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.
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.
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.
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.
Figura 4a. Motor DC en Bomba de
Lodo
Figura 4b. Motores DC en
Malacate
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.
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Curva característica motores
GE752 en conexión Shunt
Curva característica motores
GE752 en conexión Serie
Autor:
Luis Emiro Perdomo
Jiménez
Ing. Electricista / MSc. Gerencia de
Empresas