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

Resumo Técnico: Caracterização de Campo em Vazio de um Acionamento de Frequência Variável com Filtro de Onda Senoidal Alimentando um Motor de Indução Submersível Elétrico através de um Cabo de 6000 m

Definição do Problema
Bombas centrífugas elétricas submersíveis (ESPs) em poços profundos dependem de acionamentos de frequência variável (VFDs) de superfície conectados a motores de fundo através de cabos de potência de vários quilômetros. A saída de modulação por largura de pulso (PWM) de comutação rápida dos VFDs padrão cria estresses severos na qualidade da energia, incluindo sobretensões de onda refletida, tempos de subida de tensão ($dv/dt$) íngremes e aquecimento harmônico, que podem levar a falhas prematuras de isolamento e de rolamentos. Embora os filtros de saída de onda senoidal (LC) sejam o remédio padrão para remodelar as formas de onda PWM em formas de onda senoidais, a literatura existente sobre sistemas ESP de cabos longos é predominantemente baseada em modelos ou validada através de testes de laboratório em escala reduzida. Há uma escassez de dados de campo em escala real que isole o desempenho do filtro senoidal dos efeitos do próprio cabo longo. Especificamente, não está claro quanto da tensão fundamental é perdida através de um cabo real de vários quilômetros após a filtragem, e como o comportamento da corrente em vazio do motor se apresenta sob essas condições específicas.

Metodologia
Os autores realizaram um teste de campo controlado em três estados em um motor de indução submersível Zhongcheng de 45 kW e 946 V, operando em vazio, acionado através de um cabo blindado de 6000 m. O teste foi realizado a 20, 30 e 40 Hz sob controle V/f. Os três estados de medição foram:

1. Estado 1: Saída do VFD direta (PWM bruto).
2. Estado 2: Saída do VFD através de um filtro de onda senoidal (medida na saída do filtro).
3. Estado 3: Saída do VFD através do filtro e do cabo de 6000 m (medida no terminal do motor).

As medições foram capturadas utilizando um analisador de qualidade de energia VITREK PA910VT. Os parâmetros do cabo, incluindo resistência CC e indutância dependente da frequência, foram medidos diretamente usando um multímetro e uma ponte LCR. Um modelo de linha de transmissão de parâmetros distribuídos dependente da frequência foi construído utilizando esses parâmetros medidos para simular e validar as quedas de tensão observadas. Além disso, um filtro senoidal LC foi projetado a partir de primeiros princípios para comparar sua resposta simulada com o desempenho do filtro medido em campo.

Principais Resultados

• Desempenho do Filtro: O filtro senoidal transformou com sucesso a tensão PWM bruta (Distorção Harmônica Total [THD] de 250–470% e fatores de crista de até 2,72) em uma senóide limpa (THD reduzida para 2,4%, fator de crista reduzido para 1,49).
• Queda de Tensão no Cabo: O cabo de 6000 m causou uma queda significativa de tensão fundamental no terminal do motor, variando de 8,3% a 15,0% dependendo da frequência. Um modelo de impedância série concentrada usando resistência e indutância medidas reproduziu essas quedas com erro inferior a 3% em 30 e 40 Hz.
• Redução da Corrente em Vazio: Observou-se uma redução distinta e desproporcional na corrente do motor. Enquanto a tensão caiu 8–15%, a corrente em vazio caiu 29–36%. A análise da potência reativa revelou que a indutância magnetizante efetiva aumentou aproximadamente 30% (por exemplo, de 93,7 mH para 121,7 mH a 20 Hz).
• Mecanismo de Dessaturação Magnética: Os autores atribuem a redução da corrente à dessaturação magnética. A relação V/f na saída do filtro posicionou o motor próximo à saturação, ligeiramente acima de seu fluxo nominal. A queda de tensão do cabo reduziu o fluxo no entreferro, movendo o ponto de operação para uma região menos saturada da curva de magnetização onde a indutância é maior. Como a corrente de magnetização é inversamente proporcional à indutância, a corrente diminuiu de forma mais acentuada do que a tensão.
• Efeitos de Alta Frequência: O cabo introduziu um pequeno ripple de alta frequência, elevando levemente a THD no terminal de ~2,4% para 3,3–3,6%. A modelagem de parâmetros distribuídos identificou uma banda de ressonância de quarto de onda entre 2,4 e 5,4 kHz, que se sobrepõe à frequência de comutação, mas é bem amortecida pela resistência de alta frequência do cabo.

Principais Contribuições

1. Conjunto de Dados de Campo em Escala Real: O artigo fornece medições de campo raras em escala real de um filtro senoidal e um cabo de 6000 m operando juntos, separando as capacidades de modelagem de forma do filtro senoidal dos efeitos de queda de tensão e ressonância do cabo.
2. Modelo de Queda de Tensão Validado: Oferece um modelo de circuito dependente da frequência e validado em campo para a queda de tensão do cabo, confirmando que a impedância série (resistência e indutância) é o fator dominante, em vez das correntes de carga capacitiva, nas frequências fundamentais.
3. Identificação do Efeito de Dessaturação: O estudo identifica e quantifica um mecanismo de dessaturação magnética como a causa da pronunciada redução da corrente em vazio em sistemas ESP de cabos longos, um efeito não relatado anteriormente nesta configuração.
4. Validação do Projeto do Filtro: Um filtro senoidal LC projetado a partir de primeiros princípios foi simulado e comparado com dados de campo, validando a metodologia de projeto e confirmando a capacidade do filtro de suprimir harmônicos da banda de comutação em aproximadamente 29 dB.

Significância e Alegações
O artigo afirma que, embora o filtro senoidal seja essencial para proteger o isolamento do motor ao eliminar o alto $dv/dt$ e a distorção harmônica, ele não mitiga a queda de tensão fundamental ou os efeitos associados de dessaturação magnética causados por cabos longos. Os autores sustentam que, para o projeto de ESPs de cabos longos, os engenheiros devem abordar a queda de tensão (por exemplo, via compensação V/f ou mudanças de tap) e considerar o impacto do cabo na magnetização do motor. Os resultados complementam a literatura existente baseada em modelos ao fornecer evidências empíricas de uma instalação real, sugerindo que o efeito de dessaturação magnética deve ser considerado em futuros modelos de sistemas ESP. Os autores observam que estes resultados são específicos para condições em vazio e que o comportamento sob carga, embora projetado, requer validação adicional em campo.