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Motores DC en Perforación

Enviado por Luis Emiro Perdomo



  1. Introducción
  2. Motores de Corriente Continua
  3. Motores en Serie
  4. Motor Compound
  5. Sistema SCR

Introducción

Las actividades de Perforación Petrolera en sus inicios fueron desarrolladas por equipos rudimentarios que dieron origen a los utilizados actualmente. La figura No. 1 muestra un Taladro de Perforación en los inicios de estas actividades. La utilización de maquinas de vapor para impulsar los equipos principales como Malacate y Bombas de Lodo fueron sustituidos por Motores Diesel acoplados con correas.

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Figura 1. Equipo de Perforación en los inicios de esta actividad

Entre los años 60 y 70 del siglo pasado se comenzó a sustituir los Motores Diesel como tracción por Motores Eléctricos de Corriente Continua a los equipos principales de Perforación, debido a que estos presentan mayor versatibilidad en el control de la velocidad y variaciones de torque. Para esto, entonces, se incorporaron Generadores Eléctricos de Corriente Continua impulsados por Motores Diesel que suministrarían la energía eléctrica a estos motores. En la figura 2 se muestra un motor de corriente continua utilizado en los equipos de perforación.

Con la incorporación del Sistema de Convertidores de Potencia, en los años 70, constituidos por Puentes Rectificadores Trifásicos basados en SCR (siglas en ingles de Silicon Controlled Rectifier) o tiristores la arquitectura de los Taladros de Perforación cambió para ser similar como en la actualidad.

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Figura 2. Motor en Corriente Continua

Estos paneles convertidores se encuentran ubicados en la casa de fuerza del equipo y son capaces de llevar los 600 V en corriente alterna trifásica a 750 V en corriente continua para estos motores. En la figura No. 3 se muestra un panel convertidor.

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Figura 3. Panel Convertidor de Potencia basado en SCR

Los Motores Eléctricos de Corriente Continua constituyen uno de los elementos de vital importancia en los equipos de perforación, reparación y terminación de pozos, ya que forman parte de los equipos principales que sin su utilización no seria posible el proceso operacional de estas instalaciones. A continuación se nombran algunos de los equipos asociados a Motores de Tracción DC en un Taladro:

  • Mesa Rotaria.

  • Malacate.

  • Bombas de Lodo

  • Top Drive.

En la figura No. 4 se muestran algunos equipos principales con su Motor de Tracción DC acoplado.

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Figura 4a. Motor DC en Bomba de Lodo

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Figura 4b. Motores DC en Malacate

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Figura 4c. Motor DC en Top Drive

En la actualidad, la tendencia de las nuevas tecnologías es la utilización de motores de tracción AC en sustitución de los DC, esto gracias a la utilización de los variadores de frecuencia, los cuales resultan más económicos, confiables y de menor mantenimiento.

La intención de este paper es mostrar una visión general de cómo es el comportamiento del sistema eléctrico en un equipo de perforación considerando que las cargas conectadas al mismo son del tipo inductivo, lo que origina bajos niveles de eficiencia en la relación de potencia media y aparente del sistema de potencia.

Motores de Corriente Continua

La construcción de esta categoría de motores es prácticamente idéntica a la de los generadores de corriente directa; con un pequeño ajuste, la misma máquina de corriente continua se puede operar como generador o como motor de corriente directa. Este es el caso para los equipos de perforación con tecnología Diesel – Eléctrico DC-DC.

Los motores de corriente continua de imán permanente tienen campos alimentados por imanes permanentes que crean dos o más polos en la armadura, al pasar flujo magnético a través de ella el flujo magnético hacen que se cree un par en la armadura que conduce corriente. Este flujo permanece básicamente constante a todas las velocidades del motor.

Existen tres configuraciones o conexiones de para los motores eléctricos en corriente continua en los equipos de perforación, estos son en derivación o shunt, en serie y compound.

Motores en Derivación

Es el tipo de motor de corriente continua cuya velocidad no disminuye más que ligeramente cuando el par aumenta. En los motores de corriente continua y especialmente los de velocidad prácticamente constante, como los shunt, la variación de velocidad producida cuando funciona en carga y en vacío da una base de criterio para definir sus características de funcionamiento. Excepcionalmente, la reacción del inducido debería ser suficientemente grande para que la característica de velocidad fuera ascendente al aumentar la carga. Los polos de conmutación han mejorado la conmutación de los dinamos de tal manera que es posible usar un entrehierro mucho más estrecho que antiguamente. La figura No. 5 muestra el Circuito Equivalente del Motor Eléctrico de Corriente Continua en Derivación.

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Figura 5. Circuito Equivalente del Motor en Derivación

Como la armadura de un motor gira en un campo magnético, se genera una f.e.m. en los conductores que se opone a la dirección de la corriente y se le conoce como fuerza contraelectromotriz. La f.e.m. aplicada debe ser bastante grande como para vencer la fuerza contraelectromotriz y también para enviar la corriente Ia de la armadura a través de Rm, la resistencia del devanado de la armadura y las escobillas.

Ea= Eb + IaRm Volts

La Ea = f.e.m. aplicada y Eb = fuerza contraelectromotriz. Puesto que la fuerza contraelectromotriz a la velocidad cero, es decir, en el arranque, es idénticamente cero y como por lo general la resistencia de la armadura es pequeña, es obvio, en vista de la ecuación anterior, que, a menos que se tomen medidas para reducir el voltaje aplicado, circulará una corriente excesiva en el motor durante ese arranque. El par de un motor es proporcional al número de conductores en la armadura, la corriente por conductor y el flujo magnético total en la máquina. La fórmula para el par es:

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Figura 6. Características de los Motores en derivación o shunt

Como puede ser observado en la figura 6, en un motor DC en conexión shunt la velocidad es proporcional al voltaje y el torque es proporcional a la corriente de armadura. Durante el proceso de arranque puede ser observado un alto torque que origina un alto amperaje en el motor y a medida que se aumenta el voltaje la velocidad aumenta y la corriente disminuye.

El comportamiento de motores que son instalados en malacates principales se puede explicar de la siguiente manera:

  • Cuando el bloque viajero se encuentra libre de peso el consumo inicial de corriente es alto durante la subida del mismo y se mantiene así por pocos segundos, dado que durante el arranque la corriente aumenta producto de que el equipo se encuentra estático y debe vencer el par de arranque, el cual una vez vencido, el motor y como consecuencia el malacate, aumentan su velocidad, disminuyendo la corriente. El perforador mediante el acelerador de pie arranca el malacate pero, aunque el acelerador se desplaza de su posición mínima a su posición máxima de forma casi inmediata, el sistema de control realiza la aceleración mediante una señal en rampa. Esto es con la finalidad de no inyectar el máximo voltaje al motor de forma brusca sino gradualmente.

  • Cuando el bloque viajero se encuentra realizando viaje de sacada de tubería de perforación, sucede el mismo proceso que con el bloque viajero libre, solo que para este momento hay que considerar dos cosas, primero que el par de arranque será mayor dado que estaría movilizando el total del peso de la tubería y en segundo lugar se deben considerar los arrastres o pegas de la misma con la formación o yacimiento.

Para el caso del motor instalado en mesa rotaria el comportamiento será el siguiente:

  • Durante el inicio de la rotación de la mesa, el perforador mediante el acelerador manual en la consola, coloca la velocidad según lo especificado en el programa de la perforación del pozo, para luego gradualmente ejercer peso sobre la barrena e incitar el proceso de corte en la formación o yacimiento. Al comienzo en el motor eléctrico DC de la mesa rotaria la corriente aumenta producto de que el equipo se encuentra estático y debe vencer el par de arranque, el cual una vez vencido el motor y como consecuencia el la mesa rotaria aumenta su velocidad hasta el valor requerido, disminuyendo la corriente de armadura.

  • Una vez iniciada la perforación, durante el proceso de corte en la formación efectuado por la barrena, el torque que se produce se refleja en el amperaje del motor, el cual al tratar de mantener las RPM constante puede originar oscilaciones en el consumo de corriente. Es de hacer notar, que los paneles convertidores de potencia cuentan con circuitos limitadores de potencia que protegen tanto a los componentes giratorios como al sistema de generación del equipo.

  • Otra operación en la cual la mesa rotaria comúnmente opera es durante la circulación de lodo, en la cual el peso de la tubería descansa sobre el equipo de izaje y la mesa rotaria es colocada en giros lentos para mejorar así el proceso de arrastre de los cortes desde el fondo del pozo hasta la superficie. Durante este proceso el consumo eléctrico del motor DC es bajo dado que su carga solamente seria el movimiento de la tubería

Motores en Serie

Es el motor cuya velocidad disminuye sensiblemente cuando el par aumenta y cuya velocidad en vacío no tiene límite teóricamente. Los motores con excitación en serie son aquellos en los que el inductor esta conectado en serie con el inducido. El inductor tiene un número relativamente pequeño de espiras de hilo, que debe ser de sección suficiente para que se pase por él la corriente de régimen que requiere el inducido. En los motores serie, el flujo depende totalmente de la intensidad de la corriente del inducido. Si el hierro del motor se mantiene a saturación moderada, el flujo será casi directamente proporcional a dicha intensidad. En la figura No. 7 muestra el Circuito Equivalente del Motor Eléctrico en Serie.

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Figura 7. Circuito equivalente del motor DC Serie

Velocidad y par de los motores devanados en serie:

En este caso, de los motores devanados en serie, el flujo ( aumenta en proporción a la corriente Ia en la armadura; el par sería proporcional a Ia2, si no fuera porque el circuito magnético se satura al aumentar la corriente. Como ( crece con la carga, la velocidad cae a medida que aumenta esa carga. Si la carga en un motor devanado en serie se hace pequeña, la velocidad aumenta mucho, de modo que un motor de este tipo siempre debe conectarse a la carga a través de un engranaje reductor o directamente. Si se conectara mediante banda y ésta se rompiera, la velocidad del motor se dispararía y el motor probablemente estallaría.

Para una carga dada y, por lo tanto, para una corriente dada, la velocidad de un motor devanado en serie se puede incrementar al poner en derivación el devanado en serie, o bien, al poner en cortocircuito algunas de las vueltas en serie, de modo que se reduzca el flujo magnético. La velocidad se puede reducir al introducir una resistencia en serie con la armadura.

En la figura 8 se muestran las características y comportamiento de un motor DC Serie. Como muestra la grafica, en la medida que aumenta el torque es necesario aumentar el voltaje al motor para mantener las RPM.

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Figura 8. Características de los Motores en Serie

Motor Compound

Es el motor cuya velocidad disminuye cuando el par aumenta y cuya velocidad en vacío es limitada. Las características del motor compound están comprendidas entre las del motor de derivación y las del motor en serie. Los tipos de motor compound son los mismos que para los generadores, resumiéndose el aditivo y el diferencial. La figura No. 8 muestra el Circuito Equivalente del Motor Eléctrico en conexión compuesta.

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Figura 8. Circuito equivalente del motor DC Compound

El motor en compound es un término medio entre los motores devanados en serie y los de en derivación. En virtud de la existencia del devanado en serie, que ayuda al devanado en derivación, el flujo magnético por polo aumenta con la carga, de modo que el par se incrementa con mayor rapidez y la velocidad disminuye más rápidamente que si no estuviera conectado el devanado en serie; pero el motor no se puede desbocar con cargas ligeras, por la presencia de la excitación en derivación.

La velocidad de un motor en compound se puede ajustar por medio de reóstatos en la armadura y el campo, como en el caso de la máquina en derivación. Las compound indirectas se usan en algunos motores de corriente directa. En este caso, el campo en serie con devanado de cinta gruesa se reemplaza con un campo con devanado de alambre, similar a un campo pequeño en derivación. Este campo se excita por medio de un excitador de corriente continua no saturado por lo general accionado por separado a velocidad constante. Este excitador, a su vez, es excitado por la corriente de línea del motor, por la cual se alimenta la excitación en serie. El voltaje de salida y la corriente del excitador son proporcionales a la corriente principal del motor; de modo que existe una proporcionalidad dada entre la corriente de carga del motor y la intensidad de su campo en serie con devanado de alambre. El uso de un conmutador de polos y un reóstato en el circuito de la armadura del excitador en serie permite hacer variar la intensidad e incluso la polaridad del campo en serie. Esto da lugar a un método fácil para cambiar, si se desea, la condición de composición del motor, para diversas velocidades, con el fin de mantener la regulación de velocidad constante sobre cierto rango de velocidades. Si se desea, se puede conectar mecánicamente el reóstato del excitador en serie al reóstato del campo en derivación, para realizar en forma automática lo anterior.

Sistema SCR

Los equipos de perforación con tecnología Diesel – Eléctrico utilizan motores de corriente directa como tracción de los componentes principales. Esta tecnología puede ser del tipo DC-DC cuando la generación eléctrica es en corriente continua, o con paneles convertidores de potencia basados en rectificadores trifásicos con Rectificadores Controlados de Silicio (SCR por sus siglas en ingles: Silicon Controlled Rectifier, cuando la generación eléctrica es en corriente alterna, el cual es nuestro caso de análisis. Estos paneles convertidores toman la tensión trifásica del bus principal en 600 VAC el cual esta conectado a los generadores principales del equipo, y de allí se realiza la rectificación para alimentar los motores de corriente continua de los componentes principales. La figura 9 muestra un diagrama unifilar típico para equipos de perforación con tecnología Diesel – Eléctrico SCR.

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Figura 9. Diagrama Unifilar típico

La figura 10 muestra un esquema de la conexión del panel convertidor, donde la carga en los equipos de perforación será el motor eléctrico DC.

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Figura 10. Puente rectificador trifásico con SCR´s

Para nuestro caso de estudio tomamos los sistemas con SCR"s. El rectificador controlado de silicio es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron) y Transistor. Ver figura 11.

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Figura 11. Rectificador Controlado de Silicio

Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y puerta. La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. El pulso de disparo ha de ser de una duración considerable, o bien, repetitivo. Según se atrase o adelante éste, se controla la corriente que pasa a la carga. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento. Trabajando en corriente alterna el SCR se des excita en cada alternancia o semiciclo.

En los paneles convertidores de potencia la rectificación para llevar la Corriente Alterna a Corriente Directa que energiza al Motor DC se realiza mediante la sincronización de los disparos de los SCR´s, la cual es realizada por un Módulo de Control DC y basados en la señal de referencia proveniente del reóstato de aceleración ubicado en la consola del perforador. El módulo DC determina el Angulo de corte en la curva sinusoidal en la cual activara cada SCR para que realice la rectificación y dé el nivel de voltaje requerido por la señal de aceleración, la cual determinara las RPM del motor.

Ventajas del Sistema SCR

  • Una ventaja dominante del Sistema SCR es que permite el uso de los motores eléctricos de corriente directa para accionar los componentes principales de los equipos de perforación, en vez de energía diesel convencional. El motor diesel desarrolla caballos de fuerza y el esfuerzo de torsión con el aumento en las revoluciones minuto del motor, entregando solamente el esfuerzo de torsión limitado en RPMs baja. El motor de la tracción en corriente directa, por el contrario, puede proporcionar el esfuerzo de torsión del 100% en todas RPMs.

  • Permite controlar la velocidad según los requerimientos de trabajo y parámetros operacionales de los componentes principales de los equipos de perforación.

  • Los componentes principales pueden trabajar en menores niveles de ruido que los accionados con maquinas diesel, disminuyendo así los riesgos disergonómicos en la instalación.

  • El sentido de giro puede ser realizado a conveniencia de la operación.

Desventajas del Sistema SCR

  • Una de las mayores desventajas que presentan los sistemas de conversión de potencia mediante SCR es el bajo factor de potencia que se genera como consecuencia de algunas operaciones de perforación que requieren la utilización de bajas velocidades con alto torque que originan alto amperaje en los motores DC. Esto podría llevarnos a procurar mantener los motores en altas RPM´s pero esto no es fácil de lograr dado que existen requerimientos operacionales específicos

  • 1. Factor de Potencia

El factor de potencia se puede definir como la relación que existe entre la potencia activa (KW) y la potencia aparente (KVA) y es indicativo de la eficiencia con que se está utilizando la energía eléctrica para producir un trabajo útil. Se determina calculando el coseno del ángulo entre potencia activa y la potencia aparente. Ver figura 12.

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Figura 12. Triangulo de Potencias y Factor de Potencia

El origen del bajo factor de potencia son las cargas de naturaleza inductiva, entre las que destacan los motores de inducción, pero principalmente los motores DC de los componentes principales de los equipos de perforación (Bombas de Lodo, Malacate, Mesa Rotaria). Estas cargas inductivas originan el adelanto del fasor de voltaje sobre el de corriente aumentando la potencia reactiva KVAR lo que incrementa el valor del ángulo entre KW y KVA y en consecuencia disminuye el factor de potencia.

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Figura 13. Factor de Potencia Vs. Angulo entre voltaje y corriente

Nótese en la figura 13 que en la medida que el ángulo aumenta el factor de potencia disminuye.

Un bajo factor de potencia limita la capacidad de los equipos con el riesgo de incurrir en sobrecargas peligrosas y pérdidas excesivas con un dispendio de energía.

El primer paso en la corrección del factor es el prevenirlo mediante la selección y operación correcta de los equipos. Por ejemplo, adecuando la carga de los motores a su valor nominal.

Los capacitores de potencia son la forma más práctica y económica para mejorar el factor de potencia. Dentro de las casas de fuerza en los equipos podrían ser conectados al bus de Corriente alterna para poder mejorar la calidad de la energía de la instalación.

Cuando las variaciones de la carga son significativas, es recomendable el empleo de bancos de capacitores automáticos.

Los principales problemas técnicos de un bajo factor de potencia son los siguientes:

  • Mayor consumo de corriente y por ende el sistema eléctrico del equipo de perforación puede limitar el suministro.

  • Aumento de las perdidas en los conductores por efecto joule en el cual el incremento de temperatura que origina el bajo factor de potencia aumenta la resistividad de los mismos.

  • Sobre carga en generadores y transformadores.

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Curva característica motores GE752 en conexión Shunt

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Curva característica motores GE752 en conexión Serie

 

 

Autor:

Luis Emiro Perdomo Jiménez

Ing. Electricista / MSc. Gerencia de Empresas

 


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