BRPI0710890A2 - sistema de controle de energia de cicloconversor - Google Patents

Abstract

<B>SISTEMA DE CONTROLE DE ENERGIA DE CICLOCONVERSOR<D>A presente invenção refere-se a um sistema controlador de energia CA (56) que aplica a tensão de operação CA de três fases para um motor indutor (38) que aciona uma carga mecânica não linear (40). Um filtro de passa baixa primário (54) é conectado em série entre condutores de fasede ramificação (28, 30, 32) e um controlador de energia (36) que controlam a aplicação da energia CA para o motor. Capacitores classificados kVAR (04, 05, C6) conectados em relação de derivação através dos terminais de saida de controlador de energia (Ml, M2, M3) e os enrolamentos de fase de motor de indução (W1, W2, W3) formam um filtro de passa baixa secundário (59) através dos terminais de saída de controlador. O filtro de passa baixa primário e o filtro de passa baixa secundário isolam o controlador de energia e o motor de indução com relação a ruído espúrio e harmónico gerado por fontes locais além de remotas, e também aperfeiçoa a eficiência de transferência de energia real da fonte de geração de energia (12) para o motor de indução (38).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DECONTROLE DE ENERGIA DE CICLO CONVERSOR".

Campo Técnico

A presente invenção refere-se geralmente aos sistemas de dis-tribuição de energia CA e em particular aos sistemas controladores de ener-gia CA que controlam a aplicação de energia operacional CA para motoresde indução CA.

Antecedentes da Técnica

Sinais de ruído espúrio, incluindo correntes harmônicas, ruído defundo e ruído de impulso de Spike são desenvolvidos nas linhas de distribui-ção de energia CA. Tais sinais de ruído podem se originar da fonte de ener-gia, da rede de distribuição, de cargas locais e remotas acopladas à rede,relâmpagos e mau funcionamento de equipamento de distribuição. A corren-te de suprimento CA distribuída a partir de uma instalação pública não é umaonda de seno pura e contém harmônicas que interferem com a operaçãoadequada do equipamento conectado. Adicionalmente, os transientes decomutação e ruído podem ser introduzidos a partir das cargas ativas. Pormeio de exemplo, se uma ramificação for carregada por um dimmer eletrôni-co ou lâmpada eletrônica, o dimmer irá "cortar" a forma de onda de energiaCA de 60 Hz em uma freqüência alta para reduzir a intensidade da ilumina-ção. Isso introduzirá harmônicas e ruído de alta freqüência nos condutoresde distribuição de energia.

Tal ruído não é constante com relação ao tempo, e também va-ria de lugar para lugar na rede de distribuição de energia. Ademais, uma re-de de linha de energia CA típica distribui energia para uma variedade de dis-positivos de carga elétrica. Cada carga pode conduzir um nível significativode ruído e correntes harmônicas de volta para a linha de energia, causandodistorção da forma de onda de energia. Diferentes cargas e dispositivos decontrole produzem diferentes tipos e graus de distorção que podem interferircom a operação do equipamento e das máquinas que estão sendo supridaspela rede de distribuição.

A quantidade de energia elétrica utilizada pelas máquinas e amáquina propriamente dita podem ser afetadas pelas distorções de forma deonda presentes em um sistema de distribuição de energia. A eliminação oucontrole das distorções pode fornecer uma economia de custo substancialcom relação ao consumo de energia elétrica, e uma economia de custoscom relação a falhas nas máquinas e reparo ou substituição. Dessa forma, amitigação e redução das distorções harmônicas nos sistemas de distribuiçãode energia CA podem resultar em uma economia de custo de energia subs-tancial para os consumidores industriais.

No contexto dos sistemas de distribuição de energia CA, cargaselétricas lineares são dispositivos de carga que, em operação de estado es-tável, apresentam essencialmente uma impedância constante para a fontede energia através do ciclo da tensão aplicada. Um exemplo de uma cargalinear é um motor de indução CA que aplica torque a uma carga mecânicaconstante (que não varia com o tempo). As cargas não lineares são cargasque puxam corrente de forma descontínua ou cuja impedância varia atravésdo ciclo da onda de seno CA de entrada. Exemplos de cargas não linearesem um sistema de distribuição industrial incluem iluminação em arco, má-quinas de soldar, suprimentos de energia para conversor de acionamento defreqüência variável, suprimentos de energia de modo comutado e motoresde indução que estão aplicando torque a cargas mecânicas que variam como tempo.

Correntes harmônicas produzidas pelas cargas não lineares emum sistema de distribuição elétrica fluem para longe da fonte não linear e nadireção do suprimento de energia de sistema de distribuição. A injeção decorrentes harmônicas no sistema de distribuição de energia pode causarsuperaquecimento dos transformadores e correntes neutras altas nos siste-mas de três fases, e quatro fios aterrados. À medida que as correntes har-mônicas fluem através do sistema de distribuição, as quedas de tensão sãoproduzidas para cada harmônica individual, causando distorção da forma deonda de tensão aplicada, que é aplicada a todas as cargas conectadas aobarramento de distribuição.

A distorção harmônica da forma de onda de tensão afeta o de-sempenho do motor de indução CA pela indução de fluxos harmônicos nocircuito magnético do motor. Esses fluxos harmônicos causam acúmulo decalor e perdas adicionais no núcleo magnético do motor, o que reduz a efici-ência de transferência de energia. Os efeitos do aquecimento indutivo au- mentam geralmente na proporção do quadrado da corrente harmônica. Osmotores por indução podem ser danificados ou degradados pelo aquecimen-to de corrente harmônica se a tensão de suprimento for distorcida. Correntesharmônicas de seqüência negativa operam para reduzir a saída de torque nomotor. A combinação desses efeitos reduz a eficiência de transferência depotência e pode fazer com que os motores superaqueçam e queimem.

Os fluxos harmônicos nos enrolamentos do motor são positivos,negativos ou seqüência zero dependendo do número ou ordem da distorçãoharmônica que criou os mesmos. Os campos magnéticos harmônicos deseqüência positiva (fluxo) girarão na direção do campo sincronizado. O fluxoharmônico de seqüência negativa girará em oposição ao campo sincroniza-do, reduzindo, assim, o torque e a demanda por corrente geral crescente. Ofluxo harmônico de seqüência zero não produzirá um campo rotativo, masainda induzirá o calor adicional nos enrolamentos do estator à medida queflui através do circuito magnético do motor.

Os sistemas de distribuição de energia industriais suprem a e-nergia operacional CA para as máquinas e dispositivos conectados que pro-duzem alguma distorção harmônica da forma de onda de tensão CA. Cadaharmônica da freqüência fundamental, dependendo de se é uma seqüênciapositiva, negativa ou zero, e seu percentual do fundamental pode ter um e-feito adverso no desempenho do motor e no aumento da temperatura, alémde aumentar os custos de energia do serviço elétrico que é carregado peloprovedor de serviços públicos. Os aparelhos elétricos devem gerar uma ca-pacidade de serviço adequada para corresponder à demanda de pico espe-rada, kVA (energia aparente em quilo volts amps), se ou não o consumidorestiver utilizando essa corrente de forma eficiente. A razão de kW (energiaativa real) para kVA (energia aparente) é chamada de fator de energia decarga. A maior parte dos aparelhos carregam uma penalidade quando o fatorde energia de carga total do consumidor é baixo.

A energia aparente pode ser maior do que a energia real quandoas cargas não lineares estão presentes. As cargas não lineares produzemcorrentes harmônicas que circulam de volta através do transformador de dis-tribuição de ramificação e para dentro da rede de distribuição. A correnteharmônica adicional ao valor RMS da corrente fundamental suprida para acarga, mas não fornece qualquer energia útil. A utilização da definição parao fator de energia total, a energia ativa real kW é essencialmente igual à daforma de onda CA fundamental apenas (60 Hz), enquanto o valor RMS daenergia ativa aparente kVA é superior devido à presença dos componentesde corrente harmônica.

Uma classificação baixa do fator de energia kW/kVA pode ser oresultado de uma diferença de fase significativa entre a tensão e a correntenos terminais de carga de motor, ou pode ser devido a um conteúdo harmô-nico alto ou uma forma de onda de corrente distorcida/descontínua. Umadiferença de ângulo de fase de corrente de carga inaceitável pode ser espe-rada devido à alta impedância indutiva apresentada pelos enrolamentos doestator de um motor de indução. Uma forma de onda de corrente distorcidatambém será o resultado de um motor de indução que está aplicando torquepara uma carga não linear. Quando o motor de indução está operando sobcondições de carga descontínuas, ou quando a carga é não linear, altas cor-rentes harmônicas resultarão, degradando o desempenho do motor e redu-zido o fator de energia.

Os controladores convencionais para os motores de indução CAutilizam uma medição do fator de energia para gerar um sinal de retorno pa-ra controlar a quantidade de energia distribuída para o motor. O sinal de con-trole é ajustado de tempos em tempos para reduzir a energia média aplicadaao motor durante a carga leve a fim de manter um deslizamento de rotor su-ficiente para operação com um fator de energia relativamente alta e boa efi-ciência de transferência de energia.

Vários problemas surgem na operação dos controladores con-vencionais, particularmente quando do controle de energia aplicado às car-gas não lineares. Por exemplo, os fatores de controle de energia complexossão apresentados pela operação dos motores por indução CA que acionamas unidades de bombeamento (tomadas de bomba) utilizadas para erguer osfluidos das formações subterrâneas. Tais unidades de bombeamento sãoalternativamente carregadas por uma haste de bombeamento, a carga depeso da coluna de fluido de formação e contrapesos opostos duas vezes acada ciclo de bombeamento. Ademais, duas vezes a cada ciclo de bombea-mento as cargas opostas se equilibram e, assim, o motor é descarregadoduas vezes a cada ciclo. A carga mecânica constantemente alterável entreos valores de pico mínimo e máximo cria várias dificuldades de controle paraos sistemas de controle de fator de energia que devem ajustar continuamen-te a energia distribuída para manter a eficiência ideal do motor e sua eco-nomia.

Atualmente, os comutadores tiristor são utilizados em controla-dores convencionais para o controle da energia CA suprida para os motoresde indução CA. Devido à ação rápida de comutação liga/desliga (fast dv/dt)dos tiristors, a tensão de alto pico e alta freqüência de comutação, a correntede entrada no lado de suprimento do controlador de energia se torna distor-cida com transientes de comutação de alta freqüência, o que causa um au-mento dos componentes harmônicos na energia CA distribuída para o motorde indução. Ademais, o ruído espúrio e as correntes harmônicas das fontesremotas que são conduzidas descendentemente pelo circuito de distribuiçãode ramificação que interferem com a operação adequada de comutação docontrolador propriamente, resultando em perda do controle de energia.

Esses fatores não apenas reduzem o fator de energia da cargaramificada, mas também interferem com a operação do motor e injetam cor-rentes harmônicas de volta através da ramificação de distribuição de energiae para dentro da rede de distribuição. Ademais, a distorção harmônica gera-da pelo controlador aumenta o valor RMS da corrente de carga na ramifica-ção de distribuição de energia, na qual as taxas de serviços públicos sãobaseadas, aumentando, assim, os custos de energia para o consumidor.

Descrição da InvençãoUm sistema controlador de energia aperfeiçoado é fornecido pa-ra aumentar a eficiência da operação e o desempenho de motores por indu-ção CA convencionais que recebem a energia operacional de um controladoreletrônico que emprega os circuitos de comutação rápida para controlar aaplicação de energia CA para os enrolamentos do estator do motor. O sis-tema de controlador aperfeiçoado opera de forma eficiente para acionar umacarga mecânica não linear sob carga de torque leve além de condições decarga de torque de classificação total, mitiga as correntes harmônicas dasfontes remotas, mitiga as correntes harmônicas induzidas por controlador emitiga as correntes harmônicas induzidas por carga.

Um filtro de passa baixa primário é conectado em série entre oscondutores de fase de ramificação e o controlador de energia. CapacitoresKVAR (quilo volt ampére reativo) são conectados através de terminais desaída do controlador de energia em uma relação shunt para neutro. Os valo-res de capacitor KVAR são coordenados com os valores de reatância induti-vos dos enrolamentos de estator para formar um filtro de passa baixa se-cundário através dos terminais de saída do controlador. Os filtros de passabaixa primário e secundário isolam o controlador de energia e o motor deindução com relação ao ruído espúrio e harmônicas geradas pelas fonteslocal além de remotas, e também aperfeiçoa a eficiência de transferência deenergia real da fonte de geração de energia para ao motor de indução.

Breve Descrição das Figuras dos Desenhos

A figura 1 é um diagrama esquemático de circuito elétrico simpli-ficado ilustrando a interconexão de um controlador de energia CA para oajuste dinâmico da energia operacional aplicada a um motor de indução paracorresponder às exigências de carga não linear;

A figura 2 é um diagrama esquemático simplificado de uma apli-cação de carga não linear na forma de um sistema de tomada de bomba ebomba de haste de sucção que está sendo suprido com energia operacionalpelo sistema controlador de energia da figura 1;

A figura 3 ilustra a carga de torque de motor de indução típico eo deslocamento de passo de haste de sucção produzido pelo sistema detomada de bomba e bombeamento de haste por sucção da figura 2;

A figura 4 ilustra formas de onda de tensão e corrente típicasproduzidas em um enrolamento de fase de estator representativo durante aoperação controlada do motor de indução da figura 2;

A figura 5 é uma vista em perspectiva dianteira ilustrando a dis-posição física dos componentes de sistema controlador dentro de um aloja-mento protetor.

Melhor Modo de Realizar da Invenção

Com referência agora à figura 1, uma rede de distribuição deenergia CA convencional 10 supre energia de uma fonte de energia CA dealta tensão 12 para um transformação de distribuição de redução 14. Otransformador de distribuição alimenta energia em um nível de tensão redu-zido para um painel de distribuição 16 que inclui os disjuntores de distribui-ção de três fases convencionais 18, 20 e 22. A energia CA em uma freqüên-cia fundamental de 60 Hz e 480 VAC1 fase para fase, (277 VAC fase paraneutro) é conduzida através de um circuito de ramificação neutro comparti-lhado, de quatro condutores 26 contendo condutores de fase CA 28, 30, 32 eum condutor neutro compartilhado 34.

A energia CA de três fases é aplicada através dos condutores decircuito de ramificação para os terminais de entrada Ν1, N2 e N3 de um con-trolador de energia eletrônico 36. O controlador de energia 36 aplica asquantidades controladas da energia CA através de seus terminais de saídaM1, M2, e M3 para os terminais de entrada S1, S2 e S3 de um motor de in-dução de três fases 38. O motor 38 é acoplado mecanicamente em uma re-lação de transferência de energia de torque a uma carga mecânica 40. Ocontrolador de energia 36 percebe a demanda instantânea por energia dacarga mecânica e ajusta sua saída de energia para combinar dinamicamentea exigência por demanda de carga durante cada meio ciclo da forma de on-da de energia aplicada. A energia CA aplicada ao motor de indução CA 38 éaumentada e reduzida automaticamente como necessário a fim de corres-ponder à demanda por carga não linear.

Preferivelmente, o controlador de energia 36 é construído comodescrito na Patente U.S. Nq 6.400.119 intitulada "Energy Conserving MotorController", que é incorporada aqui por referência. Como descrito na especi-ficação dessa patente, os primeiro e segundo comutadores controlados porporta (retificadores controlados por silício) 42, 44; 46, 48; e 50, 52 são co-nectados em paralelo um ao outro em uma relação de polaridade oposta emcada fase da tensão CA aplicada. Um gerador de acionamento acopla ossinais de controle de acionador às respectivas portas dos comutadores SCRem resposta à temporização dos eventos de cruzamento zero percebidosdas formas de onda de tensão e corrente CA em cada fase de enrolamento de estator respectiva do motor de indução.

Os primeiro e segundo comutadores SCR de cada fase são a-cionados alternadamente em um estado condutor durante cada alternânciada tensão CA aplicada e são inibidas alternadamente a partir do estado con-dutor por um intervalo de tempo proporcional a uma diferença medida emtempo entre o cruzamento zero de tensão CA e o cruzamento zero de cor-rente CA correspondente como determinado pela comparação da diferençade tempo entre as sucessivas primeira e segunda interrupções correspon-dendo aos eventos de cruzamento zero com uma base de tempo de funcio-namento contínuo.

Com referência à figura 4, a diferença medida em tempo entre ocruzamento zero de tensão CA e o cruzamento zero de corrente CA corres-pondente em cada meio ciclo da forma de onda ΦΑ é uma indicação da de-manda de carga instantânea. O controlador de energia 36 percebe a diferen-ça e ajusta sua saída para combinar de forma dinâmica o nível de energia dedemanda de carga durante o próximo meio ciclo de forma de onda CA apli-cada. Os circuitos de comutação rápida 42, 44; 46, 48; e 50, 52 em cadafase de energia do controlador 36 conduzem e interrompem alternadamentea energia CA aplicada ao motor de indução CA 38 na proporção da diferençamedida.

Por essa disposição, a energia aplicada ao motor é aumentadaou reduzida automaticamente de um meio ciclo para o próximo em cada fasecomo necessário para combinar as exigências de energia instantânea dacarga 40. O fluxo de corrente em cada fase é interrompido durante um inter-valo que é proporcional à diferença de fase medida entre a forma de onda detensão e os cruzamentos zero de forma de onda de corrente no meio cicloanterior. Dessa forma, o fluxo de corrente é interrompido em apenas uma fase de cada vez, à medida que os ajustes de energia prosseguem consecu-tivamente nas três fases ΦΑ, ΦΒ, OC.

As correntes harmônicas das fontes remotas são mitigadas porum filtro de passa baixa primário 54 que inclui três seções de filtro LC conec-tadas em série com os condutores de distribuição de energia de ramificação 28, 30 e 32, respectivamente, nos terminais de entrada Ν1, N2 e N3 do con-trolador 36. O controlador 36 e o motor de indução 38, além de todos os ou-tros componentes que podem ser conectado ao lado filtrado do circuito dedistribuição ramificado 26, são isolados do ruído externo e sinais espúriosgerados pelos dispositivos remotos em outras fases ou outras ramificações da rede de distribuição de energia 10.

Cada seção de filtro de passa baixa inclui um indutor (L1, L2, L3)contatada em série com um condutor de fase (28, 30, 32) e um capacitor(C1, C2, C3) conectado em shunt de fase para neutro. Cada seção LC dofiltro de passa baixa primário 54 possui uma atenuação muito baixa do DC para cima através da freqüência de distribuição de energia fundamental (60Hz) para uma freqüência de corte (por exemplo, 300 Hz), e atenua substan-cialmente todos os outros sinais acima da freqüência de corte, incluindo oscomponentes harmônicos até a 11â ordem e além.

Cada seção do circuito de filtro de passa baixa primário 54 inclui preferivelmente um indutor (L1, L2, L3) e um capacitor (C1, C2, C3) sintoni-zados para apresentar a alta impedância e atenuação de sinais em 300 Hz emais alto, e apresentam baixa impedância com atenuação muito pequena ouperda das freqüência de distribuição de energia DC a CA na faixa de 50 Hz a60 Hz. Cada seção do filtro de passa baixa 54 fornece uma razão de atenu- ação de alta freqüência de 40:1 ou melhor na freqüência de corte, isolando,assim, o controlador 36 e seus componentes conectados do ruído externo esinais de alta freqüência espúrios.Para operação na distribuição de energia CA de 60 Hz e fre-qüência de corte de 300 Hz, o valor preferido de cada capacitor C1, C2 e C3é de 3 uF, cada um classificado de 600 VAC de serviço e o valor preferidode cada indutor L1, L2, L3 é de 0,86 mH. Preferivelmente, cada indutor L1,L2, L3 é um reator de linha de núcleo de ferro classificado com um serviçode 56 amps e 40 hP, 480 VAC, e 60 Hz. Isso permite que a energia de su-primento CA passe sem virtualmente qualquer atenuação, distribuindo, des-sa forma, uma corrente e tensão CA de três fases filtradas e limpas de 60 Hzpara o controlador de energia 36.

De acordo com uma característica importante da invenção, acorrente CA filtrada limpa é suprida a partir do filtro de passa baixa primário54 como energia operacional para o suprimento de energia interna do con-trolador de energia 36. Isso impede a interferência das fontes de ruído remo-tas e garante a operação estável de seu microprocessador, comparadores,circuitos de acionamento e outros componentes que exigem níveis de tensãoestáveis. Ademais, visto que a operação bilateral do filtro de passa baixaprimário 54, as harmônicas e outros sinais de ruído gerados pela operaçãodos componentes de comutação do controlador de energia 36 ou pelo motorde indução 38 são atenuados e suprimidos, inibindo, assim, a injeção de re-torno na rede de distribuição de energia 10.

O fator de energia do motor de indução 38 é aperfeiçoado e osefeitos das correntes harmônicas gerados pela operação do motor de indu-ção sob condições de carga mecânica não linear são mitigadas pelos capa-citores KVAR (quilo volt ampére reativo) C4, C5 e C6 que são conectadosatravés dos terminais de saída do controlador Μ1, M2 e M3 em uma relaçãoshunt para neutra. Os valores de capacitor KVAR são selecionados e coor-denados com os valores de indutância dos enrolamentos de fase de estatorW1, W2 e W3 para fornecer seções de filtro LC de passa baixa secundárioem série entre os terminais de saída Μ1, M2, e M3 do controlador de energiae os terminais de entrada S1, S2 e S3 do motor de indução.

Cada seção do filtro de passa baixa secundário 59 possui ate-nuação muito baixa de DC através da freqüência de distribuição de energiafundamental (60 Hz) para uma freqüência de corte (por exemplo, 300 Hz ou5ª harmônica), e atenua substancialmente todos os outros sinais acima dafreqüência de corte, incluindo componentes harmônicos até a 11ª ordem ealém.

Os capacitores KVAR C1, C2 e C3 servem a duas finalidades:para aperfeiçoar o fator de energia do motor de indução 38, e filtro de cor-rente que flui pra dentro do motor de indução 38 enquanto suprime o fluxode retorno das correntes harmônicas geradas pelo motor. O filtro de passabaixa secundário 59 impede a injeção das harmônicas geradas por controla-dor para dentro do motor de indução 38, e impede a injeção das correntesharmônicas geradas por motor de indução para dentro do controlador 36 erede de distribuição 10.

A eficiência de transferência de energia real é aperfeiçoada peloefeito de transformação de impedância do filtro de passa baixa primário 54 eo filtro de passa baixa secundário 59. O filtro de passa baixo primário 54transforma a impedância de fonte de energia, que é basicamente indutiva,para uma impedância de fonte efetiva Z^s que funciona como uma impedân-cia LC equilibrada dentro da banda de passagem do filtro de passa baixaprimário 54. O filtro de passa baixa secundário 59 possui o mesmo efeito naimpedância de saída altamente indutiva do motor de indução 38. O filtro depassa baixa secundário 59 transforma a impedância de motor de indução emuma impedância de carga efetiva Zl que funciona como uma impedância LCequilibrada dentro da banda de passagem do filtro de passa baixa secundá-rio.

De acordo com o teorema de transferência de energia máxima, atransferência de energia máxima pode ser alcançada quando a impedânciade carga Z^L é restringida como sendo igual à impedância de fonte de energiaZ^S. Para a correção de fator de energia ideal e eficiência de transferência deenergia durante a operação de um motor de indução de 40 HP e três fasesde 60 Hz com uma energia de três fases de 480 VAC, o valor preferido docapacitor KVAR C4, C5 e C6 é 5 uF, classificado para o serviço de 600 VAC.Preferivelmente, os valores dos capacitores de correção de fator de energiaKVAR C4, C5 e C6 são selecionados de forma que o aperfeiçoamento dofator de energia do motor, a ação de filtragem de passa baixa e a transferên-cia ideal de energia sejam fornecidos.

Os capacitores KVAR C4, C5 e C6 conectados em combinaçãocom os indutores de enrolamento de estator W1, W2 e W3 definem os circui-tos de filtro de passa baixa secundário 59. Essas seções de filtro secundáriotransformam a carga do motor altamente indutivo em uma impedância decarga efetiva equilibrada ZL que é comparável à impedância de fonte efetivaZs fornecida pelo filtro de passa baixo primário 54 na entrada para o contro-Iador de energia. A seleção cuidadosa dos capacitores de correção de fatorde energia KVAR C4, C5 e C6 para um determinado motor de indução trans-formará a impedância de carga apresentada pelo motor, aperfeiçoando, as-sim, a transferência de energia na proporção de qual perto a impedância decarga transformada Zl combina com a impedância de fonte transformada Zs.

O circuito de filtro de passa baixa 54, o controlador de energia36 e os capacitores KVAR C4, C5 e C6 são encerrados dentro de um aloja-mento protetor comum 55, como ilustrado na figura 5. Depósitos de calorresfriados por ar (não ilustrados) são termicamente acoplados aos reatoresem linha de núcleo de ferro L1, L2, L3 no lado posterior do alojamento.

O motor de indução 38 é um motor de indução de três fasesconvencional possuindo uma classificação de serviço de 40 hp. A energiaCA de 60 Hz, e 480 VAC linha para neutro é aplicada aos enrolamentos deestator de três fases W1, W2, W3 conectados em uma configuração de enro-lamento Wye e dispostos em fendas do estator que são espaçadas simetri-camente uma da outra por 120 graus. O torque rotativo é transmitido por umrotor tipo gaiola de esquilo R que é magneticamente acoplado a um campode fluxo magnético rotativo produzido pelo fluxo das correntes alternadas detrês fases nos enrolamentos do estator W1, W2 e W3. O rotor R transmitetorque para um eixo de acionamento de saída 58 que é acoplado à carga 40.A carga 40 pode ser uma carga mecânica não linear, por exemplo, uma uni-dade de bombeamento tipo feixe 60, como ilustrado na figura 2.

Com referência agora à figura 2, o sistema controlador de ener-gia 56 da presente invenção recebe a energia operacional CA da linha deenergia ramificada de três fases 26. O sistema controlador de energia 56supre quantidades controladas de energia operacional CA para uma unidadede bombeamento tipo feixe 60. A unidade de bombeamento, algumas vezesreferidas como tomada de bomba, alterna uma haste de sucção 62 e umabomba de furo descendente. A bomba ergue o fluido de formação em cadapasso ascendente da haste de sucção e óleo (fluido de formação) F flui paradentro da bomba no passo descendente, produzido para um encaixe de bo-ca de poço no passo ascendente e então o ciclo de bombeamento é repeti-do.

A unidade de bombeamento 60 inclui uma articulação de bombatipo viga ocidental 64, possuindo uma viga oscilante convencional 66 e umacabeça do balancim 68. A viga oscilante 66 é montado em uma estrutura emA 70 na articulação 72. Um contrapeso 74 e um braço de manivela 76 sãoacionados através de uma caixa de engrenagem 78 pelo motor de induçãoCA 38. O rotor R do motor de indução é mecanicamente acoplado à caixa deengrenagem 78 pelo eixo de transmissão de energia 58. Um elemento parapendurar uma linha de fio 80 é fixado à horse head 68 por um comprimentocurto do cabo 82. A extremidade inferior do elemento para pendurar 80 épresa à haste de sucção 62. A seção polida da haste de sucção 62 se es-tende através de um encaixe de boca de poço de superfície 84 e é conecta-da a um cordão de haste de sucção que se estende a partir da boca do poçopara dentro de um reservatório subterrâneo através de um cordão de tubula-ção de produção 86.

Uma unidade de controle de temporizador convencional 88 éconectada a uma fase da energia de três fases de 60 Hz, 480 VAC para su-primento de energia operacional para um temporizador de ciclo de bombea-mento interno 88. O temporizador interno, que é configurado para combinara taxa de preenchimento do reservatório conhecida, ativa automaticamente aoperação do ciclo de bombeamento da unidade de bombeamento 60 paraum primeiro interno de bomba ligada predeterminado, e então interrompe aenergia CA para o controlador 36 durante um intervalo predeterminado debomba desligada. A unidade de controle de temporizador 88 inclui um trans-formador de redução que fornece uma energia operacional de 60 Hz e 110VAC para o temporizador interno e circuitos de relê da contactora.

A unidade de controle de temporizador 88 também inclui umconjunto de circuito para interromper automaticamente a energia CA para ocontrolador 36 e reconfigurar o temporizador para o ciclo de desligamento debomba em resposta a um sinal de controle de desligamento de bomba 90. Osinal de controle de desligamento de bomba é gerado em resposta à exaus-tão temporária ou exaustão do fluido de formação no poço. O impacto tipomartelada do êmbolo da bomba é percebido por um sensor de impacto defluido convencional localizado no elemento para pendurar a linha de fio 80na extremidade superior da haste polida 62. A ação de bombeamento é des-continuada até que o reservatório reabasteça o poço até um nível produtivo.

Com referência agora à figura 3, as formas de onda 92, 94 indi-cam os valores representativos de carga do motor de indução e deslocamen-to de passo de bomba, respectivamente. Durante a operação de bombea-mento normal, as bombas de unidade de bombeamento a uma taxa fixa, porexemplo, em 6,6 ciclos de passo por minuto (período de passo de 9 segun-dos pico por pico). O carregamento de torque de motor 92 imposto pela car-ga de haste de sucção é uma função de tempo não linear, contendo funçõesde inclinação positiva e negativa, e algumas funções de toque ou oscilação.

Esses componentes de forma de onda de torque são produzidosdurante quatro fases de carga separadas. A bomba carrega o fluido de for-mação de acordo com uma carga inclinada positiva, então transita atravésda inclinação de carga zero no pico de passo onde uma inclinação ou oscila-ção positiva ocorre a um nível de torque relativamente alto à medida que ocontrapeso 74 transita através do centro morto superior. A carga de bombaentão transita ao longo de uma inclinação de carga negativa na direção dofundo de passo. Depois disso, a forma de onda de carga de torque transitaatravés da inclinação zero no fundo do passo onde algum toque ou oscilaçãoocorre em um nível de torque relativamente baixo à medida que um contra-peso 74 transita através do centro morto inferior.Essas flutuações de carga mecânicas não lineares dão lugar afortes correntes harmônicas que podem interferir com a operação do contro-lador 36, e podem ser injetadas de volta através da ramificação de distribui-ção de energia e para dentro da rede de distribuição. Isso aumenta o valorRMS da corrente de carga na ramificação de distribuição de energia, na qualas taxas de serviços públicos são baseadas, aumentando, assim, os custosde energia para o consumidor. O sistema controlador de energia 56 reduz oumitiga essas correntes harmônicas que podem ser causadas pela ação rápi-da de mudança dos disjuntores tiristor no controlador de energia 36 ou pelascargas mecânicas não lineares impostas ao motor de indução 38.

Testes de campo completos foram conduzidos com o sistemacontrolador de potência 56 instalado em um poço particular. Os resultadosdo teste são resumidos na Tabela 1 e na Tabela 2.

Os dados operacionais resumidos na Tabela 1 e na Tabela 2foram abstraídos de arquivos que foram registrados em datas separadascom dois meses de intervalo com relação a dois testes separados realizadosno mesmo motor de indução 38 e unidade de bombeamento 60. O primeiroteste foi conduzido enquanto o motor estava inicialmente necessitando dereparos e em condição operacional ruim, com problemas de suporte. O se-gundo teste foi conduzido dois meses depois no mesmo motor depois de omesmo ter sido reparado com novos suportes e certificado como estando emboas condições operacionais. O motor de indução 38 instalado na unidadede bombeamento de teste de campo era um motor de indução de 40 Hp des-tinado a serviço trifásico em 480 volts, 60 Hz CA. O motor foi conectado auma unidade de bombeamento tipo viga oscilante 60 que estava em serviçopor 15 anos no momento dos testes de campo.

O poço tinha estado consistente em termos de óleo, água, pro-dução de gás e consumo de energia por 15 anos antes do teste. A unidadede bombeamento 60 utilizada nos testes de campo foi posicionado no finalde um ramal irregular de uma linha de distribuição trifásico a quatro fios 26que foi submetida a a severos surtos transitórios de tensão e corrente cau-sados por descargas elétricas decorrentes de tempestades freqüentes. To-das as linhas de energia ramificadas e sem linhas abertas, sem qualquerisolamento do transformador 14 para o poste de serviço.

O registrador de dados utilizado durante esses testes de campofoi um gravador Rustrak Ranger modelo 1231 A. O gravador e arquivador dedados foi calibrado para refletir as leituras consistentes com as do medidorde quilo watt por hora no pólo do serviço de utilidade. O fabricante foi consul-tado para as especificações de calibração. Não houve qualquer interrupçãodurante os ciclos de arquivamento enquanto estavam sendo gravados.

Os dados gravados ilustrados na Tabela 1 e na Tabela 2 refle-tem o desempenho do motor de indução 38 com e sem o sistema controla-dor 56. Deve-se notar que a tensão permaneceu consistente com e sem osistema controlador 56 instalado, mas a corrente foi reduzida, a energia rea-tiva foi reduzida, a energia real consumida foi reduzida, e o fator de energiade motor foi, de alguma forma, aperfeiçoado com o sistema controlador 56instalado.

As distorções de corrente harmônica na 3ã e 5â ordens foram de5,0 THD a 7,0 THD, sem o sistema controlador instalado e foram na médiaem torno de 3,0 THD a 4,0 THD com o sistema controlador instalado. Issodemonstra que o sistema controlador 56 esteve funcionando efetivamente.Deve-se notar também que os valores de corrente para as três fases de mo-tor de indução 38 foram equilibrados em magnitude e estabilizados com osistema controlador 56 instalado.

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TABELA 1

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TABELA 2

Claims (10)

1. Sistema controlador de energia (56) incluindo um ou maisterminais de entrada de suprimento (F1, G1, H1) para o recebimento de ten-são de CA a partir de uma ou mais fases de suprimento (ΦΑ, ΦΒ, OC) deuma fonte de energia de CA (12), e um ou mais terminais de saída de supri-mento (S1, S2, S3) para conduzir a corrente CA para um ou mais enrola-mentos de fase de estator (W1, W2, W3) de um motor de indução CA (38),compreendendo em combinação:um controlador de energia eletrônico (36) incluindo um ou maisterminais de entrada de energia (N1, N2, N3) para o recebimento de tensãoCA de um ou mais terminais de entrada de suprimento de sistema controla-dor, um ou mais terminais de saída de energia (M1, M2, M3) conectadoseletricamente para conduzir a corrente CA para um ou mais dos terminais desaída de suprimento de sistema controlador, e meios de comutação (42, 44;-46, 48; 50, 52) acoplados entre os terminais de entrada de energia (N1, N2,N3) e os terminais de saída de energia (M1, M2, M3) para controlar a condu-ção de corrente para um ou mais terminais de saída de suprimento de sis-tema (S1, S2, S3);um circuito de filtro de passa baixa primário (54) incluindo um oumais terminais de entrada acoplados a um ou mais dos terminais de entradade suprimento (F1, G1, H1) e um ou mais terminais de saída (F2, G2, H2)acoplado a um ou mais terminais de entrada de energia (N1, N2, N3) do con-trolador eletrônico (36); eum ou mais capacitores (C4, C5, C6) conectado em uma relaçãode derivação de fase para neutra através de um ou mais dos terminais desaída de energia de controlador (M1, M2, M3).

2. Sistema controlador de energia (56), de acordo com a reivin-dicação 1, em que o valor de capacitância de cada capacitor de derivação(C4, C5, C6) é selecionado e coordenado com o valor de indutância de umou mais enrolamentos de fase de estator (W1, W2, W3) de um motor de in-dução (38) que deve ser conectado ao sistema controlador de energia, for-mando, assim, em combinação, um ou mais circuitos secundários de filtro depassa abaixa (59) quando conectado dessa forma.

3. Sistema controlador de energia (56), de acordo com a reivin-dicação 1, em que o valor de capacitância de cada capacitor de derivação(C4, C5, C6) é selecionado e coordenado com o valor de indutância de umou mais enrolamentos de fase de estator (W1, W2, W3) de um motor de in-dução (38) que deve ser conectado ao sistema controlador de potência,transformando, assim, a impedância de carga efetiva apresentada por ummotor de indução quando conectado em uma impedância elétrica (Zl) que écomparável à impedância de fonte efetiva (Zs) apresentada na saída do cir-cuito de filtro de passa baixa primário (54) quando o circuito de filtro de pas-sa baixa primário é acoplado a uma fonte de energia CA (12).

4. Sistema controlador de energia (56), de acordo com a reivin-dicação 1, em que cada capacitor de derivação (C4, C5, C6) é classificadopara serviço de reação de ampére por quilovolt.

5. Sistema controlador de energia (56), de acordo com a reivin-dicação 1, em que o circuito de filtro de passa baixa primário (54) compreen-de um ou mais dos filtros LC de passa baixa (L1, C1; L2, C2; L3, C3) conec-tados entre um ou mais dos terminais de entrada de suprimento (F1, G1, H1)e um ou mais dos terminais de entrada de energia (N1, N2, N3).

6. Sistema controlador de energia (56), de acordo com a reivin-dicação 1, o controlador de energia eletrônico (36) compreendendo primeiroe segundo comutadores controlados por porta (42, 44; 46, 48; 50, 52), cadacomutador possuindo uma porta de controle respectiva e comutadores sen-do conectados em uma relação de polaridade oposta paralela um com o ou-tro entre um primeiro nó e um segundo nó, para cada fase da tensão CA, emque o primeiro nó é elasticamente acoplado a um dentre os terminais de en-trada de suprimento de sistema (F1, G1, H1) e o segundo nó é acoplado ele-tricamente a um dos terminais de saída de suprimento de sistema (S1, S2,S3).

7. Método de controle de aplicação de tensão de operação CA apartir de uma fonte de energia (12) em uma ou mais fases (ΦΑ, ΦΒ, OC) datensão CA para um ou mais enrolamentos de fase de estator (W1, W2, W3)de um motor de indução CA (38) para combinar as exigências de energia deuma carga mecânica (40) sendo acionada pelo motor, o método compreen-dendo as etapas a seguir realizadas para cada fase:acoplamento de um comutador controlado por porta (42, 44; 46,48; 50, 52) em série entre uma fase selecionada (ΦΑ, ΦΒ, ΦC) da tensão CAe um enrolamento de estator de motor selecionado (W1, W2, W3) em que ocomutador controlado por porta inclui primeira e segunda portas de controle,uma para cada polaridade da tensão CA aplicada ao comutador e o motor;o acionamento alternado do comutador controlado por porta (42,44; 46, 48; 50, 52) em um estado condutor durante cada alternância da tensão CA;a inibição da condução do comutador controlado por porta du-rante cada alternância da tensão CA por um intervalo de tempo proporcionala um intervalo começando quando a tensão CA de uma alternância no enro-lamento de motor passa através de um primeiro cruzamento zero e termi-nando quando a corrente CA correspondente de uma alternância no enrola-mento de motor passa através de um segundo cruzamento zero;a filtragem da tensão de suprimento CA que é conduzida atravésdo comutador controlado por porta; ea conexão de um capacitor (C4, C5, C6) em uma relação de de-rivação de fase para neutra através de um dos terminais de saída de energiade controlador (M1, M2, M3), em que o valor de capacitância do capacitor éselecionado e coordenado com o valor de indutância de um dos enrolamen-tos de fase de estator (W1, W2, W3) formando, assim, em combinação, umcircuito de filtro de passa baixa secundário quando conectado dessa forma.

8. Método de controle de aplicação de energia de operação CA,de acordo com a reivindicação 7, incluindo a etapa de seleção e coordena-ção do valor de capacitância do capacitor de derivação (C4, C5, C6) com ovalor de indutância de um dos enrolamentos de fase de estator (W1, W2,W3), fornecendo assim um circuito de filtro de passa baixa secundário (59)que transforma a impedância elétrica apresentada pelo motor de indução(38) em uma impedância elétrica efetiva (Zl) que é comparável com a impe-dância de fonte efetiva (Zs) apresentada na saída do circuito de filtro de pas-sa baixa primário (54) quando o circuito de filtro de passa baixa primário estárecebendo tensão CA de uma fonte de energia CA (12).

9. Método de controle de aplicação de energia de operação CApara um motor de indução CA (38), de acordo com a reivindicação 7, inclu-indo a etapa de controle da operação do comutador controlado por porta (42,-44; 46, 48; 50, 52) por um controlador eletrônico (36), e incluindo adicional-mente a etapa de aplicação da saída de tensão filtrada a partir do filtro depassa baixa (54) como a energia de operação para o controlador eletrônico.

10. Método de controle de aplicação da energia de operação CApara um motor de indução CA, de acordo com a reivindicação 7, incluindo aetapa de seleção do valor de capacitância do capacitor de derivação (C4,C5, C6) em coordenação com o valor de indutância do enrolamento de fasede estator (W1, W2, W3) para transformar a impedância elétrica apresentadapelo motor de indução (38) em uma impedância efetiva Zl que está substan-cialmente em equilíbrio com a impedância de fonte efetiva Zs apresentadana saída do circuito de filtro de passa baixa primário (54) quando o circuitode filtro de passa baixa primário está recebendo a tensão CA de uma fontede energia CA (12).