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 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 32 | Luminotecnia | Noviembre - Diciembre 2012 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 Noviembre - Diciembre 2012 | Luminotecnia | 33 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 34 | Luminotecnia | Noviembre - Diciembre 2012 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 Noviembre - Diciembre 2012 | Luminotecnia | 35 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 36 | Luminotecnia | Noviembre - Diciembre 2012 Figura A-1: Dispositivo corrector mferrari@fceia.unr.edu.ar