La solución de Nancal Electric para variadores de media tensión en aplicaciones de bombas eléctricas sumergibles (ESP) con condiciones de cables largos

1. Introducción

Las bombas eléctricas sumergibles (ESP) se utilizan ampliamente en la extracción de petróleo de pozos profundos en tierra, la producción de petróleo y gas en alta mar y la transferencia de medios líquidos químicos. El motor y la bomba están integrados y sumergidos directamente en ambientes hostiles en el fondo del pozo con alta temperatura, alta presión y fluidos corrosivos. En la ingeniería actual, el cable de alimentación entre el variador y el motor de fondo de pozo normalmente alcanza cientos o incluso miles de metros.

El efecto de capacitancia distribuida y la reflexión de voltaje causada por cables de larga distancia pueden provocar sobretensión en los terminales del motor, acelerando el envejecimiento y daño del aislamiento. Al mismo tiempo, las señales periódicas de CC positivas y negativas inyectadas por el sistema de estrangulación del sensor de fondo de pozo pueden superponerse a los circuitos de muestreo del variador, provocando perturbaciones en el control y frecuentes fallos.

Para abordar los desafíos principales de las aplicaciones de accionamiento ESP, Nancal Electric ha introducido una solución para sistemas de accionamiento de media tensión ESP basados ​​en topología multinivel en serie de celdas, aprovechando tecnologías centrales como el control adaptativo de cable largo y el procesamiento de compatibilidad de señal de estrangulación . Esta solución se ha aplicado con éxito en proyectos de cables largos, como una bomba sumergida de propano, resolviendo eficazmente problemas que incluyen sobretensión de cables largos, interferencias de señales de estrangulamiento y degradación de la precisión del control.

2. Desafíos centrales del sistema

El sistema de transmisión de frecuencia variable ESP consta principalmente de cuatro partes: la transmisión de media tensión, el cable de alimentación de larga distancia, la unidad ESP de fondo de pozo y el sistema de monitoreo del estrangulador. En funcionamiento real, el sistema enfrenta tres desafíos principales.

Figura 1: Esquema simplificado del sistema de transmisión de frecuencia variable ESP

Primero, la transmisión de larga distancia es el factor principal que afecta la estabilidad del sistema. El efecto de capacitancia distribuida del cable largo provoca una reflexión de voltaje, lo que genera sobretensión en los terminales del motor. Al mismo tiempo, la corriente de carga capacitiva causa distorsión de la corriente de salida, amenazando el aislamiento del motor y el funcionamiento seguro de los dispositivos de potencia del variador.

En segundo lugar, la interferencia de la señal procedente del sistema de estrangulamiento es un desafío técnico que no puede pasarse por alto. El sistema de estrangulamiento, utilizado para monitorear el estado del fondo del pozo, inyecta señales CC positivas y negativas periódicas en el circuito principal. Estas señales se superponen al voltaje de salida del variador, interfiriendo con el muestreo de voltaje y los algoritmos de control vectorial, y pueden causar fácilmente disparos falsos de la protección contra sobrecorriente y falla a tierra.

En tercer lugar, el duro entorno operativo impone mayores exigencias a la confiabilidad del sistema de variador de frecuencia. En aplicaciones como plataformas marinas, bocas de pozo o plantas químicas, los variadores de media tensión a menudo enfrentan condiciones duras que incluyen altas temperaturas, alta humedad, corrosión por niebla salina, vibraciones y fluctuaciones de energía. Las plataformas marinas, en particular, también deben hacer frente a condiciones extremas como tifones y marejadas ciclónicas. Estas condiciones operativas imponen requisitos de adaptabilidad ambiental, precisión del control, confiabilidad de la protección y redundancia del sistema que son mucho más altos que los de los escenarios industriales convencionales.

3. Problemas y soluciones con cables largos

Bajo la transmisión por cable de larga distancia, las características de acoplamiento eléctrico entre el variador y el motor cambian, manifestándose principalmente como cuatro problemas centrales: reflexión de voltaje, efecto de capacitancia distribuida, caída de voltaje en estado estable y riesgo de resonancia del sistema.

Cuando los pulsos PWM se transmiten a lo largo del cable, se produce una reflexión en el extremo del motor debido a una falta de coincidencia de impedancia. La superposición de ondas incidentes y reflejadas puede aumentar significativamente la amplitud de voltaje en los terminales del motor, acercándose en casos severos al doble del voltaje del bus de CC, lo que representa una amenaza directa para el aislamiento entre espiras del devanado del motor.

Al mismo tiempo, el largo cable actúa como una gran capacitancia distribuida. El proceso periódico de carga y descarga causado por los pulsos PWM genera corrientes capacitivas de alta frecuencia adicionales. Estas corrientes, superpuestas a la corriente de carga, pueden causar distorsión de la forma de onda de la corriente de salida del variador y aumentar la tensión de conmutación y el aumento de temperatura de los dispositivos de potencia.

Además, la resistencia y la inductancia del cable en sí producen una caída de voltaje en estado estable bajo la corriente de carga, lo que hace que el voltaje real en los terminales del motor sea menor que el voltaje de salida del variador, lo que puede provocar una reducción del par de salida del motor.

La inductancia y capacitancia distribuidas del cable forman un circuito resonante LC, que puede provocar oscilaciones armónicas en frecuencias específicas, provocando una amplificación anormal de voltaje y corriente. En casos graves, esto puede provocar inestabilidad del sistema o disparo de protección.

Para abordar los problemas anteriores, Nancal Electric ha propuesto una solución sistemática para aplicaciones de cables largos. A nivel de topología, se adopta la topología multinivel de la serie de celdas, que produce una forma de onda de salida escalonada cercana a una onda sinusoidal con du/dt extremadamente baja, suprimiendo la reflexión de voltaje en la fuente y adaptándose a la transmisión por cable de larga distancia. Al mismo tiempo, se configura un filtro de onda sinusoidal en el lado de salida del variador para filtrar aún más los armónicos PWM de alta frecuencia, acercando la forma de onda del voltaje de salida a una onda sinusoidal y reduciendo significativamente los riesgos de sobretensión y resonancia.

A nivel de algoritmo de control, el variador cuenta con compensación automática de caída de voltaje incorporada para cables largos, lo que corrige el voltaje de salida y el muestreo de corriente en tiempo real, asegurando que el motor reciba un voltaje cercano al valor nominal mientras se mantiene la precisión del control. Además, al optimizar los umbrales y los tiempos de acción de la protección de falla a tierra y la protección contra sobrecorriente, se evitan de manera efectiva los disparos falsos causados ​​por la corriente de carga del cable largo, lo que garantiza un funcionamiento continuo y estable del sistema.

4. Interferencia y supresión de la señal de estrangulamiento

El sistema de estrangulamiento ESP es una unidad integrada para el suministro de energía y la transmisión de señales del sensor de fondo de pozo. Las funciones principales del sistema incluyen: inyectar señales CC positivas y negativas periódicas en el circuito principal del motor para proporcionar energía a los sensores de fondo de pozo que miden la temperatura, la presión, el estado del aislamiento del motor y la corriente de fuga; y recibir señales de retorno de los sensores de fondo de pozo y transmitirlas al panel de control de superficie, lo que permite el monitoreo en línea en tiempo real de las condiciones de fondo de pozo.

El sistema normalmente completa una ronda de adquisición de datos por hora. Por ejemplo, la señal CC positiva se mantiene durante aproximadamente una hora, después de lo cual la polaridad se invierte a CC negativa y se mantiene durante varios segundos, y el ciclo se repite. Sin embargo, la señal del estrangulador tiene un impacto negativo significativo en el funcionamiento normal del variador. La compensación de CC positiva y negativa superpuesta al voltaje de salida de CA interfiere con los cálculos de control vectorial, provocando imprecisiones en la observación del flujo y el cálculo del par. Durante el funcionamiento con carga, la inversión de polaridad de la señal de CC puede activar fácilmente una protección contra sobrecorriente o falla a tierra, impidiendo el funcionamiento continuo del sistema. Además, la polarización de CC altera el algoritmo de control, lo que puede provocar fluctuaciones en la velocidad del motor.

Para suprimir eficazmente la interferencia anterior, Nancal Electric ha llevado a cabo una optimización específica del hardware, el software y las estrategias de protección del disco. En el lado del hardware , se rediseñó el circuito de muestreo de voltaje de salida del tablero de control principal y se agregó un circuito de aislamiento de polarización de CC para bloquear físicamente la entrada de la señal de CC al canal de muestreo. En el lado del software , se agregó un módulo de compensación de software de polarización de CC para eliminar el componente de CC de la señal de muestreo en tiempo real, y se optimizó el algoritmo de control vectorial para proteger la interferencia durante las transiciones de la señal de estrangulación. En el lado de la estrategia de protección , se recalibraron los parámetros de protección de falla a tierra del motor y se ajustó la configuración del tiempo de detección de la protección de falla a tierra de salida para evitar una protección falsa activada por transiciones de señal.

5. Ventajas técnicas y garantía de confiabilidad del variador eléctrico de media tensión Nancal

Para aplicaciones de cable largo ESP, los variadores de media tensión que ofrece Nancal Electric tienen ventajas significativas en la configuración de hardware, tecnología de control y aplicaciones de ingeniería. La arquitectura del hardware de la unidad se muestra en la siguiente figura.

Figura 2: Topología del variador de media tensión de varios niveles en serie de celdas

En términos de configuración de hardware , esta serie de unidades adopta una topología de varios niveles en serie de celdas, que ofrece formas de onda de salida sinusoidales de alta calidad con du/dt bajo. Dependiendo de la longitud del cable entre el variador y el motor, se puede configurar un filtro de onda sinusoidal, lo que lo hace profesionalmente adecuado para aplicaciones con cables largos. El sistema ofrece características opcionales como redundancia del sistema de control principal y derivación automática de la celda de potencia, lo que mejora aún más la confiabilidad y la estabilidad.

En términos de tecnología de control , esta serie de variadores emplea control vectorial de bucle abierto, adaptado con precisión a los requisitos de accionamiento del motor de fondo de pozo, con observación precisa del flujo y rápida respuesta de torque. Para la interferencia del sistema de estrangulación, presenta protección dual mediante aislamiento de hardware y compensación de software, lo que minimiza el impacto de las señales de polarización de CC. La función de compensación adaptativa de cable largo identifica automáticamente la impedancia del cable y compensa la caída de voltaje en tiempo real. La tecnología de identificación en línea de parámetros del motor identifica automáticamente la resistencia del estator y la constante de tiempo del rotor, adaptándose a la deriva de los parámetros causada por el calentamiento y la saturación del motor.

Desde la perspectiva de las aplicaciones de ingeniería , esta serie de unidades ofrece alta confiabilidad. Todas las tablas están recubiertas con un revestimiento de conformación UV, que brinda protección contra la humedad, el moho y la niebla salina. Las placas de celdas de energía y los dispositivos de energía cuentan con estructuras selladas independientes con altos índices de protección, lo que los hace adecuados para entornos hostiles y cumplen con los requisitos de operación continua a largo plazo. Los productos se han puesto en marcha con éxito en múltiples proyectos y todas las soluciones se han verificado en condiciones operativas severas.

6. Caso de solicitud

En un proyecto de bomba sumergida de transferencia de propano líquido químico, el cuerpo de la bomba está sumergido en un ambiente líquido. La configuración del sistema incluye un variador de media tensión, un cable largo (aproximadamente 1000 m), una bomba sumergida y un sistema de monitoreo del estrangulador. El variador de voltaje medio presenta hardware y funciones que incluyen redundancia del sistema de control principal, derivación automática de celda de energía, redundancia de ventilador en la parte superior del gabinete y filtro de onda sinusoidal, lo que mejora significativamente la confiabilidad.

Figura 3: Diagrama unifilar del sistema

| Motor asíncrono de media tensión | | Variador de media tensión serie NC HVVF |

| Artículo | Parámetro | Artículo | Parámetro |

| Potencia nominal | 261 kilovatios | Potencia nominal | 350 kilovatios |

| Tensión nominal | 2655 V (50 Hz) / 3187 V (60 Hz) | Voltaje de salida | 0–3300 V |

| Corriente nominal | 66,7 A | Corriente de salida | 0–100 A |

| Frecuencia nominal | 50/60 Hz | Frecuencia de salida | 0–180 Hz |

| Du/dt permitidos | ≤2000 V/μs | Salida du/dt | <500 V/μs |

| Voltaje de modo común permitido | ≤1000V | Voltaje de modo común de salida | <200 V |

Tabla 1: Configuración básica del motor y del variador

Figura 4: Instalación in situ del variador completo y de la caja de estrangulamiento

Figura 5: Señal CC del sistema de estrangulación

Durante la implementación del proyecto, Nancal Electric resolvió de manera efectiva una serie de problemas técnicos clave optimizando el enrutamiento del circuito de control, rediseñando el circuito de muestreo de hardware con aislamiento de polarización de CC adicional, introduciendo algoritmos de compensación de software y recalibrando los parámetros de protección. Estos incluyeron interferencia de señal en el sitio y disparos falsos de protección contra sobrecorriente y falla a tierra causados ​​por la señal de polarización CC periódica de 120 V del sistema de estrangulación (polaridad positiva mantenida durante aproximadamente una hora, seguida de inversión de polaridad a negativa durante aproximadamente 1,5 segundos).

El proyecto se puso en marcha oficialmente en diciembre de 2024. La operación real ha demostrado que el variador funciona de manera estable, sin sobretensión ni resonancia en la transmisión de cables largos, buena compatibilidad entre el sistema de estrangulación y el variador y un control preciso del motor. El producto ha recibido un gran reconocimiento por parte del cliente.

7. Conclusión

Como equipo crítico de transporte en el fondo del pozo, el sistema de transmisión de frecuencia variable ESP enfrenta tres desafíos principales: transmisión por cable largo, interferencia de señal de estrangulamiento y entornos operativos hostiles en el sitio. Los variadores de media tensión de Nancal Electric, basados ​​en una topología multinivel de serie de celdas, con control adaptativo de cable largo como núcleo y compatibilidad con el sistema de estrangulación como característica distintiva, abordan de manera efectiva los puntos débiles de la industria a través de una profunda integración de optimización de hardware y algoritmos de software.

Nancal Electric continuará profundizando su experiencia en aplicaciones de accionamiento de frecuencia variable ESP, iterando y actualizando continuamente la adaptación de cables largos, la compatibilidad de señales complejas y las tecnologías de redundancia de alta confiabilidad. La empresa se compromete a proporcionar soluciones de accionamiento de frecuencia variable más seguras, eficientes y estables para los sectores petrolero, químico y de extracción en aguas profundas, contribuyendo a la localización de equipos de alta gama y al desarrollo de alta calidad de la industria.