Los armónicos son voltajes o corrientes en un sistema eléctrico que pueden causar problemas en la calidad de la energía. Debido a que un motor o equipo puede fallar ante la presencia de altos niveles de armónicos, esta distorsión es siempre una gran preocupación para los diseñadores de equipos sumergibles. Si bien su aparición no significa que una instalación debe dejar de operar, el impacto depende de qué tan susceptible sean los equipos.

¿Qué causan los armónicos?
Los armónicos son generados por variadores de frecuencia con cargas no lineales que arrastran la corriente en pulsos cortos y abruptos. Estos causan formas de onda distorsionadas en la corriente, los cuales a su vez generan corrientes armónicas que fluyen de vuelta a otras partes del sistema eléctrico.

Efectos de los armónicos producidos por los VDF en motores sumergibles Las corrientes armónicas aumentan la corriente RMS en las instalaciones eléctricas y deterioran la calidad de la tensión de suministro. Producen estrés en la red eléctrica y potencialmente daños a los equipos sumergibles. Pueden interferir en el normal funcionamiento de los equipos y aumentar los costos de operación.

Los síntomas de un nivel problemático de armónicos incluyen el sobrecalentamiento de los motores y
cables, y las fallas de la lógica dispositivos digitales. Además, la vida los equipos se reduce por el aumento de la temperatura de funcionamiento.

Cuando existe VDF en una instalación, se recomienda el uso de filtros de línea CA o de CC para cada variador individual. Esta medida aumenta la vida útil de los equipos y permite utilizar soluciones de reducción que son rentables, por ejemplo, los diferentes filtros que existen de acuerdo al HP y
distancia de instalación.

• Para distancias de cableado altas, se debe evaluar el uso de reactancias de salida, o combinación de reactancias con resistencias de acoplamiento, a fin
  de disminuir las sobretensiones que dañen el aislamiento del motor.

• Usar motores diseñados para uso con variadores de velocidad. Estos motores, básicamente, poseen una mayor tensión de aislamiento, debido a lo cual su vida útil, al estar expuestos a sobretensiones
  es mucho mayor que los motores convencionales.

Reactor de Línea

Funcionan tanto en el lado de línea como en el lado de carga para proporcionar una solución fácil que
reduce las desconexiones inconvenientes, reduce la distorsión armónica y minimiza los efectos de los conductores largos.

Dado que el tiempo de ascenso de los transistores IGBT está en el rango de unas pocas decenas de nanosegundos (entre 50ns-200ns), en los cables cortos entre Controladores PWM (modulación
por ancho de pulsos) y los motores se puede generar el doble de tensión en los terminales del motor debido al fenómeno de la onda viajera, como en las líneas de transmisión. El aislamiento del bobinado del motor podría fallar debido a los picos de sobre tensión si no se toman las precauciones necesarias. Los módulos de filtro dV/dt de salida protegen efectivamente los motores contra picos de alta tensión debido al uso de cables entre controladores de motor basados en IGBT y los motores.

¿Cómo diagnosticar y arreglar los armónicos?
Un analizador de armónicos es el instrumento más efectivo para llevar a cabo análisis detallados de la calidad de la energía, los cuales pueden determinar las formas de las ondas del voltaje y la corriente en sus respectivos espectros de frecuencia. Este dispositivo también es útil en instancias en las que la falta de señales obvias previene que los armónicos se tomen con seriedad.

Un analizador de armónicos se emplea
para proveer un análisis de la fuente sospechosa. Con estos datos, la relación armónica calcula un valor de 0 a 100 por ciento para indicar la desviación de una onda sinusoidal o no sinusoidal. Este indica la
presencia de armónicos.

Conforme la longitud del cable o la frecuencia portadora se incrementan, el pico de voltaje de sobre disparo también incrementa. Picos de voltaje en un sistema de 460 V pueden alcanzar de 1200 a 1600V, Sin embargo, esta mayor frecuencia portadora para la modulación de la onda de salida tiene su efecto pernicioso sobre la vida útil del aislamiento del cable de alimentación del motor y de los propios devanados del motor, ya que una mayor frecuencia de switcheo incrementa el fenómeno conocido como Onda Reflejada, el cual es muy común en líneas de transmisión de energía de gran distancia y bajas
frecuencias y en sistemas de comunicación de relativa corta distancia y altas frecuencias de conmutación.

Para evitar esto, hay varias prácticas comunes recomendadas:

• Para proteger el cable, si el sistema de alimentación es de 480 VAC o superior, se debe utilizar cable con aislamiento de 1000 Voltios, para evitar que las
  sobretensiones producidas por el fenómeno de onda reflejada sean superiores a la capacidad dieléctrica del mismo.

Ventajas

• Reducción de dV/dt en los bobinados del motor.
• Extensión de la vida útil del equipo.
• Cumplimiento de normas de motores para fines generales con cables de hasta 100m de longitud.
• Solución económica y compacta para instalaciones de cables cortos.
• Reducción de interferencia electromagnética en equipos circundantes.

El filtro Sinusoidal

Los filtros de onda sinusoidal están diseñados para proporcionar un voltaje de salida de onda sinusoidal cuando se utilizan variadores de frecuencia (VFD),
los filtros de onda sinusoidal eliminan el problema de fallas aislamiento de motor/cable, calentamiento y ruido audible. Los filtros de onda sinusoidal
también reducen la interferencia electromagnética (EMI) al eliminar el alto dV/dt asociado con formas de onda de salida de inversor convirtiendo la tensión
en una onda senoidal. Recomendado en longitudes mayores de 300 metros.

Los filtros:
• Eliminan la distorsión en el Torque.
• Eliminan la reflexión de onda de voltaje
• Pueden alcanzar 15,000 pies en aplicaciones específicas.
• Reducen en el motor Ruido, Vibración y Calor.
• Eliminan el problema de fallas aislamiento de motor.
• Extienden la vida del motor.
• Pueden ser usados virtualmente con todos los motores de inducción de CA, longitudes y tipos de cable de alimentación.

Cargas Lineales
Intensidad absorbida es con forma de onda senoidal.
Ej: Resistencias, cargas inductivas, en régimen permanente y no saturadas (Motores, transformadores), etc.

Cargas No Lineales
Intensidad absorbida es con forma de onda no senoidal. Existencia de armónicos. Ej: Arrancadores, variadores de velocidad, balastros electrónicos, etc.

La respuesta es sí y no. Instalar un motor sumergible en posición horizontal es una condición de operación cada vez más común. Sin embargo, debemos realizar algunas consideraciones preliminares, para asegurarnos que los motores tengan una larga vida instalados
en esta posición.

Primero que nada, recordemos que existen varios tipos de motores
sumergibles y no todos pueden operar en posición totalmente horizontal. Se fabrican motores sumergibles encapsulados, motores sumergibles de estator abierto, lubricados por agua

o por aceite, incluso con estator seco. Sin embargo, la diferencia de fabricación más importante que impacta la posibilidad de instalarse horizontalmente es el tipo de cojinete de empuje.

Los motores sumergibles encapsulados se diseñaron originalmente para aplicaciones verticales en pozos. Al igual que la mayoría de motores sumergibles lubricados por agua, estos utilizan un cojinete llamado cojinete de empuje, compuesto por dos caras que rotan contra ellas, generalmente una de carbón y otra de acero inoxidable.

Ambas caras son lubricadas por una delgada capa de agua que las lubrica. Este diseño conocido también como tipo Kingsbury, es bastante resistente en instalaciones verticales, pero no así en instalaciones horizontales, pues ambas caras deben quedar perfectamente alineadas para lubricarse adecuadamente y que no haya roce entre ambas. En una instalación horizontal, las caras de los cojinetes no siempre quedan bien alineadas y se produce un desgaste acelerado que provoca fallas prematuras.

Por ello, la mayoría de fabricantes de este tipo de motores recomiendan instalarlos con una inclinación positiva mínima de 35°.

Durante el arranque del motor, la carga de la bomba aumenta mientras aumenta la carga de salida. En casos donde la carga de la bomba permanece por debajo de su rango de operación para la que fue diseñada durante el arranque y durante velocidad a plena marcha, la bomba puede realizar un empuje hacia arriba. Esto a su vez crea un empuje hacia arriba en el cojinete de empuje del motor.

El funcionamiento continuo con empuje ascendente puede provocar un desgaste excesivo en el cojinete de empuje axial. Si la bomba provee la carga adecuada descendente al motor, luego de los 3 segundos iniciales después del arranque, es aceptable instalarlo horizontalmente. AFT Pumps, por ejemplo, recomienda que sus motores sumergibles encapsulados con cojinete de empuje se instalen con por lo menos 5° de inclinación sobre la horizontal. Algunos fabricantes ofrecen la opción de colocar un bushing adicional para un mejor soporte axial y poder operar de manera horizontal o con una leve inclinación de 5°. Sin embargo, es mejor práctica proporcionar inclinación positiva siempre que sea posible, aun si sólo unos pocos grados. (Ver diagrama adjunto)

Por lo tanto, para tener una expectativa de vida razonable operando este tipo de motores en posición “horizontal”, debemos tomar en cuenta las siguientes recomendaciones:

1. Instalar los motores con cojinete de empuje en un ángulo igual o superior a los 35°.

2. Disminuir la frecuencia de arranques,de preferencia a menos de 10 por cada

período de 24 horas. Los motores de seis y ocho pulgadas deben dejar pasar por lo menos 20 minutos entre arranques o intentos de arranque.

3 . No instalarse en sistemas que pueden proveerle al motor una baja carga de empuje el motor a plenas revoluciones, incluso por períodos cortos de tiempo. Estas se producen generalmente cuando la bomba puede operar a cargas demasiado bajas respecto a su curva de operación. La siguiente imagen muestra esta situación:

en posición totalmente horizontal. Nada más alejado de la realidad. Existe un tipo de motor sumergible que tiene un diseño diferente, que sí permite instalarse horizontalmente. Este motor
es fabricado con un cojinete axial, tipo balero, que permite ser instalado en posición totalmente horizontal y para lubricarse, utiliza aceite dieléctrico de grado alimenticio, no tóxico, certificado
por NSF. Al no tener caras que deban estar alineadas, el cojinete axial queda perfectamente alineado aún en posición horizontal.

Los motores sumergibles AFT que utilizan cojinetes de empuje (encapsulados o de estator abierto lubricados por agua) están diseñados principalmente para operar con el eje en posición vertical y horizontal con un ángulo de > 5°.

Pero y entonces, pareciera que no es posible instalar los motores sumergibles

Al estar inmerso en aceite, se garantiza además una adecuada lubricación aún durante el arranque. Además, es doblemente soportado por un cojinete superior lo que permite estabilidad de giro durante su operación. Entre ambos son capaces de resistir asimismo el empuje axial, discutido arriba.

Además, los motores con este tipo de cojinete, tendrán mayor resistencia a operar sin suficiente carga, como la definimos arriba. No recomendamos operar el equipo de ésta manera, pues aunque el motor resista mejor esta condición, habrán consecuencias negativas sobre los sellos del motor y sobre la columna de impulsores de la bomba.

Un factor que no debe olvidarse es la necesidad de proveerle al motor un adecuado enfriamiento durante su operación.

Dado que los motores sumergibles se instalan cerca del fondo en cuerpos de agua amplios como reservorios, tanques y lagunas, donde no se puede garantizar el flujo de agua por encima del motor, es obligatorio el uso de una funda de enfriamiento en donde el motor quede adecuadamente centralizado dentro de la misma. Solo no será necesaria la funda si el motor se instala con condiciones naturales o artificiales de enfriamiento, por ejemplo en ríos o en cápsulas de rebombeo (booster) en donde la entrada de agua es por la parte inferior de la misma.

Los motores sumergibles Aquapro lubricados por aceite pueden ser instalados en forma totalmente horizontal sin reducir por ello su expectativa de vida útil. Instálelo horizontalmente con funda de enfriamiento sin preocupaciones.