Título DISTORSIÓN ARMÓNICA PRODUCIDA POR LÁMPARAS DE

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Título
DISTORSIÓN ARMÓNICA PRODUCIDA POR LÁMPARAS DE
BAJO CONSUMO – DISPOSITIVO PARA REDUCIR SU
IMPACTO EN LA CALIDAD DE SERVICIO
Nº de Registro (Resumen)
68
Empresa o Entidad
Escuela de Ingenieria Eléctrica – Facultad de Ciencias Exactas, Ingenieria y Agrimensura
Universidad Nacional de Rosario
Nombre
Autores del Trabajo
País
e-mail
Ing. María Rita Ferrari
Argentina
[email protected]
Ing. Luis Alberto Krapf
Argentina
[email protected]
Mgter. Jorge Ronco
Argentina
[email protected]
Ing. Eduardo Passerini
Argentina
[email protected]
Srta. Rosana Andrea Seggiaro
Argentina
[email protected]
Ing. Gonzalo López
Argentina
[email protected]
Ing. Luciano Rumin
Argentina
[email protected]
Ing. Andrés Carlos Vazquez Sieber
Argentina
[email protected]
Palabras Clave
Lámpara de Bajo Consumo, Armónicas, Factor de Potencia, Distorsión Armónica, Dispositivo Corrector
1. RESUMEN
Este trabajo analiza la Distorsión Armónica Total (THD) introducida en las líneas de distribución
por una carga no lineal muy usada en nuestros días: las lámparas de bajo consumo (LBC), cuyo
uso se promueve por su alto rendimiento eléctrico y lumínico. Sin embargo no se toman medidas
suficientes para evitar la polución armónica en líneas y equipos de los Sistemas Eléctricos de
Potencia (SEP). En el desarrollo siguiente se cuantifica y compara la THD y el factor de potencia
(FP) obtenidos a partir de ensayos de laboratorio realizados para distintas marcas de LBC
presentes en el mercado local y compradas en el extranjero (España) y, con el fin de minimizar el
impacto de las LBC en la calidad de servicio (PQ), se propone el uso novedoso de un dispositivo
electrónico que elimina un alto porcentaje del contenido armónico de la corriente y posibilita que
la LBC sea vista por el sistema como una carga de FP cercano a la unidad.
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2. INTRODUCCIÓN
Los sistemas de distribución de energía
eléctrica en media tensión idealmente
deben presentar una onda senoidal no
distorsionada y de frecuencia constante
a fin de asegurar la calidad de servicio
(PQ). Las cargas no lineales perjudican
esta consideración, por introducir
componentes armónicas de corriente,
que derivan en tensiones no senoidales
en los puntos de carga. Por otro lado,
estas corrientes armónicas originan
sobrecalentamiento de los conductores,
degradación
y/o
destrucción
de
capacitores, deterioro del desempeño
de los equipos de medición, fallas en la
operación de los dispositivos de
protección, incremento en las pérdidas
del sistema y perturbaciones en el
desempeño de las máquinas rotativas.
En el caso
particular de
los
transformadores de distribución, el
perjuicio se nota en dos aspectos. Por
un lado, con el aumento de la
temperatura de los arrollamientos
debido al incremento de las pérdidas
por corrientes parásitas, proporcionales
al cuadrado de la corriente de carga y la
frecuencia. Otras pérdidas parásitas (en
conexiones a las barras, partes
estructurales,
cuba,
etc.)
son
generalmente proporcionales a la
corriente elevada a una potencia
ligeramente menor que 1[1]. Por otro
lado, debido a la posibilidad de que los
armónicos múltiplos de 3 circulen en los
arrollamientos
en
triángulo,
incrementando las pérdidas internas y
reduciendo así la vida útil de los mismos
por deterioro de su aislación.
Entre otras, las cargas constituidas por
sistemas electrónicos de control de
velocidad y computadoras, televisores y
hornos de microondas, que poseen
fuentes de tensión reguladas y son
cargas no lineales, discontinuas desde
el punto de vista electrónico, son las que
principalmente ocasionan distorsiones
armónicas en las ondas de corriente
afectando así la PQ perturbando así el
desempeño de las cargas conectadas a
la red.
Actualmente, y debido al impulso que ha
tenido su consumo, se suma a estas
cargas anómalas la constituida por las
lámparas de bajo consumo (LBC) que a
pesar de consumir individualmente una
potencia
reducida,
en
conjunto
constituyen
una
demanda
no
despreciable.
Desarrolladas durante la década del 80,
si bien su costo es bastante mayor que
el de una lámpara incandescente, su
uso masivo ha sido impulsado a nivel
mundial debido a su alto rendimiento
lumínico y prolongada vida útil. En
contrapartida, introducen en las redes
elevadas corrientes armónicas con lo
cual la distorsión armónica total (THD)
de la onda de corriente se ve
notablemente incrementada debido a la
cantidad
de
LBC
empleadas
simultáneamente.
Cuando
esta
distorsión se suma a la ya existente, se
puede llegar a superar los valores
admisibles por norma (5-20 % según
IEEE Standard 519), originándose el
deterioro de la PQ antes mencionado.
3. DESARROLLO
Dado que la tensión nominal de red de
220 V no es suficiente para iniciar el
proceso de descarga en una lámpara
fluorescente, se requiere un circuito de
balasto para proveer la alta tensión
inicial. En las lámparas fluorescentes
con balasto magnético (inductivo), el
desfasaje entre tensión y corriente da
lugar a un bajo factor de potencia pero a
una
onda
de
corriente
poco
distorsionada, mientras que, en los
tubos
fluorescentes
con
balasto
electrónico sin filtro se observa una
corriente fuertemente distorsionada. En
las
LBC
que
se
comercializan
actualmente se emplea un balasto
electrónico similar, compuesto por un
puente rectificador con diodos y filtro
capacitivo para obtener la corriente
continua
con
la
que
funciona
internamente el circuito electrónico
pasando luego por un inversor CC-CA
que
finalmente
excita
al
tubo
fluorescente . Este balasto electrónico
posee como ventajas un menor tamaño
y una frecuencia relativamente alta (20
kHz) que mejora el rendimiento de la
lámpara y elimina el peligroso efecto
estroboscópico que produce el balasto
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de tipo magnético en los tubos
fluorescentes.
La carga impulsiva del capacitor del filtro
es la que hace que la forma de onda de
corriente posea picos altos y angostos
durante cortos intervalos de tiempo, y
sea cero el resto del período, como se
muestra en la figura siguiente:
∞
THDi =
•
•
•
Figura 1 – Forma de Onda de Tensión y
de Corriente
Los componentes armónicos de esta
corriente son los que determinan en
consecuencia el bajo FP de las LBC.
Sin embargo es posible mejorar
significativamente el FP de las LBC
agregando un dispositivo electrónico, de
bajo costo y alto rendimiento entre la
lámpara y la red.
Considerando, como hipótesis de
trabajo, que la tensión de red es
prácticamente
senoidal,
solamente
existe potencia activa (P) y reactiva (Q)
asociadas a la frecuencia fundamental y
por lo tanto, el FP de cualquier carga
conectada resulta:
fp =
cos ϕ
1 + THDi
2
∑I
n=2
2
n
I1
(2)
THD i : THD de corriente
I n : Valor eficaz de cada
componente
armónica
de
corriente
I1:
Valor
eficaz
de
la
componente 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
En consecuencia, a partir de la ecuación
(1), se concluye que en la práctica, el
FP de las LBC está fundamentalmente
determinado por la THD de corriente.
Por lo tanto, la función del dispositivo
electrónico cuyo empleo proponemos
será la de conformar una corriente
senoidal de entrada a fin de minimizar la
distorsión armónica con la consiguiente
mejora del FP.
4. ENSAYOS Y RESULTADOS
Se procedió a efectuar la medición de
THD y FP en LBC del mercado local y
del mercado español, empleando la
disposición mostrada en la figura 2 y
fotos de los ensayos en Anexo:
(1)
Donde:
cos ϕ : desfasaje entre la tensión y la
componente de frecuencia fundamental
de corriente.
Figura 2 - Circuito de Medición de
Corriente y Tensión de las LBC.
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Los instrumentos utilizados fueron un
osciloscopio de almacenamiento digital
(DSO) (ancho de banda: 60MHz, 1
GSample/s, capacidad de muestras: 2,5
Ksample) y un multímetro de verdadero
valor eficaz de tensión y corriente.
Las mediciones realizadas arrojaron los
resultados mostrados en la tabla 1, cuya
representación en gráfico de barras se
muestra en la figura 3.
I (mA)
Attralux
Cegasa
(España)
Osram
Philips
1
3
5
7
71
47
26
26
57
39
22
20
90
62
34
31
65
43
24
24
9
11
13
15
17
19
21
14
11
6,5
4,9
4,9
19
14
11
9,4
6,5
5,2
28
20
16
13
7,8
7,5
20
13
11
7,8
5,4
5,4
21
23
25
4,3
4,7
4,5
4,7
3,3
3,0
5,9
4,9
5,7
4,5
5,4
5,4
N
Lámpara
Comercial
Potencia
THD i
(%)
fp
ATTRALUX
14W
94%
0,73
CEGASA
13W
100%
0,70
OSRAM
20W
97%
0,72
PHILIPS
14W
96%
0,72
Si tomamos en consideración que la
Empresa Provincial de Energía de
Santa Fe (EPE) exige un FP mayor a
0,95, vemos que se confirma lo
mencionado más arriba respecto a que
las LBC disponibles en el mercado local
constituyen una carga con bajo FP.
Se adaptó el diseñó de un dispositivo
electrónico para emplearlo como
corrector y una vez armado y puesto en
marcha
se
procedió
a
medir
nuevamente la THD y FP del conjunto
corrector - LBC. Se conectaron dos
lámparas en paralelo con una potencia
nominal total de 28 W, según se
muestra en la figura 4, obteniéndose los
resultados de la tabla 3
Tabla 1 – Corrientes Armónicas
Eficaces de Distintas LBC
Marca
Tabla 2 - THD y Factor de Potencia
Figura 4 - Circuito de Medición de
Corriente y Tensión en el Dispositivo
Corrector.
120%
Attralux
Cegasa (España)
Osram
Phillips
100%
80%
60%
Tabla 3- Factor de Potencia con
Corrector y sin Corrector
40%
20%
0%
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
Circuito
THD i (%)
FP
Sin Corrector
85
0,76
Con Corrector
18
0,98
Figura 3 – Contenido Armónico de
Distintas LBC
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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 y
corriente de línea y contenido armónico
de la corriente usando el corrector se
muestran en la figura 6a y 6b.
Comparando los resultados de las
mediciones obtenidas con y sin el
corrector, se verifica la mejora obtenida
en el valor del FP.
Figura 6a- Formas Ondas de Tensión (CH1)
y Corriente de Línea (CH2) con el Corrector.
100
Figura 5a- Formas Ondas de Tensión (CH1) y
Corriente de Línea (CH2) sin el Corrector.
50
150
250
350
450
Figura 6b- Contenido Armónico de la
Corriente con el Corrector.
50
150
250
350
450
Figura 5b- Contenido Armónico de la
Corriente sin el Corrector.
5. CONCLUSIONES
Dado que la atenuación de la distorsión
armónica provocada por las LBC es
muy difícil de lograr por la dispersa
ubicación de las mismas, la posibilidad
de que este elemento puede ser
incorporado en las luminarias permitirá
mejorar la eficacia global de las LBC.
Entre las ventajas que presenta, se
encuentra que: su tamaño es reducido
(pudiendo incorporarse en la luminaria),
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puede manejar hasta cuatro LBC
simultáneamente, su costo resulta
comparable al de una LBC y además
permite operar al conjunto con
alimentación universal (84-240V / 5060Hz).
Se puede afirmar que el dispositivo
electrónico
propuesto
posee
las
cualidades necesarias para ser utilizado
en el mercado local con la finalidad de
no alterar la PQ, dado que asegura que
las LBC instaladas inyectan la menor
cantidad posible de armónicas a la red,
favoreciendo, en consecuencia, un
mejor aprovechamiento de los sistemas
de transmisión y distribución del sistema
eléctrico en momentos que se presenta
déficit energético. En una segunda
etapa de la presente investigación está
previsto profundizar la comparación de
las LBC que se comercializan en
nuestro país con otras utilizadas en
mercados extranjeros y, por otro lado,
continuar mejorando el desempeño del
dispositivo electrónico corrector del FP
para LBC.
6. BIBLIOGRAFIA
1. IEEE Recommended Practice for
Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal
Currents. IEEE Std C57.110-1998.
2. Mohsen Abbaspour and Amir
Hossein Jahanikia “Power Quality
Consideration in the Widespread
Use of Compact Fluorescent
Lamps”,
10th
International
Conference on Electrical Power
Quality and Utilisatio, September
15-17, 2009, Lodz, Poland, 978-14244-5172-2/09 IEEE
3. Rana A. Jabbar, M. Al-Dabbagh,
Azah Muhammad, R.H. Khawaja, M.
Akmal, M. Rehan Arif “Impact of
Compact Fluorescent Lamp on
Power Quality”, 2008 Australasian
Universities Power Engineering
Conference (AUPEC´08)
4. W. Mielczarski, G. Michalik, W.B.
Lawrance, Z. Gabryjelski “Side
Effects of Energy Saving Lamps”,
8th International Conference on
Harmonics and Quality of Power ,
ICHQP ´98
5. S.A. Qureshi, M. Akmal and R. Arif
“Power Quality Based Comparison
of Compact Fluorescent Lamp with
Fluorescent Light, 978-1-4244-1/09
IEEE
6. K.D.A. Munasinghe and S.G.
Abeyratne “Power Quality and
Harmonic Loads”, First International
Conference on Industrial and
Information Systems, ICHS 2006, 811 August 2006 Sri Lanka
7. I.F. Gonos, M.B. Kostic, F.V. Topalis
“Harmonic Distortion in Electric
Power Systems Introduced by
Compact Fluorescent Lamps”
8. Neville R. Watson, Tasman L. Scott
and
Stephen
J.J.
Hirsch
“Implications
for
Distribution
Network of High Penetration of
Compact Fluorescent Lamps, Paper
No. TPWRD-00346-2008, version
June 24,2009.
9. Rashid, M. (2004). Electrónica de
Potencia – Circuitos, dispositivos y
aplicaciones. 3ra ed. Pearson Prentice Hall.
10. Adragna,
C.
(2003).
L6561,
Enhanced Transition Mode Power
Factor Corrector. Application Note
AN966. ST Microelectronics.
11. Norma IRAM 2491-3-2 Limites para
las emisiones de corriente armónica
equipos con corriente de entrada
menor a 16 A
12. Norma IRAM-IEC 63547 Equipos
para alumbrado de uso general –
Requisitos de inmunidad – EMC
13. Norma IRAM-IEC-CISPR 15 Limites
de métodos de medida de las
características
relativas
a
la
perturbación radioeléctrica de los
equipos de iluminación y similares.
14. Norma IRAM 2491-4-30: Métodos
de medición de la calidad de
suministro (servicio) (IEC 61000-430:2003, IDT)
15. M.S.F.
Brugnoni,
R.
Iribarne
“Estudio de impacto en redes de
distribución y medio ambiente
debido al uso intensivo de lamparas
fluorescentes
compactas”,
SEPROCAE, Mayo de 2006.
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ANEXO
Fig. A-1 Dispositivo Corrector
Fig. A-2 Disposición para medición
VOLVER
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