Distorsión armónica producida por lámparas de bajo

Nota técnica
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 Vázquez Sieber
Escuela de Ingenieria Eléctrica – Facultad de Ciencias Exactas, Ingenieria y Agrimensura
Universidad Nacional de Rosario
Palabras Clave
ensayos de laboratorio realizados
esta consideración, por introducir
Lámpara de bajo consumo,
para distintas marcas de LBC pre-
componentes armónicas de co-
armónicas, factor de potencia,
sentes en el mercado local y com-
rriente, que derivan en tensiones
distorsión armónica, dispositivo
pradas en el extranjero (España) y,
no senoidales en los puntos de
corrector
con el fin de minimizar el impacto
carga. Por otro lado, estas corrien-
de las LBC en la calidad de servicio
tes armónicas originan sobreca-
(PQ), se propone el uso novedo-
lentamiento de los conductores,
Este trabajo analiza la distor-
so de un dispositivo electrónico
degradación y/o destrucción de
sión armónica total (THD) introdu-
que elimina un alto porcentaje del
capacitores, deterioro del desem-
cida en las líneas de distribución
contenido armónico de la corrien-
peño de los equipos de medición,
por una carga no lineal muy usada
te y posibilita que la LBC sea vista
fallas en la operación de los dispo-
en nuestros días: las lámparas de
por el sistema como una carga de
sitivos de protección, incremento
bajo consumo (LBC), cuyo uso se
FP cercano a la unidad.
en las pérdidas del sistema y per-
Resumen
turbaciones en el desempeño de
promueve por su alto rendimiento
eléctrico y lumínico, aunque no se
Introducción
las máquinas rotativas. En el caso
toman medidas suficientes para
Los sistemas de distribución de
particular de los transformadores
evitar la polución armónica en
energía eléctrica en media tensión
de distribución, el perjuicio se nota
líneas y equipos de los sistemas
idealmente deben presentar una
en dos aspectos. Por un lado, con
eléctricos de potencia (SEP). En el
onda senoidal no distorsionada y
el aumento de la temperatura de
desarrollo siguiente se cuantifica y
de frecuencia constante a fin de
los arrollamientos debido al incre-
compara la THD y el factor de po-
asegurar la calidad de servicio (PQ).
mento de las pérdidas por corrien-
tencia (FP) obtenidos a partir de
Las cargas no lineales perjudican
tes parásitas, proporcionales al
100 Ingeniería Eléctrica • Diciembre 2012
cuadrado de la corriente de carga
Desarrolladas durante la déca-
una corriente fuertemente distor-
y la frecuencia. Otras pérdidas pa-
da del 80, si bien su costo es bas-
sionada. En las LBC que se comer-
rásitas (en conexiones a las barras,
tante mayor que el de una lámpara
cializan actualmente se emplea un
partes estructurales, cuba, etc.) son
incandescente, su uso masivo ha
balasto electrónico similar, com-
generalmente proporcionales a la
sido impulsado a nivel mundial de-
puesto por un puente rectificador
corriente elevada a una potencia
bido a su alto rendimiento lumíni-
con diodos y filtro capacitivo para
ligeramente menor que 1. Por otro
co y prolongada vida útil. En con-
obtener la corriente continua con
lado, debido a la posibilidad de
trapartida, introducen en las redes
la que funciona internamente el
que los armónicos múltiplos de 3
elevadas corrientes armónicas con
circuito electrónico pasando luego
circulen en los arrollamientos en
lo cual la distorsión armónica total
por un inversor CC-CA que final-
triángulo, incrementando las pér-
(THD) de la onda de corriente se ve
mente excita al tubo fluorescen-
didas internas y reduciendo así la
notablemente incrementada debi-
te. Este balasto electrónico posee
vida útil de los mismos por deterio-
do a la cantidad de LBC empleadas
como ventajas un menor tamaño
ro de su aislación.
simultáneamente. Cuando esta
y una frecuencia relativamente alta
Entre otras, las cargas consti-
distorsión se suma a la ya existen-
(20kHz) que mejora el rendimiento
tuidas por sistemas electrónicos
te, se puede llegar a superar los
de la lámpara y elimina el peligroso
de control de velocidad y compu-
valores admisibles por norma (5
efecto estroboscópico que produ-
tadoras, televisores y hornos de
a 20% según IEEE Standard 519),
ce el balasto de tipo magnético en
microondas, que poseen fuentes
originándose el deterioro de la PQ
los tubos fluorescentes.
de tensión reguladas y son cargas
antes mencionado.
tor del filtro es la que hace que la
no lineales, discontinuas desde
el punto de vista electrónico, son
La carga impulsiva del capaci-
Desarrollo
forma de onda de corriente posea
las que principalmente ocasionan
Dado que la tensión nominal
picos altos y angostos durante
distorsiones armónicas en las on-
de red de 220 V no es suficiente
cortos intervalos de tiempo, y sea
das de corriente afectando así la
para iniciar el proceso de descarga
cero el resto del período, como se
PQ y perturbando el desempeño
en una lámpara fluorescente, se re-
muestra en la figura siguiente:
de las cargas conectadas a la red.
quiere un circuito de balasto para
Actualmente, y debido al im-
proveer la alta tensión inicial. En las
pulso que ha tenido su consumo,
lámparas fluorescentes con balasto
se suma a estas cargas anómalas
magnético (inductivo), el desfasaje
la constituida por las lámparas de
entre tensión y corriente da lugar
bajo consumo (LBC) que a pesar
a un bajo factor de potencia pero
de consumir individualmente una
a una onda de corriente poco dis-
potencia reducida, en conjunto
torsionada, mientras que, en los
constituyen una demanda no
tubos fluorescentes con balasto
despreciable.
electrónico sin filtro se observa
Figura 1: Forma de onda de tensión
y de corriente
Ingeniería Eléctrica • Diciembre 2012 101
Nota técnica
Los componentes armónicos
corriente es unidireccional. Esto
Los instrumentos utilizados
de esta corriente son los que de-
implica la imposibilidad de retor-
fueron un osciloscopio de alma-
terminan en consecuencia el bajo
no de energía a la red, con lo cual
cenamiento digital (DSO) (ancho
FP de las LBC.
la potencia reactiva es cero y el
de banda: 60 MHz, 1 GSample/s,
cos φ a frecuencia fundamental
capacidad de muestras: 2,5 Ksam-
es unitario.
ple) y un multímetro de verdadero
Sin embargo, es posible mejorar significativamente el FP de las
LBC agregando un dispositivo elec-
En consecuencia, a partir de
valor eficaz de tensión y corriente.
trónico, de bajo costo y alto rendi-
la ecuación 1, se concluye que en
miento entre la lámpara y la red.
la práctica, el FP de las LBC está
Las mediciones realizadas arro-
Considerando, como hipótesis
fundamentalmente determinado
jaron los resultados mostrados en
de trabajo, que la tensión de red es
por la THD de corriente. Por lo
la tabla 1, cuya representación en
prácticamente senoidal, solamente
tanto, la función del dispositivo
gráfico de barras se muestra en la
existen potencia activa (P) y reac-
electrónico, cuyo empleo propo-
figura 3.
tiva (Q) asociadas a la frecuencia
nemos, será la de conformar una
fundamental y por lo tanto, el FP de
corriente senoidal de entrada a
cualquier carga conectada resulta:
fin de minimizar la distorsión armónica con la consiguiente me-
Se procedió a efectuar la medi-
la tensión y la componente de fre-
ción de THD y FP en LBC del mer-
cuencia fundamental de corriente.
cado local y del mercado español,
empleando la disposición mostrada en la figura 2:
(2)
N
Philips
Donde, Cos φ, desfasaje entre
Osram
Ensayos y resultados
(España)Cegasa
jora del FP.
Attralux
(1)
I (mA)
1
71
57
90
65
3
47
39
62
43
5
26
22
34
24
7
26
20
31
24
9
21
19
28
20
11
14
14
20
13
13
11
11
16
11
13
7,8
Marca
15
6,5 9,4
-- THDi: THD de corriente
17
4,9 6,5 7,8 5,4
-- In: Valor eficaz de cada compo-
19
4,9 5,2 7,5 5,4
nente armónica de corriente
21
4,3 4,7 5,9 4,5
-- I1: Valor eficaz de la componen-
23
4,7 3,3 4,9 5,4
te fundamental de corriente
25
4,5 3,0 5,7 5,4
Idealmente, debido a la presencia del puente rectificador, la
102 Ingeniería Eléctrica • Diciembre 2012
Figura 2: Circuito de medición de
corriente y tensión de las LBC
Tabla 1: Corrientes armónicas
eficaces de distintas LBC
se muestra en la figura 4, obteniéndose los resultados de la tabla 3.
Las formas de onda de tensión
Figura 3:
Contenido armónico
de distintas LBC
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 correc-
Lámpara comercial
Potencia
THDi (%)
fp
Attralux
14 W
94%
0,73
Cegasa
13 W
100%
0,70
Osram
20 W
97%
0,72
Philips
14 W
96%
0,72
tor se muestran en la figura 6a y 6b.
Tabla 2:
THD y factor
de potencia
Comparando los resultados de
las mediciones obtenidas con y sin
el corrector, se verifica la mejora
obtenida en el valor del FP.
Figura 4:
Circuito de medición
de corriente y tensión
en el dispositivo corrector
Circuito
THDi (%)
FP
Sin Corrector
85
0,76
Con Corrector
18
0,98
Tabla 3: Factor de potencia
con y sin corrector
pecto a que las LBC disponibles en
el mercado local constituyen una
Figura 5a: Formas ondas de tensión
(CH1) y corriente de línea (CH2)
sin el corrector
carga con bajo FP.
Se adaptó el diseño de un dispositivo electrónico para emplearlo
como corrector, y una vez armado
y puesto en marcha (ver Anexo, fi-
Si tomamos en consideración
guras A-1 y A-2) se procedió a medir
que la Empresa Provincial de Ener-
nuevamente la THD y FP del conjun-
gía de Santa Fe (EPE) exige un FP
to corrector-LBC. Se conectaron dos
mayor a 0,95, vemos que se confir-
lámparas en paralelo con una po-
ma lo mencionado más arriba res-
tencia nominal total de 28 W, según
Figura 5b: Contenido armónico
de la corriente sin el corrector
Ingeniería Eléctrica • Diciembre 2012 103
Nota técnica
costo resulta comparable al de
una LBC y, además, permite operar al conjunto con alimentación
universal (84-240 V / 50-60 Hz).
Se puede afirmar que el dispositivo electrónico propuesto posee
las cualidades necesarias para ser
Figura 6a: Formas ondas de tensión
(CH1) y corriente de línea (CH2)
con el corrector
utilizado en el mercado local con la
finalidad de no alterar la PQ, dado
Figura A-2: Disposición
para medición
que asegura que las LBC instaladas
inyectan la menor cantidad posi-
Nota de redacción: el presente ar-
ble de armónicas a la red, favore-
tículo cuenta con una extensa y es-
ciendo, en consecuencia, un mejor
pecífica bibliografía, la cual no pu-
aprovechamiento de los sistemas
blicamos por motivos editoriales.
de transmisión y distribución del
Figura 6b: Contenido armónico
de la corriente con el corrector
sistema eléctrico en momentos
Por bibliografía o demás consultas:
que se presenta déficit energético.
Ing. María Rita Ferrari
En una segunda etapa de la pre-
[email protected]
sente investigación está previsto
profundizar la comparación de las
LBC que se comercializan en nuestro país con otras utilizadas en mer-
Conclusiones
cados extranjeros y, por otro lado,
Dado que la atenuación de la
continuar mejorando el desempe-
distorsión armónica provocada
ño del dispositivo electrónico co-
por las LBC es muy difícil de lograr
rrector del FP para LBC.
por la dispersa ubicación de las
mismas, la posibilidad de que este
Anexo
elemento pueda 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), puede manejar hasta
cuatro LBC simultáneamente, su
104 Ingeniería Eléctrica • Diciembre 2012
Figura A-1: Dispositivo corrector