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.
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
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