No-load field characterisation of a sine-wave-filtered variable-frequency drive feeding an electrical submersible induction motor through a 6000 m cable

Resumen Técnico: Caracterización en vacío de un variador de frecuencia alimentado por un filtro de onda senoidal que alimenta un motor de inducción sumergible mediante un cable de 6000 m

Planteamiento del problema
Las bombas electrosumergibles (ESP) en pozos profundos dependen de variadores de frecuencia (VFD) de superficie conectados a motores de fondo mediante cables de potencia de varios kilómetros. La salida de modulación por ancho de pulsos (PWM) de conmutación rápida de los VFD estándar crea tensiones severas de calidad de potencia, incluyendo sobretensiones de onda reflejada, tiempos de subida de tensión ($dv/dt$) pronunciados y calentamiento armónico, lo que puede conducir a fallos prematuros en el aislamiento y en los rodamientos. Aunque los filtros de salida de onda senoidal (LC) son la solución estándar para remodelar la forma de onda PWM en formas de onda sinusoidales, la literatura existente sobre sistemas ESP de cable largo es predominantemente basada en modelos o validada mediante pruebas de laboratorio a escala reducida. Existe una escasez de datos de campo a escala completa que aíslen el rendimiento del filtro senoidal de los efectos del propio cable largo. Específicamente, no está claro cuánto voltaje fundamental se pierde a través de un cable real de varios kilómetros tras el filtrado, y cómo se comporta la corriente en vacío del motor bajo estas condiciones específicas.

Metodología
Los autores realizaron una prueba de campo controlada en tres estados en un motor de inducción sumergible de 45 kW, 946 V, operando sin carga a través de un cable blindado de 6000 m. La prueba se realizó a 20, 30 y 40 Hz bajo control V/f. Los tres estados de medición fueron:

1. Estado 1: Salida del VFD directa (PWM bruto).
2. Estado 2: Salida del VFD a través de un filtro de onda senoidal (medida en la salida del filtro).
3. Estado 3: Salida del VFD a través del filtro y el cable de 6000 m (medida en los terminales del motor).

Las mediciones se capturaron utilizando un analizador de calidad de potencia VITREK PA910VT. Los parámetros del cable, incluyendo la resistencia de CC y la inductancia dependiente de la frecuencia, se midieron directamente utilizando un multímetro y un puente LCR. Se construyó un modelo de línea de transmisión de parámetros distribuidos dependiente de la frecuencia utilizando estos parámetros medidos para simular y validar las caídas de tensión observadas. Además, se diseñó un filtro senoidal LC desde primeros principios para comparar su respuesta simulada con el rendimiento del filtro medido en campo.

Resultidos clave

• Rendimiento del filtro: El filtro senoidal transformó con éxito la tensión PWM bruta (Distorsión Armónica Total [THD] del 250–470% y factores de cresta de hasta 2.72) en una sinusoide limpia (THD reducida al 2.4%, factor de cresta reducido a 1.49).
• Caída de tensión en el cable: El cable de 6000 m causó una caída significativa de la tensión fundamental en los terminales del motor, variando del 8.3% al 15.0% dependiendo de la frecuencia. Un modelo de impedancia serie concentrada utilizando la resistencia e inductancia medidas reprodujo estas caídas con un error inferior al 3% a 30 y 40 Hz.
• Reducción de la corriente en vacío: Se observó una reducción distinta y desproporcionada de la corriente del motor. Mientras que la tensión cayó entre un 8% y un 15%, la corriente en vacío disminuyó entre un 29% y un 36%. El análisis de la potencia reactiva reveló que la inductancia magnetizante efectiva aumentó aproximadamente un 30% (por ejemplo, de 93.7 mH a 121.7 mH a 20 Hz).
• Mecanismo de desaturación magnética: Los autores atribuyen la reducción de la corriente a la desaturación magnética. La relación V/f en la salida del filtro situó al motor (ligeramente saturado) apenas por encima de su flujo nominal. La caída de tensión del cable redujo el flujo en el entrehierro, moviendo el punto de operación hacia una región menos saturada de la curva de magnetización donde la inductancia es mayor. Dado que la corriente magnetizante es inversamente proporcional a la inductancia, la corriente disminuyó de forma más pronunciada que la tensión.
• Efectos de alta frecuencia: El cable introdujo un pequeño rizado de alta frecuencia, elevando ligeramente la THD de los terminales del ~2.4% al 3.3–3.6%. El modelado de parámetros distribuidos identificó una banda de resonancia de cuarto de onda entre 2.4 y 5.4 kHz, que se solapa con la frecuencia de conmutación pero está bien amortiguada por la resistencia de alta frecuencia del cable.

Contribuciones clave

1. Conjunto de datos de campo a escala completa: El artículo proporciona mediciones de campo raras y a escala completa de un filtro senoidal y un cable de 6000 m operando conjuntamente, separando las capacidades de conformación de la forma de onda del filtro de la caída de tensión y los efectos de resonancia del cable.
2. Modelo de caída de tensión validado en campo: Ofrece un modelo de circuito dependiente de la frecuencia y validado en campo para la caída de tensión del cable, confirmando que la impedancia serie (resistencia e inductancia) es el factor dominante, en lugar de las corrientes de carga capacitiva, en las frecuencias fundamentales.
3. Identificación del efecto de desaturación: El estudio identifica y cuantifica un mecanismo de desaturación magnética como la causa de la pronunciada reducción de la corriente en vacío en sistemas ESP de cable largo, un efecto no reportado previamente en esta configuración.
4. Validación del diseño del filtro: Se simuló un filtro senoidal LC diseñado desde primeros principios y se comparó con los datos de campo, validando la metodología de diseño y confirmando la capacidad del filtro para suprimir los armónicos de la banda de conmutación en aproximadamente 29 dB.

Significancia y afirmaciones
El artículo afirma que, si bien el filtro senoidal es esencial para proteger el aislamiento del motor eliminando el $dv/dt$ alto y la distorsión armónica, no mitiga la caída de tensión fundamental ni los efectos asociados de desaturación magnética causados por cables largos. Los autores sostienen que, para el diseño de ESP de cable largo, los ingenieros deben abordar la caída de tensión (por ejemplo, mediante refuerzo V/f o cambios de toma) y tener en cuenta el impacto del cable en la magnetización del motor. Los hallazgos complementan la literatura existente basada en modelos al proporcionar evidencia empírica de una instalación real, sugiriendo que el efecto de desaturación magnética debe considerarse en futuros modelos de sistemas ESP. Los autores señalan que estos resultados son específicos para condiciones sin carga y que el comportamiento bajo carga, aunque proyectado, requiere mayor validación en campo.