DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL ANÁLISIS Y SIMULACIÓN MATEMÁTICA DE MOTORES USADOS EN SISTEMAS DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE JORGE LANDAZURI M. ANDRÉS QUINTANILLA A. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

OBJETIVOS MODELAR EL COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO Y MECÁNICO DE LOS MOTORES DE LOS SISTEMAS ESP Y SU RESPUESTA ANTE PERTURBACIONES EXTERNAS. SIMULAR EL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA ESP DETERMINAR EL DIAGNÓSTICO ELECTRICO – MECANICO DE LOS MOTORES DE LOS SISTEMAS ESP. DISEÑAR E IMPLEMENTAR UN SISTEMA DE MONITOREO PARA LOS SISTEMAS ESP. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

INTRODUCCIÓN REDES TRIFÁSICAS La mayor parte de la generación, transmisión, distribución y utilización de la energía eléctrica se efectúa por medio de sistemas trifásicos; por razones económicas y operativas. Baja tensión. Hasta 1000 V Mediana tensión. De 1000 - 60000 V Alta tensión. De 60000 – 220000 V 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

DEFINICIONES. Tensión de línea ó compuesta: tensión entre dos líneas del sistema ( Vab, Vbc, Vca ). Tensión de fase: tensión de cada fuente del sistema o tensión sobre la impedancia de cada rama. Corriente de línea: corriente por la línea que sale de la fuente o corriente solicitada por la carga. Corriente de fase: corriente por la fuente o por la impedancia de cada rama. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

CONFIGURACIÓN EN ESTRELLA Y Los circuitos trifásicos presentan dos configuraciones básicas en función de la conexión del generador. CONFIGURACIÓN EN ESTRELLA Y 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

CONFIGURACIÓN EN TRIANGULO △ 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

POTENCIA EN SISTEMAS TRIFÁSICOS 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

MOTOR Si se hace circular una intensidad por una bobina inmersa en un campo magnético, ésta sufre un par motor que tiende a alinear ambos campos magnéticos, el propio de la bobina y el externo. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

MOTOR JAULA DE ARDILLA. Por su simplicidad y robustez son los mas utilizados en la industria. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

POTENCIA ELÉCTRICA – POTENCIA MECÁNICA. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

VELOCIDAD DE GIRO y DESLIZAMIENTO 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

SISTEMA ESP 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

SISTEMA ESP - PERTURBACIONES Las perturbaciones pueden ser: Perturbaciones eléctricas(Desbalance de Tensión, Pérdida de Fase y Armónicos) Perturbaciones mecánicas (Barras Rotas, Excentricidad y espiras cortocircuitadas) Perturbaciones eléctricas y mecánicas Fallas en cadena Daño permanente de partes del equipo o de todo el sistema ESP Tiempo de mantenimiento. Para de Producción. Pérdidas Económicas. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

MODELAMIENTO DEL SISTEMA ESP MODELO MATEMÁTICO DEL SISTEMA ESP SIMULAR EL SISTEMA ESP CONOCER EL COMPORTAMIENTO DEL MODELO ANTE PERTURBACIONES 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

MODELO MATEMATICO DEL SISTEMA ESP SISTEMA SISO CONDICIONES DE LINEALIDAD SISTEMA MECÁNICO MOTOR -CARGA 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

SISTEMA MECÁNICO MOTOR - CARGA La extensión de la ley de Newton para el movimiento de rotación establece que la suma algebraica de los momentos o pares alrededor de un eje fijo es igual al producto de la inercia por la aceleración angular alrededor del eje. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE MOMENTO DE INERCIA PAR - MOTOR PAR - EJE PAR - FRICCIÓN 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

Las ecuaciones que rigen el sistema con respecto a la unión Motor-Eje son: 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

Las ecuaciones que rigen el sistema con respecto a la unión Eje-Carga son: 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

En este caso el sistema contiene tres elementos que almacenan energía: Jm, Jl y K Por lo tanto, hay tres variables de estado. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

Variables de estado: Ecuaciones de estado: 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

La función de transferencia entre 𝜔L(s) y Tm(s) se escriben al aplicar la fórmula de ganancia al diagrama de estado de la figura. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

Modelo matemático motor carga Obtenido el modelo matemático que describe el comportamiento mecánico del sistema ESP Equivalencia de cada uno de los parámetros mecánicos que componen el modelo mecánico obtenido con elementos físicos del sistema ESP Modelo matemático motor carga 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

VOLTAJE Y CORRIENTE DE ENTRADA TORQUE VOLTAJE Y CORRIENTE DE ENTRADA APROXIMACIONES MODELO D-Q SEÑAL DEL TORQUE Transformación del las señales de entrada (voltaje y corriente) sistema trifásico a un sistema de referencia llamado D-Q. La estimación del flujo del estator de la máquina y el par eléctrico en el sistema de referencia d-q. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

MODELO D-Q VOLTAJES Y CORRIENTES DE ENTRADA SISTEMA TRIFASICO TRANSFORMADA DE CLARKE Y DE PARK VOLTAJES Y CORRIENTES DE ENTRADA SISTEMA D-Q 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

TRANSFORMADA DE CLARKE 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

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TRANSFORMADA DE PARK Esta Transformada convierte un sistema ortogonal estacionario en un sistema ortogonal que gira en sincronismo con la posición del flujo del rotor. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

Transformada de Clarke Vector de corriente y voltaje del estator en un sistema trifásico estático Transformada de Clarke Transformada de Park Vector de corriente y voltaje del estator en un sistema ortogonal rotacional. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

Transformación del las señales de entrada (voltaje y corriente) sistema trifásico a un sistema de referencia llamado D-Q. La estimación del flujo del estator de la máquina y el par eléctrico en el sistema de referencia d-q. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

IMPLEMENTACIÓN DEL ALGORITMO DE TORQUE, PRUEBAS Y RESULTADOS 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

Calculo del error relativo del Torque 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

VELOCIDAD. Velocidad [RPM] El propósito de este estudio es implementar un sistema que permita estimar la velocidad del motor de inducción, utilizando los tiempos de cruce por cero ZCT (Zero Crossing Time) de las tres fases de alimentación en el estator. Motor de inducción 3~ Señal ZCT Filtro Estimación de la frecuencia del rotor Estimación del deslizamiento Velocidad [RPM]

PROMEDIOS Factor de carga [%] Velocidad [RPM] Amperaje[%] Factor (Fvr) 3583 27.618 119.43 10 3572 32.718 119.05 20 3558 38.36 118.59 30 3544 45.17 118.13 40 3526 52.43 117.54 50 3513 60.068 117.09 60 3501 67.264 116.69 70 3491 75.18 116.37 80 3474 83.124 115.80 90 3462 91.23 115.39 100 3445 114.83

IMPLEMENTACIÓN DEL ALGORITMO DE VELOCIDAD, PRUEBAS Y RESULTADOS

Calculo del error relativo de la Velocidad

Simulación de perturbaciones. Normas y Estudios previos Como influyen las Perturbaciones eléctricas y mecánicas en el sistema Simulación de perturbaciones. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

SIMULACIÓN DE PERTURBACIONES Simulación de perturbaciones eléctricas Desbalance de Tensión y Pérdida de Fase NEMA (limites de desbalance de tensión)

Distorsión Armónica Armónicos Característicos. IEEE 519-1992. Limites de THDv y THDi máximos. h=Orden del armónico K=Número entero positivo q=Número de pulsos del convertidor

Limites de THDv (Amplitud) Voltaje de Barra en el PCC Distorsión de Voltaje Individual (%) Distorsión de Voltaje Total THD (%) 69 kV y por debajo 3.0 5.0 69.001 V a 161 kV 1.5 2.5 161.001 V y por encima 1.0 Limites de THDi (Amplitud) Máxima Distorsión de Corriente Armónica en Porcentaje de IL Orden Armónico Individual (Armónicos Impares) Isc / IL h < 11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h TDD <20* 20<50 50<100 100<1000 >1000 4.0 7.0 10.0 12.0 15.0 2.0 3.5 4.5 5.5 1.5 2.5 5.0 6.0 0.6 1.0 0.3 0.5 0.7 1.4 8.0 20.0

Desbalance de tensión Pérdida de fase Armónicos Norma Nema Generación de Ondas desbalanceadas Desbalance de tensión Pérdida de fase Armónicos Característicos de un VSD. Distorsión Armónica total THD Frecuencia de los armónicos. Norma IEEE 519 Generación de Armónicos Armónicos 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

SIMULACIÓN DE PERTURBACIONES Simulación de perturbaciones mecánicas Barras Rotas MCSA (frecuencias de Barras Rotas)

Simulación de perturbaciones mecánicas Excentricidad MCSA (Frecuencias de Excentricidad) 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

Simulación de perturbaciones mecánicas Espiras Cortocircuitadas MCSA (Frecuencias de Espiras Cortocircuitadas) 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

Espiras Cortocircuitadas MCSA Generación de corrientes parasitas a frecuencias calculadas. Barras Rotas MSCA Generación de corrientes parásitas a frecuencias calculadas Excentricidad MSCA. Generación de corrientes parasitas a frecuencias calculadas Espiras Cortocircuitadas 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

ANÁLISIS Y DIAGNÓSTICO DEL MOTOR SIMULACION DE TORQUE Y VELOCIDAD MODELO MATEMATICO MOTOR CARGA. MODELO MATEMATICO SIN PERTURBACIONES. PARAMETROS FISICOS DEL MOTOR SIN PERTURBACIONES CAMBIOS EN LOS PARÁMETROS FISICOS DEL MOTOR SIMULACION DE TORQUE Y VELOCIDAD SIMULACION DE PERTURBACIONES MODELO MATEMATICO MOTOR CARGA MODELO MATEMATICO DEL MOTOR CON PERTURBACIONES PARAMETROS FISICOS DEL MOTOR CON PERTURBACIONES 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

ANÁLISIS Y DIAGNÓSTICO DEL MOTOR 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

REPERCUCIÓN DE LAS FALLAS EN LOS PARAMETROS FISICOS DEL SISTEMA ESP ANALISIS DE CADA PARAMETRO CON RESPECTO A UNA DETERMINADA FALLA DETERMINACIÓN DE FALLAS Y ALMACENAMIENTO DE LAS CARACTERISTICAS QUE DETERMINA CADA FALLA 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS ADQUISICION DE SEÑALES DE ENTRADA PROCESAMIENTO DE SEÑALES MEDICION DE PERTURBACIONES ELECTRICAS MODELO MATEMATICO REAL PARAMETROS FISICOS REALES VS PARAMETROS FISICOS EXPERIMENTALES. DIAGNOSTICO

Características generales de los Sistemas ESP Características generales de los sensores de corriente a implementarse Características generales de los sensores de voltaje a implementarse 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

Sensor de corriente y voltaje CARACTERISTICAS GENERALES REQUERIDAS No invasivo La señal de la salida debe conservar todas las características de la señal censada. Gran ancho de banda. La señal de salida del sensor debe ser acondicionada o debe tener un nivel de corriente compatible con la tarjeta de adquisición. El rango del sensor debe ser igual al de los valores nominales o a plena carga. La distancia entre el sensor y la tarjeta de adquisición de datos no debe ser mayor a tres metros. Los sensores deben cumplir con normas de seguridad. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

TIPOS SENSORES DE CORRIENTE 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

TIPOS SENSORES DE VOLTAJE 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

Tarjeta de adquisición DAQ Características generales de la tarjeta de adquisición 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

Características generales de la tarjeta de adquisición utilizada 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

SIMULACIÓN DEL TORQUE Y VELOCIDAD SIMULACIÓN DE PERTURBACIONES ADQUISICIÓN SIMULACIÓN DEL TORQUE Y VELOCIDAD SIMULACIÓN DE PERTURBACIONES CÁLCULO DEL TORQUE Y VELOCIDAD REAL MODELO MATEMÁTICO REAL MODELO MATEMÁTICO SIMULADO PARÁMETROS FÍSICOS DEL MOTOR Y SUS CAMBIOS ANTE PERTURBACIONES PARAMETROS FÍSICOS REALES DEL MOTOR COMPARACIÓN DIAGNÓSTICO DEL MOTOR MONITOREADO 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

HMI MATLAB – SIMULINK – GUIDE. CRITERIOS DE DISEÑO. USABILIDAD NAVEGABILIDAD COLOR

FLUJO DE INFORMACION - MATLAB 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

FLUJO DE INFORMACION - MATLAB 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

FLUJO DE INFORMACION - MATLAB 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

FLUJO DE INFORMACION - MATLAB 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El algoritmo de torque simulado e implementado mediante el modelo q-d-0 de la máquina de inducción trifásica tiene un error relativo menor al 5% por lo cual podemos concluir que es un método optimo para la medición de torque de la máquina de inducción funcionando en régimen permanente. El algoritmo de velocidad simulado e implementado mediante el conteo de los cruces por cero de la señales de entrada y las consideraciones de deslizamiento en función de la carga de la máquina de inducción trifásica tiene un error relativo menor al 5% por lo cual podemos concluir que es un método optimo para la medición de la velocidad de la máquina de inducción funcionando en régimen permanente.

Mediante la validación, simulación e implementación de los algoritmos de torque y velocidad podemos concluir que son un método óptimo de medición y monitoreo ya que emiten el comportamiento de las magnitudes físicas de torque y velocidad con un acercamiento del 90% a la realidad cuando: las características físicas y eléctricas del motor a monitorear son similares a las de los motores utilizados en los sistemas ESP, cuando se toman en cuenta solos las partes en las cuales el sistema es lineal; y cuando las mediciones son realizadas en régimen permanente. El modelo matemático del motor de inducción trifásica se lo considera un sistema Lineal siempre y cuando el sistema a ser modelado se encuentre funcionando en régimen permanente y el porcentaje de carga del motor este dentro del rango del 40% al 80%, ya que la máquina de inducción, cuando trabaja bajo condiciones de alto deslizamiento o baja velocidad, genera altas corrientes que pueden incluso superar a las corrientes de saturación del sistema y hace que los algoritmos realizados de torque y velocidad no funcionen de manera correcta provocando no linealidades. El modelo matemático de la máquina de inducción trifásica obtenido mediante la herramienta de Identificación de Sistemas Lineales de Matlab, es un modelo realizado en función del Modelamiento matemático del sistema mecánico motor- carga y está basado netamente en parámetros mecánicos por lo cual lo consideramos que simula y modela el funcionamiento mecánico del acoplamiento motor bomba y protectores del sistema ESP con una proximidad del 80 % a la realidad, es decir que es un método optimo para el monitoreo y diagnostico del funcionamiento de dichas partes del sistema ESP. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

  El Modelamiento matemático de la máquina de inducción permite obtener los parámetros que rigen el funcionamiento mecánico del sistema ESP y su variación ante perturbaciones como barras rotas, excentricidad y espiras cortocircuitadas; por lo cual es un método optimo para la determinación de dichas fallas mecánicas y para el monitoreo de los sistemas ESP; el modelo obtenido es además una base para estudios futuros en lo que respecta al Modelamiento matemático de sistemas ESP. El modelo matemático obtenido describe el comportamiento mecánico de un motor de inducción trifásico acoplado a una carga, por lo cual puede ser utilizado como método didáctico en el estudio del funcionamiento y características de un motor trifásico tipo jaula de ardilla. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

El análisis espectral de las corrientes del motor MCSA es un método óptimo para la simulación de perturbaciones mecánicas como excentricidad, barras rotas y espiras cortocircuitadas ya que mediante el conocimiento de las frecuencias que genera cada falla, estas pueden ser simuladas mediante la adición de frecuencias parasitas a las señales de alimentación La utilización de normas que rigen el funcionamiento y características de sistemas eléctricos de alta y media potencia tales como las normas IEEE 519(Para la Distorsión armónica en sistemas eléctricos) y NEMA (para Desbalance de tensión), es de mucha importancia para el diagnostico de un sistema eléctrico y sus normas y parámetros pueden ser utilizados como base para la simulación de perturbaciones eléctricas. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

El monitoreo continuo de los sistemas ESP es de mucha importancia ya que mediante la detección temprana de fallas realizada por medio de esta estrategia o por cualquier otro método de monitoreo, es posible programar paradas de mantenimiento para evitar de esta manera salidas de servicio inesperadas de la línea de producción del sistema ESP; por lo cual se recomienda que de los sistemas de monitoreo y de diagnostico de fallas sean utilizados de manera continua y permanente dentro de los campos de producción o cada vez que las configuraciones de operación cambien. El sistema de diagnostico de los sistemas ESP debe ser lo menos invasivo y no debe alterar las conexiones físicas que están implementadas en cada campo, por lo cual se recomienda y es de mucha importancia que todo el equipo a implementarse para el monitoreo de las señales de entrada: no altere de ninguna manera la configuración física de los sistemas ESP y cumpla con las normas de seguridad que rigen cada yacimiento como por ejemplo la clasificación de áreas. La implementación y el manejo del sistema de adquisición de datos debe ser realizado por personal calificado y que conozca el manejo del software de monitoreo indicado anteriormente en el manual de usuario. 16/11/2018 DEEE - AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL