O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um protótipo de motor de indução linear tubular para aplicação na extração de petróleo. A principal função do motor é acionar diretamente uma bomba de sucção instalada no fundo de um poço em terra. São estabelecidas as diretrizes de projeto elétrico do motor, em conjunto com uma análise preliminar baseada na teoria convencional das máquinas elétricas. Propõe-se a aplicação do método das matrizes de transmissão para obter um modelo analítico mais preciso do motor de indução linear tubular. Também é apresentado o modelo obtido pela aplicação do Método dos Elementos Finitos. Os resultados dos modelos teóricos convencional e matricial são confrontados com os resultados do modelo por Elementos Finitos e de testes, mostrando boa concordância. De maneira geral, os resultados indicam que o motor tubular pode substituir com vantagens o sistema mecânico de superfície e o conjunto de hastes utilizados na extração de petróleo. / This report presents the development of a tubular linear induction motor for oil well applications. The aim of the motor is to directly drive an on-shore downhole piston pump with no rods. Guidance to the electric and magnetic design of the motor is established. Two forms of analysis are proposed: the rotating electrical machines (conventional) based and the transmission matrix based. A model using the Finite Element Method is also described. Conventional and matricial solutions are compared to the Finite Element and tests results, showing good agreement. In a general sense, the work results show that the tubular motor may substitute the mechanical surface system and the rod string with advantage.

O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um protótipo de motor de indução linear tubular para aplicação na extração de petróleo. A principal função do motor é acionar diretamente uma bomba de sucção instalada no fundo de um poço em terra. São estabelecidas as diretrizes de projeto elétrico do motor, em conjunto com uma análise preliminar baseada na teoria convencional das máquinas elétricas. Propõe-se a aplicação do método das matrizes de transmissão para obter um modelo analítico mais preciso do motor de indução linear tubular. Também é apresentado o modelo obtido pela aplicação do Método dos Elementos Finitos. Os resultados dos modelos teóricos convencional e matricial são confrontados com os resultados do modelo por Elementos Finitos e de testes, mostrando boa concordância. De maneira geral, os resultados indicam que o motor tubular pode substituir com vantagens o sistema mecânico de superfície e o conjunto de hastes utilizados na extração de petróleo. / This report presents the development of a tubular linear induction motor for oil well applications. The aim of the motor is to directly drive an on-shore downhole piston pump with no rods. Guidance to the electric and magnetic design of the motor is established. Two forms of analysis are proposed: the rotating electrical machines (conventional) based and the transmission matrix based. A model using the Finite Element Method is also described. Conventional and matricial solutions are compared to the Finite Element and tests results, showing good agreement. In a general sense, the work results show that the tubular motor may substitute the mechanical surface system and the rod string with advantage.

O presente trabalho apresenta a identificação de parâmetros de motor de indução linear tubular para a extração de petróleo, denominado de MATÆOS -- Motor Assíncrono Tubular para Aplicação na Extração de Óleo Subterrâneo. O primeiro passo para a identificação de parâmetros do motor foi a implementação da bancada de testes com o seu sistema de controle e supervisório. O modelo adotado corresponde à situação de operação em regime estacionário e consiste no circuito contendo resistores e indutores tradicionalmente utilizado para representar motores de indução. A identificação dos parâmetros foi realizada por meio de um procedimento de otimização tomando por base o balanço de potência do motor. Para isso, em função dos parâmetros do modelo, definiu-se e minimizou-se uma medida de erro entre as potências medidas e as calculadas pelo modelo para um conjunto pré-fixado de escorregamentos. A solução desse problema de otimização foi obtida por meio de uma busca exaustiva, uma vez que o número de variáveis independentes do problema é pequeno e uma região contendo o ponto de mínimo é conhecida com razoável confiança. Os resultados obtidos indicam que os valores dos parâmetros nominais a quente apresentam algumas diferenças em relação àqueles produzidos pelo método de identificação. Essas diferenças se devem possivelmente a variações nas características térmicas do motor e a erros introduzidos pelos instrumentos de medida. O modelo identificado apresentou uma menor disponibilidade de força e um pior rendimento quando comparado com os valores de projeto do modelo nominal a quente. Apesar disto, verificou-se uma boa proximidade entre a curva característica do modelo e as obtidas experimentalmente. / This work presents the identification of parameters of the tubular linear induction motor for the extraction of oil, called MATÆOS - which is the Portuguese acronym for Asynchronous Tubular Motor for Application to Subterranean Oil Extraction. The first step to the identification of the motor parameters was the implementation of the supervisory and control system for the test bench. The model, which is the usual one containing resistors and inductors, represents the motor operating in steady-state. The parameter identification problem was written as an optimization problem based on the motor power balance. An error between the measured power and the one given by the model was defined and minimized with respect to the model parameters in correspondence to a given set of slipping frequencies. The numerical solution to this problem was obtained by an exhaustive search algorithm. This choice was made because the number of independent variables is small and a region containing the solution is known with a significant degree of confidence. The results obtained show that the nominal values of the model parameters differ slightly from those produced by the identification method. Possibly, such differences are due to the variations in the model caused by temperature changes and to the measurement errors. The identified model presented both a lower available force and a worst efficiency when compared to the nominal design values for the warm motor. Despite this the characteristic curve of the model was quite close to the nominal design one.

O motor linear à relutância variável (MLRV) é uma máquina elétrica alimentada em corrente contínua, com fases excitadas numa sequência determinada. Caracterizado por operar numa ampla faixa de variação de velocidade, é utilizado em aplicações lineares que convertem energia elétrica em força e movimento de translação. A necessidade de dispositivos comutadores de corrente e um sistema de controle requer boa estimativa do perfil de indutância do motor. No entanto, uma vez que o maior entreferro dificulta o cálculo analítico, este perfil deve ser obtido através de métodos numéricos. Neste contexto, este trabalho apresenta um motor linear do tipo fluxo longitudinal de 4 fases, destinado a mover um sistema de translação deslizante de abertura e fechamento. A robustez, a simplicidade de construção e a potência reduzida foram decisivos na escolha do tipo de máquina. A análise via elementos finitos (AEF) é aplicada a fim de determinar o desempenho, qualificado pela auto-indutância das bobinas de fase e pela capacidade de produção da força de propulsão. A AEF também é utilizada na avaliação do fator de ondulação da força (force ripple), altamente presente neste tipo de motor, além da produção de vibração e ruído acústico, decorrentes do mesmo. / The linear variable reluctance motor (LVRM) is an electric machine fed by direct current with excited phases in a given sequence. Characterized by operating in a wide range of speed variation, it is used in linear applications that converts electric energy into force and translation movement. The need for current switching devices and a control system requires a good estimate of the motor’s inductance profile. However, since the larger air gap makes analytical calculation difficult, this profile must be obtained by numerical methods. In this context, this work presents a linear motor of the 4 phase transverse flow type designed to move a sliding translation system of opening and closing. Robustness, simplicity of construction and reduced power are decisive in the choice of machine type. The finite element analysis (FEA) is applied in order to determine the performance, qualified by the self-inductance of phase coils and the propulsion force production capacity. The FEA is also used in the evaluation of the force ripple factor, highly present in this type of motor, besides the production of vibration and acoustic noise arising from ripple factor. / Dissertação (Mestrado)

O presente trabalho apresenta a identificação de parâmetros de motor de indução linear tubular para a extração de petróleo, denominado de MATÆOS -- Motor Assíncrono Tubular para Aplicação na Extração de Óleo Subterrâneo. O primeiro passo para a identificação de parâmetros do motor foi a implementação da bancada de testes com o seu sistema de controle e supervisório. O modelo adotado corresponde à situação de operação em regime estacionário e consiste no circuito contendo resistores e indutores tradicionalmente utilizado para representar motores de indução. A identificação dos parâmetros foi realizada por meio de um procedimento de otimização tomando por base o balanço de potência do motor. Para isso, em função dos parâmetros do modelo, definiu-se e minimizou-se uma medida de erro entre as potências medidas e as calculadas pelo modelo para um conjunto pré-fixado de escorregamentos. A solução desse problema de otimização foi obtida por meio de uma busca exaustiva, uma vez que o número de variáveis independentes do problema é pequeno e uma região contendo o ponto de mínimo é conhecida com razoável confiança. Os resultados obtidos indicam que os valores dos parâmetros nominais a quente apresentam algumas diferenças em relação àqueles produzidos pelo método de identificação. Essas diferenças se devem possivelmente a variações nas características térmicas do motor e a erros introduzidos pelos instrumentos de medida. O modelo identificado apresentou uma menor disponibilidade de força e um pior rendimento quando comparado com os valores de projeto do modelo nominal a quente. Apesar disto, verificou-se uma boa proximidade entre a curva característica do modelo e as obtidas experimentalmente. / This work presents the identification of parameters of the tubular linear induction motor for the extraction of oil, called MATÆOS - which is the Portuguese acronym for Asynchronous Tubular Motor for Application to Subterranean Oil Extraction. The first step to the identification of the motor parameters was the implementation of the supervisory and control system for the test bench. The model, which is the usual one containing resistors and inductors, represents the motor operating in steady-state. The parameter identification problem was written as an optimization problem based on the motor power balance. An error between the measured power and the one given by the model was defined and minimized with respect to the model parameters in correspondence to a given set of slipping frequencies. The numerical solution to this problem was obtained by an exhaustive search algorithm. This choice was made because the number of independent variables is small and a region containing the solution is known with a significant degree of confidence. The results obtained show that the nominal values of the model parameters differ slightly from those produced by the identification method. Possibly, such differences are due to the variations in the model caused by temperature changes and to the measurement errors. The identified model presented both a lower available force and a worst efficiency when compared to the nominal design values for the warm motor. Despite this the characteristic curve of the model was quite close to the nominal design one.