Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
Análisis del impacto de las componentes armónicas por el
uso de bombillos fluorescentes compactos en el sector
residencial
Por:
Eduardo Alberto Suárez Hernández
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Junio del 2011
Análisis del impacto de las componentes armónicas por el
uso de bombillos fluorescentes compactos en el sector
residencial
Por:
Eduardo Alberto Suárez Hernández
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. Luis Fernando Andrés Jácome
Profesor Guía
_________________________________
Ing. Wagner Pineda Rodríguez
Profesor lector
_________________________________
Ing. Raúl Fernández Vásquez
Profesor lector
i
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a Dios, mi familia y todos mis seres queridos.
ii
RECONOCIMIENTOS
Al Profesor guía Luis Fernando Andrés Jácome quién propuso los principales
lineamientos de este trabajo, a mis lectores el Ing. Raúl Fernández Vásquez y el Ing.
Wagner Pineda Rodríguez por sus valiosos aportes durante el desarrollo y conclusión de
este proyecto.
iii
ÍNDICE GENERAL
1.
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ....................................................... 1
1.1.
Objetivo general ..................................................................................... 3
1.2.
Objetivos específicos .............................................................................. 3
1.3.
Metodología ............................................................................................ 4
2.
CAPÍTULO 2: DESARROLLO TEÓRICO ....................................... 6
2.1 TIPOS DE LUMINARIAS. ..................................................................... 13
2.1.1 Magnitudes y conceptos luminosos. ............................................................................ 13
2.1.2. Tipos de lámparas. ...................................................................................................... 14
2.1.2.1 Lámpara incandescente. ........................................................................................... 14
2.1.2.2. Lámparas de descarga. ................................................................................. 20
2.2 Calidad de energía.................................................................................... 29
2.2.1 Modelado de los armónicos mediante series de Fourier. ............................................. 30
2.2.2 Índices de distorsión armónica .................................................................................... 33
2.2.2.1 Índice de máxima distorsión armónica .................................................................... 33
2.2.2.2 Índice de distorsión de demanda total. TDD ............................................................ 33
2.2.2.3 Factor de Magnitud MF ........................................................................................... 34
2.2.2.4. Factor de Cresta CF................................................................................................. 34
iv
2.2.2.5 Índice de distorsión de motor MDI .......................................................................... 34
2.2.2.5 Factor de influencia telefónica TIF. ......................................................................... 35
2.2.2.6 Factor de potencia en cargas no lineales. ................................................................. 35
2.2.2.7 Factores TDHf, THDr y Kfact utilizados por el Fluke 43.[25] ............................... 35
2.2.3 Distorsión Armónica. ................................................................................................... 37
2.2.3.1 Efectos de la distorsión armónica. ........................................................................... 37
2.2.3.2. Fuentes generadoras de armónicos.......................................................................... 40
2.3 Normativas relacionadas con la distorsión armónica a nivel
residencial. ...................................................................................................... 49
2.3.1 Norma Técnica de la ARESEP AR-NTVCS ............................................................... 49
2.3.2 Estándar IEEE 519-1992: Prácticas y requerimientos recomendados para el control de
armónicos en sistemas eléctricos de potencia. ...................................................................... 51
2.3.3 IEC 61000-3-2 Límites para la emisión de corrientes armónicas (equipamiento con
corriente de entrada < 16 A por fase) ................................................................................... 53
3.
CAPÍTULO 3: PRUEBAS, RESULTADOS Y ANÁLISIS. ............ 57
3.1 Prueba individual. .................................................................................... 60
3.2 Pruebas grupales. ..................................................................................... 66
3.2.1 Prueba de adición de bombillos fluorescentes ............................................................. 66
3.2.2 Prueba de adición mixta 1: adición bombillos incandescentes Philips a uno
fluorescente Energy Star. ...................................................................................................... 72
v
3.2.3 Prueba de adición mixta 2: adición de bombillos fluorescentes a uno incandescente. 75
3.2.4 Prueba de adición de 10 bombillos fluorescentes compactos. ..................................... 81
4. CAPÍTULO 4: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............ 83
4.1 Conclusiones. ............................................................................................ 83
4.2 Recomendaciones. .................................................................................... 84
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 86
APÉNDICES ................................................................................................... 89
Apéndice 1. Resultados obtenidos en la prueba individual. ....................... 89
Bombillo fluorescente compacto Best Value........................................................................ 89
Bombillo fluorescente compacto Eco Max. .......................................................................... 90
Bombillo fluorescente compacto Energy Star. ..................................................................... 91
Bombillo fluorescente compacto General Electric ............................................................... 92
Bombillo fluorescente compacto Mel. .................................................................................. 93
Bombillo fluorescente compacto Sli-lighting ....................................................................... 94
Bombillo fluorescente compacto Tecno Lite ........................................................................ 95
Bombillo fluorescente compacto Sylvania. .......................................................................... 96
Bombillo incandescente Philips ............................................................................................ 97
Apéndice 2. Resultados obtenidos en las pruebas de adición .................... 98
vi
Prueba de adicción de 5 bombillos fluorescentes Energy Star ............................................. 98
Prueba de adicción de 5 bombillos fluorescentes de distintas marcas: ............................... 108
Prueba mixta 1: Adición de bombillos incandescentes a uno fluorescentes. ...................... 119
Prueba mixta 2: de adición de bombillos fluorescentes a uno incandescente .................... 124
ANEXOS ....................................................................................................... 134
Anexo 1 .......................................................................................................... 134
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Porcentaje de cantidad de abonados por sector de consumo eléctrico [21] ........ 12
Figura 2.2 Ventas de energía por sector de consumo 2010 [21] ........................................... 12
Figura 2.3 Constitución de una lámpara incandescente [8] .................................................. 15
Figura 2.4 Variedad de formas de Lámparas incandescentes comerciales [8] ..................... 18
Figura 2.5 Curva de depreciación del flujo luminoso en una lámpara incandescente [8] .... 19
Figura 2.6 Constitución de un tubo fluorescente [19] .......................................................... 21
Figura 2.7 Circuito de arranque de una fluorescentes convencional [4] .............................. 22
Figura 2.8 Circuito de arranque electrónico para lámparas fluorescentes. [4] .................... 23
Figura 2. 9 Topología de distintos balastros comerciales existentes [6] .............................. 25
Figura 2. 10 Topología de distintos balastros comerciales existentes [6] ............................ 25
Figura 2.11 Lámpara fluorescente compacta Phillips con rosca tipo E27 [24] .................... 27
Figura 2.12 Composición de la lámpara de halogenuros metálicos [8] ................................ 28
Figura 2.13 Circuito de arranque de alta tensión [19] .......................................................... 29
Figura 2.14 Onda de corriente y tasa de distorsión generada por una LFC [5] .................... 41
Figura 2. 15 Espectro de las corrientes de neutros para lámparas fluorescentes [7] ............ 42
Figura 2.16 Modelos utilizados para los bombillos fluorescentes compactos [20] .............. 43
Figura 2. 17 Circuito base en punto de operación lineal [20] ............................................... 45
Figura 2. 18 Circuito en análisis con distorsión armónica [20] ............................................ 46
Figura 2. 19 Variación de la fase de la tensión de alimentación con distorsiones de 0.015%,
0.1%, 0.15% en la tercera armónica [20] .............................................................................. 46
viii
Figura 2. 20 Diagrama Loci de la corriente correspondiente al tercer armónico [20] .......... 47
Figura 2. 21 Admitancia de la CFL producida por el 3er armónico de tensión [20] ........... 48
Figura 2. 22 Admitancia de la CFL para distintos componentes de distorsión armónica .... 48
Tabla 2.16 Límites de corrientes armónicas para equipo Clase C [11] ................................ 56
Figura 3. 1 Analizador de calidad de energía Fluke 43 [22] ................................................ 57
Figura 3. 2 Prueba de individual de luminarias .................................................................... 60
Figura 3.3 Forma de onda de la tensión eléctrica de la fuente .............................................. 61
Figura 3.4 Espectro de la fuente de tensión .......................................................................... 62
Figura 3.5 Forma de la onda de corriente del bombillo Energy Star .................................... 63
Figura 3.6 Espectro de la corriente del bombillo Energy Star .............................................. 63
Figura 3.7 Forma de onda de la corriente del bombillo incandescente Philips .................... 64
Figura 3.8 Espectro de la corriente del bombillo incandescente Philips .............................. 64
Figura 3.9 Espectro variante presente del bombillo Mel-B .................................................. 65
Figura 3.10 Prueba de adición de lámparas fluorescentes. ................................................... 66
Figura 3.11 Forma de onda de la corriente de tres bombillos Energy Star ........................... 68
Figura 3.12 Espectro de la corriente de tres bombillos Energy Star ..................................... 69
Figura 3.13 Onda de corriente de cinco bombillos fluorescentes Energy Star ..................... 69
Figura 3.14 Espectro de corriente de cinco bombillos fluorescente Energy Star ................ 70
Figura 3.15 Corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con dos incandescentes
Phillips .................................................................................................................................. 73
ix
Figura 3.16 Espectro de corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con dos
incandescentes Phillips ......................................................................................................... 73
Figura 3.17 Corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con cuatro incandescentes
Phillips .................................................................................................................................. 74
Figura 3.18 Espectro de corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con cuatro
incandescentes Phillips ......................................................................................................... 74
Figura 3.19 Corriente de un bombillo incandescente Phillips con dos fluorescentes Energy
Star ........................................................................................................................................ 76
Figura 3.20 Espectro de corriente de un bombillo incandescente Phillips
con dos
fluorescentes Energy Star ..................................................................................................... 76
Figura 3.21 Corriente de un bombillo incandescente Phillips con cuatro fluorescentes
Energy Star ........................................................................................................................... 77
Figura 3.22 Espectro de corriente de un bombillo incandescente Phillips con cuatro
fluorescentes Energy Star ..................................................................................................... 77
Figura 3.23 Variación de la tasa de distorsión armónica (TDH) para cada configuración en
las pruebas mixtas ................................................................................................................. 79
Figura 3.24 Variación del valor eficaz de la corriente para cada configuración de las
pruebas mixtas ...................................................................................................................... 80
Figura 3. 25 Variación del corriente pico para cada configuración en las pruebas mixtas .. 81
Figura 3. 26 Variación de la tensión RMS y la distorsión armónica total de la tensión de la
fuente de alimentación .......................................................................................................... 82
x
Figura A.1 Bombillo fluorescente compacto marca Best Value .......................................... 89
Figura A.2 Forma de onda de la corriente del bombillo Best Value .................................... 89
Figura A.3 Espectro de la corriente para el bombillo fluorescente Best Value .................... 89
Figura A.4 Bombillo fluorescente compacto Eco Max ........................................................ 90
Figura A.5 Forma de la onda de corriente del bombillo Eco Max ....................................... 90
Figura A.6 Espectro de la corriente del bombillo Eco Max ................................................. 90
Figura A.7 Bombillo fluorescente compacto Energy Star .................................................... 91
Figura A.8 Forma de la onda de corriente del bombillo Energy Star ................................... 91
Figura A.9 Espectro de la corriente del bombillo Energy Star ............................................. 91
Figura A. 10 Bombillo fluorescente compacto General Electric .......................................... 92
Figura A.11 Forma de la onda de corriente del bombillo General Electric .......................... 92
Figura A.12 Espectro de corriente del bombillo General Electric ....................................... 92
Figura A.13 Bombillo fluorescente compacto Mel .............................................................. 93
Figura A.14 Forma de onda de la corriente del bombillo Mel ............................................. 93
Figura A.15 Espectro de la corriente del bombillo Mel ...................................................... 93
Figura A.16 Bombillo fluorescente compacto Sli-lighting ................................................... 94
Figura A.17 Forma de onda de corriente del fluorescente compacto Sli-lighting ................ 94
Figura A.18 Espectro de la corriente del bombillo fluorescente Sli-lighting ....................... 94
Figura A.19 Bombillo fluorescente compacto Tecno lite ..................................................... 95
Figura A.20 Forma de la onda de corriente del bombillo fluorescente Tecno lite ............... 95
Figura A.21 Espectro de corriente de bombillo Tecno lite ................................................... 95
xi
Figura A.22 Bombillo fluorescente compacto Sylvania ....................................................... 96
Figura A.23 Forma de la onda de corriente del bombillo Sylvania ...................................... 96
Figura A.24 Espectro de la corriente del bombillo Sylvania ................................................ 96
Figura A.25 Bombillo incandescente Philips ....................................................................... 97
Figura A.26 Forma de onda de la corriente del bombillo incandescente Philips ................. 97
Figura A.27 Espectro de la corriente del bombillo incandescente Philips ........................... 97
Figura A.28 Forma de la onda de corriente de un bombillo Energy Star ............................. 98
Figura A.29 Espectro de la corriente de un bombillo Energy Star ....................................... 98
Figura A.30 Forma de la onda de la tensión de un bombillo Energy Star ............................ 99
Figura A.31 Espectro de la tensión de un bombillo Energy Star .......................................... 99
Figura A.32 Forma de onda de la corriente de dos bombillos Energy Star. ....................... 100
Figura A.33 Espectro de corriente dos bombillos fluorescentes Energy Star. ................... 100
Figura A.34 Forma de onda de la tensión para dos bombillos Energy Star ....................... 101
Figura A.35 Espectro de tensión para dos bombillos Energy Star ..................................... 101
Figura A.36 Forma de onda de la corriente de tres bombillos Energy Star ........................ 102
Figura A.37 Espectro de la corriente de tres bombillos Energy Star .................................. 102
Figura A.38 Formas de onda de la tensión eléctrica para tres bombillos Energy Star ...... 103
Figura A.39 Espectro de tensión para tres bombillos Energy Star ..................................... 103
Figura A.40 Forma de onda de la corriente de cuatro bombillos Energy Star ................... 104
Figura A.41 Espectro de corriente de cuatro bombillos Energy Star ................................. 104
Figura A.42 Forma de onda de la tensión para cuatro bombillos Energy Star ................... 105
xii
Figura A.43 Espectro de tensión para cuatro bombillos Energy Star ................................ 105
Figura A.44 Onda de corriente de cinco bombillos fluorescentes Energy Star .................. 106
Figura A.45 Espectro de corriente de cinco bombillos fluorescentes Energy Star............. 106
Figura A.46 Forma de onda de la tensión para cinco bombillos Energy Star .................... 107
Figura A.47 Espectro de tensión para cinco bombillos Energy Star .................................. 107
Figura A.48 Forma de onda de la corriente para la configuración 1 .................................. 108
Figura A.49 Espectro de la corriente para la configuración 1 ............................................ 109
Figura A.50 Forma de onda de tensión para la configuración 1 ......................................... 109
Figura A.51 Espectro de tensión de la configuración 1 ...................................................... 110
Figura A.52 Forma de onda de la corriente para la configuración 2 .................................. 110
Figura A.53 Espectro de corriente para la configuración 2 ................................................ 111
Figura A.54 Forma de la onda de la tensión para la configuración 2 ............................... 111
Figura A.55 Espectro de tensión para la configuración 2 ................................................... 112
Figura A.56 Forma de onda de la corriente para la configuración 3 .................................. 112
Figura A.57 Espectro de corriente para la configuración 3 ............................................... 113
Figura A.58 Forma de onda de la tensión para la configuración 3 .................................... 113
Figura A.59 Espectro de tensión para la configuración 3 ................................................... 114
Figura A.60 Forma de onda de la corriente para la configuración 4 .................................. 114
Figura A.61 Espectro de corriente para la configuración 4 ................................................ 115
Figura A.62 Forma de onda de la tensión para la configuración 4 ..................................... 115
Figura A.63 Espectro de tensión para la configuración 4 ................................................... 116
xiii
Figura A.64 Forma de onda de la corriente para la configuración 5 .................................. 116
Figura A.65 Espectro de corriente para la configuración 5 ................................................ 117
Figura A.66 Forma de onda de la tensión para la configuración 5 ..................................... 117
Figura A.67 Espectro de la tensión para la configuración 5 ............................................... 118
Figura A.68 Corriente de un bombillo fluorescente Energy Star ....................................... 119
Figura A.69 Espectro de corriente bombillos fluorescentes Energy Star ........................... 119
Figura A.70 Corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con un incandescente
Phillips ................................................................................................................................ 120
Figura A.71 Espectro de corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con un
incandescente Phillips ......................................................................................................... 120
Figura A.72 Corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con dos incandescentes
Phillips ................................................................................................................................ 121
Figura A.73 Espectro de corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con dos
incandescentes Phillips ....................................................................................................... 121
Figura A.74 Corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con tres incandescentes
Phillips ................................................................................................................................ 122
Figura A.75 Espectro de corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con tres
incandescentes Phillips ....................................................................................................... 122
Figura A.76 Corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con cuatro incandescentes
Phillips ................................................................................................................................ 123
xiv
Figura A.77 Espectro de corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con cuatro
incandescentes Phillips ....................................................................................................... 123
Figura A.78 Forma de onda de la corriente de un incandescente Phillips .......................... 124
Figura A.79 Espectro de corriente de un bombillo incandescente Phillips ........................ 124
Figura A. 80 Forma de la onda de tensión para un bombillo incandescente Phillips ........ 125
Figura A. 81 Espectro de tensión para un bombillo incandescente Phillips ....................... 125
Figura A.82 Forma de onda de la corriente de un bombillo incandescente Phillips con un
fluorescente Energy Star ..................................................................................................... 126
Figura A.83 Espectro de corriente de un bombillo incandescente Phillips con un
fluorescente Energy Star ..................................................................................................... 126
Figura A.84 Forma de onda de la tensión de un bombillo incandescente Phillips con un
fluorescente Energy Star ..................................................................................................... 127
Figura A. 85 Espectro de tensión de un bombillo incandescente Phillips con un fluorescente
Energy Star ......................................................................................................................... 127
Figura A.86 Forma de onda de la corriente de un bombillo incandescente Phillips con dos
fluorescentes Energy Star ................................................................................................... 128
Figura A.87
Espectro de corriente de un bombillo incandescente Phillips
con dos
fluorescentes Energy Star ................................................................................................... 128
Figura A.88 Forma de la onda de la tensión de un bombillo incandescente Phillips con dos
fluorescentes Energy Star ................................................................................................... 129
xv
Figura A.89 Espectro de tensión de un bombillo incandescente Phillips
con dos
fluorescentes Energy Star ................................................................................................... 129
Figura A.90 Forma de onda de la corriente de un bombillo incandescente Phillips con tres
fluorescentes Energy Star ................................................................................................... 130
Figura A.91 Espectro de corriente de un bombillo incandescente Phillips
con tres
fluorescentes Energy Star ................................................................................................... 130
Figura A.92 Forma de onda de la corriente de un bombillo incandescente Phillips con tres
fluorescentes Energy Star ................................................................................................... 131
Figura A.93 Espectro de corriente de un bombillo incandescente Phillips
con tres
fluorescentes Energy Star ................................................................................................... 131
Figura A.94 Corriente de un bombillo incandescente Phillips con cuatro fluorescentes
Energy Star ......................................................................................................................... 132
Figura A.95 Espectro de corriente de un bombillo incandescente Phillips con cuatro
fluorescentes Energy Star ................................................................................................... 132
Figura A.96 Forma de onda de la tensión de un bombillo incandescente Phillips con cuatro
fluorescentes Energy Star ................................................................................................... 133
Figura A.97 Espectro de tensión de un bombillo incandescente Phillips con cuatro
fluorescentes Energy Star ................................................................................................... 133
xvi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Medidas internacionales impuestas sobre LFC [10] ............................................... 6
Tabla 2.3 Medidas impuestas sobre la eficiencia en luminarias a nivel empresarial [10] ...... 9
Tabla 2.4 Comparación entre bombillos fluorescentes compactos e incandescentes [6] ..... 10
Tabla 2.5 Estimación de ahorros debido a sustitución de tecnología. [6] ............................ 11
Tabla 2.6 Temperaturas aproximadas del filamento para lámparas a 127 V [8] .................. 16
Tabla 2.7 Propiedades de los Materiales Incandescentes [18].............................................. 17
Tabla 2.8 Características luminosas de lámparas incandescentes a 127 V [8] ..................... 18
Tabla 2.10 Características eléctricas de las diferentes topologías de las LFC [6] ................ 26
Tabla 2.11 Clasificación de los armónicos según el tipo de secuencia ................................ 32
Tabla 2.12 Clasificación de los armónicos según el tipo de secuencia (continuación) ........ 33
Tabla 2.13 Límites de distorsión armónica de corrientes para usuarios conectados en redes
generales de distribución. [3] ................................................................................................ 50
Tabla 2.14 Límites de Distorsión de Corriente para Sistemas de Distribución en General
(desde 120 V hasta 69 000 V) [12] ....................................................................................... 53
Tabla 2.15 Límites de corrientes armónicas para equipo Clase A [11] ................................ 55
Tabla 2.17 Límites para equipamiento de clase D [11] ........................................................ 56
Tabla 3.1 Equipo utilizado. ................................................................................................... 57
Tabla 3.2 Bombillos utilizados en la parte práctica .............................................................. 58
Tabla 3.3 Datos para cada marca de lámpara utilizada......................................................... 61
Tabla 3.4 Datos obtenidos para prueba de adición de bombillos fluorescentes. ................. 67
xvii
Tabla 3.5 Índices de distorsión armónica para la tensión eléctrica en la prueba de adición de
bombillos. ............................................................................................................................. 70
Tabla 3.6 Índices de distorsión armónica para la corriente, prueba de adición de
fluorescentes compactos de distintas marcas ........................................................................ 71
Tabla 3.7 Índices de distorsión armónica para la tensión prueba de adición de fluorescentes
compactos de distintas marcas .............................................................................................. 71
Tabla 3.8 Resultados de la prueba de adición de bombillos incandescentes a uno
fluorescente ........................................................................................................................... 72
Tabla 3.9 Resultados de la prueba de adición de bombillos fluorescentes a uno
incandescente ........................................................................................................................ 75
Tabla 3.10 Índices de distorsión armónica para de la tensión eléctrica para la prueba mixta
2 ............................................................................................................................................ 78
xviii
NOMENCLATURA
AC:
Corriente Alterna.
ARESEP:
Autoridad Reguladora de los Servicios Públicos.
AR NTVCS:
Norma técnica de Calidad del Voltaje de Suministro (ARESEP).
CDC:
Computer Distributors of Canadá
CF:
Factor de cresta.
CFL:
Compact Fluorescent Lamp.
CNFL:
Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A.
DC:
Corriente Directa.
DPF:
Factor de Potencia de Desplazamiento.
DEC:
Digital Equipment Corporation
IEC:
International Electrotechnical Commission
IEC 61000-3-2:
Estándar: límites para la emisión de corrientes armónicas (equipamento con
corriente de entrada < 16 A por fase.
IEEE 519-1992:
Estándar: Prácticas y requerimientos recomendados para el control de
armónicos en los sistemas eléctricos de potencia
IBM:
International Bussiness Machines.
IL:
Corriente máxima demandada de carga
ISC:
Corriente de corto circuito.
ICE:
Instituto Costarricense de Electricidad.
IEEE:
Institute of Electrical and Electronics Engineers
LED:
Diodo Emisor de Luz.
xix
LFC:
Lámpara Fluorescente Compacta.
MDI:
Índice de Distorsión de Motor.
MF:
Factor de Magnitud.
NEC:
Código Eléctrico Nacional (siglas en inglés).
PCC:
Punto común de conexión (Point of Common Coupling)
PF:
Factor de potencia (Power Factor).
PWM:
Modulador por ancho de pulso (Pulse-Witdh Modulator)
RMS:
Raíz cuadrática media (Root Media Square)
TDD:
Índice de Distorsión de Demanda Total.
TIF:
Índice de Influencia Telefónica.
UL:
Underwriters Laboratories.
xx
RESUMEN
En este trabajo se realiza un estudio del uso de bombillos fluorescentes compactos a
nivel residencial con el fin de determinar el impacto de las componentes armónicas en los
sistemas de distribución por el empleo de estos dispositivos.
Se inició elaborando un marco teórico sobre este tipo luminarias en donde se analizó su
principio de funcionamiento, circuito interno y modelado. Además se investigó sobre la
distorsión armónica, sus causas, consecuencias, modelado, índices empleados para
caracterizar cierto circuito o carga con comportamiento no lineal y los límites
implementados por la normativa técnica AR NTVCS Calidad del voltaje de suministro de
la ARESEP como también normas internacionales como la IEEE 519-1992 y IEC 61000-32.
En la parte práctica se realizaron distintas pruebas con diversas marcas de bombillos
fluorescentes e incandescentes en donde se concluye que los bombillos fluorescentes
compactos generan un alto nivel de distorsión armónica sin embargo debido a que su
consumo de potencia es muy bajo el grado de afectación a nivel residencial se puede
considerar despreciable asumiendo la presencia de otras cargas lineales. Se recomienda a
futuro realizar con los modelos presentados en este proyecto una simulación a nivel de la
red distribución y análisis en hogares realizando mediciones de sus diversos circuitos
ramales.
xxi
1. CAPÍTULO 1: Introducción
En los últimos años en nuestro país las compañías de energía eléctrica han
promocionado la utilización de bombillos fluorescentes compactos a nivel residencial
debido a su bajo consumo, lo cual permite disminuir en los períodos de punta la carga
registrada cada día. En el sitio web del GrupoICE, el conjunto de empresas distribuidoras
mayores de nuestro país, se enuncian en una lista algunos “Consejos para ahorrar
electricidad en el hogar” [23] en donde se resaltan las ventajas de este tipo de iluminación:
“un bombillo incandescente de 75 W posee el mismo flujo luminoso que un bombillo LFC
de 20 W, además la vida útil del incandescente es 10 veces menor que la del fluorescente
compacto.”[23]
Sin embargo los bombillos fluorescentes compactos son cargas no lineales lo que
provoca la introducción de contenido armónico en la señal de la tensión eléctrica y
corriente sistema de distribución. Por tanto, es de suma importancia estudiar el impacto en
la calidad de energía que origina la implementación de estos dispositivos en el sector
residencial, lo cual es el objetivo principal de este trabajo.
Debido a lo citado anteriormente, se analizará las distintas configuraciones utilizadas en
circuitos de potencia de este tipo de luminarias y su modelado, adicionalmente se
investigará sobre las normativas nacionales e internacionales relacionadas con la
producción de armónicos a nivel residencial con el fin de especificar cuáles son los límites
de afectación permitidos.
i
En la parte práctica se realizarán pruebas con distintas marcas de bombillos
caracterizándolas mediante los índices de distorsión armónica. Luego se desarrollarán
ensayos con diversas configuraciones de cinco bombillos
fluorescentes compactos e
incandescentes, para así realizar un análisis sobre el grado de afectación de armónicos a
nivel residencial generado por los circuitos de iluminación.
2
1.1.
Objetivo general
Realizar un estudio para determinar el impacto de las componentes armónicas en los
sistemas de distribución por el uso de bombillos fluorescentes compactos en el sector
residencial.
1.2.
Objetivos específicos
Realizar una investigación sobre la producción de componentes armónicos por parte
de la iluminación de bombillos fluorescentes compactos.
Realizar una comparación sobre la producción de componentes armónicos por parte
de diferentes marcas comerciales de bombillos fluorescentes compactos.
Revisar las normativas nacionales e internacionales existentes sobre la afectación
que se permite por la producción de componentes armónicos en el sector
residencial.
Realizar un estudio de la afectación de la calidad de energía por la instalación de
una a cinco bombillos fluorescentes compactos e incandescentes interactuando al
mismo tiempo. Este estudio abarcará diversas marcas comerciales y diversas
potencias que existen en el mercado nacional, utilizando el Analizador de Calidad
de Energía 43 Fluke.
3
1.3.
Metodología
Se iniciará con la recopilación bibliográfica, se investigará sobre el grado de distorsión
que los bombillos fluorescentes compactos pueden generar de la red eléctrica, sus
consecuencias y tratamiento. Por otra parte se analizarán las distintas normativas tanto
nacionales como internacionales relacionadas con la calidad del suministro eléctrico,
específicamente la generación de componentes armónicas. Seguidamente se realizará un
estudio de la electrónica de potencia de diversos tipos de luminarias con el fin de
determinar cuál puede ser el nivel de afectación de cada topología empleada en bombillos
fluorescentes comerciales.
Con lo anterior se espera obtener el fundamento necesario para realizar la discusión de
los resultados de la parte práctica del proyecto en donde se realizarán ensayos individuales
para caracterizar cada marca, y grupales con el fin de observar cómo interactúan este tipo
de carga en presencia de otros bombillos.
En esta parte se utilizará el Analizador de Calidad de Energía Fluke 43, las pruebas
grupales a efectuar son las siguientes:
Prueba de adición de bombillos fluorescentes: en donde se realizarán mediciones al
ir integrando gradualmente bombillos fluorescentes compactos.
Prueba de adición de bombillos incandescentes a uno fluorescentes: se iniciará con
un bombillo fluorescente y se irá agregando bombillos incandescentes con el fin de
4
observar cómo se modifica la forma de onda y contenido armónico al realizar estos
cambios.
Prueba de adición de bombillos fluorescentes a uno incandescente: se iniciará con
un bombillo incandescente y se irá agregando bombillos fluorescentes con el fin de
observar cómo se modifica la forma de onda y contenido armónico al realizar estos
cambios.
Prueba de adición de 10 bombillos fluorescentes compactos: se realizará con el fin
de determinar el grado de afectación de conectar bombillos fluorescentes compactos
en los índices de distorsión armónica de la tensión eléctrica.
Por último se obtendrán las conclusiones correspondientes para finalizar con la
presentación en su debida fecha al tribunal evaluador.
5
2. CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico
La demanda de energía a nivel mundial creciente, el calentamiento global y los daños
ambientales provocados son preocupaciones actuales que no se pueden obviar.
Actualmente para disminuir estos efectos se han divulgado campañas de ahorro
energético, generación mediante fuentes renovables y campañas de reciclaje entre otras
actividades. La implementación de bombillos fluorescentes compactos ha sido una de las
medidas implementadas a nivel mundial, como se puede apreciar en las tablas 2.1 y 2.2.
Tabla 2.1 Medidas internacionales impuestas sobre LFC [10]
País
Australia
Política adoptada
Primer país en interrumpir la venta de las lámparas incandescentes hasta el
2010.
Introducción de una legislación más rigorosa con la cualidad de las lámparas
incandescentes con el fin de disminuir su fabricación entre el 2009/2010
Brasil
Programa de subsidios para las lámparas fluorescentes (Proyecto de Ley del Sr.
Arnon Bezerra, mayo 2007)
Establece la prohibición del uso de la lámparas incandescentes en todo
el territorio nacional y normas para disciplinar su sustitución por
lámparas fluorescentes hasta el 1 de Enero de 2010
Queda prohibida, a partir de esta fecha la fabricación. Importación y la
comercialización para uso en territorio nacional de lámparas
incandescentes.
Hasta la fecha mencionada, la industria y los importados se deben
adaptar para la producción y la comercialización de LFC en
conformidad con lo establecido en esta ley.
6
Tabla 2.2 Medidas internacionales impuestas sobre LFC [10] (continuación)
País
Política adoptada
Unión Europea
Propuesta de exigir el aumento de la eficiencia energética en la iluminación de
las calles hasta el 2008
Aumentar la exigencia en la no utilización de lámparas incandescentes en
residencias hasta el 2009
Portugal
Estableció un impuesto sobre las lámparas de baja eficiencia energética, el
Ministerio de Economía está por definir los tipos y modelos de lámparas de baja
eficiencia.
Distribución gratuita de casi un millón de lámparas eficientes en el país durante
el año 2007.
Estados Unidos
América.
California
de
Venta de lámparas incandescentes entre 25 W y 150 W deberá prohibirse hasta
el 2012
Lámparas pequeñas y de baja tensión, como las lámparas de iluminación para
navidad no serán prohibidas.
Expansión de programas incentivos para fomentar la compra e lámparas más
eficientes.
Texas
Proyecto de ley que exigirá la sustitución de todas las lámparas de las oficinas y
escuelas públicas estatales por lámparas fluorescentes o diodos emisores de luz
(LED), a partir del 2007
Connecticut
Se estudia una propuesta sobre disponer lámparas eficientes con precio
competitivo.
Crear una lista de lámparas incandescentes ineficientes y prohibir su venta.
Crear una penalidad para la violación y un impuesto de 10% en la venta de cada
lámpara incandescente.
Rhode Island
Propuesta para que en el 2012 ninguna lámpara incandescente se venda.
7
Tabla 2.2 Medidas internacionales impuestas sobre LFC [10] (continuación)
País
Política adoptada
Minnesota
Estudia la propuesta que autoriza para imponer un impuesto de $0.25 a la venta
y transferencia mayorista de lámparas incandescentes.
Hawaii
Propuestas de fomentar el uso de lámparas fluorescentes.
Illinois
Todos los edificios del gobierno deberán utilizar lámparas fluorescentes.
Noruega
Noruega pagó por el cambio de lámparas incandescentes por otras más
eficientes en México.
Gran Bretaña
Organización “Ban The Bulb” (Prohibir las lámparas) presiona al gobierno para
iniciativas de uso de lámparas más eficientes.
Canadá
Interrumpir la venta de lámparas incandescentes hasta el 2012 como parte del
plan para disminuir en un 20% el consumo hasta el 2020.
Cuba
Plan de sustitución anunciado en el 2005. En el 2006 adquirió 200 millones de
lámparas fluorescentes compactas de China.
Filipinas
Las lámparas fluorescentes ya representan un 64% de la iluminación residencial.
Nueva Zelanda
Anunció que podrán prohibir las lámparas incandescentes.
Venezuela
Sustituyó 53 millones de lámparas incandescentes por fluorescentes en más de
95% de los hogares.
8
Tabla 2.3 Medidas impuestas sobre la eficiencia en luminarias a nivel empresarial [10]
Empresa
Philips Lighting Cooporation
Política propuesta
Plan de dejar de vender las lámparas incandescentes hasta el 2016
Cambio en el patrón de eficiencia energética como una opción en
General Electric (Se opone a la vez de la prohibición total.
sustitución total
de las
Nuevos estudios para hacer lámparas incandescentes más
lámparas incandescentes)
eficientes.
Sitio web http://18seconds.com
Wall Mart
Proporciona la cuenta de las lámparas de bajo consumo vendidas
en los Estados Unidos desde el 01/01/2007, ahorro realizado
gracias a esta venta, cantidad de emisiones no realizadas gracias
a la compra de LFC
Anunció una campaña publicitaria para aumentar las ventas de
lámparas de bajo consumo.
Se pasó de vender 40 millones en el 2005 a 100 millones en el
2008
European Lamp Companies Iniciativa de eficiencia energética que puede propiciar la
Federation
desaparición de las lámparas incandescentes.
Federation Currys (Compañía
de
mayor
venta
de
Anunció que dejará de vender lámparas de alto consumo.
electrodomésticos en Gran
Bretaña)
Como se puede observar la tendencia mundial indica que en los próximos años el
mercado de las fluorescentes compactas va experimentar una demanda aún mayor a la
actual; por tanto, es de esperar
un acelerado proceso de sustitución tecnológica
incandescente a fluorescente compacta.
9
En nuestro país la realidad no es distinta, se han presentado diversas campañas
publicitarias, como la ya mencionada “Consejos para el ahorro en el hogar” del GrupoICE
[23], en donde las ventajas correspondientes al ahorro energético, económico de las
lámparas fluorescentes compactas son muy atractivas, tal como se muestra en las tablas 2.4
y 2.5.
Tabla 2.4 Comparación entre bombillos fluorescentes compactos e incandescentes [6]
Bombillos
incandescentes
Bombillos
incandescentes
Fluorescente
Compacto
Potencia
60 W
75 W
20 W
Flujo luminoso
900 Lúmenes
1200 Lúmenes
1200 Lúmenes
Duración Promedio
Mil horas
Mil horas
10 mil horas
Consumo de Energía
con 5 horas de uso
diario
9 Wkh/mes
11,25 Wkh/mes
3 kWh/mes
10
Tabla 2.5 Estimación de ahorros debido a sustitución de tecnología. [6]
Potencia
Bombilla
Incandescente
(W)
Consumo
energía
mensual
(kWh)
Monto
Factura
mensua
l¢
Potencia
LFC
Sustituto
(W)
Consumo
energía
mensual
(kWh)
Monto
factura
mensua
l¢
Ahorro
Económico
mensual ¢
% de
Ahorro
100
15,00
1058,00
22
3,3
255,4
605,58
78,00%
75
11,25
868,50
20
3,0
232,2
638,55
73,33%
60
9,00
694,80
15
2,3
174,2
522,45
75,00%
50
7,50
579,00
13
2,0
150,9
429,57
74,00%
40
6,00
463,20
9
1,4
104,5
359,91
77,50%
Notas:
1. Costo promedio de la energía ¢77,20 por kWh en temporada alta (Consumo promedio 250 kWh/mes).
2. Costos basados en tarifas del ICE vigentes al 19 de enero 2009.
3. Estimación de la energía basada en un funcionamiento de 5 horas al día, 30 días al mes.
Los bombillos fluorescentes compactos sin embargo son cargas no lineales por lo cual
distorsionan la forma de onda de la corriente y la tensión eléctrica en el sistema de
distribución, por eso determinar el grado de afectación es el objetivo de este trabajo. Este
análisis es de suma importancia para nuestro país debido a que como se muestra en las
figuras 2.1 y 2.2 la mayor cantidad de abonados y consumo de energía se presenta en el
sector residencial.
11
Figura 2.1 Porcentaje de cantidad de abonados por sector de consumo eléctrico [21]
Figura 2.2 Ventas de energía por sector de consumo 2010 [21]
Con el fin de establecer un conocimiento general del tema en estudio en las próximas
secciones se estudiarán los tipos de luminarias más importantes comercialmente y sus
características; armónicos en los sistemas de potencia, modelado, fuentes generadoras y
efectos de los armónicos, entre otros.
12
2.1 Tipos de luminarias.
La luz es definida como todas las radiaciones cuyas longitudes de onda se encuentra
entre 350 μm y 760 μm, es la parte del espectro electromagnético que es visible para el ser
humano. La luz se puede modelar mediante ondas o como un cuerpo (fotón), en este caso se
profundiza el análisis ondular. Como onda la luz posee las siguientes propiedades:
“Se puede propagar en el vacío con una velocidad de c = 3
Se propaga en línea recta todas las direcciones del espacio (en las tres dimensiones).
Se transmite a distancia”. [18]
2.1.1 Magnitudes y conceptos luminosos.
A continuación se presentan los conceptos pertenecientes a la luminotecnia necesarios
para el presente trabajo.
Flujo luminoso (
: “Parte del flujo radiante que produce sensación luminosa en el
ojo humano. El flujo luminoso de un manantial de luz no se distribuye por igual en
todas las direcciones del espacio, sino que depende del dispositivo empleado para la
iluminación” [18]. Es la medida de la potencia luminosa, es decir la energía
luminosa radiada por unidad de tiempo, el flujo luminoso se mide en Lumen (Lm).
Iluminación (E): Para una superficie S “es la relación entre el flujo luminoso que
recibe esta superficie y su extensión” [18]. La iluminación se mide en Lux.
13
Eficiencia de una lámpara eléctrica ( : se define como la razón entre el flujo
luminoso y la potencia eléctrica de la lámpara. Su unidad es Lm/VA.
2.1.2. Tipos de lámparas.
La producción luz utilizando energía eléctrica se fundamenta en los siguientes
principios: “uno es calentando hasta la incandescencia cierto cuerpo sólido o gaseoso en
donde se posee pérdidas por calor, otra forma es con una descarga eléctrica entre dos placas
del material conductor sumergido en un gas ionizado o en un vapor metálico.” [18]
Mediante estos dos principios definen la clasificación más general de las luminarias
eléctricas: las lámparas incandescentes y las lámparas de descarga.
2.1.2.1 Lámpara incandescente.
La lámpara incandescente “es un elemento radiador, cuyo cuerpo luminoso está
constituido por un hilo conductor a través del que se hace pasar una corriente eléctrica, bajo
cuya acción, dicho hilo eleva su temperatura hasta el rojo blanco emitiendo a esta
temperatura radiaciones comprendidas dentro del espectro visible” [18]. En la figura 2.3, se
puede observar los componentes que conforman una lámpara incandescente.
14
Figura 2.3 Constitución de una lámpara incandescente [8]
Debido a la composición espectral de las lámparas incandescentes gran parte de la
energía eléctrica se transforma en calor (Infrarrojo). En estas luminarias para poder obtener
un buen rendimiento se necesita aumentar la temperatura lo más que se pueda, por lo tanto
el filamento que posee una lámpara incandescente debe:
Poseer una resistencia lo más alta posible.
Tener un alto punto de fusión debido a que debe trabajar con temperaturas elevadas.
Dúctil para que en se pueda estirar con el fin de reducir su área transversal para
aumentar su resistencia.
Ser barato para que sea rentable su producción.
15
En la siguiente tabla se muestran las temperaturas aproximadas de operación de las
lámparas incandescentes a 127 V.
Tabla 2.6 Temperaturas aproximadas del filamento para lámparas a 127 V [8]
Potencia (Watts)
Temperatura (°C)
40
2475
60
2500
100
2575
200
2620
300
2665
500
2670
1000
2720
1500
2765
En la tabla 2.7 se muestran los distintos materiales que poseen características
incandescentes se puede observar que el carbón reúne las mejores cualidades (alto punto de
fusión y alta resistividad), sin embargo posee una vida útil muy corta por lo tanto
actualmente el tungsteno es el utilizado para la fabricación de los filamentos en las
luminarias incandescentes. El filamento utilizado en las lámparas incandescentes puede ser
sencillo o doble.
16
Tabla 2.7 Propiedades de los Materiales Incandescentes [18]
Resistividad a
Material
Punto de fusión (K)
Cobre
1367
8,9
0,018
Vanadio
1988
5,5
0,1
Platino
2037
21,4
0,10
Iridio
2633
15,8
0,06
Osmio
2773
22,5
0,10
Molibdeno
2853
10,2
0,04
Tántalio
3073
16,6
0,15
Tungsteno
3668
19,1
0,04
Carbón
3803
1,5
40,00
Densidad (g/
Las lámparas incandescentes poseen gran diversidad en el mercado, en donde se pueden
encontrar gran diversidad diseños implementados en los filamentos con el fin de obtener el
flujo luminoso deseado, como también es posible conseguir de distintas formas, tal como se
muestra en la figura 2.4.
17
Figura 2.4 Variedad de formas de Lámparas incandescentes comerciales [8]
En la siguiente tabla se pueden observar las distintas potencias comerciales con sus
respectivos valores de flujo luminoso.
Tabla 2.8 Características luminosas de lámparas incandescentes a 127 V [8]
Potencia Eléctrica (Watt)
Flujo luminoso (Lumen)
15
135
25
240
40
400
60
690
75
940
100
1380
18
Tabla 2.9 Características luminosas de lámparas incandescentes a 127 V [8]
(continuación)
Potencia Eléctrica (Watt)
Flujo luminoso (Lumen)
150
2280
200
3220
300
5250
500
9500
750
15300
1000
21000
1500
34000
2000
41600
La vida útil de una lámpara se puede especificar mediante el índice de vida que “se
define como el punto en el tiempo, durante el momento de calentamiento al cual el 50% de
las lámparas fallan, esto generalmente ocurre para las lámparas incandescentes en el rango
de 750 a 1000 horas” [8]. Conforme aumenta el uso dado a una lámpara se va
disminuyendo el nivel de iluminación, figura 2.5.
Figura 2.5 Curva de depreciación del flujo luminoso en una lámpara incandescente [8]
19
2.1.2.1.1 Lámparas incandescentes halógenas.
Este tipo de lámpara incandescente se diferencia del procedimiento que permite
aumentar la temperatura del filamento. “La adición de un compuesto al gas que lleva la
ampolla (halógeno), inicia un proceso regenerativo, gracias al cual el tungsteno evaporado
del filamento vuelve a depositarse en el mismo. De este modo, se aumenta el rendimiento,
duplicándose también la duración de la lámpara. La ampolla se basa de un cuarzo especial
(para poder trabajar con temperaturas cercas a 900 °C)”. [17]
2.1.2.2. Lámparas de descarga.
El principio de funcionamiento de este tipo de lámpara consiste en el fenómeno de
luminiscencia, en el que “cuando un gas es excitado por una corriente eléctrica se inicia un
proceso en el que unos electrones libres, obtenidos en unos electrodos de algún material
emisor, como el bario o el cesio, son movidos por el campo electromagnético creado, y
adquieren gran velocidad. Cuando chochan con los átomos de ese gas, provocan que
algunos de sus electrones pasen a un nivel de energía superior. Estos electrones retornan
rápidamente a su nivel energético anterior, devolviendo la energía que habían ganado en
forma de radiación” [19] la cual es visible por el ser humano.
Algunos tipos de lámparas de descarga son:
Lámparas fluorescentes
Lámparas de vapor de sodio.
Lámparas de halogenuros metálicos
20
2.1.2.2.1. Lámparas fluorescentes.
Las lámparas fluorescentes son lámparas de vapor de mercurio a baja presión. “La
atmósfera interna de las lámparas o tubos fluorescentes es una combinación de un gas
inerte, como el argón y una pequeña cantidad de mercurio, que inicialmente se encuentra en
estado líquido”. [19]
La descarga generada en una lámpara fluorescente irradia energía en ondas ultravioleta,
las cuales poseen una longitud de onda no visible por el ser humano, por lo que se emplean
sustancia fluorescente en las paredes de la lámpara, tal como se puede apreciar en la figura
2.6. “Esta sustancia es la que determina el rendimiento de la lámpara y el color de la luz
emitida, entre ellas se encuentran el borato de cadmio (color rosa claro), silicato de zinc y
berilio (color amarillo-verdoso), tungsteno de magnesio (color azulado).”[19]
Figura 2.6 Constitución de un tubo fluorescente [19]
21
Para generar la descarga en el tubo fluorescente se necesita un impulso de tensión
grande, para lo cual en donde se utiliza una bobina de alto coeficiente de autoinducción o
reactancia, figura 2.7. “Cuando se cierra el interruptor, el cebador cierra sus contactos,
permitiendo que los filamentos de los extremos se calienten los electrodos de emisión. En
muy poco tiempo, el cebador abre bruscamente sus contactos, provocando una fuerte f.e.m.
de autoinducción en la bobina. Esta tensión queda aplicada a los extremos del tubo y es
suficiente para que se encienda el mismo. Al estar la reactancia conectada en serie con el
tubo de descarga, ésta produce una caída de tensión en el circuito que hace que la tensión y
la corriente entre los extremos del tubo quede limitada a valores adecuados para éste”. [4]
Figura 2.7 Circuito de arranque de una fluorescentes convencional [4]
Debido a la naturaleza inductiva de los circuitos de arranque (balastros), los
fluorescentes poseen un capacitor para mejorar el factor de potencia de estas lámparas.
22
Otra manera de realizar el arranque es mediante balastros electrónicos representados en
la figura 2.8 que consiste de cuatro etapas:
a) El filtro de interferencia: “filtra y limita el pico de las componentes de la componentes.
Atenúa la interferencia magnética generada por la etapa de alta frecuencia” [20]
b) Rectificador: convierte la señal AC a DC para alimentar al oscilador. Comúnmente entre
la etapa de rectificación y del oscilador se utilizan capacitores para disminuir el rizado de la
señal DC.
c) Oscilador de alta frecuencia: “Su función es elevar la frecuencia de la tensión AC
entregada al tubo fluorescente.” [13]
d) Tubo fluorescente: posee las características de los distintos tubos de descarga
anteriormente descritos.
Figura 2.8 Circuito de arranque electrónico para lámparas fluorescentes. [4]
Las lámparas fluorescentes compactas poseen un balastro electrónico en su base, hay
diversas topologías de circuitos:
23
a) “Balastro con filtro (Capacitor CB) y oscilador de alta frecuencia IR215X.
b) Balastro con filtro (Capacitor CB) y circuito auto-oscilante.
c) Balastro “sin” filtro (Capacitor CF) y oscilador de alta frecuencia IR215X.
d) Balastro “sin” filtro (Capacitor CF) y circuito auto-oscilante.
e) Balastro con filtro Valley-Fill y oscilador de alta frecuencia IR215X.
f) Balastro con filtro Valley-Fill y circuito auto-oscilante.
g) Balastro con convertidor boost (elevador del nivel DC) y oscilador de alta frecuencia
IR215X.
h) Balastro con convertidor boost (elevador del nivel DC) y circuito auto-oscilante.
Experimentalmente se comprobó que los circuitos “sin” capacitor CB deben tener un
capacitor con un valor bajo de capacitancia CF porque en una de las etapas del
filtro resonante LCC hay una corriente de retorno del filtro de resonancia a la fuente de
entrada, si no hay filtro, se crea un stress eléctrico en el interruptor del circuito.”[6]
24
Figura 2. 9 Topología de distintos balastros comerciales existentes [6]
Figura 2. 10 Topología de distintos balastros comerciales existentes [6]
25
Mediante pruebas experimentales [6] se pueden caracterizar cada una de las topologías
considerando: factor de potencia para una carga no lineal, desfaje entre la onda de voltaje y
corriente, distorsión armónica total (TDH), parpadeo (Flicker) y factor cresta (CF).
El factor de potencia para una carga no lineal, la distorsión armónica total y el factor
cresta se definen posteriormente en la sección 2.2.2 sobre índices de distorsión armónica.
Tabla 2.10 Características eléctricas de las diferentes topologías de las LFC [6]
Topología balastro
Voltaje
Factor
de
potencia
Desfase
(°) entre
VeI
THD
(%)
Flicker
(Parpadeo)
CF
Eficiencia
(%)
a) Balastro con filtro y
oscilador IR215X.
220
0,585
20,3
125
no
1,44
92
b) Balastro con filtro y
circuito auto-oscilante.
220
0,556
20,5
135
no
1,51
92.1
c) Balastro “sin” filtro y
oscilador IR215X.
220
0,846
7,5
51
sí
1,91
90
d) Balastro “sin” filtro y
controlador auto-oscilante.
220
0,741
20
61
sí
2,04
90.9
e) Balastro con filtro ValleyFill y controlador IR215X.
220
0,926
5,9
39
sí
1,75
90
f) Balastro con filtro ValleyFill y controlador autooscilante.
220
0,924
6
40
sí
1,82
90.9
g) Balastro con convertidor
boost y controlador IR215X.
110
0,995
0
10
no
1,404
86
h) Balastro con convertidor
boost y controlador autooscilante.
110
0,996
0
9
no
1,466
85
26
En un bombillo fluorescente compacto “cuando el flicker es alto, las pérdidas en el tubo
de la lámpara son también altas y su vida útil disminuye” [6]. Los circuitos con circuito
auto-oscilante según los datos de la tabla 2.9 poseen menor eficiencia que los poseen el
IR125X “esto no es común, pero ocurrió debido a que se escogió muy alta la resistencia
que da el tiempo muerto al circuito de medio-puente” [6].
Como se puede observar hay compromiso entre obtener una eficiencia alta, distorsión
armónica y la no presencia de parpadeo.
Los bombillos fluorescentes compactos utilizan las mismas roscas que los bombillos
incandescentes tradicionales (el tipo E27) lo cual permite sustituir fácilmente un tipo por el
otro, obteniendo mejor eficiencia y mayor vida. Las LFC (Lámparas Fluorescentes
Compactas) poseen la desventaja que de que requieren una inversión inicial más alta, en
comparación con las incandescentes, sin embargo a largo plazo estas lámparas implican un
ahorro y como se citó en gran cantidad de países poseen subsidios.
Figura 2.11 Lámpara fluorescente compacta Phillips con rosca tipo E27 [24]
27
2.1.2.2.2. Lámparas de vapor de sodio.
Existen las lámparas de vapor de sodio de alta y baja presión, similar a las lámparas de
vapor de mercurio. “El paso de la descarga eléctrica a través del vapor de sodio, provoca la
emisión de una radiación visible casi monocromática, constituida por las longitudes de
onda 589 μm y 589,6 μm” [18]. Este tipo de lámpara es utilizada principalmente en
carreteras y túneles [7].
2.1.2.2.3. Lámparas de halogenuros metálicos
Las lámparas de halogenuros metálicos o de metal halide, “es un dispositivo de descarga
de alta intensidad que produce luz por una descarga eléctrica a través del vapor de mercurio
y el metal-halide (haluro) en el tubo de arco” [8]. En la figura 2.12 se muestra la
composición de una lámpara de halogenuro metálico.
Figura 2.12 Composición de la lámpara de halogenuros metálicos [8]
28
Para su funcionamiento necesita una alta tensión en el arranque, en la figura 2.13 se
puede observar el circuito que cumple esta función está compuesto por un ignitor, “un
balastro o reactancia y un condensador para mejorar el factor de potencia. El rendimiento
lumínico es superior a la lámpara de vapor de mercurio a alta presión alcanzando valores de
hasta 90 Lm/W y tiene una vida útil de más de 10 000 horas. Se emplean para la
iluminación de escenarios de teatros, salas de cine, campos de deporte, estadios y edificios
públicos”. [19]
Figura 2.13 Circuito de arranque de alta tensión [19]
2.2 Calidad de energía
La calidad energía “se puede definir como una ausencia de interrupciones,
sobretensiones, deformaciones producidas por armónicas en la red y variaciones de la
tensión rms suministrado al usuario; esto concierne a la estabilidad de la tensión, de la
frecuencia y la continuidad del servicio eléctrico.”[9] En los últimos años ha sido un tema
29
de suma importancia por la cantidad de cargas no lineales que han surgido, principalmentepor el desarrollo de la electrónica de potencia, y a su vez a debido a la presencia de cargas
sensibles como los equipos de cómputo.
En Costa Rica la calidad de energía es regida mediante la Norma Técnica de la ARESEP
AR-NTVCS: “Calidad del Voltaje de Suministro” [3] con fin de garantizar que el servicio
eléctrico posea las características deseadas en lo que corresponde a amplitud, frecuencia,
forma de onda de la señal de tensión.
Los disturbios que afectan la calidad de la energía se pueden clasificar como [10]:
Transitorios
Variación de la tensión de corta y larga duración
Desequilibrios de tensión
Distorsiones de la forma de onda
Oscilaciones de tensión
Variación de la frecuencia del sistema
Se profundizará en lo que corresponde a las distorsiones de la forma de onda mediante el
estudio de los armónicos en los sistemas de potencia.
2.2.1 Modelado de los armónicos mediante series de Fourier.
Un armónico es definido como una función cuya frecuencia es un múltiplo integro de la
frecuencia fundamental del sistema y su amplitud es menor que la amplitud de la señal
30
fundamental. Lo anterior es expresado matemáticamente mediante en el análisis de las
series de Fourier.
“Una señal periódica f(t) con período
puede ser expresada en la forma trigonométrica
de la serie de Fourier
Los coeficientes de las series se obtienen de la siguiente manera:
También se puede representar como:
Donde:
31
El coeficiente
es la componente DC,
componentes armónicos” [1]. El coeficiente
son la magnitud y fase de los enésimos
es la magnitud y es llamado componente
fundamental el cual presentará una frecuencia de generación de 60 Hz o 50 Hz, según sea
caso del sistema eléctrico en estudio.
Otra manera de expresar las series de Fourier es mediante la forma exponencial [1]:
Los armónicos se clasifican según lo indica la siguiente tabla.
Tabla 2.11 Clasificación de los armónicos según el tipo de secuencia
Orden de armónico.
Frecuencia.
Secuencia.
1
60 Hz
Positiva
2
120 Hz
Negativa
3
180 Hz
Cero
4
240 Hz
Positiva
5
300 Hz
Negativa
6
360 Hz
Cero
7
420 Hz
Positiva
32
Tabla 2.12 Clasificación de los armónicos según el tipo de secuencia (continuación)
Orden de armónico.
Frecuencia.
Secuencia.
8
480 Hz
Negativa
9
540 Hz
Cero
…
…
…
2.2.2 Índices de distorsión armónica
2.2.2.1 Índice de máxima distorsión armónica
Es uno de los índices más usados y se define como la razón del valor rms de las
armónicos de la señal entre la magnitud fundamental de la variable eléctrica en estudio, en
este caso denotada por M.
2.2.2.2 Índice de distorsión de demanda total. TDD
Es un índice utilizado por la IEEE para evaluar la distorsión armónica de la corriente
generada por los clientes de la empresa distribuidora. Las mediciones para determinar este
índice se realizan en el PCC (Point of Common Coupling) definido comúnmente como el
punto de medición. “
se determinará como el promedio de la máxima corriente
demandada durante los doce últimos meses precedentes”. [12]
33
2.2.2.3 Factor de Magnitud MF
Es la razón de la suma de todos los valores rms de las tensiones armónicas entre la
magnitud de la señal de tensión fundamental. [15]
2.2.2.4. Factor de Cresta CF
“Cuando se conoce totalmente la forma de onda (y en consecuencia el valor pico), no se
requiere hacer una estimación mediante MF, en su lugar se calcula el denominado factor de
cresta o CF” [15] que se define como la razón del valor pico de la señal de voltaje
fundamental entre el valor rms de los armónicos.
2.2.2.5 Índice de distorsión de motor MDI
El MDI es un indicador especial para motores [15].
34
2.2.2.5 Factor de influencia telefónica TIF.
Es un índice “definido por la IEEE-519-1992 como una medida de la interferencia
auditiva creada por los armónicos en los sistemas de potencia. Será utilizado entonces el
concepto de la total distorsión armónica en sistemas de potencia eléctrica mediante el
apropiado factor de peso,
que establece la sensibilidad del oído humano al ruido de
diferentes frecuencias” [7]
2.2.2.6 Factor de potencia en cargas no lineales.
El factor de potencia para una carga no lineal es posible de calcular como el coseno del
ángulo entre los factores de tensión y corriente para cierta carga por lo que se le conoce
como factor de potencia de desplazamiento o DPF por sus siglas en inglés Displacement
Power Factor. En el caso de las cargas no lineales se debe calcular de la siguiente manera
[20]:
2.2.2.7 Factores TDHf, THDr y Kfact utilizados por el Fluke 43.[25]
El factor TDHf según el fabricante del Fluke 43 “es la distorsión armónica total en relación
con el valor eficaz (RMS) de la fundamental”[25].
35
El TDHr “es la distorsión armónica total en relación con el valor eficaz (RMS) de toda
la onda. TDHr es la relación de la suma de la potencia de todos los armónicos de frecuencia
(sin incluir la fundamental) con la potencia de todos los armónicos” [25]
En donde:
RMS0: Valor eficaz de la componente DC.
RMS1: Valor eficaz de la componente fundamental.
Por último Kfact es definido como [26]:
En el libro “Harmonics and Power Systems” [7] similarmente se define el factor K de la
siguiente manera:
Este índice “es útil para cumplir los requiremientos del Código Eléctrico Nacional
(NEC) y Underwriter’s Laboratories (UL), la capacidad de los transformadores de
36
distribución y de aplicaciones especiales en la industria para operar con los límites térmicos
en circuitos con distorsión armónicas. Estos son transformadores diseñados para operar con
más baja densidad de flujo que los convencionales para permitir que el flujo adicional sea
producido por corrientes armónicas (especialmente por la componente tercera). También
son utilizados para reducir las corrientes de Eddy y las corrientes circulantes de pérdidas en
el núcleo, devanados intercalados y conductores transpuestos.”[7]
2.2.3 Distorsión Armónica.
Las frecuencias de 50 Hz ó 60 Hz son las establecidas en los sistemas eléctricos
mundiales y se puede considerar que la onda generada es sinusoidal. “Sin embargo al
conectarle una carga no lineal a una fuente de voltaje sinusoidal, el resultado es una
corriente no perfectamente sinusoidal. La presencia de esta corriente en la impedancia del
sistema causa una caída de voltaje no sinusoidal y, por lo tanto, produce una distorsión en
el voltaje del sistema”. [2]
2.2.3.1 Efectos de la distorsión armónica.
Algunos de los efectos que causan los armónicos en los sistemas de potencia son [16]:
Fallas en bancos de condensadores y en cables, rompimiento de dieléctricos.
Pérdidas excesivas, resultantes por calentamiento en máquinas sincrónicas.
Mayores pérdidas en el núcleo y en los devanados de los transformadores.
Resonancias que producen sobretensiones y sobrecorrientes en el sistema.
37
Errores en equipos de medición.
Mala operación de sistemas de control de estado sólido.
Entre otros.
A nivel residencial se puede considerar que los principales problemas por un alto nivel de
distorsión armónica que podrían presentarse son los siguientes:
Televisores: “la afectación del pico de tensión eléctrica debido armónicos puede
causar cambios en el tamaño de la imagen, brillo. Los inter-armónicos, que son
múltiplos que no son múltiplos íntegros de la fundamental, pueden modular la
amplitud de la frecuencia fundamental, incluso un nivel de 0.5% de inter-armónicos
pueden producir alargamiento y reducción de la imagen del tubo de radio
catódico”[1]
Dispositivos de iluminación: “se puede producir resonancia entre los capacitores
internos, inductancias y el balastros, por consiguiente calentamientos y falla del
equipo. Sin embargo la frecuencia de la mayoría de lámparas de este tipo es de 7580 Hz evitando este efecto. El ruido es otro efecto que podría causar la distorsión
armónica” [1]. “La presencia de interarmónicos pueden generar oscilaciones de
tensiones y parpadeos (flicker). Las lámparas incandescentes son más sensibles al
parpadeo mientras que las fluorescentes a las variaciones de la tensión pico”[7]
Computadoras: “los diseñadores han impuesto ciertos límites aceptables de
distorsión armónica en los diferentes puntos de alimentación en donde se va
38
conectar el equipo. La tasa de armónicos medida en vacío debe ser inferior al 3%
(Honeywell, DEC) ó 5% (IBM). CDC especifica que la relación entre el valor pico
y el valor efectivo debe ser de 1.41 + 0.1” [1].
Interferencia con circuitos de comunicación: “niveles bajos de distorsión armónicas
pueden causar ruido llegando a ser molestos y en casos extremos con muy alto nivel
de afectación armónica se podría perder información. En la comunicación telefónica
la voz posee una banda normalmente diseñada entre 300 a 3000 Hz, a pesar que la
amplitud de los armónicos es mucho menor que la fundamental estos valores estos
pueden tener afectar generando ruido.”[1]
Calentamiento de conductores: “Las corrientes armónicas pueden generar
calentamiento debido al efecto piel, debido a que este aumenta con la frecuencia”[1]
Este efecto se puede presentar principalmente en el neutro “debido que este
normalmente se diseñar de igual calibre a los conductores de fase siendo de soportar
las corrientes desbalanceadas sin embargo la presencia de corrientes de secuencia
cero las amplifica”[7]
Fusibles e interruptores temo-magnéticos (breakers): “el contenido armónico
aumentan el valor rms de la corriente y de la tensión eléctrica” [7] lo que puede
causar que este tipo de protecciones pueden desconectarse en condiciones normales.
Medidores: “Pueden generarse errores de medición positiva y negativamente
particularmente en existencia de condiciones de resonancia en donde existen muy
39
alto contenido armónico (TDH mayor al 20%).
Los medidores de tipo disco
normalmente sensan sólo onda fundamental sin embargo en los circuitos que son
desbalanceados
por
distorsión
armónica
se
pueden
obtener
mediciones
defectuosas.”[12]
2.2.3.2. Fuentes generadoras de armónicos.
A continuación se presentan algunas fuentes generadoras de armónicos.
Transformadores: debido al efecto de histéresis magnética
Fuerzas magneto-motrices en máquinas rotativas de corriente alterna
Armónicos de tensión en las máquinas sincrónicas: por la distribución no
sinusoidalmente en el entrehierro.
Armónicos de tensión en los motores de inducción: por asimetría de los polos y
bobinados del rotor.
Dispositivos electrónicos como: fuentes conmutadas, rectificadores de onda
(trifásicos y monofásicos), variadores de frecuencia, reguladores de voltaje,
dimmers (reguladores por ángulo de disparo), fuentes de energía ininterrumpida
(UPS).Convertidos
AC/DC,
computadoras,
impresoras,
microcomputadores,
moduladores por ancho de pulso (PWM).
Hornos de arco.
Lámparas de descarga.
40
En general las lámparas de descarga generan principalmente armónicos de corriente
impares. En el caso de los bombillos fluorescentes compactos
figura 2.16, se puede
observar cómo deforman la onda de corriente.
Figura 2.14 Onda de corriente y tasa de distorsión generada por una LFC [5]
En este tipo de luminaria es común que el 3er armónico posea una amplitud
significante, los armónicos de secuencia cero (tabla 2.10) “son los predominantes en el
neutro porque están en fase lo cual ocurre comúnmente en las lámparas fluorescentes con
balastro electromagnético cómo se muestra en la figura 2.15”. La corriente de neutro se
determina mediante la siguiente ecuación [7]:
41
Figura 2. 15 Espectro de las corrientes de neutros para lámparas fluorescentes [7]
Tradicionalmente se han modelado las lámparas fluorescentes compactas “como una
fuente fija de corriente armónica, figura 2.16(a), que ignora la interacción armónica con la
red eléctrica. Sin embargo, cuando la magnitud y los ángulos de fase de la tensión varían, la
corriente del LFC también varía. Lo que lleva a utilizar una admitancia, para representar el
LFC como un circuito equivalente de Norton, figura 2.16(b). Con lo anterior se permite
calcular la distorsión armónica en cada barra. También proporciona una solución más
completa en cuanto a la atenuación y los efectos de resonancia”. [20]
42
Figura 2.16 Modelos utilizados para los bombillos fluorescentes compactos [20]
Debido al comportamiento no lineal de los bombillos fluorescentes compactos: “una
pequeña variación de la tensión en una frecuencia produce una variación de muchas
frecuencias en la corriente. Para lo cual la matriz de admitancias de los LFC puede ser
descrita como una respuesta en frecuencia entre la señal de entrada (tensión) y la salida
(corriente), y el acoplamiento entre ellos en una pequeña región lineal en donde el valor de
la matriz de admitancia es constante. Debido a un pequeño cambio de magnitud ∆
, cada
perturbación es considerada como una operación linear en donde las primeras derivadas
parciales continúan siendo las mismas en el punto de operación normal o punto base con
ciertos
y
En general el punto de acoplamiento entre el enésimo armónico
de voltaje y el emésimo armónico de corriente se puede expresar como:” [20]
43
Aunque “Ym,n varía con la magnitud y fase del voltaje aplicado , con una variación
pequeña como ∆Vn producirá que Ym,n sea sólo dependiente de la fase”[20]. Por lo tanto la
matriz de admitancia para los bombillos fluorescentes compactos se define como [20]:
Para poder obtener la matriz se simula utilizando el circuito de la figura 2.17, la
sencillez del circuito se debe a que los fabricantes prefieren este tipo de topología a pesar
de existir otras con menor tasa de distorsión armónica porque esto implica una mayor
inversión, “comúnmente se fabrican con ITHD entre 110% hasta 200%. El circuito
representado en la figura 2.17 puede presentar un ITDH de 110%. Generalmente la lámpara
se considera como una resistencia constante conectada al voltaje DC, por lo tanto las etapas
de filtrado y rectificadora son las que tienen mayor efecto en el rendimiento de las lámparas
44
fluorescente compacta” [20]. Primeramente se considera el circuito conectado a una fuente
sin distorsión armónica para determinar el punto base.
Figura 2. 17 Circuito base en punto de operación lineal [20]
Seguidamente se incorpora “una tensión de perturbación para cada frecuencia, iniciando
con el tercer armónico como se muestra en la figura 2.18. En cada caso se calcula la
corriente perturbada que varía la corriente base por ∆In. La simulación se realizó mediante
PSCAD/EMTDC efectuando un barrido angular en variaciones de 10 grados en la fase de
la tensión desde 0° hasta 360°” [20]. En la figuras 2.19 y 2.20 se muestran las gráficas Loci
de la tensión y corriente perturbada para distorsiones en la tensión fuente de 0.5%, 0.1% y
0.15%.
45
Figura 2. 18 Circuito en análisis con distorsión armónica [20]
Figura 2. 19 Variación de la fase de la tensión de alimentación con distorsiones de
0.015%, 0.1%, 0.15% en la tercera armónica [20]
46
Figura 2. 20 Diagrama Loci de la corriente correspondiente al tercer armónico [20]
Una vez conocidos los valores de tensión y corriente perturbada para el tercer armónico
es posible calcular la admitancia para el tercer armónico mediante la ecuación 2.2-18,
gráficamente se representa en la figura 2.21. El procedimiento se repite hasta obtener todos
los valores de la matriz, en la figura 2.22 es posible observar los valores de la admitancia de
una lámpara fluorescente compacta para una distorsión de la tensión de línea de 0.1%
47
Figura 2. 21 Admitancia de la CFL producida por el 3er armónico de tensión [20]
Figura 2. 22 Admitancia de la CFL para distintos componentes de distorsión
armónica [20]
48
2.3 Normativas relacionadas con la distorsión armónica a nivel
residencial.
2.3.1 Norma Técnica de la ARESEP AR-NTVCS
A nivel nacional el reglamento que limita el grado de distorsión en la red de energía
eléctrica es la Norma Técnica de la ARESEP AR-NTVCS: Calidad del Voltaje de
Suministro en donde su “aplicación es de obligatoriedad para todos los abonados, usuarios
y empresas eléctricas de distribución, que se encuentren establecidas en el país o que
llegasen a establecer bajo régimen de concesión, de conformidad con las leyes
correspondientes”. [3]
Con respecto a la limitación del contenido armónico en las redes de distribución en su
“Sección 2. Alimentación a baja tensión” se establece para las empresas distribuidoras los
límites de distorsión armónica en la onda de tensión:
“En condiciones normales de explotación, para cada período de siete días consecutivos
el 95% de los valores eficaces de cada tensión armónica promediados en 10 minutos, no
debe sobrepasar el 3% del valor de la tensión nominal. Además, la tasa de distorsión
armónica total de la tensión (TDH) suministrada (comprendidos todos los armónicos hasta
el orden 40) no debe sobrepasar el 5%.”[3]
La tasa de distorsión total de la tensión (TDH) se calcula utilizando la ecuación 2.2-11,
sin embargo en la sumatoria el límite se considera hasta el componente armónico 40.
49
Se continúa con una nota que indica: “Los valores aquí señalados corresponden a los
límites de tensiones armónicas de la tensión de servicio, siempre y cuando el abonado o
usuaria cumpla con las condiciones armónicas contempladas en el numeral 2.7” [3]
En la sección 2.7 la norma señala los límites para los usuarios sobre las corrientes
armónicas:
“Las empresas eléctricas velarán porque los abonados o usuarios del tipo industrial y
general, con servicios trifásicos ajusten sus instalaciones con el fin de que la distorsión
armónica de la corriente en el punto de entrega se encuentre dentro de los límites
establecidos en la Tabla 2.11.”[3]
Tabla 2.13 Límites de distorsión armónica de corrientes para usuarios conectados en
redes generales de distribución. [3]
Tensión de 120 a 34500 voltios
h<11
11<h<17
17<h<23
23<h<35
35<h
TDD
<20
4.0
2.0
1.5
0.6
0.3
5.0
20<50
7.0
3.5
2.5
1
0.5
8.0
50<100
10.0
4.5
4.0
1.5
0.7
12.0
100<1000
12.0
5.5
5.0
2
1
15.0
>1000
15.0
7.0
6.0
2.5
1.4
20.0
Donde
Isc = máxima corriente de cortocircuito en el PCC.
IL = máxima corriente de carga demandada (componente de frecuencia fundamental) en el PCC .
50
La tasa de distorsión total de la corriente (TDD) se calculará utilizando la ecuación 2.212 considerando sólo los primeros 40 armónicos. En esta sección se posee la siguiente nota:
“Los valores de la distorsión para las armónicas de orden par deben limitarse al 25% de los
valores para armónicas de orden impar.” [3]
La ARESEP para la determinación esta norma técnica se basó en el estándar “IEEE 5191192: Prácticas y requerimientos recomendados para el control de armónicos en sistemas
eléctricos de potencia” [12], el cual se estudiará en el siguiente apartado, por lo que se
podrá observar la similitud de criterios.
2.3.2 Estándar IEEE 519-1992: Prácticas y requerimientos recomendados para
el control de armónicos en sistemas eléctricos de potencia.
En este estándar en el capítulo 10 se definen los límites de distorsión armónica para los
consumidores individuales, en el capítulo 11 se definen distintos parámetros relacionados
con la calidad de energía que las empresas encargadas de suministrar la energía eléctrico
deben respetar. El IEEE indica que con este estándar “se trata de reducir los efectos de los
armónicos en cualquier punto en todo el sistema mediante el establecimiento de límites a
ciertos índices armónicos (de corriente y tensiones) en punto de acoplamiento común
(PCC), en el punto donde se ubica el medidor o cualquier otro punto con la condición que
ambas partes: la empresa suministradora del servicio de energía eléctrica y el consumidor
puedan tener acceso a realizar mediciones y estimar los índices armónicos en el punto de
51
interferencia (PDI) a través de métodos de acuerdo mutuo. Dentro de una planta industrial
el PCC es el punto entre la carga y otras cargas no lineales.” [12]
Se limita la cantidad de armónicas en la onda de corriente por las siguientes razones:
“Limitar la inyección armónica de consumidores individuales para no causen
niveles de distorsión de voltaje inaceptables para características normales del
sistema.
Limitar la distorsión armónica global del sistema de alimentación de voltaje.” [12]
Dado que la corriente total de inyección armónica es la suma de las corrientes de
inyección armónica de los consumidores, la cual es mayor de la entre mayor sea la
magnitud de la carga entonces el Estándar IEEE 519-1992 impone límites más severos a los
consumidores con mayor demanda mediante la determinación la razón
explica en la Tabla 2.12. En donde
, el cual se
se determinará como el promedio de la máxima
corriente demandada durante los doce últimos meses precedentes.
52
Tabla 2.14 Límites de Distorsión de Corriente para Sistemas de Distribución en
General (desde 120 V hasta 69 000 V) [12]
Máxima Distorsión de Corriente Armónica en Porcentaje de IL
Orden Armónico Individual (Armónicos Impares)
Isc / IL
h < 11
11≤h<17
17≤h<23
23≤h<35
35≤h
TDD
<20*
4.0
2.0
1.5
0.6
0.3
5.0
20<50
7.0
3.5
2.5
1.0
0.5
8.0
50<100
10.0
4.5
4.0
1.5
0.7
12.0
100<1000
12.0
5.5
5.0
2.0
1.0
15.0
>1000
15.0
7.0
6.0
2.5
1.4
20.0
Los armónicos de orden par son limitados al 25% de los límites armónicos impares.
Las distorsiones de corriente que resulten en una compensación DC, p.e. convertidores de media onda,
no son permitidas.
*
Todo equipo de generación de potencia está limitado a estos valores de distorsión de corriente, sin tener
en cuenta la relación Isc/IL real.
Donde
Isc = máxima corriente de cortocircuito en el PCC.
IL = máxima corriente de carga demandada (componente de frecuencia fundamental) en el PCC.
2.3.3 IEC 61000-3-2 Límites para la emisión de corrientes armónicas
(equipamiento con corriente de entrada < 16 A por fase)
La norma IEC 61000-3-2 impone los límites para la emisión de corrientes armónicas
realizando una clasificación de las cargas en su apartado 5 (Anexo 1), en donde el
equipamiento de iluminación se considera como Clase C.
53
Los requerimientos establecidos en la norma son sólo para equipo que vaya a ser
conectado a sistemas con 220/380 V, 230/400 V, 240/415V operando a 50 Hz o 60 Hz.
Los límites se establecen de la siguiente manera:
“a) Carga con Potencia activa > 25 W
Las corrientes armónicas no excederán los límites establecidos en la tabla 2.14 Sin
embargo la tabla 2.13 se aplica para lámparas incandescentes con reguladores de intensidad
lumínica o dimmer.
Para lámparas de descarga con dimmers se aplica lo siguiente:
1) Los valores de las corrientes armónicas para la máxima carga no superarán los límites
dados en la tabla 2.14
2) Para cualquier posición del dimmer no se sobrepasará los límites establecidos.
b) Carga con Potencia activa < 25 W
Se cumplirá con alguno de los dos siguientes requerimientos:
1) Las corrientes armónicas no excederán los límites relacionados con la potencia en la
tabla 2.14, columna 2.
2) El tercer armónico de corriente, expresado como un porcentaje la componente
fundamental de la corriente, no excederá el 86%, el quinto armónico no excederá el 61%;
además la forma de la corriente de entrada será tal que empiece a salir antes de o a 60°,
tiene su último pico (si hay varios picos por medio período) antes o en 65° y no dejan de
54
fluir antes de los 90°, donde el paso por cero de la tensión fundamental de alimentación. Si
el equipo de iluminación de descarga posee dimmer la medición se realizará sólo a plena
carga.” [11]
Tabla 2.15 Límites de corrientes armónicas para equipo Clase A [11]
Orden de armónico (n)
Máxima corriente armónica permitida (A)
Armónicos impares
2,3
3
1,14
5
0,77
7
0,40
9
0,33
11
0,21
13
15 < n < 39
Armónicos pares
2
4
6
1,08
0,43
0,30
8 < n < 40
55
Tabla 2.16 Límites de corrientes armónicas para equipo Clase C [11]
Orden de Armónico (n)
Máxima corriente armónica permitida
expresada como un porcentaje de la corriente
de entrada a la frecuencia fundamental. (%)
2
2
3
*
5
10
7
7
9
5
11<n<39 (sólo impares)
3
* es el factor de potencia del circuito.
Tabla 2.17 Límites para equipamiento de clase D [11]
Orden Armónico (n)
3
5
7
9
11
13 < n < 39 (sólo impares)
Máxima corriente armónica
permitida por Watt (mA/W)
3,4
1,9
1,0
0,5
0,35
Máxima corriente armónica
permitida (A)
2,3
1,14
0,77
0,40
0,33
Ver tabla 1
56
3. CAPÍTULO 3: Pruebas, resultados y análisis.
Para la parte práctica se utilizó todo el equipo especificado en la tabla 3.1. El
Analizador de Calidad de Energía Fluke 43 que se muestra en la figura 3.1. Los bombillos
empleados se especifican en la tabla 3.2.
Tabla 3. 1 Equipo utilizado.
Nombre
Especificaciones
Analizador de calidad de energía.
Fluke 43
Panel con plafones.
Para 20 luminarias pertenecientes a la CNFL.
Plafón Bticino
Utilizado en las pruebas individuales.
Caja octogonal
Caja metálica octogonal.
Computador.
Pentium IV
Figura 3. 1 Analizador de calidad de energía Fluke 43 [22]
57
Tabla 3. 2 Bombillos utilizados en la parte práctica
Marca
Modelo
a) Ecomax
b) Tecno lite
CE-36w/27
c) MEL-B
d) Sli-lighting
e) Sylvania
f)General
Electric
g)Energy Star
i) Bestvalue
h) Philips
(incandescente)
L4281-548
CE36W/27
MEL-5WB
Warmwhite
827
CF 13
EL/MINI
Mini
esperial T3
1-212-6430114
E33019T
(1018)
A55
Potencia
Tipo
de
rosca
salida
Potencia
W
Tiempo de
vida h
Tensión
V
Tipo
Temperatura
de color
25
-
120
125 W
E27
Espiral LFC
2700 K
36
8 000
127
-
E26
5
-
110-130
-
E26
15
-
120
-
-
Espiral LFC
-
13
-
120
-
E26
Espiral LFC
3500 K
10
8 años 1000
horas de uso
120
500 Lm
E27
Miniespiral
T3
6500K
20
10 000
120
1200 Lm
-
-
-
9
-
120
-
-
Espiral LFC
6400K
100
1000 h
115-120
1550 Lm
E27
-
-
Cuáduple
4U LFC
bombilla
LFC
2700 K
Tal como se indicó en la metodología las pruebas realizadas son las siguientes:
Pruebas individuales: para cada una de las marcas y caracterizarlas mediante
índices armónicos.
Prueba de adición: En esta parte se realizaron tres tipos de pruebas diferentes:
a) Prueba de adición de bombillos fluorescente: Colocar un bombillo fluorescente e
ir agregando más hasta tener 5 bombillos fluorescentes compactos con el fin de
observar cómo se suman los armónicos generados por luminarias fluorescentes.
58
c) Prueba mixta 1: de adición de bombillos incandescentes a uno fluorescentes:
Colocar un bombillo fluorescente e ir agregando bombillos incandescentes hasta
tener 5 bombillos (uno fluorescente y cuatro incandescentes) con el fin de observar
cómo se modifica la forma de onda al ir agregando bombillos incandescentes.
d) Prueba mixta 2: de adición de bombillos fluorescentes a uno incandescente:
Colocar un bombillo incandescente e ir agregando bombillos fluorescentes hasta
tener 5 bombillos (uno incandescente y cuatro fluorescentes) con el fin de observar
cómo se modifica la forma de onda al ir agregando bombillos fluorescentes.
e) Prueba de adición de 10 bombillos fluorescentes compactos: esta prueba se
realizó con el fin de determinar el grado de afectación en la distorsión armónica de
tensión eléctrica al agregar bombillos fluorescentes.
59
3.1 Prueba individual.
En la figura 3.2 se muestra la forma en la que se realizó la prueba individual.
Figura 3. 2 Prueba de individual de luminarias
En la tabla 3.3 se muestran los resultados obtenidos para cada tipo de luminaria y las
características de la tensión eléctrica presente en el momento de las mediciones, en las
figuras 3.3 y 3.4 se puede observar el espectro y forma de la tensión de la salida del
tomacorriente utilizada. En la práctica se contó con nueve bombillos fluorescentes de
distintas marcas y un bombillo incandescente.
60
Tabla 3. 3 Datos para cada marca de lámpara utilizada
Fuente
Frecuencia
(Hz)
Tensión
V RMS
(V)
Tensión
V pico
(V)
Tensión
V DC
(V)
VTHDr
(%)
VTHDf
(%)
VTDH
(V)
Kfact
CF
Tomacorriente
120 VAC
60,04
113,2
166
1
4,33
4,33
4,3
1,05
1,45
ITDHr
(%)
TDHf
(%)
THD
(%)
KF
CF
Bombillos
(Marca)
Frecuencia Corriente Corriente Corriente
Fundamental
RMS
pico
DC
(Hz)
(mA)
(mA)
(mA)
Energy Star
Tecno lite
MEL-B
Sli-lighting
Sylvania
General
Electric
Energy Star
Bestvalue
Eco max
59,97
164
782
-24
78
124,63
75,6
31,5
4,75
60,1
59,97
60,1
288
115
143
1581
582
981
-20
-32
-26
75,65
94,49
80,72
115,69
288,73
136,77
108,10
122-197
87,1
39,1
372-513
42,2
5,49
5,05
6,86
60,3
149
782
-8
83,31
150,62
82,7
59
5,72
60
106
582
-15
91,64
228,99
72,7
75
5,46
59,97
164
782
-24
78
124,63
75,6
31,5
4,75
59,91
60,04
140
164
782
582
-15
-43
78,09
74,401
125
111,33
87,1
71,9
120,4
23,2
5,57
3,54
Philips
60,04
632
1381
-19
17,77
18,06
3
1,6
2,18
Figura 3.3 Forma de onda de la tensión eléctrica de la fuente
61
Figura 3.4 Espectro de la fuente de tensión
Como se puede observar en la tabla anterior el consumo corriente en el bombillo
incandescente es mucho mayor a cualquier tipo de lámpara fluorescente tal como se ha señalado en
el marco teórico. El bombillo General Electric fue el que presentó menor consumo de corriente de
106 mA en su valor eficaz. Por otra parte como se esperaba los índices de distorsión armónica son
mucho más altos en los bombillos fluorescentes que el incandescente lo cual provoca que la forma
de onda no sea sinusoidal, los índices distorsión variaron de acuerdo al tipo de marca del bombillo.
En las figuras 3.5 y 3.6 se puede observar la forma de onda y espectro de la corriente para el
bombillo fluorescente Energy Star la cual dista mucho de una onda sinusoidal; en las figuras 3.7 y
3.8 es posible observar para las gráficas del bombillo incandescente de marca Philips el cual la onda
posee un grado ligero de distorsión generado por la fuente de alimentación debido a que este tipo de
luminarias no generan distorsión. Las formas de onda y espectro para los demás bombillos se
pueden observar en el apéndice 1. En el caso del bombillo fluorescente Tecno Lite posee la
desventaja de poseer un alto pico de corriente como se muestra en la tabla 3.3.
62
Figura 3.5 Forma de la onda de corriente del bombillo Energy Star
Figura 3.6 Espectro de la corriente del bombillo Energy Star
63
Figura 3.7 Forma de onda de la corriente del bombillo incandescente Philips
Figura 3.8 Espectro de la corriente del bombillo incandescente Philips
En la tabla 3.3 se puede observar que para el bombillo Mel-B los valores de TDH y KF
se indican que varía dentro de cierto rango debido a que esta luminaria presentó un
64
comportamiento muy inestable en donde constantemente variaba el valor de la amplitud de
cada componente del espectro tal como se muestra en la figura 3.9.
Figura 3.9 Espectro variante presente del bombillo Mel-B
Este bombillo (Mel-B) fue el que presentó mayor distorsión armónica total entre 122%199% mientras que el bombillo Eco Max fue el que presentó menor grado de generación de
armónicos con un TDH de 71,9 %, estas variaciones se deben a la distinta topología
presente en cada uno de los circuitos internos de estos bombillos.
65
3.2 Pruebas grupales.
En esta prueba se seleccionaron cinco luminarias fluorescentes o mixtas según fuese el
caso.
Figura 3.10 Prueba de adición de lámparas fluorescentes.
Utilizando el panel de la figura 3.10 también se realizó una prueba con 10 bombillos
fluorescentes compactos con el fin de determinar el nivel de afectación de estas cargas no
lineales en el índice de distorsión armónica de la tensión eléctrica.
3.2.1 Prueba de adición de bombillos fluorescentes
En la primera parte se utilizaron bombillos Energy Star debido a la cantidad disponibles
para el momento de la práctica. En la figura 3.10 se muestra la prueba realizada, en donde
66
se comenzó con una luminaria, seguidamente se conectó otro bombillo fluorescente y así
consecutivamente hasta alcanzar 5 bombillos.
En la tabla 3.4 se pueden observar los resultados de esta prueba, en donde se evidencia
que el índice TDH varía poco esto debido a que como se muestra en la ecuación 2.2-11
este índice es la raíz cuadrada de las magnitudes de las componentes armónicas está divida
entre la magnitud de la fundamental se podría decir que es una cantidad normalizada como
también ocurre con los otros índices, por tanto, al colocar un bombillo más implica mayor
amplitud en las componentes y a su vez esta implica mayor amplitud de la fundamental por
lo que ambos efectos tienden a anularse.
Tabla 3.4 Datos obtenidos para prueba de adición de bombillos fluorescentes.
Cantidad
Corriente Corriente Corriente
de
Fundamental
TDHr
RMS
pico
DC
bombillos
Hz
(%)
(mA)
(mA)
(mA)
conectados
TDHf
(%)
THD
(%)
KF
CF
1
59,80
239,00
1181,00
-23,00
78,16
125,31 110,00 41,20
4,94
2
60,00
488,00
1981,00
-44,00
75,32
114,52 117,50 33,50
4,06
3
60,00
735,00
3180,00
-24,00
74,90
113,06 115,10 28,50
4,32
4
60,00
1019,00
4179,00
-19,00
77,10
121,07 119,70 27,30
4,10
5
60,00
1345,00
4979,00
-10,00
75,17
113,97 117,70
3,70
2,55
Como se puede observar al comparar las figuras 3.11 y 3.13 o ver la tabla 3.4, al
aumentar la cantidad de los bombillos aumenta los valores de la corriente RMS y la
corriente pico aumenta rápidamente, lo cual es evidente en la formas de ondas de la
67
corriente de la prueba adjuntas en el apéndice 2, en donde también es posible apreciar que
la variación del espectro de corriente es mínima.
Se puede confirmar que los bombillos fluorescentes compactos poseen alto nivel de
distorsión armónica sin embargo consumen poca corriente por lo tanto su nivel de
afectación dependerá de las otras cargas conectadas junto con ellos las cuales posiblemente
presentarán un consumo mayor.
Figura 3.11 Forma de onda de la corriente de tres bombillos Energy Star
68
Figura 3.12 Espectro de la corriente de tres bombillos Energy Star
Figura 3.13 Onda de corriente de cinco bombillos fluorescentes Energy Star
69
Figura 3.14 Espectro de corriente de cinco bombillos fluorescente Energy Star
Durante esta prueba se obtuvieron los índices de distorsión armónica para la tensión
eléctrica de la fuente. En la tabla 3.5 se muestra que el cambio de estos índices fue muy
poco, en el apéndice se puede observar cómo el espectro y la forma de onda se mantiene
casi que constante al ir agregando bombillos.
Tabla 3. 5 Índices de distorsión armónica para la tensión eléctrica en la prueba de
adición de bombillos.
Bombillo
fluorescente
Frec. Fund.
(Hz)
Vrms
(V)
Vpico
(V)
Vdc
(V)
VTHDf
(%)
VTHDr
(%)
Kfact
CF
1 bombillo
60
115
168
1
5,12
5,12
1,04
1,45
2 bombillos
60
115
166
1
4,07
4,07
1,03
1,44
3 bombillos
60
115
166
1
5,01
5,01
1,03
1,44
4 bombillos
60
115
166
1
5,42
5,43
1,03
1,44
5 bombillos
60
114
166
1
5,32
5,33
1,03
1,45
70
En la segunda parte se realizó la misma prueba con bombillos fluorescentes de distintas
marcas, los resultados fueron similares como se puede observar en las tablas 3.6 y 3.7 y en
el apéndice.
Tabla 3. 6 Índices de distorsión armónica para la corriente, prueba de adición de
fluorescentes compactos de distintas marcas
Nombre de los
bombillos
Configuración
Frec.
Fund.
(Hz)
Irms
(mA)
Ipico
(mA)
Idc
(mA)
I
THDr
(%)
I
THDf
(%)
ITHD
(%)
Kfact
CF
1) Ecomax
Bombillo 1
60,3
168
782
-16
79,28
130,07
58,6
28,5
4,65
2) Sylvania
Bombillos 1,2
59,6
283
1381
-16
66,02
87,89
59,1
22,3
4,89
3) BestValue
Bombillos 1,2,3
59,9
331
1581
-14
64,1
83,52
55,1
21,62
4,78
4) General
Electric
Bombillos 1,2,3,4
59,8
414
1981
-25
58,72
72,54
55,1
14,69
4,78
5) SLI
Todos los bombillos
60
512
1981
-17
59,86
74,73
57,7
12,67
3,87
VTHD
Kfact
(%)
CF
Tabla 3. 7 Índices de distorsión armónica para la tensión prueba de adición de
fluorescentes compactos de distintas marcas
Nombre de los
bombillos
Configuración
1) Ecomax
Bombillo 1
2) Sylvania
Frec.
Fund.
(Hz)
Vrms Vpico
(V)
(V)
Vdc VTHDf
(V)
(%)
VTHDr
(%)
60
117
168
1
5,31
5,31
3,95
1,03
1,44
Bombillos 1,2
60,1
116
168
1
2,3
2,3
3,4
1,03
1,45
3) BestValue
Bombillos 1,2,3
59,9
116
168
1
3,38
3,38
3,5
1,03
1,45
4) General Electric
Bombillos 1,2,3,4
60
111
160
1
3,98
3,98
3,6
1,03
1,44
5) SLI
Todos los bombillos
60
110
160
1
4,21
4,21
4,1
1,03
1,45
71
3.2.2 Prueba de adición mixta 1: adición bombillos incandescentes Philips a
uno fluorescente Energy Star.
Como lo muestra la tabla 3.8 se inició la prueba conectando solamente un bombillo
fluorescente compacto marca Energy Star y seguidamente se le fueron conectando
bombillos incandescentes Philips.
Tabla 3.8 Resultados de la prueba de adición de bombillos incandescentes a uno
fluorescente
Cantidad de bombillos
Frecuencia
Fundamental
(Hz)
I
RMS
(mA)
I pico
(mA)
I DC
(mA)
TDHr
(%)
TDHf
(%)
THD
(%)
KF
CF
Fluorescente
Incadescentes
1
0
59.8
232
1181
-40
78.59
127.1
96.7
34.4
5.09
1
1
59.8
834
1980
7
24.45
25.22
17.2
3.6
2.39
1
2
60.3
1500
2800
0
12.18
12.27
9.4
1.7
1.8
1
3
60
2300
3800
0
9.48
9.52
7
1.4
1.66
1
4
59.7
2900
4600
0
7.7
7.73
5.5
1.3
1.56
En las siguientes figuras se puede observar cómo la forma de onda es cada vez menos
distorsionada y las componentes armónicas disminuyen en el espectro de la corriente. En el
apéndice 2 se puede observar cómo varía gradualmente el espectro y la forma de onda de la
corriente para cada una de las configuraciones establecidas en la tabla 3.8.
72
Figura 3.15 Corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con dos
incandescentes Phillips
Figura 3.16 Espectro de corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con dos
incandescentes Phillips
73
Figura 3.17 Corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con cuatro
incandescentes Phillips
Figura 3.18 Espectro de corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con cuatro
incandescentes Phillips
74
3.2.3 Prueba de adición mixta 2: adición de bombillos fluorescentes a uno
incandescente.
En esta parte se procedió primero conectando un bombillo incandescente Philips y
seguidamente se le fueron conectando bombillos fluorescentes compactos Energy Star.
Tabla 3. 9 Resultados de la prueba de adición de bombillos fluorescentes a uno
incandescente
Cantidad de bombillos
Frecuencia
I
RMS
(mA)
I pico
(mA)
I DC
(mA)
TDHr
(%)
TDHf
(%)
THD
(%)
KF
CF
Fluorescente
Incadescentes
Fundamental
(Hz)
0
1
60.5
673
1381
-37
15.81
16.01
3.2
1.6
2.05
1
1
59.8
834
1981
0
22.7
23.31
17.2
3.5
2.38
2
1
60
1052
2780
-30
32.18
33.99
32
7.1
2.64
3
1
60
1300
0
37.93
41
41.2
9.5
2.84
4
1
59.9
1400
0
40.27
43.99
47.7
11.7
2.96
3600
4200
En contraste con la prueba mixta 1, en los resultados obtenidos en la tabla 3.9 y en las
siguientes figuras se puede notar como la forma de onda es cada vez más distorsionada, las
componentes armónicas aumentan en el espectro de la corriente y se presentan cada vez
mayores picos de corriente. En el apéndice 2 se puede observar cómo varía gradualmente el
espectro y la forma de onda de la corriente al ir agregando cada bombillo fluorescente.
75
Figura 3.19 Corriente de un bombillo incandescente Phillips con dos fluorescentes
Energy Star
Figura 3.20 Espectro de corriente de un bombillo incandescente Phillips con dos
fluorescentes Energy Star
76
Figura 3.21 Corriente de un bombillo incandescente Phillips con cuatro fluorescentes
Energy Star
Figura 3.22 Espectro de corriente de un bombillo incandescente Phillips con cuatro
fluorescentes Energy Star
77
Similar a las pruebas anteriores se obtuvieron los índices de distorsión armónica para la
tensión armónica de la fuente los cuales variaron muy poco al ir agregando este tipo de
carga no lineal
Tabla 3. 10 Índices de distorsión armónica para de la tensión eléctrica para la prueba
mixta 2
Cantidad de
bombillos
Cantidad de
bombillos
Frecuencia
Fund. (Hz)
Vrms Vpico Vdc VTHDf VTHDr VTHD
Kfact
(V)
(V)
(V)
(%)
(%)
(%)
Fluorescente
Incadescentes
60,1
115
166
1
0,93
0,93
3,5
1,04
1,44
0
1
60
115
168
1
5,19
5,19
3,65
1,03
1,46
1
1
60,1
114
166
1
1,63
1,63
3,6
1,03
1,45
2
1
60
115
164
1
4,98
4,98
3,6
1,03
1,43
3
1
60
114
166
1
4,59
4,6
4,5
1,03
1,45
Nota: El bombillo incadescente utilizada era de marca Phillips y los bombillos fluorescentes eran marca Energy Star.
Comparando ambas pruebas mixtas cabe resaltar que para el caso de la prueba mixta 1 la
distorsión total armónica disminuye en gran medida al integrar los bombillos
incandescentes. Se presentó un gran cambio de 79.5 % al conectar el primer bombillo
incandescente debido que el bombillo incandescente consume mucho más corriente que el
fluorescente lo que provoca que disminuya en abismalmente todos los índices armónicos.
Mientras que en la prueba mixta 2 el cambio en los índices de distorsión armónica es muy
leve debido a que la corriente que consumía cada bombillo fluorescente es mucho menor a
la del bombillo incandescente. En la figura 3.23 se muestra una gráfica en la cual se puede
78
CF
observar el comportamiento de la distorsión armónica para cada una de las configuraciones
de las dos pruebas.
Figura 3.23 Variación de la tasa de distorsión armónica (TDH) para cada
configuración en las pruebas mixtas
En lo que corresponde el valor de la corriente RMS aumentó más en la prueba 1 porque
en esta se conectaron mayor cantidad de bombillos incandescentes. En la prueba 2 el
cambio de la corriente RMS al agregar más bombillos fluorescentes fue muy leve como se
puede ver en la figura 3.24.
79
Figura 3.24 Variación del valor eficaz de la corriente para cada configuración de las
pruebas mixtas
A pesar del consumo mayor de los bombillos incandescentes en la prueba 2 se presentó
mayor corriente pico en la configuración con todos los bombillos conectados esto debido al
grado de distorsión presente en la onda de corriente como se pudo apreciar en la figura
3.21. En la figura 3.25 se puede observar este fenómeno.
80
Figura 3. 25 Variación del corriente pico para cada configuración en las pruebas
mixtas
3.2.4 Prueba de adición de 10 bombillos fluorescentes compactos.
Similar a las pruebas anteriores se utilizaron bombillos Energy Star debido a la cantidad
disponible. En la figura 3.26 se puede observar la gráfica de la variación de la tensión RMS
de la fuente (color rosa) y la del VTHD (color azul) la prueba se inició con una lámpara
fluorescente compacta (LFC) hasta llegar a diez, como se puede observar al aumentar el
número de bombillos la distorsión armónica total tiende a aumentar sin embargo debido a
81
una depresión en la fuente de alimentación se produce un aumento brusco en la distorsión
armónica total de la tensión por lo tanto se puede decir que las variaciones de la distorsión
armónica depende más de fenómenos externos, como en este caso una depresión de tensión,
que a la presencia de luminarias fluorescentes. Además cabe resaltar que en las pruebas
anteriores al conectar mayor cantidad de bombillos fluorescente el cambio en los índices
armónicos de tensión fue muy pequeño.
Figura 3. 26 Variación de la tensión RMS y la distorsión armónica total de la tensión
de la fuente de alimentación
82
4. Capítulo 4: Conclusiones y Recomendaciones
4.1 Conclusiones.
Con el estudio realizado este trabajo sobre el uso de bombillos fluorescentes a nivel
residencial se determina que los bombillos fluorescentes compactos generan un alto grado
de distorsión armónica en donde se presenta la mayor amplitud en la tercera componente,
sin embargo la corriente consumida por estos dispositivos es baja por lo tanto el nivel de
afectación puede ser fácilmente atenuado por otras cargas lineales en un hogar, tal como se
mostró en la prueba mixta 1 en donde con sólo conectar un bombillo incandescente de 100
W marca Phillips a uno fluorescente marca Energy Star el índice de distorsión armónica
disminuyó abruptamente de 127.1% a 25.22%.
La configuración utilizada del circuito interno de las luminarias fluorescentes se refleja
en los índices de distorsión armónica, en donde en el diseño de la topología interna se
puede decir hay compromiso entre obtener una eficiencia alta, distorsión armónica y la no
presencia de parpadeo.
En las marcas analizadas se logró determinar que el bombillo fluorescente de marca
Eco max presentó la menor tasa total de distorsión armónica de 71,9%, por su parte el
bombillo fluorescente marca Mel-B presentó un comportamiento muy inestable y a su vez
la mayor tasa total de distorsión armónica que variaba entre 122% a 197%. Los bombillos
incandescentes presentaron tasas de distorsión muy bajas alrededor de 3%, semejantes a la
fuente de tensión utilizada, además presentaron una corriente eficaz de 632 mA que es
83
mayor al doble de la corriente necesitada por cualquier tipo de bombillo fluorescente por lo
tanto se verifica lo ahorrativos que son los bombillos fluorescentes compactos. El bombillo
General Electric fue el que presentó menor consumo de corriente de 106 mA en su valor eficaz. El
bombillo marca Tecno Lite fue el que presentó una forma de onda con mayor corriente pico de 1581
mA.
La variación de los índices de distorsión armónica total de la tensión se ven muy poco
influenciados al conectar bombillos fluorescentes compactos tal como se mostró las variaciones se
debían mayoritariamente por variaciones del valor rms de la tensión de la fuente de alimentación.
En lo que corresponde a los límites establecidos por normativas internacionales y
nacional se determina que la normativa técnica AR-NTVCS: Calidad del Voltaje de
Suministro de la ARESEP está basada en el estándar IEEE 519-1992 en donde establecen
límites de distorsión armónica en la tensión eléctrica que deben cumplir las compañías
distribuidoras siempre y cuando los usuarios cumplan con los límites de distorsión
armónica establecidos para la corriente eléctrica (tabla 2.11). Por otra parte la normativa
europea realiza una clasificación de cargas y según el tipo, se establecen los márgenes.
4.2 Recomendaciones.
Con el fin de tener una caracterización más completa de cada uno de los bombillos
estudiados sería importante realizarles mediciones del flujo luminoso para obtener la
eficiencia de cada uno.
84
Se recomienda a futuro realizar un análisis sobre el impacto del uso de bombillos
fluorescentes a nivel de la red distribución utilizando modelos presentados en este trabajo,
como se ha realizado en otras fuentes bibliográficas como la presentada por Zhilian Wei en
[20].
Además sería importante realizar un análisis para cada circuito ramal de una residencia
con el fin de determinar el grado de afectación real de cada una de las cargas no lineales
presentes en un hogar.
85
BIBLIOGRAFÍA
1. Acha, E; Madrigal, M. “Power systems harmonics: Computer modelling and
analysis”, Primera Edición, John Wiley and Sons, Inglaterra, 2002.
2. Arrillaga, J. Watson, N. “Power System Harmonics Analysis”, Segunda Edición,
John Wiley and Sons, Inglaterra, 2003.
3. Autoridad Reguladora de los Servicios Públicos (ARESEP), “Norma Técnica de la
Aresep AR-NTVCS: Calidad del Voltaje de Suministro”, ARESEP, Costa Rica,
2001
4. Bastian, P. “Electrotecnia: ciclos formativos”, Vigésima Primera Edición, Akal,
Alemania, 2001
5. Cicala, C. Podestà, L. “Current Harmonics generated by lamps: a comparison
in different conditions of supply voltaje”, IEEE, Portugal, 2009.
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16. Parra, E. “Análisis de armónicos en sistemas de distribución”, Universidad
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22. Fluke, “Analizador de calidad de energía Fluke 43”
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23. GrupoICE,
“Consejos
para
ahorrar
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hogar”,
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Programas:
25. Fluke Corporation (1998), “SW43W Fluke View Power Quality Analyzer
Software”, Version 1.0.
88
APÉNDICES
Apéndice 1. Resultados obtenidos en la prueba individual.
Bombillo fluorescente compacto Best Value.
Figura A.1 Bombillo fluorescente compacto marca Best Value
Figura A.2 Forma de onda de la corriente del bombillo Best Value
Figura A.3 Espectro de la corriente para el bombillo fluorescente Best Value
89
Bombillo fluorescente compacto Eco Max.
Figura A.4 Bombillo fluorescente compacto Eco Max
Figura A.5 Forma de la onda de corriente del bombillo Eco Max
Figura A.6 Espectro de la corriente del bombillo Eco Max
90
Bombillo fluorescente compacto Energy Star.
Figura A.7 Bombillo fluorescente compacto Energy Star
Figura A.8 Forma de la onda de corriente del bombillo Energy Star
Figura A.9 Espectro de la corriente del bombillo Energy Star
91
Bombillo fluorescente compacto General Electric
Figura A. 10 Bombillo fluorescente compacto General Electric
Figura A.11 Forma de la onda de corriente del bombillo General Electric
Figura A.12 Espectro de corriente del bombillo General Electric
92
Bombillo fluorescente compacto Mel.
Figura A.13 Bombillo fluorescente compacto Mel
Figura A.14 Forma de onda de la corriente del bombillo Mel
Figura A.15 Espectro de la corriente del bombillo Mel
93
Bombillo fluorescente compacto Sli-lighting
Figura A.16 Bombillo fluorescente compacto Sli-lighting
Figura A. 17 Forma de onda de corriente del fluorescente compacto Sli-lighting
Figura A. 18 Espectro de la corriente del bombillo fluorescente Sli-lighting
94
Bombillo fluorescente compacto Tecno Lite
Figura A.19 Bombillo fluorescente compacto Tecno lite
Figura A.20 Forma de la onda de corriente del bombillo fluorescente Tecno lite
Figura A.21 Espectro de corriente de bombillo Tecno lite
95
Bombillo fluorescente compacto Sylvania.
Figura A.22 Bombillo fluorescente compacto Sylvania
Figura A.23 Forma de la onda de corriente del bombillo Sylvania
Figura A.24 Espectro de la corriente del bombillo Sylvania
96
Bombillo incandescente Philips
Figura A.25 Bombillo incandescente Philips
Figura A.26 Forma de onda de la corriente del bombillo incandescente Philips
Figura A.27 Espectro de la corriente del bombillo incandescente Philips
97
Apéndice 2. Resultados obtenidos en las pruebas de adición
Prueba de adicción de 5 bombillos fluorescentes Energy Star
Figura A. 28 Forma de la onda de corriente de un bombillo Energy Star
Figura A.29 Espectro de la corriente de un bombillo Energy Star
98
Figura A.30 Forma de la onda de la tensión de un bombillo Energy Star
Figura A.31 Espectro de la tensión de un bombillo Energy Star
99
Figura A.32 Forma de onda de la corriente de dos bombillos Energy Star.
Figura A.33 Espectro de corriente dos bombillos fluorescentes Energy Star.
100
Figura A.34 Forma de onda de la tensión para dos bombillos Energy Star
Figura A.35 Espectro de tensión para dos bombillos Energy Star
101
Figura A.36 Forma de onda de la corriente de tres bombillos Energy Star
Figura A.37 Espectro de la corriente de tres bombillos Energy Star
102
Figura A.38 Formas de onda de la tensión eléctrica para tres bombillos Energy Star
Figura A.39 Espectro de tensión para tres bombillos Energy Star
103
Figura A.40 Forma de onda de la corriente de cuatro bombillos Energy Star
Figura A.41 Espectro de corriente de cuatro bombillos Energy Star
104
Figura A.42 Forma de onda de la tensión para cuatro bombillos Energy Star
Figura A.43 Espectro de tensión para cuatro bombillos Energy Star
105
Figura A.44 Onda de corriente de cinco bombillos fluorescentes Energy Star
Figura A.45 Espectro de corriente de cinco bombillos fluorescentes Energy Star
106
Figura A.46 Forma de onda de la tensión para cinco bombillos Energy Star
Figura A.47 Espectro de tensión para cinco bombillos Energy Star
107
Prueba de adicción de 5 bombillos fluorescentes de distintas marcas:
En donde:
Configuración 1: conexión de un bombillo Ecomax.
Configuración 2: conexión de un bombillo Ecomax y uno marca Sylvania.
Configuración 3: conexión de un bombillo Ecomax, un Sylvania y un Best Value.
Configuración 4: conexión de un bombillo Ecomax, un Sylvania, un Best Value y
un General Electric.
Configuración 5: conexión de un bombillo Ecomax, un Sylvania, un Best Value, un
General Electric y un Sli lighting.
Figura A.48 Forma de onda de la corriente para la configuración 1
108
Figura A.49 Espectro de la corriente para la configuración 1
Figura A.50 Forma de onda de tensión para la configuración 1
109
Figura A.51 Espectro de tensión de la configuración 1
Figura A.52 Forma de onda de la corriente para la configuración 2
110
Figura A.53 Espectro de corriente para la configuración 2
Figura A.54 Forma de la onda de la tensión para la configuración 2
111
Figura A.55 Espectro de tensión para la configuración 2
Figura A.56 Forma de onda de la corriente para la configuración 3
112
Figura A.57 Espectro de corriente para la configuración 3
Figura A.58 Forma de onda de la tensión para la configuración 3
113
Figura A.59 Espectro de tensión para la configuración 3
Figura A.60 Forma de onda de la corriente para la configuración 4
114
Figura A.61 Espectro de corriente para la configuración 4
Figura A.62 Forma de onda de la tensión para la configuración 4
115
Figura A.63 Espectro de tensión para la configuración 4
Figura A.64 Forma de onda de la corriente para la configuración 5
116
Figura A.65 Espectro de corriente para la configuración 5
Figura A.66 Forma de onda de la tensión para la configuración 5
117
Figura A.67 Espectro de la tensión para la configuración 5
118
Prueba mixta 1: Adición de bombillos incandescentes a uno fluorescentes.
Figura A.68 Corriente de un bombillo fluorescente Energy Star
Figura A.69 Espectro de corriente bombillos fluorescentes Energy Star
119
Figura A.70 Corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con un incandescente
Phillips
Figura A.71 Espectro de corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con un
incandescente Phillips
120
Figura A.72 Corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con dos
incandescentes Phillips
Figura A.73 Espectro de corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con dos
incandescentes Phillips
121
Figura A.74 Corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con tres
incandescentes Phillips
Figura A.75 Espectro de corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con tres
incandescentes Phillips
122
Figura A.76 Corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con cuatro
incandescentes Phillips
Figura A.77 Espectro de corriente de un bombillo fluorescente Energy Star con cuatro
incandescentes Phillips
123
Prueba mixta 2: de adición de bombillos fluorescentes a uno incandescente
Figura A.78 Forma de onda de la corriente de un incandescente Phillips
Figura A.79 Espectro de corriente de un bombillo incandescente Phillips
124
Figura A. 80 Forma de la onda de tensión para un bombillo incandescente Phillips
Figura A. 81 Espectro de tensión para un bombillo incandescente Phillips
125
Figura A.82 Forma de onda de la corriente de un bombillo incandescente Phillips con
un fluorescente Energy Star
Figura A. 83 Espectro de corriente de un bombillo incandescente Phillips con un
fluorescente Energy Star
126
Figura A.84 Forma de onda de la tensión de un bombillo incandescente Phillips con
un fluorescente Energy Star
Figura A. 85 Espectro de tensión de un bombillo incandescente Phillips con un
fluorescente Energy Star
127
Figura A.86 Forma de onda de la corriente de un bombillo incandescente Phillips con
dos fluorescentes Energy Star
Figura A.87 Espectro de corriente de un bombillo incandescente Phillips con dos
fluorescentes Energy Star
128
Figura A. 88 Forma de la onda de la tensión de un bombillo incandescente Phillips con
dos fluorescentes Energy Star
Figura A.89 Espectro de tensión de un bombillo incandescente Phillips con dos
fluorescentes Energy Star
129
Figura A.90 Forma de onda de la corriente de un bombillo incandescente Phillips con
tres fluorescentes Energy Star
Figura A.91 Espectro de corriente de un bombillo incandescente Phillips con tres
fluorescentes Energy Star
130
Figura A.92 Forma de onda de la corriente de un bombillo incandescente Phillips con
tres fluorescentes Energy Star
Figura A.93 Espectro de corriente de un bombillo incandescente Phillips con tres
fluorescentes Energy Star
131
Figura A. 94 Corriente de un bombillo incandescente Phillips con cuatro fluorescentes
Energy Star
Figura A. 95 Espectro de corriente de un bombillo incandescente Phillips con cuatro
fluorescentes Energy Star
132
Figura A.96 Forma de onda de la tensión de un bombillo incandescente Phillips con
cuatro fluorescentes Energy Star
Figura A.97 Espectro de tensión de un bombillo incandescente Phillips con cuatro
fluorescentes Energy Star
133
ANEXOS
Anexo 1
Clasificación de las cargas presentada en la norma IEC 61000-3-2 [11].
“Con el propósito limitar las corrientes armónicas, el equipo se clasifica de la siguiente
manera:
Clase A:
- Equipo trifásico equilibrado;
- los aparatos domésticos, excluyendo el equipo identificado como clase D;
- herramientas, con exclusión de las herramientas portátiles;
- dimmers para lámparas incandescentes;
- equipos de audio.
De material no especificado en una de las tres otras clases se considerará en la categoría A
equipo.
NOTA 1: El equipo que se puede demostrar que tienen un efecto significativo en el sistema
de suministro puede ser reclasificado en una
futura edición de la norma. Factores a tener en cuenta son:
- Número de equipos en uso;
- la duración del uso;
- simultaneidad de uso;
- consumo de energía;
134
- espectro armónico, incluida la fase.
Clase B:
- herramientas portátiles;
- Equipos de soldadura eléctrica de arco que no es un equipo profesional.
Clase C:
- Equipos de iluminación.
Clase D:
Equipos con una potencia especifica de acuerdo a 6.2.2 inferior o igual a 600 W, de la
siguientes tipos:
- ordenadores personales y monitores de computadoras personales;
- receptores de televisión.
NOTA 2 límites de la Clase D están reservadas para los equipos que, en virtud de los
factores enumerados en la nota 1, se puede demostrar que
tienen un efecto pronunciado sobre el sistema de suministro de electricidad pública.”[11]
135