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EFECTO DE LA DISTORSIOacuteN ARMOacuteNICA EN TRANSFORMADORES

IMPLEMENTACIOacuteN DE PRUEBAS DE RUTINA PARA EL DIAGNOacuteSTICO DE

THD EN TRANSFORMADORES CON CARGAS ARMOacuteNICAS

MAYRA ALEJANDRA PERDOMO GARCIacuteA

UNIVERSIDAD TECNOLOacuteGICA DE PEREIRA

FACULTAD DE INGENIERIacuteAS ELEacuteCTRICA ELECTROacuteNICA FIacuteSICA Y

CIENCIAS DE LA COMPUTACIOacuteN

PROGRAMA DE INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

PEREIRA ndash RISARALDA

2016

2

EFECTO DE LA DISTORSIOacuteN ARMOacuteNICA EN TRANSFORMADORES

IMPLEMENTACIOacuteN DE PRUEBAS DE RUTINA PARA EL DIAGNOacuteSTICO DE

THD EN TRANSFORMADORES CON CARGAS ARMOacuteNICAS

MAYRA ALEJANDRA PERDOMO GARCIacuteA

PROYECTO DE GRADO

DIRECTOR

ING ALEXANDER MOLINA CABRERA

UNIVERSIDAD TECNOLOacuteGICA DE PEREIRA

FACULTAD DE INGENIERIacuteAS ELEacuteCTRICA ELECTROacuteNICA FIacuteSICA Y

CIENCIAS DE LA COMPUTACIOacuteN

PROGRAMA DE INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

PEREIRA ndash RISARALDA

2016

3

Nota de aceptacioacuten

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Firma del jurado

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Firma del jurado

4

AGRADECIMIENTOS

A Dios la virgen y los aacutengeles por su compantildeiacutea e iluminacioacuten en el camino de la

vida A mi familia por ese gran apoyo incondicional que siempre me han brindado

A mi abuelo Abraham por sus sabias palabras y apoyo que estaacuten ahiacute cuando los

necesito A mi madre Noralba por inculcarme esos valores y ese amor que me han

ayudado a salir adelante A mi hermana Stefania por ese carintildeo apoyo

colaboracioacuten y amistad que siempre me brinda A mi novio Juan Carlos por su amor

confianza paciencia y apoyo que me ha dado en los momentos difiacuteciles A empresa

MAGNETRON SAS por darme la confianza y apoyo de realizar mi trabajo de grado

en sus instalaciones A mi director de proyecto por sus aportes y disponibilidad para

este proyecto A la doctora Luz Amparo por creer en miacute y por su gran fe y esperanza

que me ayudo a formarme como ser espiritual Y a todas las personas que han

colaborado en la construccioacuten de mis suentildeos Muchas Gracias

5

Iacutendice de figuras

FIGURA 1 Onda ideal 21

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsion armoacutenica 22

FIGURA 3 Espectro en frecuencias 23

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible 25

FIGURA 5 Cabezal Bobina 27

FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador 32

FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION 35

FIGURA 8 Controles de superficie 37

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento 40

FIGURA 10 fuerzas al interior 41

FIGURA 11 Fuerzas axiales 42

FIGURA 12 Desplazamiento axial 42

FIGURA 13 Fuerzas radiales 43

FIGURA 14 Desplazamiento radial 43

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg 53

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP 54

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1 55

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida 55

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP 56

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EFECTO DE LA DISTORSIOacuteN ARMOacuteNICA EN TRANSFORMADORES

IMPLEMENTACIOacuteN DE PRUEBAS DE RUTINA PARA EL DIAGNOacuteSTICO DE

THD EN TRANSFORMADORES CON CARGAS ARMOacuteNICAS

MAYRA ALEJANDRA PERDOMO GARCIacuteA

PROYECTO DE GRADO

DIRECTOR

ING ALEXANDER MOLINA CABRERA

UNIVERSIDAD TECNOLOacuteGICA DE PEREIRA

FACULTAD DE INGENIERIacuteAS ELEacuteCTRICA ELECTROacuteNICA FIacuteSICA Y

CIENCIAS DE LA COMPUTACIOacuteN

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Iacutendice de figuras

FIGURA 1 Onda ideal 21

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsion armoacutenica 22

FIGURA 3 Espectro en frecuencias 23

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible 25

FIGURA 5 Cabezal Bobina 27

FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador 32

FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION 35

FIGURA 8 Controles de superficie 37

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento 40

FIGURA 10 fuerzas al interior 41

FIGURA 11 Fuerzas axiales 42

FIGURA 12 Desplazamiento axial 42

FIGURA 13 Fuerzas radiales 43

FIGURA 14 Desplazamiento radial 43

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg 53

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP 54

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1 55

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FIGURA 3 Espectro en frecuencias 23

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible 25

FIGURA 5 Cabezal Bobina 27

FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador 32

FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION 35

FIGURA 8 Controles de superficie 37

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento 40

FIGURA 10 fuerzas al interior 41

FIGURA 11 Fuerzas axiales 42

FIGURA 12 Desplazamiento axial 42

FIGURA 13 Fuerzas radiales 43

FIGURA 14 Desplazamiento radial 43

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg 53

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP 54

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1 55

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FIGURA 1 Onda ideal 21

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsion armoacutenica 22

FIGURA 3 Espectro en frecuencias 23

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible 25

FIGURA 5 Cabezal Bobina 27

FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador 32

FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION 35

FIGURA 8 Controles de superficie 37

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento 40

FIGURA 10 fuerzas al interior 41

FIGURA 11 Fuerzas axiales 42

FIGURA 12 Desplazamiento axial 42

FIGURA 13 Fuerzas radiales 43

FIGURA 14 Desplazamiento radial 43

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg 53

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP 54

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1 55

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Iacutendice de figuras

FIGURA 1 Onda ideal 21

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsion armoacutenica 22

FIGURA 3 Espectro en frecuencias 23

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible 25

FIGURA 5 Cabezal Bobina 27

FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador 32

FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION 35

FIGURA 8 Controles de superficie 37

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento 40

FIGURA 10 fuerzas al interior 41

FIGURA 11 Fuerzas axiales 42

FIGURA 12 Desplazamiento axial 42

FIGURA 13 Fuerzas radiales 43

FIGURA 14 Desplazamiento radial 43

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg 53

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP 54

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1 55

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida 55

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP 56

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FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) 57

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal 58

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes 61

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank) 63

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank) 66

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA 71

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA 74

7

Contenido GENERALIDADES 11

INTRODUCCIOacuteN 11

CAPITULO IMARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION 14

11 TEMA 14

12 TITULO 14

13 SUBTITULO 14

14 AREA DE INVESTIGACION 14

15 MATERIAS DE INVESTIGACION 14

16 COBERTURA DEL ESTUDIO 14

17 CAMPO DE INTERES 14

18 DIRECTOR 14

19 ASESOR 14

110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 15

111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA 15

112 OBJETIVOS 16

1121 OBJETIVO GENERAL 16

1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 16

113 JUSTIFICACIOacuteN 17

CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA 19

21 ANTECEDENTES 19

22 CONCEPTOS GENERALES 20

8

221 Armoacutenico 20

222 Armoacutenico Caracteriacutestico 20

223 Carga Lineal 20

224 Carga no lineal 21

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total 22

226 Espectro en frecuencia 23

23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES) 24

24 Disentildeo de transformadores 26

241 Factores 26

242 Aislamientos 27

243 Tolerancias 28

244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT 28

25 Transformador 29

26 BOBINAS 31

27 Ductos de refrigeracioacuten 33

271 Cartoacuten corrugado 33

272 Duck STrip 33

28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES 35

29 VSD 36

210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES 38

211 MARCO LEGAL 44

9

2111 Normatividad 44

CAPITULO III METODOLOGIA 49

31 Tipo de Investigacioacuten 49

32 Meacutetodo de Investigacioacuten 49

33 Poblacioacuten y Muestra 50

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos 50

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos 51

351 Anaacutelisis investigativo 51

352 Anaacutelisis praacutectico 51

CAPITULO IV PROPUESTA 52

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1 54

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR) 56

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR 58

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS 63

ANALISIS DE RESULTADOS 75

ANEXOS 76

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 83

51 CONCLUSIONES 83

52 RECOMENDACIONES 84

REFERENCIAS 85

10

ABREVIACIONES

PST PHASE SHIFT TRANSFORMER

IN ENTRADA DE ALIMENTACION

VSD VARIABLE SPEED DRIVER (VARIADOR DE VELOCIDAD)

12P DOCE PULSOS

ESP ELECTRICAL SUMERSIBLE PUMPING

Dd0 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO DELTA SECUNDARIO EN FASE

Dyn1 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO ESTRELLA SECUNDARIO

CON DESFASE 30deg

SDT STEP DOWN TRANSFORMER

kVA POTENCIA NOMINAL DEL TRANSFORMADOR

THDv TOTAL HARMONIC DISTORSION VOLTAGE

THDi TOTAL HARMONIC DISTORSION CURRENT

IEEE 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power Systems

11

GENERALIDADES

INTRODUCCIOacuteN

En la actualidad el desarrollo de la sociedad estaacute ligado a la demanda de energiacutea

La industria el comercio y las distintas actividades econoacutemicas y cotidianas de las

personas dependen en gran parte del consumo de energiacutea eleacutectrica Por esto la

generacioacuten transmisioacuten y distribucioacuten de dicha energiacutea es de enorme importancia

para la sociedad actual

A partir del siglo XVIII la electricidad hace parte fundamental del desarrollo de la

humanidad en el aacutembito econoacutemico-industrial hacieacutendose indispensable una

estrategia para el transporte de esta maacutes allaacute de los lugares donde se podiacutea generar

en la cual las perdidas producto del efecto Joule fueran miacutenimas Lo anterior dio

origen a la construccioacuten del transformador como dispositivo que permite convertir

energiacutea alterna a diversos niveles de tensioacuten es decir puede aumentar o disminuir

un nivel de voltaje

Es gracias a este avance tecnoloacutegico que se ha facilitado el desarrollo de los

dispositivos industriales procesos y automatizacioacuten que en gran medida permite el

desarrollo del sector econoacutemico

A medida que avanza el tiempo se incrementa el consumo de energiacutea La industria

demanda mayor electricidad y la poblacioacuten aumenta Por lo tanto su consumo

tambieacuten lo hace Adicionalmente surgen nuevas tecnologiacuteas y a su vez nuevos

retos para los agentes del mercado que cada diacutea se enfrentan a numerosos

problemas inherentes al progreso y evolucioacuten Tal es el caso de las cargas no

lineales que generan corrientes no sinusoidales que ademaacutes de la componente

fundamental posee otras que son muacuteltiplos enteros de esta y se denominan

armoacutenicos

12

Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los

dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar

los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden

causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo

producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten

Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones

por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en

su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas

paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que

se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar

hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores

Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de

protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores

en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los

liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para

garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que

promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos

permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de

peacuterdidas posibles

13

ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO

Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma

Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del

Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del

estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos

Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la

comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba

Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba

Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis

comparativo

Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones

14

CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION

11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores

12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores

13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de

THD en transformadores con cargas armoacutenicas

14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten

armoacutenica en transformadores

15 MATERIAS DE INVESTIGACION

-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores

desfasadores

-Teoriacutea de armoacutenicos

-Disentildeo real del sistema ESP

-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en

transformadores

16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental

17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores

18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira

19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS

empresa responsable de la praacutectica conducente

15

110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten

sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las

cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las

peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento

del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente

se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las

implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los

valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean

descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de

energiacutea como un indicador de gestioacuten

El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de

pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para

recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten

armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a

sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa

fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su

comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos

111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA

iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con

condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical

submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de

1992

16

112 OBJETIVOS

1121 OBJETIVO GENERAL

Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema

TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12

pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas

1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten

de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto

nacionales como internacionales para el efecto

- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una

relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador

eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el

momento

- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes

activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad

motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las

condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por

transformadores

- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn

y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador

17

resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en

presencia de cargas armoacutenicas

- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute

mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea

113 JUSTIFICACIOacuteN

El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas

que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las

expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere

una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las

variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al

sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia

hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los

usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes

aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando

Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba

de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA

simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria

del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales

del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de

forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como

Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de

simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador

18

tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse

adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el

impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo

inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta

forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos

Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute

con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca

y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el

cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto

de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas

Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina

para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria

de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992

y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades

de la industria

19

CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA

En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia

los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar

la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica

referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los

transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los

paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba

21 ANTECEDENTES

Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica

intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego

de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan

armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la

existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores

del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]

Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los

armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519

publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten

armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse

que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la

tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce

la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene

distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]

20

22 CONCEPTOS GENERALES

221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la

sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y

peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el

calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta

Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la

fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden

impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba

de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que

las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda

222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no

compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de

estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los

equipos

223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento

de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores

consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no

se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda

sinusoidal proporcional a sus variaciones

21

FIGURA 1 Onda ideal

224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas

distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los

armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores

variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la

vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso

el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los

armoacutenicos

22

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la

propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre

el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la

fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental

119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904

2119899ne1

1198681119903119898119904

23

226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina

cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una

frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta

espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de

energiacutea

FIGURA 3 Espectro en frecuencias

0

50

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en V

000

2000

4000

6000

8000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en Io

24

23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

25

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

8

221 Armoacutenico 20

222 Armoacutenico Caracteriacutestico 20

223 Carga Lineal 20

224 Carga no lineal 21

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total 22

226 Espectro en frecuencia 23

23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES) 24

24 Disentildeo de transformadores 26

241 Factores 26

242 Aislamientos 27

243 Tolerancias 28

244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT 28

25 Transformador 29

26 BOBINAS 31

27 Ductos de refrigeracioacuten 33

271 Cartoacuten corrugado 33

272 Duck STrip 33

28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES 35

29 VSD 36

210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES 38

211 MARCO LEGAL 44

9

2111 Normatividad 44

CAPITULO III METODOLOGIA 49

31 Tipo de Investigacioacuten 49

32 Meacutetodo de Investigacioacuten 49

33 Poblacioacuten y Muestra 50

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos 50

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos 51

351 Anaacutelisis investigativo 51

352 Anaacutelisis praacutectico 51

CAPITULO IV PROPUESTA 52

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1 54

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR) 56

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR 58

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS 63

ANALISIS DE RESULTADOS 75

ANEXOS 76

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 83

51 CONCLUSIONES 83

52 RECOMENDACIONES 84

REFERENCIAS 85

10

ABREVIACIONES

PST PHASE SHIFT TRANSFORMER

IN ENTRADA DE ALIMENTACION

VSD VARIABLE SPEED DRIVER (VARIADOR DE VELOCIDAD)

12P DOCE PULSOS

ESP ELECTRICAL SUMERSIBLE PUMPING

Dd0 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO DELTA SECUNDARIO EN FASE

Dyn1 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO ESTRELLA SECUNDARIO

CON DESFASE 30deg

SDT STEP DOWN TRANSFORMER

kVA POTENCIA NOMINAL DEL TRANSFORMADOR

THDv TOTAL HARMONIC DISTORSION VOLTAGE

THDi TOTAL HARMONIC DISTORSION CURRENT

IEEE 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power Systems

11

GENERALIDADES

INTRODUCCIOacuteN

En la actualidad el desarrollo de la sociedad estaacute ligado a la demanda de energiacutea

La industria el comercio y las distintas actividades econoacutemicas y cotidianas de las

personas dependen en gran parte del consumo de energiacutea eleacutectrica Por esto la

generacioacuten transmisioacuten y distribucioacuten de dicha energiacutea es de enorme importancia

para la sociedad actual

A partir del siglo XVIII la electricidad hace parte fundamental del desarrollo de la

humanidad en el aacutembito econoacutemico-industrial hacieacutendose indispensable una

estrategia para el transporte de esta maacutes allaacute de los lugares donde se podiacutea generar

en la cual las perdidas producto del efecto Joule fueran miacutenimas Lo anterior dio

origen a la construccioacuten del transformador como dispositivo que permite convertir

energiacutea alterna a diversos niveles de tensioacuten es decir puede aumentar o disminuir

un nivel de voltaje

Es gracias a este avance tecnoloacutegico que se ha facilitado el desarrollo de los

dispositivos industriales procesos y automatizacioacuten que en gran medida permite el

desarrollo del sector econoacutemico

A medida que avanza el tiempo se incrementa el consumo de energiacutea La industria

demanda mayor electricidad y la poblacioacuten aumenta Por lo tanto su consumo

tambieacuten lo hace Adicionalmente surgen nuevas tecnologiacuteas y a su vez nuevos

retos para los agentes del mercado que cada diacutea se enfrentan a numerosos

problemas inherentes al progreso y evolucioacuten Tal es el caso de las cargas no

lineales que generan corrientes no sinusoidales que ademaacutes de la componente

fundamental posee otras que son muacuteltiplos enteros de esta y se denominan

armoacutenicos

12

Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los

dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar

los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden

causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo

producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten

Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones

por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en

su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas

paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que

se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar

hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores

Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de

protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores

en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los

liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para

garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que

promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos

permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de

peacuterdidas posibles

13

ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO

Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma

Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del

Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del

estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos

Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la

comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba

Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba

Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis

comparativo

Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones

14

CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION

11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores

12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores

13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de

THD en transformadores con cargas armoacutenicas

14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten

armoacutenica en transformadores

15 MATERIAS DE INVESTIGACION

-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores

desfasadores

-Teoriacutea de armoacutenicos

-Disentildeo real del sistema ESP

-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en

transformadores

16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental

17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores

18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira

19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS

empresa responsable de la praacutectica conducente

15

110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten

sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las

cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las

peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento

del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente

se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las

implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los

valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean

descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de

energiacutea como un indicador de gestioacuten

El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de

pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para

recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten

armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a

sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa

fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su

comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos

111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA

iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con

condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical

submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de

1992

16

112 OBJETIVOS

1121 OBJETIVO GENERAL

Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema

TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12

pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas

1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten

de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto

nacionales como internacionales para el efecto

- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una

relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador

eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el

momento

- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes

activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad

motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las

condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por

transformadores

- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn

y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador

17

resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en

presencia de cargas armoacutenicas

- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute

mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea

113 JUSTIFICACIOacuteN

El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas

que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las

expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere

una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las

variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al

sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia

hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los

usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes

aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando

Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba

de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA

simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria

del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales

del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de

forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como

Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de

simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador

18

tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse

adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el

impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo

inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta

forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos

Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute

con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca

y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el

cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto

de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas

Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina

para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria

de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992

y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades

de la industria

19

CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA

En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia

los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar

la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica

referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los

transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los

paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba

21 ANTECEDENTES

Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica

intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego

de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan

armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la

existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores

del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]

Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los

armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519

publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten

armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse

que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la

tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce

la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene

distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]

20

22 CONCEPTOS GENERALES

221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la

sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y

peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el

calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta

Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la

fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden

impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba

de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que

las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda

222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no

compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de

estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los

equipos

223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento

de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores

consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no

se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda

sinusoidal proporcional a sus variaciones

21

FIGURA 1 Onda ideal

224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas

distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los

armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores

variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la

vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso

el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los

armoacutenicos

22

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la

propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre

el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la

fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental

119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904

2119899ne1

1198681119903119898119904

23

226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina

cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una

frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta

espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de

energiacutea

FIGURA 3 Espectro en frecuencias

0

50

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en V

000

2000

4000

6000

8000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en Io

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23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

25

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

9

2111 Normatividad 44

CAPITULO III METODOLOGIA 49

31 Tipo de Investigacioacuten 49

32 Meacutetodo de Investigacioacuten 49

33 Poblacioacuten y Muestra 50

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos 50

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos 51

351 Anaacutelisis investigativo 51

352 Anaacutelisis praacutectico 51

CAPITULO IV PROPUESTA 52

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1 54

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR) 56

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR 58

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS 63

ANALISIS DE RESULTADOS 75

ANEXOS 76

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 83

51 CONCLUSIONES 83

52 RECOMENDACIONES 84

REFERENCIAS 85

10

ABREVIACIONES

PST PHASE SHIFT TRANSFORMER

IN ENTRADA DE ALIMENTACION

VSD VARIABLE SPEED DRIVER (VARIADOR DE VELOCIDAD)

12P DOCE PULSOS

ESP ELECTRICAL SUMERSIBLE PUMPING

Dd0 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO DELTA SECUNDARIO EN FASE

Dyn1 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO ESTRELLA SECUNDARIO

CON DESFASE 30deg

SDT STEP DOWN TRANSFORMER

kVA POTENCIA NOMINAL DEL TRANSFORMADOR

THDv TOTAL HARMONIC DISTORSION VOLTAGE

THDi TOTAL HARMONIC DISTORSION CURRENT

IEEE 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power Systems

11

GENERALIDADES

INTRODUCCIOacuteN

En la actualidad el desarrollo de la sociedad estaacute ligado a la demanda de energiacutea

La industria el comercio y las distintas actividades econoacutemicas y cotidianas de las

personas dependen en gran parte del consumo de energiacutea eleacutectrica Por esto la

generacioacuten transmisioacuten y distribucioacuten de dicha energiacutea es de enorme importancia

para la sociedad actual

A partir del siglo XVIII la electricidad hace parte fundamental del desarrollo de la

humanidad en el aacutembito econoacutemico-industrial hacieacutendose indispensable una

estrategia para el transporte de esta maacutes allaacute de los lugares donde se podiacutea generar

en la cual las perdidas producto del efecto Joule fueran miacutenimas Lo anterior dio

origen a la construccioacuten del transformador como dispositivo que permite convertir

energiacutea alterna a diversos niveles de tensioacuten es decir puede aumentar o disminuir

un nivel de voltaje

Es gracias a este avance tecnoloacutegico que se ha facilitado el desarrollo de los

dispositivos industriales procesos y automatizacioacuten que en gran medida permite el

desarrollo del sector econoacutemico

A medida que avanza el tiempo se incrementa el consumo de energiacutea La industria

demanda mayor electricidad y la poblacioacuten aumenta Por lo tanto su consumo

tambieacuten lo hace Adicionalmente surgen nuevas tecnologiacuteas y a su vez nuevos

retos para los agentes del mercado que cada diacutea se enfrentan a numerosos

problemas inherentes al progreso y evolucioacuten Tal es el caso de las cargas no

lineales que generan corrientes no sinusoidales que ademaacutes de la componente

fundamental posee otras que son muacuteltiplos enteros de esta y se denominan

armoacutenicos

12

Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los

dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar

los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden

causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo

producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten

Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones

por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en

su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas

paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que

se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar

hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores

Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de

protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores

en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los

liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para

garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que

promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos

permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de

peacuterdidas posibles

13

ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO

Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma

Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del

Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del

estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos

Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la

comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba

Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba

Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis

comparativo

Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones

14

CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION

11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores

12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores

13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de

THD en transformadores con cargas armoacutenicas

14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten

armoacutenica en transformadores

15 MATERIAS DE INVESTIGACION

-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores

desfasadores

-Teoriacutea de armoacutenicos

-Disentildeo real del sistema ESP

-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en

transformadores

16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental

17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores

18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira

19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS

empresa responsable de la praacutectica conducente

15

110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten

sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las

cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las

peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento

del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente

se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las

implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los

valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean

descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de

energiacutea como un indicador de gestioacuten

El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de

pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para

recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten

armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a

sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa

fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su

comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos

111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA

iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con

condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical

submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de

1992

16

112 OBJETIVOS

1121 OBJETIVO GENERAL

Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema

TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12

pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas

1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten

de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto

nacionales como internacionales para el efecto

- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una

relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador

eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el

momento

- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes

activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad

motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las

condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por

transformadores

- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn

y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador

17

resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en

presencia de cargas armoacutenicas

- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute

mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea

113 JUSTIFICACIOacuteN

El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas

que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las

expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere

una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las

variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al

sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia

hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los

usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes

aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando

Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba

de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA

simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria

del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales

del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de

forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como

Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de

simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador

18

tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse

adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el

impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo

inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta

forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos

Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute

con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca

y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el

cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto

de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas

Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina

para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria

de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992

y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades

de la industria

19

CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA

En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia

los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar

la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica

referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los

transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los

paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba

21 ANTECEDENTES

Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica

intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego

de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan

armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la

existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores

del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]

Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los

armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519

publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten

armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse

que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la

tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce

la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene

distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]

20

22 CONCEPTOS GENERALES

221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la

sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y

peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el

calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta

Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la

fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden

impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba

de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que

las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda

222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no

compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de

estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los

equipos

223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento

de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores

consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no

se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda

sinusoidal proporcional a sus variaciones

21

FIGURA 1 Onda ideal

224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas

distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los

armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores

variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la

vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso

el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los

armoacutenicos

22

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la

propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre

el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la

fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental

119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904

2119899ne1

1198681119903119898119904

23

226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina

cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una

frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta

espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de

energiacutea

FIGURA 3 Espectro en frecuencias

0

50

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en V

000

2000

4000

6000

8000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en Io

24

23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

25

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

10

ABREVIACIONES

PST PHASE SHIFT TRANSFORMER

IN ENTRADA DE ALIMENTACION

VSD VARIABLE SPEED DRIVER (VARIADOR DE VELOCIDAD)

12P DOCE PULSOS

ESP ELECTRICAL SUMERSIBLE PUMPING

Dd0 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO DELTA SECUNDARIO EN FASE

Dyn1 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO ESTRELLA SECUNDARIO

CON DESFASE 30deg

SDT STEP DOWN TRANSFORMER

kVA POTENCIA NOMINAL DEL TRANSFORMADOR

THDv TOTAL HARMONIC DISTORSION VOLTAGE

THDi TOTAL HARMONIC DISTORSION CURRENT

IEEE 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power Systems

11

GENERALIDADES

INTRODUCCIOacuteN

En la actualidad el desarrollo de la sociedad estaacute ligado a la demanda de energiacutea

La industria el comercio y las distintas actividades econoacutemicas y cotidianas de las

personas dependen en gran parte del consumo de energiacutea eleacutectrica Por esto la

generacioacuten transmisioacuten y distribucioacuten de dicha energiacutea es de enorme importancia

para la sociedad actual

A partir del siglo XVIII la electricidad hace parte fundamental del desarrollo de la

humanidad en el aacutembito econoacutemico-industrial hacieacutendose indispensable una

estrategia para el transporte de esta maacutes allaacute de los lugares donde se podiacutea generar

en la cual las perdidas producto del efecto Joule fueran miacutenimas Lo anterior dio

origen a la construccioacuten del transformador como dispositivo que permite convertir

energiacutea alterna a diversos niveles de tensioacuten es decir puede aumentar o disminuir

un nivel de voltaje

Es gracias a este avance tecnoloacutegico que se ha facilitado el desarrollo de los

dispositivos industriales procesos y automatizacioacuten que en gran medida permite el

desarrollo del sector econoacutemico

A medida que avanza el tiempo se incrementa el consumo de energiacutea La industria

demanda mayor electricidad y la poblacioacuten aumenta Por lo tanto su consumo

tambieacuten lo hace Adicionalmente surgen nuevas tecnologiacuteas y a su vez nuevos

retos para los agentes del mercado que cada diacutea se enfrentan a numerosos

problemas inherentes al progreso y evolucioacuten Tal es el caso de las cargas no

lineales que generan corrientes no sinusoidales que ademaacutes de la componente

fundamental posee otras que son muacuteltiplos enteros de esta y se denominan

armoacutenicos

12

Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los

dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar

los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden

causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo

producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten

Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones

por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en

su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas

paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que

se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar

hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores

Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de

protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores

en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los

liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para

garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que

promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos

permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de

peacuterdidas posibles

13

ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO

Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma

Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del

Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del

estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos

Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la

comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba

Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba

Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis

comparativo

Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones

14

CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION

11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores

12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores

13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de

THD en transformadores con cargas armoacutenicas

14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten

armoacutenica en transformadores

15 MATERIAS DE INVESTIGACION

-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores

desfasadores

-Teoriacutea de armoacutenicos

-Disentildeo real del sistema ESP

-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en

transformadores

16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental

17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores

18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira

19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS

empresa responsable de la praacutectica conducente

15

110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten

sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las

cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las

peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento

del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente

se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las

implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los

valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean

descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de

energiacutea como un indicador de gestioacuten

El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de

pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para

recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten

armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a

sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa

fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su

comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos

111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA

iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con

condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical

submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de

1992

16

112 OBJETIVOS

1121 OBJETIVO GENERAL

Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema

TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12

pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas

1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten

de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto

nacionales como internacionales para el efecto

- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una

relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador

eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el

momento

- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes

activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad

motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las

condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por

transformadores

- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn

y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador

17

resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en

presencia de cargas armoacutenicas

- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute

mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea

113 JUSTIFICACIOacuteN

El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas

que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las

expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere

una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las

variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al

sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia

hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los

usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes

aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando

Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba

de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA

simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria

del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales

del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de

forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como

Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de

simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador

18

tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse

adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el

impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo

inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta

forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos

Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute

con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca

y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el

cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto

de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas

Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina

para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria

de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992

y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades

de la industria

19

CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA

En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia

los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar

la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica

referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los

transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los

paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba

21 ANTECEDENTES

Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica

intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego

de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan

armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la

existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores

del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]

Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los

armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519

publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten

armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse

que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la

tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce

la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene

distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]

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22 CONCEPTOS GENERALES

221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la

sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y

peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el

calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta

Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la

fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden

impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba

de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que

las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda

222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no

compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de

estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los

equipos

223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento

de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores

consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no

se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda

sinusoidal proporcional a sus variaciones

21

FIGURA 1 Onda ideal

224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas

distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los

armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores

variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la

vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso

el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los

armoacutenicos

22

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la

propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre

el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la

fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental

119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904

2119899ne1

1198681119903119898119904

23

226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina

cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una

frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta

espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de

energiacutea

FIGURA 3 Espectro en frecuencias

0

50

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en V

000

2000

4000

6000

8000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en Io

24

23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

25

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

11

GENERALIDADES

INTRODUCCIOacuteN

En la actualidad el desarrollo de la sociedad estaacute ligado a la demanda de energiacutea

La industria el comercio y las distintas actividades econoacutemicas y cotidianas de las

personas dependen en gran parte del consumo de energiacutea eleacutectrica Por esto la

generacioacuten transmisioacuten y distribucioacuten de dicha energiacutea es de enorme importancia

para la sociedad actual

A partir del siglo XVIII la electricidad hace parte fundamental del desarrollo de la

humanidad en el aacutembito econoacutemico-industrial hacieacutendose indispensable una

estrategia para el transporte de esta maacutes allaacute de los lugares donde se podiacutea generar

en la cual las perdidas producto del efecto Joule fueran miacutenimas Lo anterior dio

origen a la construccioacuten del transformador como dispositivo que permite convertir

energiacutea alterna a diversos niveles de tensioacuten es decir puede aumentar o disminuir

un nivel de voltaje

Es gracias a este avance tecnoloacutegico que se ha facilitado el desarrollo de los

dispositivos industriales procesos y automatizacioacuten que en gran medida permite el

desarrollo del sector econoacutemico

A medida que avanza el tiempo se incrementa el consumo de energiacutea La industria

demanda mayor electricidad y la poblacioacuten aumenta Por lo tanto su consumo

tambieacuten lo hace Adicionalmente surgen nuevas tecnologiacuteas y a su vez nuevos

retos para los agentes del mercado que cada diacutea se enfrentan a numerosos

problemas inherentes al progreso y evolucioacuten Tal es el caso de las cargas no

lineales que generan corrientes no sinusoidales que ademaacutes de la componente

fundamental posee otras que son muacuteltiplos enteros de esta y se denominan

armoacutenicos

12

Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los

dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar

los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden

causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo

producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten

Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones

por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en

su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas

paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que

se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar

hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores

Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de

protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores

en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los

liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para

garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que

promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos

permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de

peacuterdidas posibles

13

ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO

Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma

Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del

Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del

estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos

Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la

comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba

Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba

Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis

comparativo

Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones

14

CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION

11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores

12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores

13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de

THD en transformadores con cargas armoacutenicas

14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten

armoacutenica en transformadores

15 MATERIAS DE INVESTIGACION

-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores

desfasadores

-Teoriacutea de armoacutenicos

-Disentildeo real del sistema ESP

-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en

transformadores

16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental

17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores

18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira

19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS

empresa responsable de la praacutectica conducente

15

110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten

sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las

cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las

peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento

del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente

se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las

implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los

valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean

descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de

energiacutea como un indicador de gestioacuten

El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de

pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para

recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten

armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a

sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa

fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su

comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos

111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA

iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con

condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical

submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de

1992

16

112 OBJETIVOS

1121 OBJETIVO GENERAL

Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema

TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12

pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas

1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten

de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto

nacionales como internacionales para el efecto

- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una

relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador

eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el

momento

- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes

activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad

motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las

condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por

transformadores

- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn

y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador

17

resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en

presencia de cargas armoacutenicas

- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute

mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea

113 JUSTIFICACIOacuteN

El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas

que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las

expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere

una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las

variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al

sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia

hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los

usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes

aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando

Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba

de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA

simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria

del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales

del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de

forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como

Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de

simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador

18

tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse

adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el

impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo

inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta

forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos

Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute

con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca

y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el

cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto

de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas

Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina

para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria

de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992

y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades

de la industria

19

CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA

En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia

los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar

la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica

referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los

transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los

paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba

21 ANTECEDENTES

Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica

intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego

de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan

armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la

existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores

del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]

Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los

armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519

publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten

armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse

que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la

tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce

la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene

distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]

20

22 CONCEPTOS GENERALES

221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la

sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y

peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el

calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta

Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la

fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden

impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba

de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que

las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda

222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no

compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de

estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los

equipos

223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento

de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores

consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no

se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda

sinusoidal proporcional a sus variaciones

21

FIGURA 1 Onda ideal

224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas

distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los

armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores

variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la

vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso

el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los

armoacutenicos

22

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la

propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre

el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la

fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental

119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904

2119899ne1

1198681119903119898119904

23

226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina

cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una

frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta

espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de

energiacutea

FIGURA 3 Espectro en frecuencias

0

50

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en V

000

2000

4000

6000

8000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en Io

24

23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

25

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

12

Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los

dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar

los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden

causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo

producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten

Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones

por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en

su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas

paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que

se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar

hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores

Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de

protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores

en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los

liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para

garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que

promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos

permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de

peacuterdidas posibles

13

ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO

Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma

Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del

Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del

estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos

Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la

comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba

Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba

Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis

comparativo

Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones

14

CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION

11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores

12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores

13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de

THD en transformadores con cargas armoacutenicas

14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten

armoacutenica en transformadores

15 MATERIAS DE INVESTIGACION

-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores

desfasadores

-Teoriacutea de armoacutenicos

-Disentildeo real del sistema ESP

-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en

transformadores

16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental

17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores

18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira

19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS

empresa responsable de la praacutectica conducente

15

110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten

sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las

cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las

peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento

del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente

se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las

implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los

valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean

descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de

energiacutea como un indicador de gestioacuten

El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de

pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para

recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten

armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a

sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa

fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su

comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos

111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA

iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con

condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical

submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de

1992

16

112 OBJETIVOS

1121 OBJETIVO GENERAL

Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema

TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12

pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas

1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten

de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto

nacionales como internacionales para el efecto

- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una

relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador

eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el

momento

- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes

activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad

motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las

condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por

transformadores

- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn

y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador

17

resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en

presencia de cargas armoacutenicas

- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute

mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea

113 JUSTIFICACIOacuteN

El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas

que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las

expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere

una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las

variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al

sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia

hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los

usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes

aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando

Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba

de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA

simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria

del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales

del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de

forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como

Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de

simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador

18

tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse

adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el

impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo

inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta

forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos

Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute

con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca

y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el

cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto

de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas

Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina

para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria

de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992

y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades

de la industria

19

CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA

En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia

los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar

la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica

referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los

transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los

paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba

21 ANTECEDENTES

Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica

intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego

de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan

armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la

existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores

del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]

Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los

armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519

publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten

armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse

que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la

tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce

la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene

distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]

20

22 CONCEPTOS GENERALES

221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la

sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y

peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el

calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta

Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la

fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden

impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba

de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que

las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda

222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no

compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de

estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los

equipos

223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento

de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores

consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no

se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda

sinusoidal proporcional a sus variaciones

21

FIGURA 1 Onda ideal

224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas

distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los

armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores

variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la

vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso

el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los

armoacutenicos

22

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la

propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre

el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la

fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental

119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904

2119899ne1

1198681119903119898119904

23

226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina

cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una

frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta

espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de

energiacutea

FIGURA 3 Espectro en frecuencias

0

50

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en V

000

2000

4000

6000

8000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en Io

24

23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

25

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

13

ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO

Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma

Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del

Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del

estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos

Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la

comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba

Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba

Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis

comparativo

Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones

14

CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION

11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores

12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores

13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de

THD en transformadores con cargas armoacutenicas

14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten

armoacutenica en transformadores

15 MATERIAS DE INVESTIGACION

-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores

desfasadores

-Teoriacutea de armoacutenicos

-Disentildeo real del sistema ESP

-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en

transformadores

16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental

17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores

18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira

19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS

empresa responsable de la praacutectica conducente

15

110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten

sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las

cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las

peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento

del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente

se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las

implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los

valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean

descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de

energiacutea como un indicador de gestioacuten

El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de

pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para

recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten

armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a

sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa

fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su

comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos

111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA

iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con

condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical

submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de

1992

16

112 OBJETIVOS

1121 OBJETIVO GENERAL

Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema

TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12

pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas

1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten

de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto

nacionales como internacionales para el efecto

- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una

relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador

eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el

momento

- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes

activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad

motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las

condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por

transformadores

- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn

y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador

17

resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en

presencia de cargas armoacutenicas

- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute

mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea

113 JUSTIFICACIOacuteN

El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas

que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las

expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere

una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las

variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al

sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia

hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los

usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes

aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando

Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba

de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA

simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria

del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales

del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de

forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como

Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de

simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador

18

tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse

adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el

impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo

inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta

forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos

Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute

con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca

y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el

cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto

de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas

Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina

para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria

de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992

y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades

de la industria

19

CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA

En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia

los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar

la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica

referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los

transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los

paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba

21 ANTECEDENTES

Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica

intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego

de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan

armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la

existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores

del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]

Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los

armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519

publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten

armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse

que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la

tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce

la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene

distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]

20

22 CONCEPTOS GENERALES

221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la

sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y

peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el

calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta

Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la

fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden

impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba

de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que

las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda

222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no

compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de

estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los

equipos

223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento

de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores

consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no

se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda

sinusoidal proporcional a sus variaciones

21

FIGURA 1 Onda ideal

224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas

distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los

armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores

variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la

vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso

el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los

armoacutenicos

22

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la

propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre

el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la

fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental

119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904

2119899ne1

1198681119903119898119904

23

226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina

cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una

frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta

espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de

energiacutea

FIGURA 3 Espectro en frecuencias

0

50

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en V

000

2000

4000

6000

8000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en Io

24

23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

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FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

14

CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION

11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores

12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores

13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de

THD en transformadores con cargas armoacutenicas

14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten

armoacutenica en transformadores

15 MATERIAS DE INVESTIGACION

-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores

desfasadores

-Teoriacutea de armoacutenicos

-Disentildeo real del sistema ESP

-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en

transformadores

16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental

17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores

18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira

19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS

empresa responsable de la praacutectica conducente

15

110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten

sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las

cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las

peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento

del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente

se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las

implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los

valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean

descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de

energiacutea como un indicador de gestioacuten

El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de

pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para

recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten

armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a

sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa

fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su

comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos

111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA

iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con

condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical

submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de

1992

16

112 OBJETIVOS

1121 OBJETIVO GENERAL

Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema

TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12

pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas

1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten

de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto

nacionales como internacionales para el efecto

- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una

relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador

eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el

momento

- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes

activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad

motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las

condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por

transformadores

- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn

y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador

17

resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en

presencia de cargas armoacutenicas

- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute

mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea

113 JUSTIFICACIOacuteN

El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas

que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las

expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere

una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las

variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al

sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia

hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los

usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes

aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando

Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba

de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA

simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria

del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales

del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de

forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como

Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de

simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador

18

tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse

adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el

impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo

inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta

forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos

Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute

con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca

y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el

cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto

de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas

Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina

para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria

de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992

y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades

de la industria

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CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA

En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia

los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar

la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica

referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los

transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los

paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba

21 ANTECEDENTES

Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica

intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego

de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan

armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la

existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores

del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]

Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los

armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519

publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten

armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse

que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la

tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce

la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene

distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]

20

22 CONCEPTOS GENERALES

221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la

sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y

peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el

calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta

Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la

fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden

impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba

de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que

las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda

222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no

compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de

estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los

equipos

223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento

de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores

consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no

se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda

sinusoidal proporcional a sus variaciones

21

FIGURA 1 Onda ideal

224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas

distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los

armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores

variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la

vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso

el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los

armoacutenicos

22

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la

propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre

el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la

fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental

119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904

2119899ne1

1198681119903119898119904

23

226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina

cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una

frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta

espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de

energiacutea

FIGURA 3 Espectro en frecuencias

0

50

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en V

000

2000

4000

6000

8000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en Io

24

23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

25

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

15

110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten

sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las

cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las

peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento

del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente

se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las

implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los

valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean

descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de

energiacutea como un indicador de gestioacuten

El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de

pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para

recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten

armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a

sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa

fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su

comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos

111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA

iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con

condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical

submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de

1992

16

112 OBJETIVOS

1121 OBJETIVO GENERAL

Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema

TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12

pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas

1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten

de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto

nacionales como internacionales para el efecto

- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una

relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador

eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el

momento

- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes

activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad

motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las

condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por

transformadores

- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn

y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador

17

resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en

presencia de cargas armoacutenicas

- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute

mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea

113 JUSTIFICACIOacuteN

El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas

que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las

expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere

una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las

variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al

sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia

hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los

usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes

aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando

Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba

de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA

simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria

del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales

del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de

forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como

Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de

simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador

18

tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse

adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el

impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo

inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta

forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos

Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute

con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca

y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el

cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto

de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas

Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina

para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria

de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992

y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades

de la industria

19

CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA

En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia

los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar

la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica

referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los

transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los

paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba

21 ANTECEDENTES

Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica

intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego

de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan

armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la

existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores

del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]

Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los

armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519

publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten

armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse

que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la

tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce

la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene

distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]

20

22 CONCEPTOS GENERALES

221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la

sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y

peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el

calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta

Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la

fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden

impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba

de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que

las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda

222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no

compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de

estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los

equipos

223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento

de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores

consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no

se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda

sinusoidal proporcional a sus variaciones

21

FIGURA 1 Onda ideal

224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas

distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los

armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores

variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la

vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso

el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los

armoacutenicos

22

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la

propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre

el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la

fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental

119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904

2119899ne1

1198681119903119898119904

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226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina

cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una

frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta

espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de

energiacutea

FIGURA 3 Espectro en frecuencias

0

50

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en V

000

2000

4000

6000

8000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en Io

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23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

25

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

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112 OBJETIVOS

1121 OBJETIVO GENERAL

Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema

TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12

pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas

1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten

de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto

nacionales como internacionales para el efecto

- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una

relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador

eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el

momento

- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes

activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad

motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las

condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por

transformadores

- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn

y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador

17

resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en

presencia de cargas armoacutenicas

- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute

mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea

113 JUSTIFICACIOacuteN

El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas

que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las

expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere

una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las

variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al

sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia

hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los

usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes

aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando

Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba

de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA

simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria

del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales

del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de

forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como

Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de

simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador

18

tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse

adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el

impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo

inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta

forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos

Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute

con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca

y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el

cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto

de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas

Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina

para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria

de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992

y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades

de la industria

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CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA

En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia

los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar

la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica

referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los

transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los

paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba

21 ANTECEDENTES

Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica

intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego

de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan

armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la

existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores

del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]

Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los

armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519

publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten

armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse

que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la

tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce

la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene

distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]

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22 CONCEPTOS GENERALES

221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la

sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y

peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el

calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta

Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la

fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden

impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba

de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que

las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda

222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no

compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de

estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los

equipos

223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento

de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores

consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no

se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda

sinusoidal proporcional a sus variaciones

21

FIGURA 1 Onda ideal

224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas

distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los

armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores

variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la

vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso

el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los

armoacutenicos

22

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la

propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre

el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la

fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental

119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904

2119899ne1

1198681119903119898119904

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226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina

cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una

frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta

espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de

energiacutea

FIGURA 3 Espectro en frecuencias

0

50

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en V

000

2000

4000

6000

8000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en Io

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23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

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FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

17

resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en

presencia de cargas armoacutenicas

- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute

mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea

113 JUSTIFICACIOacuteN

El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas

que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las

expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere

una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las

variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al

sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia

hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los

usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes

aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando

Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba

de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA

simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria

del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales

del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de

forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como

Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de

simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador

18

tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse

adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el

impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo

inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta

forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos

Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute

con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca

y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el

cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto

de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas

Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina

para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria

de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992

y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades

de la industria

19

CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA

En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia

los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar

la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica

referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los

transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los

paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba

21 ANTECEDENTES

Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica

intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego

de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan

armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la

existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores

del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]

Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los

armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519

publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten

armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse

que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la

tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce

la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene

distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]

20

22 CONCEPTOS GENERALES

221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la

sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y

peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el

calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta

Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la

fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden

impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba

de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que

las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda

222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no

compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de

estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los

equipos

223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento

de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores

consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no

se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda

sinusoidal proporcional a sus variaciones

21

FIGURA 1 Onda ideal

224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas

distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los

armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores

variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la

vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso

el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los

armoacutenicos

22

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la

propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre

el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la

fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental

119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904

2119899ne1

1198681119903119898119904

23

226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina

cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una

frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta

espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de

energiacutea

FIGURA 3 Espectro en frecuencias

0

50

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en V

000

2000

4000

6000

8000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en Io

24

23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

25

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

18

tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse

adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el

impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo

inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta

forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos

Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute

con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca

y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el

cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto

de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas

Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina

para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria

de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992

y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades

de la industria

19

CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA

En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia

los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar

la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica

referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los

transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los

paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba

21 ANTECEDENTES

Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica

intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego

de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan

armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la

existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores

del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]

Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los

armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519

publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten

armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse

que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la

tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce

la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene

distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]

20

22 CONCEPTOS GENERALES

221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la

sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y

peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el

calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta

Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la

fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden

impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba

de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que

las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda

222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no

compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de

estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los

equipos

223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento

de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores

consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no

se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda

sinusoidal proporcional a sus variaciones

21

FIGURA 1 Onda ideal

224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas

distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los

armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores

variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la

vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso

el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los

armoacutenicos

22

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la

propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre

el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la

fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental

119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904

2119899ne1

1198681119903119898119904

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226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina

cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una

frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta

espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de

energiacutea

FIGURA 3 Espectro en frecuencias

0

50

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en V

000

2000

4000

6000

8000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en Io

24

23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

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FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

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CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA

En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia

los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar

la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica

referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los

transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los

paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba

21 ANTECEDENTES

Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica

intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego

de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan

armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la

existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores

del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]

Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los

armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519

publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten

armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse

que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la

tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce

la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene

distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]

20

22 CONCEPTOS GENERALES

221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la

sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y

peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el

calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta

Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la

fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden

impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba

de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que

las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda

222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no

compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de

estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los

equipos

223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento

de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores

consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no

se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda

sinusoidal proporcional a sus variaciones

21

FIGURA 1 Onda ideal

224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas

distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los

armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores

variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la

vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso

el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los

armoacutenicos

22

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la

propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre

el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la

fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental

119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904

2119899ne1

1198681119903119898119904

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226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina

cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una

frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta

espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de

energiacutea

FIGURA 3 Espectro en frecuencias

0

50

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en V

000

2000

4000

6000

8000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en Io

24

23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

25

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

20

22 CONCEPTOS GENERALES

221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la

sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y

peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el

calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta

Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la

fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden

impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba

de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que

las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda

222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no

compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de

estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los

equipos

223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento

de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores

consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no

se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda

sinusoidal proporcional a sus variaciones

21

FIGURA 1 Onda ideal

224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas

distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los

armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores

variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la

vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso

el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los

armoacutenicos

22

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la

propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre

el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la

fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental

119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904

2119899ne1

1198681119903119898119904

23

226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina

cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una

frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta

espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de

energiacutea

FIGURA 3 Espectro en frecuencias

0

50

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en V

000

2000

4000

6000

8000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en Io

24

23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

25

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

21

FIGURA 1 Onda ideal

224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas

distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los

armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores

variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la

vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso

el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los

armoacutenicos

22

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la

propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre

el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la

fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental

119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904

2119899ne1

1198681119903119898119904

23

226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina

cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una

frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta

espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de

energiacutea

FIGURA 3 Espectro en frecuencias

0

50

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en V

000

2000

4000

6000

8000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en Io

24

23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

25

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

22

FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica

225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la

propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre

el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la

fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental

119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904

2119899ne1

1198681119903119898119904

23

226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina

cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una

frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta

espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de

energiacutea

FIGURA 3 Espectro en frecuencias

0

50

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en V

000

2000

4000

6000

8000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en Io

24

23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

25

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

23

226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina

cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una

frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta

espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de

energiacutea

FIGURA 3 Espectro en frecuencias

0

50

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en V

000

2000

4000

6000

8000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Contenido de Armonicos en Io

24

23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

25

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

24

23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)

El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante

un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia

y economiacutea

Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con

pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo

Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos

bull Alto grado de produccioacuten

bull Presioacuten de fondo Baja

bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo

bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido

El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas

(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos

El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades

entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en

pozos tanto verticales como desviados o inclinados

25

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

25

FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible

Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor

eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes

superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador

Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores

vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de

unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable

PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES

bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo

bull Verificacioacuten en la instalacioacuten

bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso

bull Verificacioacuten en el flujo de crudo

26

VENTAJAS amp DESVENTAJAS

VENTAJAS

middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen

middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten

middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD

middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento

middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables

de presioacuten y temperatura

middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos

DESVENTAJAS

middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica

middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas

middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]

24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de

transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70

(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para

dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo

241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a

la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede

modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis

estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten

27

242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos

FIGURA 5 Cabezal Bobina

1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]

1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]

1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]

1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]

119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]

28

Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo

en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja

Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se

procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en

BT-AT

Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor

que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT

tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de

las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en

condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma

trapezoidal

Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA

del transformador

243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno

de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del

transformador

244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de

caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten

magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al

temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten

29

25 Transformador

Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se

desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule

asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten

Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son

Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de

transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de

transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se

verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos

Accesorios maacutes usados

Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten

depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del

conductor usado en la bobina de AT

Calculo de la corriente

119868119863119864119871119879119860 =119875

3 lowast 119881

119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875

radic3 lowast 119881

Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a

500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que

se debe soldar a la caja

30

Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser

con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la

caja (horizontal o vertical)

El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel

del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las

paredes internas del tanque)

La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del

aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con

el criterio de volumen

El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente

nominal del transformador en Baja Tensioacuten

Calculo de la corriente

1198681198781119865 = (119875

119881)

1198681198782119865 = (119875

119881 lowast radic3)

El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con

potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para

transformadores de BIL 200 kVA

La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de

accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes

compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios

31

con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o

maacutes accesorios con contactos

Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del

primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva

tanque de expansioacuten

La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por

BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el

valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no

lamina antimagneacutetica

26 BOBINAS

Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo

aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno

el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se

debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute

controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este

calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia

del dispositivo

El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos

a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio

refrigerante

b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo

entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten

32

FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador

119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]

1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]

1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]

ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]

33

27 Ductos de refrigeracioacuten

Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar

su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor

transferencia de calor entre el conductor y el aceite

Las formas maacutes frecuentes son

271 Cartoacuten corrugado

El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor

entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el

aceite

272 Duck STrip

34

Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que

cubre la totalidad del aacuterea

El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar

seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor

Una directamente en contacto

La otra a traveacutes de la capa de papel

Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute

100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75

35

FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION

28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES

Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento

que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura

puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas

carton corrugado 20 10

A

175 131

B

175 117

C

175 105

D

175 103

TipoD

uck

Str

ipFPFaFpiDimen [mm] forma

36

Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma

de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se

dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de

funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que

hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo

En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de

funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos

anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material

asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de

control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando

el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando

las normas correspondientes

Las peacuterdidas totales son

119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871

Siendo

119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)

119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)

29 VSD

El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del

sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables

37

eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia

y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten

Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida

casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor

FIGURA 8 Controles de superficie

Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece

proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema

eleacutectrico

38

El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante

ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor

210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES

Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica

se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o

a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas

pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del

transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas

especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen

de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de

pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]

a Pruebas de rutina

I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando

al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a

frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de

excitacioacuten

II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y

se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta

alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de

medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar

que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del

39

transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la

tensioacuten nominal

En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de

verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos

ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el

disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un

breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un

cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B

experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B

119865 = 119876119907 lowast 119861

119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861

40

Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un

desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas

Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo

conductor soacutelido

119869 = 120588119907119907

119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861

I

Iacute

F

Facute

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento

41

FIGURA 10 fuerzas al interior

FxFx

Fy

Fy

- Fy- Fy

Fy

Fy

F

F

Nuacute

cle

o

42

FIGURA 11 Fuerzas axiales

FIGURA 12 Desplazamiento axial

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

27

242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos

FIGURA 5 Cabezal Bobina

1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]

1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]

1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]

1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]

119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]

28

Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo

en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja

Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se

procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en

BT-AT

Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor

que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT

tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de

las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en

condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma

trapezoidal

Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA

del transformador

243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno

de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del

transformador

244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de

caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten

magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al

temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten

29

25 Transformador

Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se

desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule

asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten

Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son

Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de

transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de

transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se

verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos

Accesorios maacutes usados

Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten

depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del

conductor usado en la bobina de AT

Calculo de la corriente

119868119863119864119871119879119860 =119875

3 lowast 119881

119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875

radic3 lowast 119881

Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a

500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que

se debe soldar a la caja

30

Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser

con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la

caja (horizontal o vertical)

El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel

del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las

paredes internas del tanque)

La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del

aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con

el criterio de volumen

El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente

nominal del transformador en Baja Tensioacuten

Calculo de la corriente

1198681198781119865 = (119875

119881)

1198681198782119865 = (119875

119881 lowast radic3)

El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con

potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para

transformadores de BIL 200 kVA

La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de

accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes

compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios

31

con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o

maacutes accesorios con contactos

Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del

primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva

tanque de expansioacuten

La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por

BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el

valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no

lamina antimagneacutetica

26 BOBINAS

Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo

aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno

el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se

debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute

controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este

calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia

del dispositivo

El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos

a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio

refrigerante

b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo

entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten

32

FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador

119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]

1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]

1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]

ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]

33

27 Ductos de refrigeracioacuten

Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar

su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor

transferencia de calor entre el conductor y el aceite

Las formas maacutes frecuentes son

271 Cartoacuten corrugado

El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor

entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el

aceite

272 Duck STrip

34

Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que

cubre la totalidad del aacuterea

El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar

seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor

Una directamente en contacto

La otra a traveacutes de la capa de papel

Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute

100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75

35

FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION

28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES

Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento

que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura

puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas

carton corrugado 20 10

A

175 131

B

175 117

C

175 105

D

175 103

TipoD

uck

Str

ipFPFaFpiDimen [mm] forma

36

Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma

de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se

dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de

funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que

hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo

En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de

funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos

anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material

asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de

control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando

el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando

las normas correspondientes

Las peacuterdidas totales son

119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871

Siendo

119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)

119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)

29 VSD

El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del

sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables

37

eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia

y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten

Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida

casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor

FIGURA 8 Controles de superficie

Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece

proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema

eleacutectrico

38

El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante

ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor

210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES

Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica

se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o

a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas

pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del

transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas

especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen

de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de

pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]

a Pruebas de rutina

I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando

al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a

frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de

excitacioacuten

II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y

se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta

alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de

medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar

que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del

39

transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la

tensioacuten nominal

En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de

verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos

ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el

disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un

breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un

cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B

experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B

119865 = 119876119907 lowast 119861

119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861

40

Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un

desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas

Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo

conductor soacutelido

119869 = 120588119907119907

119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861

I

Iacute

F

Facute

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento

41

FIGURA 10 fuerzas al interior

FxFx

Fy

Fy

- Fy- Fy

Fy

Fy

F

F

Nuacute

cle

o

42

FIGURA 11 Fuerzas axiales

FIGURA 12 Desplazamiento axial

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

28

Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo

en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja

Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se

procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en

BT-AT

Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor

que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT

tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de

las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en

condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma

trapezoidal

Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA

del transformador

243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno

de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del

transformador

244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de

caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten

magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al

temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten

29

25 Transformador

Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se

desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule

asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten

Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son

Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de

transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de

transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se

verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos

Accesorios maacutes usados

Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten

depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del

conductor usado en la bobina de AT

Calculo de la corriente

119868119863119864119871119879119860 =119875

3 lowast 119881

119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875

radic3 lowast 119881

Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a

500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que

se debe soldar a la caja

30

Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser

con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la

caja (horizontal o vertical)

El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel

del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las

paredes internas del tanque)

La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del

aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con

el criterio de volumen

El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente

nominal del transformador en Baja Tensioacuten

Calculo de la corriente

1198681198781119865 = (119875

119881)

1198681198782119865 = (119875

119881 lowast radic3)

El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con

potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para

transformadores de BIL 200 kVA

La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de

accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes

compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios

31

con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o

maacutes accesorios con contactos

Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del

primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva

tanque de expansioacuten

La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por

BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el

valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no

lamina antimagneacutetica

26 BOBINAS

Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo

aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno

el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se

debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute

controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este

calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia

del dispositivo

El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos

a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio

refrigerante

b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo

entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten

32

FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador

119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]

1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]

1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]

ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]

33

27 Ductos de refrigeracioacuten

Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar

su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor

transferencia de calor entre el conductor y el aceite

Las formas maacutes frecuentes son

271 Cartoacuten corrugado

El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor

entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el

aceite

272 Duck STrip

34

Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que

cubre la totalidad del aacuterea

El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar

seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor

Una directamente en contacto

La otra a traveacutes de la capa de papel

Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute

100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75

35

FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION

28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES

Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento

que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura

puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas

carton corrugado 20 10

A

175 131

B

175 117

C

175 105

D

175 103

TipoD

uck

Str

ipFPFaFpiDimen [mm] forma

36

Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma

de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se

dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de

funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que

hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo

En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de

funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos

anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material

asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de

control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando

el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando

las normas correspondientes

Las peacuterdidas totales son

119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871

Siendo

119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)

119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)

29 VSD

El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del

sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables

37

eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia

y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten

Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida

casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor

FIGURA 8 Controles de superficie

Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece

proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema

eleacutectrico

38

El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante

ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor

210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES

Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica

se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o

a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas

pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del

transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas

especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen

de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de

pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]

a Pruebas de rutina

I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando

al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a

frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de

excitacioacuten

II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y

se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta

alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de

medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar

que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del

39

transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la

tensioacuten nominal

En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de

verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos

ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el

disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un

breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un

cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B

experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B

119865 = 119876119907 lowast 119861

119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861

40

Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un

desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas

Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo

conductor soacutelido

119869 = 120588119907119907

119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861

I

Iacute

F

Facute

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento

41

FIGURA 10 fuerzas al interior

FxFx

Fy

Fy

- Fy- Fy

Fy

Fy

F

F

Nuacute

cle

o

42

FIGURA 11 Fuerzas axiales

FIGURA 12 Desplazamiento axial

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

29

25 Transformador

Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se

desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule

asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten

Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son

Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de

transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de

transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se

verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos

Accesorios maacutes usados

Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten

depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del

conductor usado en la bobina de AT

Calculo de la corriente

119868119863119864119871119879119860 =119875

3 lowast 119881

119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875

radic3 lowast 119881

Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a

500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que

se debe soldar a la caja

30

Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser

con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la

caja (horizontal o vertical)

El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel

del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las

paredes internas del tanque)

La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del

aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con

el criterio de volumen

El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente

nominal del transformador en Baja Tensioacuten

Calculo de la corriente

1198681198781119865 = (119875

119881)

1198681198782119865 = (119875

119881 lowast radic3)

El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con

potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para

transformadores de BIL 200 kVA

La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de

accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes

compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios

31

con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o

maacutes accesorios con contactos

Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del

primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva

tanque de expansioacuten

La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por

BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el

valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no

lamina antimagneacutetica

26 BOBINAS

Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo

aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno

el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se

debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute

controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este

calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia

del dispositivo

El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos

a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio

refrigerante

b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo

entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten

32

FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador

119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]

1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]

1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]

ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]

33

27 Ductos de refrigeracioacuten

Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar

su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor

transferencia de calor entre el conductor y el aceite

Las formas maacutes frecuentes son

271 Cartoacuten corrugado

El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor

entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el

aceite

272 Duck STrip

34

Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que

cubre la totalidad del aacuterea

El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar

seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor

Una directamente en contacto

La otra a traveacutes de la capa de papel

Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute

100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75

35

FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION

28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES

Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento

que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura

puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas

carton corrugado 20 10

A

175 131

B

175 117

C

175 105

D

175 103

TipoD

uck

Str

ipFPFaFpiDimen [mm] forma

36

Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma

de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se

dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de

funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que

hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo

En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de

funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos

anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material

asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de

control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando

el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando

las normas correspondientes

Las peacuterdidas totales son

119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871

Siendo

119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)

119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)

29 VSD

El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del

sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables

37

eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia

y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten

Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida

casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor

FIGURA 8 Controles de superficie

Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece

proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema

eleacutectrico

38

El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante

ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor

210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES

Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica

se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o

a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas

pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del

transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas

especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen

de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de

pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]

a Pruebas de rutina

I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando

al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a

frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de

excitacioacuten

II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y

se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta

alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de

medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar

que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del

39

transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la

tensioacuten nominal

En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de

verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos

ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el

disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un

breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un

cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B

experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B

119865 = 119876119907 lowast 119861

119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861

40

Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un

desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas

Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo

conductor soacutelido

119869 = 120588119907119907

119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861

I

Iacute

F

Facute

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento

41

FIGURA 10 fuerzas al interior

FxFx

Fy

Fy

- Fy- Fy

Fy

Fy

F

F

Nuacute

cle

o

42

FIGURA 11 Fuerzas axiales

FIGURA 12 Desplazamiento axial

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

30

Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser

con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la

caja (horizontal o vertical)

El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel

del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las

paredes internas del tanque)

La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del

aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con

el criterio de volumen

El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente

nominal del transformador en Baja Tensioacuten

Calculo de la corriente

1198681198781119865 = (119875

119881)

1198681198782119865 = (119875

119881 lowast radic3)

El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con

potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para

transformadores de BIL 200 kVA

La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de

accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes

compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios

31

con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o

maacutes accesorios con contactos

Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del

primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva

tanque de expansioacuten

La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por

BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el

valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no

lamina antimagneacutetica

26 BOBINAS

Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo

aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno

el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se

debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute

controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este

calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia

del dispositivo

El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos

a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio

refrigerante

b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo

entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten

32

FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador

119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]

1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]

1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]

ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]

33

27 Ductos de refrigeracioacuten

Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar

su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor

transferencia de calor entre el conductor y el aceite

Las formas maacutes frecuentes son

271 Cartoacuten corrugado

El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor

entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el

aceite

272 Duck STrip

34

Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que

cubre la totalidad del aacuterea

El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar

seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor

Una directamente en contacto

La otra a traveacutes de la capa de papel

Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute

100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75

35

FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION

28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES

Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento

que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura

puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas

carton corrugado 20 10

A

175 131

B

175 117

C

175 105

D

175 103

TipoD

uck

Str

ipFPFaFpiDimen [mm] forma

36

Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma

de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se

dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de

funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que

hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo

En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de

funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos

anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material

asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de

control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando

el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando

las normas correspondientes

Las peacuterdidas totales son

119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871

Siendo

119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)

119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)

29 VSD

El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del

sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables

37

eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia

y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten

Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida

casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor

FIGURA 8 Controles de superficie

Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece

proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema

eleacutectrico

38

El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante

ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor

210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES

Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica

se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o

a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas

pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del

transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas

especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen

de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de

pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]

a Pruebas de rutina

I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando

al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a

frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de

excitacioacuten

II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y

se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta

alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de

medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar

que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del

39

transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la

tensioacuten nominal

En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de

verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos

ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el

disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un

breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un

cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B

experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B

119865 = 119876119907 lowast 119861

119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861

40

Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un

desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas

Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo

conductor soacutelido

119869 = 120588119907119907

119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861

I

Iacute

F

Facute

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento

41

FIGURA 10 fuerzas al interior

FxFx

Fy

Fy

- Fy- Fy

Fy

Fy

F

F

Nuacute

cle

o

42

FIGURA 11 Fuerzas axiales

FIGURA 12 Desplazamiento axial

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

31

con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o

maacutes accesorios con contactos

Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del

primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva

tanque de expansioacuten

La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por

BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el

valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no

lamina antimagneacutetica

26 BOBINAS

Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo

aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno

el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se

debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute

controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este

calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia

del dispositivo

El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos

a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio

refrigerante

b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo

entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten

32

FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador

119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]

1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]

1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]

ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]

33

27 Ductos de refrigeracioacuten

Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar

su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor

transferencia de calor entre el conductor y el aceite

Las formas maacutes frecuentes son

271 Cartoacuten corrugado

El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor

entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el

aceite

272 Duck STrip

34

Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que

cubre la totalidad del aacuterea

El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar

seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor

Una directamente en contacto

La otra a traveacutes de la capa de papel

Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute

100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75

35

FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION

28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES

Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento

que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura

puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas

carton corrugado 20 10

A

175 131

B

175 117

C

175 105

D

175 103

TipoD

uck

Str

ipFPFaFpiDimen [mm] forma

36

Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma

de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se

dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de

funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que

hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo

En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de

funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos

anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material

asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de

control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando

el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando

las normas correspondientes

Las peacuterdidas totales son

119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871

Siendo

119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)

119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)

29 VSD

El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del

sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables

37

eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia

y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten

Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida

casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor

FIGURA 8 Controles de superficie

Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece

proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema

eleacutectrico

38

El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante

ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor

210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES

Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica

se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o

a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas

pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del

transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas

especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen

de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de

pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]

a Pruebas de rutina

I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando

al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a

frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de

excitacioacuten

II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y

se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta

alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de

medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar

que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del

39

transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la

tensioacuten nominal

En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de

verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos

ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el

disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un

breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un

cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B

experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B

119865 = 119876119907 lowast 119861

119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861

40

Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un

desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas

Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo

conductor soacutelido

119869 = 120588119907119907

119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861

I

Iacute

F

Facute

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento

41

FIGURA 10 fuerzas al interior

FxFx

Fy

Fy

- Fy- Fy

Fy

Fy

F

F

Nuacute

cle

o

42

FIGURA 11 Fuerzas axiales

FIGURA 12 Desplazamiento axial

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

32

FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador

119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]

1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]

1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]

1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]

ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]

33

27 Ductos de refrigeracioacuten

Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar

su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor

transferencia de calor entre el conductor y el aceite

Las formas maacutes frecuentes son

271 Cartoacuten corrugado

El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor

entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el

aceite

272 Duck STrip

34

Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que

cubre la totalidad del aacuterea

El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar

seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor

Una directamente en contacto

La otra a traveacutes de la capa de papel

Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute

100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75

35

FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION

28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES

Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento

que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura

puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas

carton corrugado 20 10

A

175 131

B

175 117

C

175 105

D

175 103

TipoD

uck

Str

ipFPFaFpiDimen [mm] forma

36

Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma

de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se

dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de

funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que

hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo

En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de

funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos

anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material

asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de

control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando

el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando

las normas correspondientes

Las peacuterdidas totales son

119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871

Siendo

119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)

119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)

29 VSD

El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del

sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables

37

eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia

y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten

Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida

casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor

FIGURA 8 Controles de superficie

Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece

proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema

eleacutectrico

38

El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante

ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor

210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES

Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica

se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o

a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas

pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del

transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas

especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen

de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de

pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]

a Pruebas de rutina

I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando

al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a

frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de

excitacioacuten

II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y

se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta

alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de

medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar

que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del

39

transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la

tensioacuten nominal

En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de

verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos

ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el

disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un

breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un

cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B

experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B

119865 = 119876119907 lowast 119861

119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861

40

Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un

desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas

Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo

conductor soacutelido

119869 = 120588119907119907

119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861

I

Iacute

F

Facute

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento

41

FIGURA 10 fuerzas al interior

FxFx

Fy

Fy

- Fy- Fy

Fy

Fy

F

F

Nuacute

cle

o

42

FIGURA 11 Fuerzas axiales

FIGURA 12 Desplazamiento axial

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

33

27 Ductos de refrigeracioacuten

Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar

su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor

transferencia de calor entre el conductor y el aceite

Las formas maacutes frecuentes son

271 Cartoacuten corrugado

El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor

entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el

aceite

272 Duck STrip

34

Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que

cubre la totalidad del aacuterea

El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar

seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor

Una directamente en contacto

La otra a traveacutes de la capa de papel

Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute

100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75

35

FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION

28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES

Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento

que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura

puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas

carton corrugado 20 10

A

175 131

B

175 117

C

175 105

D

175 103

TipoD

uck

Str

ipFPFaFpiDimen [mm] forma

36

Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma

de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se

dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de

funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que

hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo

En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de

funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos

anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material

asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de

control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando

el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando

las normas correspondientes

Las peacuterdidas totales son

119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871

Siendo

119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)

119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)

29 VSD

El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del

sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables

37

eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia

y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten

Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida

casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor

FIGURA 8 Controles de superficie

Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece

proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema

eleacutectrico

38

El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante

ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor

210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES

Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica

se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o

a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas

pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del

transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas

especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen

de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de

pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]

a Pruebas de rutina

I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando

al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a

frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de

excitacioacuten

II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y

se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta

alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de

medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar

que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del

39

transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la

tensioacuten nominal

En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de

verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos

ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el

disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un

breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un

cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B

experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B

119865 = 119876119907 lowast 119861

119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861

40

Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un

desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas

Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo

conductor soacutelido

119869 = 120588119907119907

119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861

I

Iacute

F

Facute

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento

41

FIGURA 10 fuerzas al interior

FxFx

Fy

Fy

- Fy- Fy

Fy

Fy

F

F

Nuacute

cle

o

42

FIGURA 11 Fuerzas axiales

FIGURA 12 Desplazamiento axial

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

34

Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que

cubre la totalidad del aacuterea

El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar

seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor

Una directamente en contacto

La otra a traveacutes de la capa de papel

Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute

100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75

35

FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION

28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES

Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento

que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura

puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas

carton corrugado 20 10

A

175 131

B

175 117

C

175 105

D

175 103

TipoD

uck

Str

ipFPFaFpiDimen [mm] forma

36

Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma

de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se

dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de

funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que

hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo

En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de

funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos

anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material

asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de

control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando

el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando

las normas correspondientes

Las peacuterdidas totales son

119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871

Siendo

119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)

119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)

29 VSD

El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del

sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables

37

eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia

y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten

Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida

casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor

FIGURA 8 Controles de superficie

Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece

proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema

eleacutectrico

38

El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante

ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor

210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES

Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica

se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o

a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas

pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del

transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas

especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen

de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de

pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]

a Pruebas de rutina

I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando

al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a

frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de

excitacioacuten

II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y

se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta

alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de

medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar

que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del

39

transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la

tensioacuten nominal

En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de

verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos

ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el

disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un

breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un

cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B

experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B

119865 = 119876119907 lowast 119861

119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861

40

Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un

desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas

Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo

conductor soacutelido

119869 = 120588119907119907

119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861

I

Iacute

F

Facute

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento

41

FIGURA 10 fuerzas al interior

FxFx

Fy

Fy

- Fy- Fy

Fy

Fy

F

F

Nuacute

cle

o

42

FIGURA 11 Fuerzas axiales

FIGURA 12 Desplazamiento axial

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

35

FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION

28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES

Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento

que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura

puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas

carton corrugado 20 10

A

175 131

B

175 117

C

175 105

D

175 103

TipoD

uck

Str

ipFPFaFpiDimen [mm] forma

36

Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma

de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se

dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de

funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que

hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo

En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de

funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos

anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material

asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de

control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando

el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando

las normas correspondientes

Las peacuterdidas totales son

119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871

Siendo

119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)

119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)

29 VSD

El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del

sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables

37

eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia

y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten

Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida

casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor

FIGURA 8 Controles de superficie

Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece

proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema

eleacutectrico

38

El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante

ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor

210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES

Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica

se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o

a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas

pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del

transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas

especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen

de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de

pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]

a Pruebas de rutina

I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando

al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a

frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de

excitacioacuten

II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y

se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta

alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de

medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar

que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del

39

transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la

tensioacuten nominal

En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de

verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos

ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el

disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un

breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un

cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B

experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B

119865 = 119876119907 lowast 119861

119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861

40

Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un

desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas

Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo

conductor soacutelido

119869 = 120588119907119907

119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861

I

Iacute

F

Facute

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento

41

FIGURA 10 fuerzas al interior

FxFx

Fy

Fy

- Fy- Fy

Fy

Fy

F

F

Nuacute

cle

o

42

FIGURA 11 Fuerzas axiales

FIGURA 12 Desplazamiento axial

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

36

Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma

de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se

dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de

funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que

hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo

En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de

funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos

anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material

asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de

control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando

el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando

las normas correspondientes

Las peacuterdidas totales son

119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871

Siendo

119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)

119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)

119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)

29 VSD

El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del

sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables

37

eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia

y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten

Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida

casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor

FIGURA 8 Controles de superficie

Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece

proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema

eleacutectrico

38

El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante

ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor

210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES

Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica

se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o

a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas

pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del

transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas

especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen

de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de

pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]

a Pruebas de rutina

I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando

al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a

frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de

excitacioacuten

II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y

se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta

alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de

medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar

que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del

39

transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la

tensioacuten nominal

En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de

verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos

ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el

disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un

breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un

cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B

experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B

119865 = 119876119907 lowast 119861

119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861

40

Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un

desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas

Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo

conductor soacutelido

119869 = 120588119907119907

119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861

I

Iacute

F

Facute

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento

41

FIGURA 10 fuerzas al interior

FxFx

Fy

Fy

- Fy- Fy

Fy

Fy

F

F

Nuacute

cle

o

42

FIGURA 11 Fuerzas axiales

FIGURA 12 Desplazamiento axial

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

37

eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia

y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten

Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida

casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor

FIGURA 8 Controles de superficie

Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece

proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema

eleacutectrico

38

El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante

ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor

210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES

Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica

se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o

a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas

pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del

transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas

especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen

de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de

pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]

a Pruebas de rutina

I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando

al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a

frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de

excitacioacuten

II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y

se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta

alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de

medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar

que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del

39

transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la

tensioacuten nominal

En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de

verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos

ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el

disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un

breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un

cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B

experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B

119865 = 119876119907 lowast 119861

119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861

40

Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un

desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas

Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo

conductor soacutelido

119869 = 120588119907119907

119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861

I

Iacute

F

Facute

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento

41

FIGURA 10 fuerzas al interior

FxFx

Fy

Fy

- Fy- Fy

Fy

Fy

F

F

Nuacute

cle

o

42

FIGURA 11 Fuerzas axiales

FIGURA 12 Desplazamiento axial

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

38

El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante

ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor

210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES

Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica

se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o

a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas

pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del

transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas

especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen

de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de

pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]

a Pruebas de rutina

I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando

al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a

frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de

excitacioacuten

II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y

se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta

alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de

medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar

que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del

39

transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la

tensioacuten nominal

En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de

verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos

ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el

disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un

breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un

cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B

experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B

119865 = 119876119907 lowast 119861

119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861

40

Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un

desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas

Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo

conductor soacutelido

119869 = 120588119907119907

119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861

I

Iacute

F

Facute

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento

41

FIGURA 10 fuerzas al interior

FxFx

Fy

Fy

- Fy- Fy

Fy

Fy

F

F

Nuacute

cle

o

42

FIGURA 11 Fuerzas axiales

FIGURA 12 Desplazamiento axial

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

39

transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la

tensioacuten nominal

En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de

verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos

ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el

disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un

breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un

cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B

experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B

119865 = 119876119907 lowast 119861

119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861

40

Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un

desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas

Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo

conductor soacutelido

119869 = 120588119907119907

119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861

I

Iacute

F

Facute

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento

41

FIGURA 10 fuerzas al interior

FxFx

Fy

Fy

- Fy- Fy

Fy

Fy

F

F

Nuacute

cle

o

42

FIGURA 11 Fuerzas axiales

FIGURA 12 Desplazamiento axial

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

40

Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un

desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas

Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo

conductor soacutelido

119869 = 120588119907119907

119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861

I

Iacute

F

Facute

FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento

41

FIGURA 10 fuerzas al interior

FxFx

Fy

Fy

- Fy- Fy

Fy

Fy

F

F

Nuacute

cle

o

42

FIGURA 11 Fuerzas axiales

FIGURA 12 Desplazamiento axial

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

41

FIGURA 10 fuerzas al interior

FxFx

Fy

Fy

- Fy- Fy

Fy

Fy

F

F

Nuacute

cle

o

42

FIGURA 11 Fuerzas axiales

FIGURA 12 Desplazamiento axial

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

42

FIGURA 11 Fuerzas axiales

FIGURA 12 Desplazamiento axial

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

43

FIGURA 13 Fuerzas radiales

FIGURA 14 Desplazamiento radial

Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden

ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran

claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de

descargas atmosfeacutericas

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

44

b Prueba especiales

I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra

tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del

transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por

ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es

35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV

Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la

vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al

aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos

211 MARCO LEGAL

2111 Normatividad

La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado

la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos

de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el

objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un

protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el

transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites

de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de

esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando

peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante

Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los

liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92

ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL

CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

45

determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea

aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la

NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo

Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar

La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los

principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales

Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a

continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen

niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2

Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten

alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual

maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una

resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]

Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada

uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que

119879119867119863 =radic1198682

2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899

2

1198681 (1)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

46

119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992

119899

1

[119860] (2)

1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890

Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992

para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten

Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica

SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia

armoacutenica individual

Maacuteximo ()

Asuncioacuten relacionada

10 25-30 Sistema dedicado

20 20-205 1-2 grandes consumidores

50 10-15

consumidores relativamente

grandes

100 05-10

5-20 consumidores de tamantildeo

mediano

1000 005-010 consumidores muy pequentildeos

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

47

Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un

transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados

como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal

(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones

inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]

119879119867119863 =radic1198812

2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899

2

1198811 (3)

Donde

119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886

1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899

119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992

119899

1

[119881] (4)

1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

48

Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje

Voltaje de barra en el PCC

Distorsioacuten de

voltaje

individual ()

Distorsioacuten de

voltaje total

THD ()

69 Kv y por debajo 3 5

69001 V a 161 Kv 15 25

161001 v y por encima 1 15

La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA

TECNICA COLOMBIANA NTC 1358

21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES

Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la

operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para

transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una

lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son

tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten

De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos

de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten

Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha

implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

49

21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN

TERMINOLOGIacuteA

La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al

transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se

describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los

transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y

localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por

calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de

cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los

transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este

dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente

CAPITULO III METODOLOGIA

31 Tipo de Investigacioacuten

Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca

verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis

praacutectico

32 Meacutetodo de Investigacioacuten

El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que

los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92

se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que

mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

50

ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que

comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente

comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real

de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como

mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos

discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta

manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el

respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los

transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con

transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas

Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la

Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores

bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante

analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras

de lotes de produccioacuten de los transformadores

33 Poblacioacuten y Muestra

En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos

tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes

viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP

34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos

Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son

INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas

y manuales de disentildeo

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

51

INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos

creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el

disentildeo de transformadores

INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de

Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la

realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos

35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos

Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis

investigativo y luego un anaacutelisis practico

351 Anaacutelisis investigativo

Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los

pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja

352 Anaacutelisis praacutectico

Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante

comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de

sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

52

CAPITULO IV PROPUESTA

Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde

la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba

un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la

autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas

dado que los operadores estaban en produccioacuten

Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida

es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas

circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente

adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real

de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar

una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas

que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio

a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco

resistivo de 480 V

Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de

armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO

RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en

transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes

viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten

de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco

de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92

Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas

Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y

finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

53

El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar

variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar

desfasadas 30deg entre siacute

119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg

119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=

360deg

12= 30deg

FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg

Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas

PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL

PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG

PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL

SECUNDARIO

Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia

de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a

su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes

Input PowerSystem

30degPhase-ShiftStep DownTransformer

VSD12P

step-UpTransformer

DownholeEquipment

Input Line Voltage

Input 480 Volts

Input 480 Volts

VSD output480 Volts

SUT required output Volts

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

54

importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red

eleacutectrica o generador)

41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1

Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o

alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de

un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo

y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg

y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del

transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten

FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

55

FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1

FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida

Out x H

H y

x

Out y

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

56

42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)

Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de

una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una

de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente

Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los

armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv

y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519

FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

57

FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)

OUTPUT H

OUTPUT HH

INPUT X

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

58

421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR

FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal

119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572

2) (1)

1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572

2) (2)

1198811198831 =119881119871minus119871

radic3 (3)

Igualando (2) y (3)

119881119867119867 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2) (4)

Va

VA

N

VaH1 HH1

VL-L

α

X1

X2

VX1

VX2

VHH

X3

H2

H3 HH2

HH3

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

59

Reemplazando (4) en (1)

119881119886 =119881119871minus119871

radic3cos (120572

2)

times 119904119890119899(120572

2) (5)

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene

119881119871minus119871rarr + 119881119886

rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime

rarr = 0

119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0

119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0

119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0

minus1

2119881119871minus119871 +

1

2119881119886 +

1

2119881119860 = 0

minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0

119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)

Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que

Va = 74256V

Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene

VA = 480 ndash 74256 = 405744V

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

60

Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada

devanado son

119896119881119860119886 = 119881119886119868119886

119896119881119860119860 = 119881119860119868119860

Y que la relacioacuten de sus potencias es

119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

De la relacioacuten de espiras se encuentra

119873119886

119873119860=

119881119886

119881119860=

119868119860

2119868119886

Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene

119868119860

2119868119886=

119881119867119867119904119890119899(1205722)

119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)

Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior

119868119860

2119868119886=

119881119871minus119871

radic3 cos (1205722)

119904119890119899 (1205722)

119881119871minus119871 minus119881119871minus119871

radic3 cos (1205722

)119904119890119899 (

1205722)

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

61

119868119860

2119868119886=

119905119886119899(120572

2)

radic3minus119905119886119899(120572

2) (7)

Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes

FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes

11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579

119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579

Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

2119868119886

radic3119868119860

Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que

119905119886119899120579 =1

1

radic3+

1

radic3(radic3 minus tan (

1205722)

tan (1205722)

)

IA

Ia

IL

60 θ

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

62

Si α=30deg se tiene

120579 = 15deg

Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para

una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada

uno de los devanados

119868119860 =119868119871119904119890119899120579

11990411989011989960deg= 90265119860

119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661

Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y

esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores

Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar

claridad sobre el proceso

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

63

43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS

Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca

Magnetroacuten

- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca

- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes

- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON

- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA

- Fuente de alimentacioacuten de 480V

1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo

para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer

con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema

sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

64

En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al

VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un

rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado

por el transformador (+15deg-15deg)

Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica

h Voltaj

e V

Corrien

te A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48499 13761 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 037 293 01 21 0021

29

0000

45

0000

76

0000

00

3 219 163 05 12 0011

85

0000

14

0004

52

0000

02

4 049 052 01 04 0003

78

0000

01

0001

01

0000

00

5 1603 4057 33 295 0294

82

0086

92

0033

05

0001

09

6 032 157 01 11 0011

41

0000

13

0000

66

0000

00

7 208 499 04 36 0036

26

0001

31

0004

29

0000

02

8 027 059 01 04 0004

29

0000

02

0000

56

0000

00

9 116 06 02 04 0004

36

0000

02

0002

39

0000

01

10 03 046 01 03 0003

34

0000

01

0000

62

0000

00

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

65

11 1043 1202 22 87 0087

35

0007

63

0021

51

0000

46

12 027 077 01 06 0005

60

0000

03

0000

56

0000

00

13 391 445 08 32 0032

34

0001

05

0008

06

0000

06

14 036 031 01 02 0002

25

0000

01

0000

74

0000

00

15 147 04 03 03 0002

91

0000

01

0003

03

0000

01

0097

74

0001

68

THD(I

)

3126

THD(

v)

410

El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje

y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de

corriente que es la variable que presenta desviacioacuten

2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se

procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en

el sistema

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

66

En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada

del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12

pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente

H Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48171 29138 1000

1000

1000

00 1

1000

00 1

2 478 4412 10 151 0151

42

0022

93

0009

92

00000

98

3 195 74 04 25 0025

40

0000

64

0004

05

00000

16

M

480V

FUENTE DE ALIMENTACION

VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO

RESISTIVO

480V

MEDICION

497VX2

PST AUTOTRAFO

FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

46

0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

67

4 285 1803 06 62 0061

88

0003

83

0005

92

00000

35

5 899 3639 19 125 0124

89

0015

60

0018

66

00003

48

6 208 052 04 02 0001

78

0000

00

0004

32

00000

19

7 518 489 11 17 0016

78

0000

28

0010

75

00001

16

8 781 2202 16 76 0075

57

0005

71

0016

21

00002

63

9 136 047 03 02 0001

61

0000

00

0002

82

00000

08

1

0 411 1045 09 36

0035

86

0001

29

0008

53

00000

73

1

1 569 1467 12 50

0050

35

0002

53

0011

81

00001

40

1

2 014 047 00 02

0001

61

0000

00

0000

29

00000

00

1

3 158 039 03 01

0001

34

0000

00

0003

28

00000

11

1

4 355 626 07 21

0021

48

0000

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0007

37

00000

54

1

5 101 055 02 02

0001

89

0000

00

0002

10

00000

04

0053

29

00011

85

THD(i

)

2308

THD(

v) 344

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

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0003

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0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

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34

0013

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0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

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0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

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0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

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0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

68

Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con

lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto

a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando

una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente

Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten

en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un

autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente

obtenida es similar

h Voltaj

e V

Corrient

e A

Voltaje

Corrient

e

Ih

(pu) Ih^2

Vh

(pu) Vh^2

1 48825 30055 1000

1000

1000

00

1000

00

1000

00

1000

00

2 1459 4828 30 161 0160

64

0025

80

0029

88

0000

89

3 512 705 10 23 0023

46

0000

55

0010

49

0000

11

4 056 1795 01 60 0059

72

0003

57

0001

15

0000

00

5 652 3599 13 120 0119

75

0014

34

0013

35

0000

18

6 069 277 01 09 0009

22

0000

08

0001

41

0000

00

7 603 752 12 25 0025

02

0000

63

0012

35

0000

15

8 414 191 08 64 0063

55

0004

04

0008

48

0000

07

9 084 355 02 12 0011

81

0000

14

0001

72

0000

00

69

1

0 295 1072 06 36

0035

67

0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

69

1

0 295 1072 06 36

0035

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0001

27

0006

04

0000

04

1

1 484 1415 10 47

0047

08

0002

22

0009

91

0000

10

1

2 259 302 05 10

0010

05

0000

10

0005

30

0000

03

1

3 278 202 06 07

0006

72

0000

05

0005

69

0000

03

1

4 252 517 05 17

0017

20

0000

30

0005

16

0000

03

1

5 144 182 03 06

0006

06

0000

04

0002

95

0000

01

0053

12

0001

64

THD(i

)

2305

THD(

v) 405

El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el

autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute

en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida

431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio

THD(i)

THD(v)

OBSERVACION

IEEE 519 500 500 ---

SIN PST 3126 410

El sistema se convierte a 6

pulsos

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

70

PST MG 2308 344

El sistema trabaja a 12

pulsos

PST

OTRO 2305 405

El sistema trabaja a 12

pulsos

Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone

unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12

pulsos

El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que

proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya

que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14

lo cual con el autotransformador no se consigue

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

71

FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA

TRANSFORMADOR HEXAFASICO

Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes

medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en

cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma

Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado

en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo

involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113

del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en

Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

72

ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

73

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

74

FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

75

ANALISIS DE RESULTADOS

Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos

se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el

THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el

transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener

que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de

12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo

cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)

IEEE 519

Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el

sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se

obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si

estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto

que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera

mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

76

ANEXOS

REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA

La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute

en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda

y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas

de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios

de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se

desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto

a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes

Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a

analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta

que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta

en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro

fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco

resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

77

Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

78

Alimentacioacuten usada para la prueba

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

79

Banco Resistivo

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

80

Variador de velocidad (VSD)

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

81

Conexioacuten del Autotransformador

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

82

Conexioacuten al VSD y fuente

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

83

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

51 CONCLUSIONES

Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con

lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos

Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la

distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima

no se consigue los niveles esperados

El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se

presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este

equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte

integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el

ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se

puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica

muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento

de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores

a 60Hz

Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica

suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de

los equipos

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

84

52 RECOMENDACIONES

Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados

secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el

analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del

PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el

orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador

hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como

transformador de entrada en lugar del PST

Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la

alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones

de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento

Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la

distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de

entrada

Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de

manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una

inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que

esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy

interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal

de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electrical Power April 1993

[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones

[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf

[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

85

REFERENCIAS

[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

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[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en

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[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en

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[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en

httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf

[5] calidad de energiacutea Disponible en

httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf

[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995

[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE

CANTABRIA

[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on

industry applications Vol 31 Noviembre 1995

86

[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions

on industry applications Vol 31 Noviembre 1995

[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability

When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998

[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en

httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840

[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en

httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm

[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en

httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135

8PDF

[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-

petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml

[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en

httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf

[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en

httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos

[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia

Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999

[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea

Disponible en

87

httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317

PDF