Distorsión armónica producida por lámparas de bajo

nota técnica
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Distorsión armónica producida
por lámparas de bajo consumo
Dispositivo para reducir su impacto en la calidad de servicio
Por Ing. María Rita Ferrari, Ing. Luis Alberto Krapf, Mgter. Jorge Ronco, Ing. Eduardo Passerini,
Rosana Andrea Seggiaro, Ing. Gonzalo López, Ing. Luciano Rumin, Ing. Andrés Carlos Vazquez Sieber
Escuela de Ingenieria Eléctrica – Facultad de Ciencias Exactas, Ingenieria y Agrimensura - Universidad Nacional de Rosario
Palabras clave
con el fin de minimizar el impacto
degradación y/o destrucción de ca-
Lámpara de bajo consumo, ar-
de las LBC en la calidad de servicio
pacitores, deterioro del desempeño
mónicas, factor de potencia, distor-
(PQ), se propone el uso novedoso
de los equipos de medición, fallas
sión armónica, dispositivo corrector
de un dispositivo electrónico que
en la operación de los dispositivos
elimina un alto porcentaje del con-
de protección, incremento en las
Resumen
tenido armónico de la corriente y
pérdidas del sistema y perturba-
Este trabajo analiza la distorsión
posibilita que la LBC sea vista por
ciones en el desempeño de las
armónica total (THD) introducida
el sistema como una carga de FP
máquinas rotativas. En el caso
en las líneas de distribución por
cercano a la unidad.
particular de los transformadores
una carga no lineal muy usada
de distribución, el perjuicio se nota
en nuestros días: las lámparas de
Introducción
en dos aspectos. Por un lado, con
bajo consumo (LBC), cuyo uso se
Los sistemas de distribución de
el aumento de la temperatura de
promueve por su alto rendimiento
energía eléctrica en media tensión
los arrollamientos debido al incre-
eléctrico y lumínico. Sin embargo
idealmente deben presentar una
mento de las pérdidas por corrien-
no se toman medidas suficientes
onda senoidal no distorsionada y
tes parásitas, proporcionales al
para evitar la polución armónica en
de frecuencia constante a fin de
cuadrado de la corriente de carga
líneas y equipos de los Sistemas
asegurar la calidad de servicio
y la frecuencia. Otras pérdidas pa-
Eléctricos de Potencia (SEP). En
(PQ). Las cargas no lineales per-
rásitas (en conexiones a las barras,
el desarrollo siguiente se cuantifica
judican esta consideración, por
partes estructurales, cuba, etc.)
y compara la THD y el factor de
introducir componentes armónicas
son generalmente proporcionales a
potencia (FP) obtenidos a partir de
de corriente, que derivan en tensio-
la corriente elevada a una potencia
ensayos de laboratorio realizados
nes no senoidales en los puntos
ligeramente menor que 1[1]. Por
para distintas marcas de LBC pre-
de carga. Por otro lado, estas co-
otro lado, debido a la posibilidad
sentes en el mercado local y com-
rrientes armónicas originan sobre-
de que los armónicos múltiplos de
pradas en el extranjero (España) y,
calentamiento de los conductores,
3 circulen en los arrollamientos
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en triángulo, incrementando las
a la cantidad de LBC empleadas
frecuencia relativamente alta (20
pérdidas internas y reduciendo
simultáneamente. Cuando esta
kHz) que mejora el rendimiento de
así la vida útil de los mismos por
distorsión se suma a la ya existen-
la lámpara y elimina el peligroso
deterioro de su aislación.
te, se puede llegar a superar los
efecto estroboscópico que produce
Entre otras, las cargas consti-
valores admisibles por norma (5-
el balasto de tipo magnético en los
tuidas por sistemas electrónicos
20 % según IEEE Standard 519),
tubos fluorescentes.
de control de velocidad y compu-
originándose el deterioro de la PQ
tadoras, televisores y hornos de
antes mencionado.
La carga impulsiva del capacitor
del filtro es la que hace que la forma
microondas, que poseen fuentes
de onda de corriente posea picos
de tensión reguladas y son cargas
Desarrollo
altos y angostos durante cortos
no lineales, discontinuas desde el
Dado que la tensión nominal de
intervalos de tiempo, y sea cero el
punto de vista electrónico, son las
red de 220 V no es suficiente para
resto del período, como se muestra
que principalmente ocasionan dis-
iniciar el proceso de descarga en
en la figura siguiente:
torsiones armónicas en las ondas
una lámpara fluorescente, se re-
de corriente afectando así la PQ
quiere un circuito de balasto para
perturbando así el desempeño de
proveer la alta tensión inicial. En las
las cargas conectadas a la red.
lámparas fluorescentes con balasto
Actualmente, y debido al impul-
magnético (inductivo), el desfasaje
so que ha tenido su consumo, se
entre tensión y corriente da lugar a
suma a estas cargas anómalas la
un bajo factor de potencia pero a
constituida por las lámparas de bajo
una onda de corriente poco distor-
consumo (LBC) que a pesar de con-
sionada, mientras que, en los tubos
sumir individualmente una potencia
fluorescentes con balasto electró-
reducida, en conjunto constituyen
nico sin filtro se observa una co-
una demanda no despreciable.
rriente fuertemente distorsionada.
Los componentes armónicos de
Desarrolladas durante la déca-
En las LBC que se comercializan
esta corriente son los que determi-
da del 80, si bien su costo es bas-
actualmente se emplea un balasto
nan en consecuencia el bajo FP
tante mayor que el de una lámpara
electrónico similar, compuesto por
de las LBC.
incandescente, su uso masivo ha
un puente rectificador con diodos
Sin embargo es posible mejorar
sido impulsado a nivel mundial de-
y filtro capacitivo para obtener
significativamente el FP de las LBC
bido a su alto rendimiento lumínico
la corriente continua con la que
agregando un dispositivo electróni-
y prolongada vida útil. En contra-
funciona internamente el circuito
co, de bajo costo y alto rendimiento
partida, introducen en las redes
electrónico pasando luego por un
entre la lámpara y la red.
elevadas corrientes armónicas con
inversor CC-CA que finalmente
Considerando, como hipótesis
lo cual la distorsión armónica total
excita al tubo fluorescente. Este
de trabajo, que la tensión de red es
(THD) de la onda de corriente se ve
balasto electrónico posee como
prácticamente senoidal, solamente
notablemente incrementada debido
ventajas un menor tamaño y una
existe potencia activa (P) y reactiva
Figura 1: Forma de onda de tensión
y de corriente
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I (mA)
N
Philips
siguiente mejora del FP.
Osram
damental y por lo tanto, el FP de
(España)Cegasa
la distorsión armónica con la conAttralux
(Q) asociadas a la frecuencia fun-
1
71
57
90
65
3
47
39
62
43
Marca
cualquier carga conectada resulta:
Ensayos y resultados
Se procedió a efectuar la medi-
(1)
ción de THD y FP en LBC del mercado local y del mercado español,
Donde, Cos φ, desfasaje entre
la tensión y la componente de fre-
5
26
22
34
24
empleando la disposición mostrada
7
26
20
31
24
en la figura 2:
9
21
19
28
20
11
14
14
20
13
13
11
11
16
11
15
6,5 9,4
13
7,8
17
4,9 6,5 7,8 5,4
19
4,9 5,2 7,5 5,4
21
4,3 4,7 5,9 4,5
23
4,7 3,3 4,9 5,4
25
4,5 3,0 5,7 5,4
cuencia fundamental de corriente.
(2)
THDi: THD de corriente
In: Valor eficaz de cada componente armónica de corriente
I1: Valor eficaz de la componente
Figura 2: Circuito de medición
de corriente y tensión de las LBC
Tabla 1: Corrientes armónicas
eficaces de distintas LBC
fundamental de corriente
Idealmente, debido a la presencia del puente rectificador, la
corriente es unidireccional. Esto
implica la imposibilidad de retorno
de energía a la red, con lo cual la
potencia reactiva es cero y el cos φ a
frecuencia fundamental es unitario.
Figura 3:
Contenido Armónico
de Distintas LBC
En consecuencia, a partir de la
ecuación (1), se concluye que en la
práctica, el FP de las LBC está fundamentalmente determinado por la
Lámpara comercial
Potencia
THDi (%)
fp
función del dispositivo electrónico
Attralux
14 W
94%
0,73
cuyo empleo proponemos será la
Cegasa
13 W
100%
0,70
de conformar una corriente senoi-
Osram
20 W
97%
0,72
Philips
14 W
96%
0,72
THD de corriente. Por lo tanto, la
dal de entrada a fin de minimizar
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Tabla 2:
THD y factor
de potencia
Las formas de onda de tensión
y corriente de línea y contenido
armónico de la corriente sin usar el
corrector se muestran en la figura
5a y 5b.
Las formas de onda de tensión
Figura 4:
Circuito de medición de corriente y
tensión en el dispositivo corrector
y corriente de línea y contenido
armónico de la corriente usando el
Figura 5a: Formas ondas de tensión
(CH1) y corriente de línea (CH2)
sin el corrector
corrector se muestran en la figura
6a y 6b.
Comparando los resultados de
Circuito
THDi (%)
FP
las mediciones obtenidas con y sin
Sin Corrector
85
0,76
el corrector, se verifica la mejora
Con Corrector
18
0,98
obtenida en el valor del FP.
Tabla 3: Factor de potencia
con corrector y sin corrector
Conclusiones
Dado que la atenuación de la
distorsión armónica provocada
por las LBC es muy difícil de lograr
Los instrumentos utilizados
fueron un osciloscopio de almacenamiento digital (DSO) (ancho
por la dispersa ubicación de las
Figura 5b: Contenido armónico
de la corriente sin el corrector
mismas, la posibilidad de que este
de banda: 60 MHz, 1 GSample/s,
elemento puede ser incorporado
capacidad de muestras: 2,5 Ksam-
en las luminarias permitirá mejo-
ple) y un multímetro de verdadero
en el mercado local constituyen
rar la eficacia global de las LBC.
valor eficaz de tensión y corriente.
una carga con bajo FP.
Entre las ventajas que presenta,
Se adaptó el diseño de un dis-
se encuentra que: su tamaño es
Las mediciones realizadas
positivo electrónico para emplearlo
reducido (pudiendo incorporarse en
arrojaron los resultados mostrados
como corrector y una vez armado
la luminaria), puede manejar hasta
en la tabla 1, cuya representación
y puesto en marcha (ver Anexo,
cuatro LBC simultáneamente, su
en gráfico de barras se muestra
figuras A-1 y A-2) se procedió a
costo resulta comparable al de una
en la figura 3.
medir nuevamente la THD y FP
LBC y además permite operar al
Si tomamos en consideración
del conjunto corrector - LBC. Se
conjunto con alimentación universal
que la Empresa Provincial de
conectaron dos lámparas en pa-
(84-240V / 50-60Hz).
Energía de Santa Fe (EPE) exige
ralelo con una potencia nominal
Se puede afirmar que el dis-
un FP mayor a 0,95, vemos que se
total de 28 W, según se muestra
positivo electrónico propuesto
confirma lo mencionado más arriba
en la figura 4, obteniéndose los
posee las cualidades necesarias
respecto a que las LBC disponibles
resultados de la tabla 3.
para ser utilizado en el mercado
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local con la finalidad de no alterar
en mercados extranjeros y, por otro
la PQ, dado que asegura que las
lado, continuar mejorando el des-
LBC instaladas inyectan la menor
empeño del dispositivo electrónico
cantidad posible de armónicas a la
corrector del FP para LBC.
red, favoreciendo, en consecuencia, un mejor aprovechamiento
Anexo
de los sistemas de transmisión y
Figura A-2: Disposición para medición
distribución del sistema eléctrico en
Nota de redacción: el presente
momentos que se presenta déficit
artículo cuenta con una extensa y espe-
energético. En una segunda etapa
cífica bibliografía, la cual no publicamos
de la presente investigación está
por motivos editoriales.
previsto profundizar la comparación
Por bibliografía o demás consultas:
de las LBC que se comercializan
Ing. María Rita Ferrari
en nuestro país con otras utilizadas
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Figura A-1: Dispositivo corrector
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