Optimización en tiempo real de la potencia en aplicaciones de velocidad variable en bombas eléctricas sumergibles

Una bomba sumergible ESP es un tipo de bomba con un motor eléctrico encerrado en una carcasa protectora de forma que el ensamblaje puede ser sumergido en el fluido bombeado. Un sistema de sellos mecánicos puede emplearse para prevenir que el fluido entre en el motor y origine un cortocircuito.

Para controlar la extracción de fluido. El motor eléctrico puede ser accionado por un variador de frecuencia variable (VFD). Generalmente, con salidas altas de la frecuencia del variador, el motor rota más deprisa. Un VFD típico es un dispositivo de conversión de potencia que convierte la potencia AC de entrada en una potencia intermedia usando un circuito rectificador y convierte la potencia intermedia DC en potencia AC cuasi-sinusoidal de una frecuencia deseada usando un circuito de conmutación. La salida de corriente y voltaje del VFD no son sinusoidales puras, sino que tienen también una apariencia distorsionada.

Cuando el motor de una bomba funciona con un VFD, se generan armónicos de voltaje y corriente en la entrada y salida del VFD indicativos de las formas de onda distorsionadas. Esto es debido a que VFD es un tipo de carga no lineal y arrastra corriente de una forma no sinusoidal. Un sistema de potencia que transporta cargas no lineales puede experimentar tales problemas operacionales como fallos del condensador, sobrecalentamiento de transformadores y/o cables, disparo de interruptores de circuitos, distorsión de la forma de onda, fallos del motor, fallos o disfuncionamientos de controladores lógicos programables (PLC), y fallos de generadores de potencia. En las formas de onda más distorsionadas, el motor estará más caliente y la vida del motor se deteriorará. Las subidas de voltaje en la forma de onda de voltaje debidas a la distorsión pueden dañar el aislamiento del motor, lo cual drásticamente decrece la vida del motor y posiblemente llevará a un fallo del motor prematuro.

Por otra parte, el sistema bomba + VFD posee inductancia, capacitancia y resistencia como consecuencia de los cables largos entre bomba y VFD. Si el VFD opera en o cerca de la frecuencia de transporte resonante, ocurren picos de voltaje en la forma de onda de salida. Estos picos de voltaje debidos a la resonancia pueden reducir la vida y llevar a un fallo prematuro del motor.

Tradicionalmente, numerosas técnicas se han aplicado para tratar los armónicos producidos por los sistemas VFD-ESP. Por ejemplo, los armónicos de entrada se reducen colocando un filtro de línea en la entrada de un VFD. Sin embargo, en motores grandes este tipo de filtros son muy costosos y no hay garantías con la solución del filtro de línea de que los armónicos de entrada estén dentro de los límites permitidos en todas las condiciones operacionales. Los armónicos de salida se han manejado con un filtro de carga colocado a la salida del VFD. El propósito del filtro de carga es alisar las formas de onda y quitar, o al menos reducir, los picos de frecuencia alta. Como los filtros de línea, los filtros de carga a menudo también son costosos, y no hay garantías de que los filtros de carga trabajen igualmente en todas las condiciones operacionales.

Una configuración que soluciona estos problemas es la utilización de un método para ajustar uno o más parámetros de un VFD acoplado a una bomba sumergible en tiempo real. El método generalmente incluye la obtención de datos asociados con el VFD y el ESP mientras que opera el ESP, analizando los datos colectados en tiempo real para determinar si uno o más parámetros de operación pueden ser ajustados para alcanzar un estado de operación deseado, y, en respuesta a determinar que parámetros de operación pueden ser ajustados para alcanzar el estado de operación deseado, ajustando uno o más parámetros de operación del VFD.

En la figura con la que abrimos este artículo mostramos un diagrama típico de un sistema VFD-ESP. La salida del VFD puede ser acoplada a un transformador de VFD con varias tomas que permiten diferentes amplitudes de salida del VFD. La frecuencia de operación suministrada a ESP es generalmente proporcional a la velocidad de operación del motor eléctrico y, por lo tanto, proporcional a la cantidad de fluido bombeado.

El motor eléctrico dentro del ESP puede ser acoplado a un VFD localizado en la superficie vía un cable de potencia. La salida del VFD puede ser acoplado a un transformador de VFD con varias tomas para permitir diferentes salidas de amplitudes de voltaje desde el VFD. Para algunas configuraciones, el ESP puede ser acoplado al VFD o al transformador  del VFD vía una caja de conexiones. La entrada del VFD puede ser acoplada a una fuente de potencia de entrada, tal como un transformador de distribución o un generador. La forma de onda del voltaje desde la fuente de potencia de entrada opera a una frecuencia constante y amplitud constante, mientras que la salida del transformador del VFD permite una amplitud de voltaje variable y frecuencia variable. La frecuencia de operación suministrada al ESP es generalmente proporcional a la velocidad de operación del motor eléctrico y, por lo tanto, proporcional a la tasa de producción. El voltaje suministrado al ESP puede ser necesariamente ajustado cuando la carga cambia a lo largo del tiempo con producción.

Como hemos descrito anteriormente, los armónicos de potencia pueden ser causados por el circuito de conmutación del inversor del VFD a la forma de onda distorsionada y/o operando con una frecuencia de transporte cerca de la resonancia causada por la capacitancia e inductancia de un cable de potencia largo. En el lado de salida del VFD, estos armónicos pueden causar sobrecalentamiento de cables, daños, o una vida reducida del motor eléctrico del ESP por sobrecalentamiento. Estos armónicos pueden también ser reflejados por el VFD en el lado de salida donde puede causar perturbaciones en la fuente de potencia de entrada. Tales perturbaciones pueden originar un fallo en el generador o sobrecalentamiento del transformador de distribución además de originar fallos del equipo conectado a la misma línea de potencia.

Bibliografía

Real time optimization of power in electrical submersible pump variable speed applications. United States Patent Application Publication. US 2008/0187444 A1