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A medida que la energía geotérmica se convierte en una parte cada vez más importante de la infraestructura de calefacción baja en carbono, un control fiable de las bombas es esencial para mantener la circulación del agua y adaptar el suministro de calor con la demanda real. En un proyecto de calefacción geotérmica en el oeste de Renqiu, en el campo petrolífero del norte de China, se instalaron tres convertidores de frecuencia de media tensión FGI FG3000 para accionar bombas eléctricas sumergibles que operan a profundidades aproximadas de 400 metros.
La aplicación combina tecnología de inversores de tres niveles, filtrado de salida dedicado y regulación automática de frecuencia para abordar los desafíos eléctricos y operativos asociados al bombeo en pozos profundos.
North China Oilfield cuenta con más de 40 años de experiencia en el desarrollo y utilización de recursos geotérmicos. Sus aplicaciones han incluido la recolección y transporte de petróleo crudo, calefacción, calefacción residencial en comunidades petrolíferas, aplicaciones agrícolas y generación de energía térmica residual.
Aprovechando sus recursos geológicos y su experiencia en exploración, el yacimiento ha seguido ampliando el calentamiento geotérmico y mejorando la utilización de la energía térmica en diferentes aplicaciones.
El proyecto de calefacción geotérmica del oeste de Renqiu fue un proyecto clave en 2023. Según la información del proyecto, la infraestructura de calefacción prevista incluía:
1 estación central de calor
12 pozos geotérmicos
13 estaciones de intercambio de calor de distrito
12 km de tuberías principales de calefacción
Casi 20.000 clientes residenciales
Una capacidad total de calefacción de 3 millones de m²
Uno de los principales retos técnicos del proyecto fue extraer agua geotérmica de aproximadamente 400 metros bajo tierra, manteniendo al mismo tiempo un funcionamiento fiable de las bombas sobre largos cables eléctricos.
FGI aplicó su experiencia en accionamientos de bombas eléctricas sumergibles, originalmente desarrolladas para aplicaciones en campos petrolíferos, a la extracción de agua geotérmica. Se seleccionaron tres convertidores de frecuencia de media tensión FG3000 para regular la velocidad de la bomba, apoyar el funcionamiento de motores a larga distancia y reducir el consumo energético bajo demanda variable de calefacción.
La serie FGI FG3000 es un convertidor de frecuencia AC-DC-AC de tres niveles con fuente de voltaje, disponible en configuraciones de 1.140 V y 2.300 V.
Su circuito principal utiliza una topología de tres niveles con sujeto de punto neutro (NPC). Distribuyendo la tensión del enlace DC entre los dispositivos de conmutación de potencia, el inversor puede producir salida de tensión media utilizando dispositivos semiconductores de potencia con menor tensión individual que una disposición de dos niveles comparable.
La salida de tres niveles también proporciona más pasos de tensión, ayudando a mejorar la forma de onda de salida y a reducir la tasa de cambio de tensión (dv/dt) y el contenido armónico en comparación con una topología convencional de dos niveles.
Topología NPC de tres niveles
El FG3000 utiliza un circuito principal de tres niveles para lograr una salida de frecuencia variable y voltaje medio. Su forma de onda optimizada de voltaje ayuda a reducir el estrés eléctrico del motor y puede mejorar el rendimiento operativo en aplicaciones exigentes de bombas.
Reducción de dv/dt y mejora de la compatibilidad de motores
En comparación con un inversor de dos niveles, la topología de tres niveles reduce los pasos de tensión de salida y puede ayudar a limitar el estrés de tensión en el sistema de aislamiento del motor. El diseño también permite el uso de motores estándar sin necesidad de reducción de clasificación bajo las condiciones de funcionamiento especificadas.
Filtrado de salida dedicado para cables largos
Las instalaciones de bombas sumergibles de larga distancia pueden implicar varios kilómetros de cable eléctrico. La interacción entre los pulsos de conmutación del inversor y las características del cable puede producir picos de tensión en onda reflejada en los terminales del motor.
El sistema FG3000 incorpora un filtro de salida pasa-bajos RLC diseñado para cargas de bombas eléctricas sumergibles. Este filtro ayuda a suprimir componentes de alta frecuencia y reduce el riesgo de un voltaje excesivo en los terminales del motor causado por efectos de cables largos.
Compensación automática de tensión
El disco soporta compensación de tensión de salida para abordar caídas de tensión a lo largo de cables de alimentación largos. Esta función ayuda a mantener condiciones de funcionamiento adecuadas del motor cuando la bomba está situada lejos del armario de accionamiento.
Compensación de fluctuaciones de tensión en la rejilla
El inversor incluye funcionalidad de regulación automática de tensión para ayudar a acomodar las variaciones en la fuente de alimentación entrante, dentro de su rango de funcionamiento especificado.
Apoyo local a la operación y mantenimiento
Una interfaz hombre-máquina (HMI) dedicada proporciona información operativa, configuración de parámetros y asistencia en la resolución de problemas. Una guía operativa integrada ayuda a los usuarios a acceder directamente a las instrucciones desde la interfaz de control.
Múltiples funciones de protección
Dependiendo del equipo de protección configurado, el sistema soporta protección contra condiciones como cortocircuitos, sobrecorriente, subcarga, sobrecarga y pérdida de fase. También se dispone de un sistema de conmutación entre frecuencias de potencia/frecuencia variable para mayor flexibilidad operativa, sujeto al diseño de conmutación y protección del sistema.
El FG3000 es un inversor de fuente de voltaje AC-DC-AC. La potencia entrante de CA se convierte en corriente continua, que luego se convierte en salida trifásica de frecuencia variable a través de la etapa inversora.
En la topología de NPC de tres niveles, dos condensadores de enlace DC conectados en serie establecen una referencia de punto medio. Los diodos de sujeción conectan el circuito de conmutación a este punto medio, permitiendo que cada fase produzca tres niveles de tensión respecto al punto medio del enlace de corriente continua: tensión positiva en medio bus, cero y tensión negativa en media barra.
Este nivel adicional de tensión proporciona una forma de onda de salida más refinada que la disposición convencional de dos niveles.
El inversor produce una salida trifásica de modulación sinusoidal por ancho de pulso (SPWM). Dado que el motor es una carga inductiva, la corriente del motor se vuelve aproximadamente sinusoidal bajo condiciones de funcionamiento adecuadas.
Sin embargo, para las bombas de pozos profundos, no se pueden ignorar las características eléctricas del cable. Cuando la salida PWM viaja a través de un cable largo, el desajuste de impedancia y las ondas reflejadas pueden causar sobretensión transitoria en los terminales del motor. El estrés eléctrico resultante puede dañar el aislamiento del motor y reducir la vida útil del equipo.
Por esta razón, la aplicación FG3000 incorpora un filtro RLC dedicado pasa-bajos en el lado de salida. El filtro atenúa los componentes de conmutación de alta frecuencia antes de que lleguen al cable largo y al motor sumergible.
La combinación de topología de tres niveles y filtrado de salida dedicado es especialmente relevante para instalaciones de bombas de pozo profundo donde el accionamiento y el motor están separados por largos tramos de cable.
El proyecto utiliza control coordinado de frecuencia variable para ajustar la circulación del agua según la demanda de calefacción. Las bombas del lado primario y secundario operan bajo diferentes estrategias de control.
En el lado primario, se utiliza control variable de flujo basado en diferencias de temperatura.
Los sensores de temperatura miden las temperaturas relevantes del agua de suministro y retorno. El sistema de control envía la diferencia de temperatura medida a un controlador lógico programable (PLC), que calcula el comando operativo requerido y ajusta la frecuencia de salida del inversor FGI FG3000.
A medida que cambia la carga térmica, la velocidad de la bomba puede ajustarse para regular la circulación del agua geotérmica en lugar de mantener un caudal constante independientemente de la demanda.
El sistema también puede coordinar el número de bombas operativas del lado primario, bombas geotérmicas del lado de la fuente y unidades de bomba de calor según las diferencias de temperatura del agua de suministro y retorno.
El sistema de circulación del lado secundario utiliza control de presión diferencial constante.
Un transmisor de presión diferencial mide la diferencia de presión entre las tuberías de suministro y retorno. El valor medido se envía al PLC, donde un controlador de derivada integral proporcional (PID) lo compara con la diferencia de presión objetivo.
El controlador ajusta entonces la frecuencia de funcionamiento de la bomba y el número de bombas en funcionamiento para mantener las condiciones hidráulicas requeridas.
Cuando el sistema no puede alcanzar el equilibrio de caudal requerido solo mediante el ajuste de la velocidad de la bomba, se puede utilizar una tubería de derivación para regular la circulación.
El sistema de control se comunica a través de una red fieldbus. Los parámetros operativos y el estado del sistema se muestran en la pantalla táctil del armario de control, soportando tanto la coordinación centralizada como la operación local.
Al ajustar la potencia de la bomba a la demanda real de calefacción, esta estrategia de control ayuda a evitar circulación innecesaria y pérdidas excesivas por limitación.
Tras la evaluación técnica del equipo disponible, el proyecto adoptó tres convertidores FGI FG3000 de media tensión para el control de bombas sumergibles.
La instalación demostró varios beneficios prácticos.
El disco proporciona una HMI dedicada y procedimientos operativos sencillos. Los operadores pueden monitorizar el estado operativo y utilizar la interfaz para acceder a las instrucciones relevantes, haciendo que la operación rutinaria sea más cómoda.
La función de ayuda integrada proporciona acceso a la guía de funcionamiento a través de la pantalla táctil. Esto permite al personal de mantenimiento consultar instrucciones cuando sea necesario y favorece la familiarización diaria con el equipo.
La topología de salida de tres niveles, junto con el filtro pasa-bajos RLC dedicado, ayuda a reducir el estrés de tensión asociado a largos tramos de cable. Esto es importante para motores sumergibles instalados a cientos de metros bajo tierra.
La combinación está diseñada para mejorar la compatibilidad eléctrica entre el inversor, el cable de alimentación largo y el motor de la bomba.
Bajo operación convencional de frecuencia fija, el caudal de la bomba puede regularse añadiendo una válvula en la cabeza del pozo. Este enfoque puede introducir pérdidas por estrangulamiento cuando la bomba sigue funcionando a una velocidad superior a la requerida.
Con control de frecuencia variable, la FG3000 ajusta la velocidad de la bomba en respuesta a la retroalimentación térmica del sistema de calefacción. El rango de frecuencia de operación reportado en este proyecto era generalmente de 35–45 Hz.
Para una bomba centrífuga que opera bajo condiciones hidráulicas comparables, la demanda de potencia sigue aproximadamente el cubo de velocidad de rotación. Esta relación explica por qué la regulación de velocidad puede ofrecer un potencial de ahorro energético significativo cuando varían los requisitos de caudal.
El ahorro energético real depende del punto de funcionamiento de la bomba, la altura estática, las características del sistema hidráulico, la eficiencia del motor y los ajustes de control. La información original del proyecto no proporciona una reducción porcentajosa cuantificada en el consumo eléctrico.
La HMI muestra información operativa y facilita el registro y la resolución de problemas de datos. Esto mejora la accesibilidad de la información operativa para el personal de campo.
La aplicación del convertidor de frecuencia de tres niveles de tensión media en el proyecto de calefacción geotérmica del Campo Petrolífero del Norte de China pone de relieve varias consideraciones de ingeniería relevantes para la extracción de agua en pozos profundos.
Primero, un sistema de bombas geotérmicas debe adaptarse a la demanda cambiante de calefacción sin depender completamente de la limitación mecánica. El control de frecuencia variable proporciona un medio práctico para ajustar la salida de la bomba.
En segundo lugar, las conexiones eléctricas de larga distancia requieren una atención cuidadosa al esfuerzo del aislamiento del motor y a la sobretensión por onda reflejada. Una topología adecuada para inversores y un filtro de salida dedicado pueden ayudar a solucionar estos problemas.
En tercer lugar, el calentamiento geotérmico requiere coordinación entre la fuente de calor, el equipo de bomba de calor, las bombas de circulación y la red de distribución. La integración de retroalimentación de temperatura, control de presión diferencial y regulación basada en PLC permite que el funcionamiento de la bomba responda a los requisitos del sistema.
Estas consideraciones son relevantes no solo para la calefacción geotérmica, sino también para otras aplicaciones industriales de circulación de agua y bombeo en pozos profundos, donde el flujo variable, las largas distancias de los cables y el funcionamiento fiable del motor son importantes.
La aplicación del convertidor de frecuencia de tres niveles de media tensión FGI FG3000 en el proyecto de calefacción geotérmica del Campo Petrolífero del Norte de China demuestra cómo la tecnología de electrónica de potencia puede apoyar la extracción de agua geotérmica en pozos profundos y la operación de calefacción adaptada a la demanda.
Al combinar la topología NPC de tres niveles, el filtrado de salida RLC dedicado, la compensación de voltaje de cables largos y el control de frecuencia variable basado en PLC, el sistema aborda los principales retos en el funcionamiento de la bomba sumergible.
Para los operadores de calefacción geotérmica e integradores de sistemas de bombeo industrial, el caso ilustra la importancia de adaptar la topología del inversor, el filtrado de salida y la estrategia de control a las condiciones eléctricas e hidráulicas reales de la instalación.
FGI continúa aplicando su experiencia en accionamiento motorizado y electrónica de potencia a aplicaciones industriales donde el control fiable de la bomba, la flexibilidad operativa y el rendimiento eficiente energéticamente del sistema son esenciales.
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Preguntas frecuentes
¿Para qué se utiliza un convertidor de frecuencia de tres niveles de tensión media en calefacción geotérmica?
Un convertidor de frecuencia de tres niveles de tensión media regula la velocidad de las bombas de agua geotérmicas según la demanda de calefacción. En el proyecto North China Oilfield, el FGI FG3000 se utilizó para accionar bombas sumergibles de pozos profundos, apoyar la operación con cables largos y mejorar el control del flujo.
¿Por qué es adecuado un inversor de tres niveles para bombas sumergibles de pozos profundos?
Un inversor de tres niveles proporciona más niveles de tensión de salida que una topología convencional de dos niveles. Esto puede reducir los pasos de voltaje de salida y el dv/dt. Cuando se combina con un filtro de salida adecuado, ayuda a mitigar el estrés eléctrico causado por cables de alimentación largos.
¿Cómo reduce el control de frecuencia variable el consumo de energía de la bomba?
El control de frecuencia variable ajusta la velocidad de la bomba para ajustarla al caudal requerido. Para bombas centrífugas bajo condiciones de funcionamiento comparables, la demanda de potencia puede seguir aproximadamente el cubo de velocidad de rotación, aunque el ahorro real depende del sistema hidráulico y del punto de funcionamiento.
¿Cuál es el papel de un filtro de salida LC en aplicaciones de bombas de cable largo?
Un filtro de salida atenúa los componentes de conmutación de alta frecuencia y ayuda a reducir picos de tensión en onda reflejada en los terminales del motor. La selección del filtro debe tener en cuenta la longitud del cable, las características del motor, la frecuencia de conmutación del inversor y el rango de funcionamiento requerido.
¿Qué proyecto de calefacción geotérmica utilizó el inversor FGI FG3000?
El FGI FG3000 se aplicó en el proyecto de calefacción geotérmica de Renqiu occidental, en el campo petrolífero del norte de China. La información del proyecto especifica tres unidades FG3000, 12 pozos geotérmicos, 13 estaciones de intercambio de calor distritales y una capacidad calefactora prevista de 3 millones de metros cuadrados.
