesita filtro de onda sinusoidal), que eliminó el problema de la onda reflejada pero introdujo un conjunto diferente de tensiones. Los motores en modo de 6 pasos funcionan más calientes, y las fallas del motor continuaron.[1]
Higo. 1. Voltaje (arriba) y actual (abajo) en un ESP de 6 pasos en el momento de falla del motor. Tenga en cuenta la sobretensión sostenida que suena en el período previo a la falla. Fuente: Estudio de caso de Mirus Internacional.[1]
02 Anatomía del problema: Por qué el PWM es difícil para los motores sumergibles
2.1 El mecanismo de la onda reflejada.
Un inversor PWM conmuta su voltaje de bus de CC a través de los terminales de salida a la frecuencia portadora, generalmente 2 a 8 kHz para unidades ESP, con unidades más grandes usando el extremo inferior de ese rango. Cada transición de conmutación es un paso de voltaje muy rápido. (alto dv/dt). Cuando este paso se propaga a lo largo del cable que conecta el variador al motor, encuentra una discontinuidad de impedancia en los terminales del motor. La reflexión de voltaje resultante puede producir voltajes máximos que se acercan al doble del voltaje del bus de CC..[2]
Para un estándar 480 unidad V, el autobús DC se encuentra cerca 675 En. Por lo tanto, un exceso de onda reflejada puede imponer momentáneamente entre 1200 y 1350 V en el aislamiento del devanado del motor, muy por encima de la capacidad de resistencia de diseño de motores no clasificados para funcionamiento con inversor..
2.2 Tensión capacitiva en la primera vuelta del devanado.
En las frecuencias de conmutación utilizadas en los variadores PWM, La inductancia distribuida y la capacitancia entre espiras de un devanado de motor forman una línea de transmisión con pérdidas.. El frente de onda de voltaje no se distribuye uniformemente entre las espiras: las primeras vueltas del devanado deben absorber una parte desproporcionada de la sobretensión.. Este es el problema del primer turno., y es el principal mecanismo de falla para el aislamiento del devanado del motor en aplicaciones impulsadas por PWM.[2]
2.3 Por qué el modo de 6 pasos no resuelve el problema
6-La operación por pasos impulsa el motor con una onda casi cuadrada a frecuencia fundamental, eliminando la conmutación PWM de alta frecuencia y sus transitorios asociados. Sin embargo, La onda cuasi cuadrada es rica en armónicos de orden bajo, principalmente el quinto y el séptimo.. Estos armónicos generan campos magnéticos contrarrotativos en el estator., produciendo pérdidas adicionales de cobre y hierro que aumentan la temperatura del motor. En la aplicación ESP, una temperatura de funcionamiento más alta acelera la degradación del sello y el envejecimiento del aislamiento.[1]
La conclusión es clara: la solución correcta es no eliminar PWM, pero para filtrarlo efectivamente.
03 Diseño de filtro: Frecuencia de sintonización como parámetro crítico
3.1 Qué debe hacer un filtro sinusoidal
Un filtro de onda sinusoidal es un filtro LC de paso bajo insertado entre la salida del inversor y los terminales del motor.. Su función es atenuar los armónicos de la frecuencia de conmutación lo suficiente como para que el voltaje visto por el motor se aproxima a una sinusoide en la frecuencia de salida fundamental del variador.. Se establecieron dos criterios de desempeño para el esfuerzo de rediseño.:[1]
- Distorsión armónica total de tensión en la salida del filtro: < 3% THDv
- Distorsión armónica total actual en la salida del inversor: < 5% THDi
Una restricción de diseño adicional, crítica para la confiabilidad a largo plazo, fue que el filtro debe limitar la resonancia del sistema. inherentemente, sin depender de resistencias de amortiguación que añaden pérdida de inserción y generan calor.
3.2 El problema de la resonancia con la afinación convencional
Filtros sinusoidales convencionales para 60 Los sistemas Hz normalmente se sintonizan cerca 600 Hz (el décimo armónico). Análisis informático de un 200 HP, 480 En, 60 Hz sistema ESP con un 600 Filtro sintonizado en Hz y un 2 frecuencia de conmutación del inversor kHz producida 9.1% THDv: peor que el objetivo e indicativo de una condición de resonancia. Agregar amortiguación resistiva redujo la resonancia, pero no a un nivel que produjera una distorsión aceptable.. El diseño convencional era fundamentalmente inadecuado para esta aplicación..[1]
Higo. 2. Forma de onda de voltaje PWM de salida del inversor y espectro armónico en 2 frecuencia de conmutación kHz. THDv ≈ 39.6%. Fuente: Mirus Internacional.[1]
3.3 La 180 solución Hz
Cuando la frecuencia sintonizada se redujo a 180 Hz (el 3er armónico de 60 Hz), La resonancia desapareció incluso sin resistencias de amortiguación.. La salida del filtro THDv cayó por debajo 2% tanto para el 200 HP y el 1,100 Sistemas ESP HP. La 180 El corte de Hz coloca la frecuencia natural del filtro muy por debajo de los armónicos de la portadora., asegurando una atenuación robusta en todo el rango de frecuencia de conmutación independientemente de las variaciones de la frecuencia portadora.[1]
Higo. 3. Forma de onda y espectro del voltaje de salida con 180 Filtro de onda sinusoidal sintonizado en Hz. THDv cae a aproximadamente 1.64% — bien dentro del < 3% objetivo de diseño. Fuente: Mirus Internacional.[1]
3.4 Mejoras de rendimiento secundarias
| Parámetro | Filtro convencional (600 sintonización de Hz) | filtro INVERSINO (180 sintonización de Hz) |
|---|---|---|
| Salida THDv | ~9,1% (con resonancia) | < 2% |
| Caída de voltaje de inserción (carga completa) | ~10% | < 3% |
| Factor de potencia a la salida del inversor | Rezagado (carga reactiva del motor) | Cerca de la unidad (Los condensadores compensan el VAr del motor.) |
| Se requieren resistencias de amortiguación | Sí (todavía insuficiente) | No: amortiguación inherente del ajuste LC |
La menor pérdida de inserción. (10% vs. 3%) significa que el motor recibe un voltaje terminal proporcionalmente más alto en una configuración de salida del inversor determinada, lo que reduce la corriente del motor y las pérdidas I²R asociadas, lo que contribuye directamente a una temperatura de funcionamiento más baja..
El factor de potencia cercano a la unidad en la salida del inversor reduce la corriente de salida del ASD para la misma potencia del eje., reduciendo las pérdidas del inversor y extendiendo la vida útil del variador. En aplicaciones ESP donde el motor tiene un tamaño cercano a la clasificación ASD, Esta reducción actual puede permitir un aumento modesto en la velocidad de la bomba y, por lo tanto, en la tasa de producción..
04 Resultados de campo: Temperatura del motor como variable de diagnóstico
Un 1,100 HP, 480 En, 60 Filtro Hz INVERSINO (180 sintonización de Hz) se instaló en un pozo que había estado operando en modo de 6 pasos luego de una falla del filtro de onda sinusoidal. Después de la instalación, el variador volvió a funcionar en modo PWM. La temperatura del motor de fondo de pozo se monitoreó continuamente a través del paquete de instrumentación ESP.[1]
Higo. 4. La 1,100 Filtro sinusoidal HP INVERSINE AUSF instalado en el sitio del pozo. Fuente: Mirus Internacional.[1]
4.1 Reducción de temperatura en estado estacionario
Higo. 6. Tendencia de la temperatura de funcionamiento del motor que muestra la transición del funcionamiento de 6 pasos al funcionamiento FPWM con el filtro de onda sinusoidal INVERSINE. La 12 La reducción en °F en estado estacionario es inmediatamente evidente. Fuente: Mirus Internacional.[1]
La temperatura del motor en estado estacionario bajó de 249 °F a 237 °F—un 12 °F (aproximadamente 5%) reducción: inmediatamente después de cambiar a PWM con el nuevo filtro. Esta mejora es atribuible a dos factores que actúan juntos: Eliminación del calentamiento armónico 5.º y 7.º característico del funcionamiento de 6 pasos., y las menores pérdidas de cobre resultantes de una menor corriente del motor con un voltaje terminal mejorado.
4.2 Reducción del pico de temperatura de inicio
Los transitorios de arranque son particularmente dañinos para los motores ESP debido a un modo de falla específico vinculado a la sección del sello del motor.. Durante el inicio, La temperatura del motor aumenta bruscamente ya que la corriente está muy por encima de la nominal.. La temperatura elevada hace que el aceite de motor en el sello mecánico se expanda y se descargue en el pozo.. Mientras el motor se enfría después del apagado, El petróleo en contracción extrae el fluido del pozo. (con sus sólidos y corrosivos) de nuevo en el sello. Los ciclos térmicos repetidos contaminan progresivamente el sello., desgaste acelerado.[1]
Higo. 7. Temperatura del motor durante los ciclos de arranque-parada., comparando 6-Step y PWM con filtro INVERSINE. La 39 La reducción de °F en los picos de temperatura de arranque reduce directamente la tensión térmica en la sección del sello autocompensante.. Fuente: Mirus Internacional.[1]
4.3 Mejora de la tasa de producción
El sitio de pozo específico en el estudio de caso no tenía una combinación de bomba y motor lo suficientemente grande como para aprovechar la reducción actual debido al factor de potencia mejorado.. Sin embargo, cuando se instaló un filtro similar en un segundo pozo, un aumento de 125 barriles por día (TLP) Se informó de la producción total de fluido: el resultado directo de poder empujar la bomba a una velocidad ligeramente más alta con el espacio libre liberado por la corriente ASD reducida..[1]
4.4 Comparación de calidad de forma de onda
Higo. 5. Comparación de formas de onda de voltaje en terminales del motor: nuevo 180 Filtro sintonizado Hz (arriba, seno limpio) vs. filtro convencional (abajo, Ondulación residual de PWM visible). Fuente: Mirus Internacional.[1]
05 La perspectiva de la calidad de la energía: Lo que ilustra este estudio de caso
Un historial de calidad de la energía eléctrica brinda una perspectiva diferente de lo que sucedió en el campo petrolero de Montana.. La secuencia de fallas no fue simplemente un problema de calidad del producto con los filtros de onda sinusoidal originales: fue un problema de resonancia del sistema que el enfoque de diseño de filtro convencional no pudo anticipar..
5.1 La paradoja del cumplimiento en el diseño de filtros ESP
Diseños de filtros de onda sinusoidal convencionales para 60 Hz aplicaciones industriales sintonizan cerca 600 Hz. Esta opción funciona aceptablemente en cargas de motor estándar con cables cortos.. En la aplicación ESP, El largo cable del fondo del pozo cambia drásticamente la impedancia vista en los terminales de salida del inversor.. El sistema motor-cable tiene sus propias frecuencias de resonancia., y estos pueden caer cerca de la frecuencia de sintonización del filtro, convirtiendo el filtro de un atenuador en un amplificador en esas frecuencias.. La 9.1% resultado THDv con un “estándar” El filtro no es un filtro defectuoso.; Es un filtro fabricado correctamente que funciona en un sistema para el que no fue diseñado..[1]
5.2 Mediciones térmicas como herramienta de diagnóstico PQ
El estudio de caso utiliza la temperatura continua del motor de fondo de pozo como su principal métrica de validación, no mediciones del espectro armónico., no datos del analizador de potencia. Esto es pragmáticamente correcto para la aplicación ESP.: Las mediciones de PQ en el fondo del pozo son difíciles y costosas de obtener., pero los sensores de temperatura son parte integral del paquete de instrumentación ESP y proporcionan un tiempo real, medida integrada del estrés motor. La 39 La reducción de °F en los picos de temperatura de arranque es un indicador más significativo de la mejora de la salud del motor que cualquier número de THD medido en la superficie..
Desde el punto de vista de la metodología de medición de PQ, esto ilustra un principio importante: Elija la métrica más cercana a la consecuencia que está tratando de evitar.. En este caso, esa métrica es la temperatura del motor, no distorsión de voltaje.
5.3 La naturaleza bilateral de la calidad de la energía VFD
Artículos 1 y 2 En esta serie se abordaron problemas armónicos en el suministrar Lado de un VFD: los armónicos de corriente inyectados por el rectificador de 6 pulsos., y la interacción de esos armónicos con los condensadores de corrección del factor de potencia.. Este caso de estudio se encuentra en el lado opuesto del mismo dispositivo.: Los problemas de calidad del voltaje de salida creados por el inversor PWM..
Ambos lados del VFD son importantes. Los armónicos del lado de la oferta afectan la calidad de la energía de la red y otros equipos que comparten el mismo bus.. Los armónicos del lado de salida afectan directamente al motor accionado.. Un tratamiento completo de la calidad de la energía VFD requiere considerar tanto. Artículo 4 en esta serie continuaremos con este tema, examinando el rectificador de 6 pulsos como un víctima en lugar de una fuente, específicamente, Cómo la mala calidad del voltaje de suministro degrada el rendimiento del rectificador y afecta el bus de CC visto por el inversor..
Referencias
- [1] Mirus Internacional Inc., “El filtro INVERSINE Sinewave resuelve fallas del motor ESP,” Estudio de caso de aplicación, brampton, Ontario, Canadá. Disponible: mirusinternacional.com
- [2] La. por joanne, D. Rendusara, P. Enjeti, y J. Gris, “Técnicas de filtrado para minimizar el efecto de los cables largos del motor en sistemas de accionamiento de motor de CA alimentados por inversor PWM,” IEEE Transactions on Industry Applications, vuelo. 32, no. 4, pp. 919–926, julio/agosto. 1996.