Filtro de salida para variadores de frecuencia que convierte la onda PWM en senoidal pura. Indispensable en sistemas de levantamiento artificial para eliminar sobrevoltajes en el cable de potencia y prolongar la vida útil del motor electrosumergible en pozos de petróleo y gas (Aplicacion BES).
Cuando un variador de frecuencia (VFD) alimenta un motor eléctrico a través de una tirada larga de cables aproximadamente mayor a los 100 mts y en el escenario habitual en pozos de Levantamiento Artificial por bombeo electrosurmergible (BES) con miles de pies de profundidad, la calidad de la energía entregada se degrada gravemente debido a la física de la transmisión eléctrica en alta frecuencia y si no se instala un filtro senoidal a la salida del VFD, el sistema queda expuesto a tres fenómenos críticos:
Los variadores de frecuencia (VFD) modernos utilizan transistores de conmutación rápida de alta potencia, principalmente IGBTs, para generar una señal sinusoidal equivalente mediante Modulación por Ancho de Pulso (PWM) hacia el motor eléctrico.
Si bien la conmutación rápida optimiza la eficiencia energética y reduce las pérdidas por conmutación en el inversor, introduce un desafío físico severo: la generación de pulsos rectangulares con tasas de variación de tensión extremadamente altas (dV/ dt) en tiempos de subida de apenas 100 ns a 500 ns.
Cuando esta onda de alta velocidad viaja a través del cable de alimentación, la línea de transmisión interactúa con las impedancias del sistema, transformando la señal de la siguiente manera:
Comportamiento en la Salida del VFD (Tren PWM Nominal): El inversor conmuta la tensión del bus DC (Vbus) produciendo una ráfaga de pulsos de amplitud constante cuyos anchos varían sinusoidalmente para reconstruir la corriente del motor.
Transformación por Efecto dV/ dt en Bornes del Motor: La alta pendiente del flanco de subida (dv/dt approx 5-10 kV/us actúa como una inyección de componentes de muy alta frecuencia (del orden de los MHz).
Cuando la longitud del cable entre el VFD y el motor es considerable mayor(aprox 100mts (como en aplicaciones de bombeo electrosumergibles (BES), el conjunto formado por el cable de potencia y el motor deja de comportarse como un simple conductor y pasa a actuar como una línea de transmisión eléctrica.
El choque de impedancias: Al llegar al motor, la energía del pulso encuentra una «barrera» debido a la diferencia entre la impedancia del cable y la del devanado del estator.
El efecto rebote: Al no poder ser absorbida en su totalidad por el motor, una fracción significativa de esa energía rebota (se refleja) y emprende el viaje de regreso por el cable o hacia la superficie en el caso de BES.
La colisión de ondas: Esta onda reflejada choca de frente con los nuevos pulsos que el variador sigue enviando continuamente desde la superficie.
Al encontrarse en el motor, la onda entrante y la onda reflejada se suman en fase (interferencia constructiva).
Este acoplamiento duplica instantáneamente la amplitud de la tensión, generando sobrepicos de voltaje de hasta 2 veces Vbus.
Estas crestas destructivas perforan progresivamente el aislamiento del devanado y degradan los rodamientos por corrientes de eje, reduciendo drásticamente el tiempo de vida útil del motor.
Sobrepicos de tensión por onda reflejada: La desadaptación de impedancia entre el cable de potencia y el motor provoca reflexiones que duplican la tensión nominal del bus DC (Vpico approx 2 x VDC) en los bornes del motor de fondo.
Perforación y degradación del aislamiento (Efecto Corona): Los altos gradientes de tensión (dv/dt) concentran el estrés dieléctrico en las primeras espiras del devanado del estator, generando descargas parciales que destruyen el barniz aislante y causan cortocircuitos.
Daño prematuro en rodamientos (Corrientes de eje): Las capacitancias parásitas cargan el rotor hasta superar la rigidez dieléctrica de la película de grasa en los cojinetes, generando microarcos eléctricos (pitting / fluting) que destruyen las pistas de los rodamientos.
Sobrecalentamiento y estrés térmico del motor: Las componentes armónicas de alta frecuencia de la señal PWM incrementan las pérdidas en el hierro (por corrientes de Eddy e histéresis) y en el cobre, elevando la temperatura de operación y reduciendo la eficiencia energética.
Aumento de Interferencia Electromagnética (EMI/RFI): Las altas pendientes dv/dt inyectan corrientes de modo común que viajan por las tierras y blindajes, induciendo ruido eléctrico e interfiriendo con sensores de fondo, instrumentación y buses de comunicación.
Envejecimiento acelerado del cable de potencia: El aislamiento del cable sumergible sufre fatiga dieléctrica constante por los picos transitorios y el calor generado por las pérdidas armónicas, aumentando la probabilidad de fallas de aislamiento a tierra en el pozo.
Elevado costo operativo y paradas no programadas: La suma de estos factores drásticamente reduce el tiempo medio entre fallas (MTBF) del sistema, lo que se traduce en costosas intervenciones de pozo (pulling), reemplazo prematuro de equipos y pérdida de producción diferida.
El Desafío:
La conmutación rápida de los IGBTs en el VFD genera pulsos dv/dt que al viajar por cientos o miles de metros de cable sumergible, rebotan y se duplican (2 x VDC) en los bornes del motor, degradando prematuramente el aislamiento del estator.
Nuestra Solución:
Un sistema de filtrado de potencia de alta eficiencia diseñado para operar entre la salida del VFD/Transformador y el cabezal del pozo, regenerando la tensión en una onda senoidal pura y uniforme.
Protección del Aislamiento en Fondo de Pozo: Elimina los transitorios 2 x Vdc Bus en bornes del motor sumergido, previniendo fallas dieléctricas en el bobinado y en los empalmes del cable de potencia (Pigtail y cable de penetración).
Mitigación del Calentamiento en el Motor: Atenúa las armónicas de alta frecuencia y reduce las pérdidas en el hierro y el cobre, manteniendo la temperatura de operación del motor BES dentro de márgenes seguros.
Compatibilidad con Largas Distancias de Cable: Estabiliza la forma de onda a lo largo de miles de pies de cable de potencia, reduciendo la distorsión de tensión y asegurando un suministro de energía limpio hasta la bomba.
Reducción de Tiempos de Inactividad (Downtime): Minimiza las intervenciones de pozo (pulling) por fallas de aislamiento eléctrico, optimizando el tiempo medio entre fallas (MTBF) del sistema de levantamiento artificial.
Diseño Rígido para Entornos Severos: Apto para integración en variadores en contenedores o salas eléctricas de macollas y plataformas, soportando altas temperaturas ambiente y variaciones de carga continuas.
N° Fases: 3
Voltaje nominal: Tension Estandar hasta 690V
Frecuencia nominal: 60 Hz
Modelo: HK-ALSW-520-20-00
Carga Nominal VFD: 520 HP
Frencuencia de suicheo: 2Khz
Peso: 257 kg (Modelo HK-ALSW-520-20-00 )
Dimensiones: 620 x 620 x 550 mm (Modelo HK-ALSW-520-20-00 )
Voltaje de prueba: 3 Kv por 10 seg
Clase de aislamiento: H
Nivel de ruido: menos 65 dB
Cerramiento: IP00
Resistencias de aislamiento: mas 100 M ohm (1000Vdc)
Temperatura ambiente: -25°C a 45°C
Constante de incremento de temperatura: K menos 110°C
