INSTTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

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1 INSTTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA ANÁLISIS DE LAS AFECTACIONES ELÉCTRICAS POR EL USO DE LÁMPARAS AHORRADORAS CON APLICACIÓN EN UNA CASA DE INTERES SOCIAL TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO ELECTRICISTA P R E S E N T A : C. JOSÉ DE JESÚS FLORES GUZMÁN ASESORES : ING. JOSÉ ANTONIO MARTÍNEZ HERNÁNDEZ ING. IGNACIO MARTÍNEZ SÁNCHEZ MÉXICO, DF N OVIEMBRE DE 7

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3 Análisis de las afectaciones eléctricas por el uso de lámparas. ahorradoras con aplicación en una casa de interes social OBJETIVO Analizar y evaluar las implicaciones eléctricas que producen las lámparas ahorradoras de energía en las instalaciones eléctricas residenciales, a partir de la realización de pruebas experimentales para generalizar su efecto eléctrico y proporcionar una alternativa de solución. I

4 Análisis de las afectaciones eléctricas por el uso de lámparas. ahorradoras con aplicación en una casa de interes social OBJETIVOS PARTICULARES Describir los principios de conversión de la energía eléctrica alterna a directa. Realizar una descripción eléctrica de la operación de los balastros electrónicos que permita fundamentar su clasificación como carga no lineal. Realizar mediciones de las señales de tensión y corriente de diferentes lámparas ahorradoras en distintas combinaciones de conexión, con la finalidad de simular una casa habitación y poder determinar el comportamiento real. Proyectar ventajas y desventajas del uso de lámparas ahorradoras para la toma de decisiones. II

5 Análisis de las afectaciones eléctricas por el uso de lámparas. ahorradoras con aplicación en una casa de interés social ANTECEDENTES La creciente demanda de energía y sus costos, dan lugar a la necesidad de ahorrar energía eléctrica mediante múltiples acciones: utilizando el mínimo tiempo posible los equipos eléctricos, implementado sistemas automatizados de control de iluminación, optimizando el diseño de las instalaciones, evitar fallas a tierra, utilizar al máximo la luz de día, renovando equipos eléctricos y entre otras, cambiando el tipo de lámparas. Con el propósito de ahorrar consumo de energía, se ha recurrido al uso frecuente de las llamadas lámparas ahorradoras, mismas que se construyen en base a un sistema de rectificación que convierte la Corriente Alterna en Corriente Directa. Esta conversión se requiere para dar lugar a una diferencia de potencial entre dos placas colocadas dentro del vacío físico de las lámparas y provocar una descarga eléctrica entre dichas placas, misma que a la vez da lugar a lo que conocemos como luz de la lámpara. Aunque los fabricantes de lámparas ahorradoras tienden a mejorar, a través de filtros, dicha conversión de energía para evitar fluctuaciones; las lámparas mencionadas provocan distorsiones en las señales de tensión y corriente, dando lugar a altos porcentajes de lo que técnicamente se conoce como distorsión armónica (THD) y provocando afectaciones en la propia red de distribución. En este sentido se pretende determinar el grado de afectación, por el uso de estas lámparas que corresponden a cargas no lineales y que provocan altas corrientes del neutro y elevada distorsión armónica, en el sistema de iluminación de una casa habitación de tipo medio que usa lámparas ahorradoras a una tensión de 7 volt, frecuencia estándar (6 Hz). Lo anterior para determinar índices que permitan generalizar afectaciones por áreas específicas. III

6 Análisis de las afectaciones eléctricas por el uso de lámparas. ahorradoras con aplicación en una casa de interés social JUSTIFICACIÓN Para que exista una buena calidad de energía en una instalación eléctrica residencial es necesario analizar y canalizar los efectos provocados por diversos aparatos electrónicos domésticos, este estudio se basara solo en los efectos provocados por las lámparas ahorradoras de energía. Las lámparas ahorradoras para su funcionamiento utilizan un balastro electrónico, el cual va ha proveer la tensión requerida y apropiada para el arranque y operación de la lámpara, por tal motivo a este tipo de lámparas se les considera como una carga no lineal, la cual por sus características provoca una serie de problemas en una instalación eléctrica como distorsión armónica, dando lugar a que circulen corrientes en el conductor del hilo neutro y que se calienten mas rápido los conductores. Este estudio se sustenta en la realización de pruebas experimentales, con mediciones y registros en tiempo real, con la ayuda de equipo que registra y analiza todos los efectos causados por la distorsión armónica. Los resultados se podrán analizar y cuantificar para poder dar una alternativa de solución al problema del uso eléctrico de lámparas ahorradoras. IV

7 Afectaciones eléctricas por el uso de lámparas ahorradoras INTRODUCCIÓN La situación actual del sector eléctrico ha llevado a buscar nuevas alternativas de operar un sistema en términos de calidad y de ahorro de energía. El hombre a buscado soluciones a la problemática del ahorro de energía, una propuesta ha sido la implementación de lámparas ahorradoras en vez de lámparas incandescentes o fluorescentes. Si se hace un balance entre estas lámparas observamos que las ahorradoras están en ventaja por sus características como tamaño, eficiencia, fácil instalación etc., pero sobre todo por el ahorro de energía que se tiene al usar este tipo de lámparas. Algo muy importante es que las lámparas ahorradoras de energía por sus características de diseño se les considera como una carga no lineal, las cuales tienen una característica muy particular, son generadoras de distorsiones en las señales tanto de tensión como de corriente, las cuales son causantes de varios problemas tanto en una instalación eléctrica residencial, comercial, industrial como en el sistema de distribución y de potencia. Las lámparas ahorradoras para su funcionamiento utilizan un balastro electrónico, el cual se utiliza para el encendido de la lámpara y limitar su corriente de operación. Los balastros electrónicos comparados con los electromagnéticos permiten un ahorro de energía promedio de aproximadamente 5 %. Las características de construcción de estos balastros los constituyen como una carga no lineal y por lo tanto son generadores de corrientes armónicas. Para poder comprender mejor el proyecto se realizaron pruebas a diferentes lámparas ahorradoras con el propósito de saber cual es su respuesta eléctrica de las señales de tensión y corrientes para analizar y proponer alternativas que permitan mejorar la operación del sistema eléctrico. Para concluir se presenta una propuesta de una casa habitación de interés social, en la cual se diseña el sistema de iluminación en base a lámparas ahorradoras de energía tipo FU con la finalidad de poder observar y cuantificar los efectos eléctricos, además se presenta una alternativa para optimizar y atenuar los efectos que dichas lámparas producen. Con este estudio no se pretende que se dejen de utilizar dichas lámparas ni mucho menos que salgan del mercado ya que cumplen con su función, la cual es ahorrar energía, pero si estar concientes de la existencia del efecto armónico que llegan a crear en un sistema eléctrico, el cual no se puede erradicar, pero si minimizar. V

8 Afectaciones eléctricas por el uso de lámparas ahorradoras INDICE Objetivo Objetivos particulares Antecedentes Justificación Introducción CAPÍTULO I FUENTES DE ALIMENTACIÓN. Señales eléctricas.. Representación en el tiempo de una señal de tensión.. Parámetros de una tensión senoidal... Valor instantáneo... Valor pico a pico... Valor medio...valor eficaz.. Representación fasorial. Proceso de rectificación.. Antecedentes.. Rectificación a media onda... Operación del diodo rectificador.. Rectificación a onda completa... Rectificación de onda completa con transformador con derivación central... Rectificador tipo puente. Fuente de alimentadora regulada. Filtros.. Tipo de filtros... Respuesta a la frecuencia... Filtros activos y pasivos... Filtros analógicos y digitales.. Definición de parámetros básicos... Frecuencia de corte... Frecuencia central... Frecuencia de corte de supresión de banda... Factor de selectividad...5 Factor de forma...6 Perdidas por inserción I II III IV V CAPÍTULO II BALASTROS ELECTRÓNICOS. Por qué ahorro de energía?. Tipos de iluminación.. Lámparas CFL ahorradoras de energía. Partes de una lámpara CFL ahorradora de energía.. Tubo fluorescente.. Balastro.. Base 8 9 VI

9 Afectaciones eléctricas por el uso de lámparas ahorradoras. Tipos de balastros.. Balastro electromagnético.. Balastros electrónicos... Funcionamiento de un balastro electrónico... Operación básica de un balastro... Estructura del balastro electrónico.5 Elementos de calidad de un balastro electrónico.5. Factor de potencia.5...-potencia Activa.5...-Potencia Reactiva.5...-Potencia Aparente.5..- Factor de cresta.6.- Distorsión armónica.6..- Definición de armónicas.6..- Distorsión armónica.6..- Cargas no lineales.6..- Origen de los armónicos Principales problemas causados por corrientes armónicas Efecto en el conductor del neutro Efecto en los capacitares Efectos en los equipos electrónicos sensibles Efecto en los transformadores factor k en transformadores efecto en sistemas de telecomunicaciones y telemando Componentes simétricas en corrientes armónicas Medidas correctivas Sobredimencionamiento de la capacidad del hilo de neutro bloqueo de las corrientes armónicas de secuencia cero con transformador de zigzag Solución con filtros Criterio normativo Límites de distorsión en Tensión Limites de distorsión de corriente CAPÍTULO III MEDICIONES EXPERIMENTALES EN LABORATORIO. Procedimiento. características del equipo.. analizador de la calidad de la energía.. computadora personal.. multimetro digital.. Fuente de poder..5 Lámparas ahorradoras de energía utilizadas en las pruebas. Respuesta experimental VII

10 Afectaciones eléctricas por el uso de lámparas ahorradoras..una lámpara ahorradora T9 de W.. Dos lámparas ahorradoras en paralelo ( lámparas FU de 5W cada una).. Tres lámparas ahorradoras en paralelo ( lámparas FU de 5W cada una y lámpara EUS-5W de 5W).. Tres lámparas ahorradoras en paralelo ( lámpara FU de 5W, lámpara EUS-5W de 5W y lámpara T9 de W).. Conclusiones de las pruebas anteriores CAPITULO IV SISTEMA DE ILUMINACIÓN DE UNA CASA HABITACIÓN DE INTERES SOCIAL. Distribución de la casa habitación propuesta. Características de las lámparas a utilizar en el diseño de iluminación. Niveles de iluminación recomendados en luxes para residencias habitacionales.calculo de iluminación de la casa habitación propuesta por el método de flujo total.. Recamara.. Baño.. Cocina.. Comedor..5 Cuarto de lavado..5 Estancia..6 Estancia..7 Distribución de las lámparas ahorradoras en la casa habitación.5 Cálculo de conductores tubería y protección.5. Para Iluminación.5. Para contactos.6 Cuadro de cargas.7 Diagrama unifilar.8 Plano eléctrico.9 Afectaciones de las lámparas ahorradoras..- Medidas correctivas..- Estudio económico Conclusiones Recomendaciones Glosario Fuentes consultadas Anexos VIII

11 Capítulo I Fuentes de alimentación CAPÍTULO I FUENTES DE ALIMENTACIÓN Introducción En la actualidad tenemos un uso excesivo de aparatos electrónicos en las casas habitación, los cuales por sus características no pueden funcionar directamente con la energía proporcionada por la compañía de luz, necesitan convertir la Corriente Alterna (C.A.) a Corriente Directa (C.D.) para su funcionamiento, a continuación se presentara el proceso de rectificación de C.A. a C.D. con la finalidad de comprender el funcionamiento de las lámparas ahorradoras... Señales eléctricas La tensión o la corriente eléctrica generada y consumida está asociada a una función senoidal o cosenoidal, de la forma: f(t)=asen(wt±β) ó f(t)=acos(wt±β) De tal manera que una señal de tensión ideal v(t), se puede expresar matemáticamente según sus parámetros característicos, como una función del tiempo por medio de la siguiente ecuación v(t) = V m sen (ωt ± β ) En este trabajo se omite la notación v(t) por v y V m por V p., por lo que al referirnos a una tensión instantánea v, ecuación senoidal representativa de la misma será v = V p sen (ωt ± β ) Su representación gráfica se muestra en la figura número.. Dicha función tiene diferentes valores característicos: periodo T, frecuencia f, Tensión máxima V m ó V p, tensión eficaz V, velocidad angular w, tiempo t, el desplazamiento al origen β y el defasamiento entre señales θ. Este último valor característico, defasamiento entre señales θ, es muy útil en el análisis del comportamiento de la energía eléctrica, toda vez que nos puede indicar el defasamiento entre una señal de tensión y de corriente y a la vez, aplicando el concepto de Factor de Potencia FP=cosθ, podemos determinar si determinado circuito o red eléctrica está operando dentro de la norma que establece la obligación de tener un FP mayor a,9 y menor a uno; esto es:,9 FP

12 Capítulo I Fuentes de alimentación...- Representación en el tiempo de una señal de tensión Figura número..-parámetros característicos de una onda senoidal. Donde V p es la amplitud en volts o ampers (también llamado valor máximo o de pico), ω la pulsación en radianes/segundo, t el tiempo en segundos β el ángulo de fase inicial en radianes. La fórmula anterior se suele expresar como: v= V p sen (πft ± β ) donde f es la frecuencia en Hertz (Hz) y equivale a la inversa del período (f=/t). La frecuencia en México es 6 Hz.

13 Capítulo I Fuentes de alimentación...- Parámetros de una tensión senoidal A continuación se detallan los parámetros más significativos de una señal de tensión de tipo senoidal o cosenoidal....- Valor instantáneo (v): Es valor de tensión en un instante de tiempo determinado....- Valor pico a pico (V pp ): Corresponde a la magnitud de tensión que existe entre el valor instantáneo máximo positivo y el valor instantáneo máximo negativo. diferencia entre su pico o máximo positivo y su pico negativo. V p -(-V p )=V p =V pp Si un valor máximo de sen(x) es + unidad y el valor mínimo es - unidad, el valor de pico a pico será Vpp=-(-)= unidades En la figura número. se muestran algunos valores de tensión instantánea para diferentes valores de desplazamiento angular wt. tensión v MAGNITUDES DE TENSIÓN INSTANTÁNEA DE UNA SEÑAL SENOIDAL v=vpsen(wt) V p Desplazamiento angular (wt) V p T Figura número..- Valores instantáneos de tensión.

14 Capítulo I Fuentes de alimentación...-valor medio El valor medio ó promedio, es la suma de todos los valores instantáneos que definen la curva entre el número de ellos. El cálculo integral nos dice que en una curva continua, la suma infinitesimal de los valores instantáneos que la definen entre la longitud de la curva es igual al valor promedio de los valores instantáneos que la forman; esto es, el área bajo la curva entre la longitud. Si v=v p senwt V media = Σvalores ins T tan táneos = T vdt T V media = T V p senwt T V = T p T senwtd ( t ) V media = V p wt T senwtd ( wt ) V media = V p π [ + ] V media = Entonces, la tensión promedio de un ciclo completo de una onda senoidal es igual a cero. Este valor también se obtiene con una simple observación de la señal ya que la suma de los valores instantáneos positivos (+) obtenidos en el primer medio ciclo de v son iguales a la suma de los valores negativos (-) del siguiente medio ciclo de la misma señal v, los cuales al sumarse para el ciclo completo se obtiene una suma algebraica igual a cero.

15 Capítulo I Fuentes de alimentación La tensión promedio para medio ciclo se demuestra matemáticamente de la siguiente manera: V V prom edio Σ valores inst. para m edio ciclo = T T / vdt prom edio = = T / V T T / p senw tdt V V V prom edio prom edio prom edio V p = + w T V p = + π [ cos π cos º ] [ ] = =, 6V π p...-valor eficaz (V) La importancia de este valor se debe a que corresponde al efecto que produce una Corriente Continua en un mismo elemento resistivo. Matemáticamente, el valor eficaz de una magnitud variable con el tiempo, se define como la raíz cuadrada de la media de los cuadrados de los valores instantáneos alcanzados durante un período. Al valor eficaz, también se le conoce como valor rms (root mean square), valor cuadrático medio). En el campo industrial, el valor eficaz es de gran importancia ya que casi todas las operaciones con magnitudes energéticas se hacen con dicho valor. De ahí que por rapidez y claridad se represente con la letra mayúscula. Matemáticamente se demuestra que para una corriente alterna senoidal el valor eficaz viene dado por la expresión: V V V V V V V = V = = = = rms T V V V p T p T p T = T V T T T p V p = [ T ] T V p = sen ( v sen wtdt V p dt T para un periodo wtde T T cos wt ) dt cos wtdt 5

16 Capítulo I Fuentes de alimentación El valor V, tensión o intensidad, es útil para calcular la potencia consumida por una carga. Así, si una tensión de (C.D.), V CD, desarrolla una cierta potencia P en una carga resistiva dada, una tensión de CA de V rms desarrollará la misma potencia P en la misma carga si V rms = V CD....- Representación fasorial Una función senoidal puede ser representada por un vector giratorio (figura.), al que se denomina fasor, que tendrá las siguientes características: Girará con una velocidad angular ω. Su módulo será el valor máximo o el eficaz, según convenga. Figura número..- Representación fasorial de una onda senoidal. La razón de utilizar la representación fasorial está en la simplificación que ello supone. Matemáticamente, un fasor puede ser definido fácilmente por un número complejo, por lo que puede emplearse la teoría de cálculo de estos números para el análisis de sistemas de corriente alterna. 6

17 Capítulo I Fuentes de alimentación..- Proceso de rectificación...-antecedentes En Electrónica, un rectificador es un dispositivo o circuito que permite convertir la Corriente Alterna (C.A.) en Corriente Directa (C.D.). Esto se realiza utilizando diodos rectificadores de estado sólido. Dependiendo de las características de la alimentación de C.A. que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados de una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan de las tres fases. Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando se eliminan los ciclos negativos o positivos de la C.A. o de onda completa cuando los semiciclos negativos de la C.A. se convierten a positivos...-rectificación a media onda La energía eléctrica que las compañías distribuyen a nuestras casas, comercios u otros es corriente alterna. Para que los equipos electrónicos utilizados puedan funcionar adecuadamente, la corriente alterna debe de convertirse en C.D.. Para realizar esta operación se utilizan diodos semiconductores que conforman circuitos rectificadores. Inicialmente se reduce la tensión de la red 7 volts a uno más bajo como o 5 volt. El rectificador de media onda es un circuito empleado para eliminar la parte negativa o positiva de una señal de corriente alterna de entrada (Vi) convirtiéndola en corriente continua de salida (Vo), como se muestra en la figura.. Figura número..- Circuito básico de rectificación de media onda. 7

18 Capítulo I Fuentes de alimentación...-operación del diodo rectificador Polarización directa. El diodo conduce, por estar directamente polarizado por lo cual se comporta como si fuera una conexión en el circuito, de esta manera deja conducir la corriente eléctrica, como si fuera un circuito cerrado. Figura.5. Figura numero.5.- Polarización directa de un diodo. Polarización inversa. El diodo no conduce por que esta inversamente polarizado, convirtiéndose en un circuito abierto y no dejando conducir corriente eléctrica. Figura.6. Figura numero.6.- Polarización inversa de un diodo. 8

19 Capítulo I Fuentes de alimentación...- Rectificación a onda completa El rectificador de onda completa es el circuito empleado para convertir una señal de C.A. de entrada (Vi) en C.D. de salida (V o ) pulsante. A diferencia del rectificador de media onda, en este caso, la parte negativa de la señal se convierte en positiva o bien la parte positiva de la señal se convertirá en negativa, según se necesite una señal positiva o negativa de C.D. Existen dos alternativas: Rectificación empleando dos diodos (transformador con derivación central) Rectificación empleando cuatro diodos (puente de Graetz)....- Rectificador de onda completa con transformador con derivación central En el circuito de la figura.7, ambos diodos no pueden encontrarse simultáneamente en directa o en inversa, ya que las diferencias de potencial a las que están sometidos son de signo contrario; por tanto uno se encontrará polarizado inversamente y el otro directamente. La tensión de entrada (Vi) es, en este caso, la mitad de la tensión del secundario del transformador. Figura numero.7.- Rectificación con transformador con derivación central. Vo = Vi = Vs/ en el rectificador con dos diodos. Tensión de entrada positiva. El diodo se encuentra en directa (conduce), mientras que el se encuentra en inversa (no conduce). La tensión de salida es igual a la de entrada. El diodo ha de soportar en inversa la tensión máxima del secundario. 9

20 Capítulo I Fuentes de alimentación Figura numero.8.- Operación del Rectificación con transformador con derivación central con una tensión positiva. Tensión de entrada negativa. El diodo se encuentra en directa (conduce), mientras que el diodo se encuentra en inversa (no conduce). La tensión de salida es igual a la de entrada pero de signo contrario. El diodo ha de soportar en inversa la tensión máxima del secundario. Figura numero.9.- Operación del Rectificación con transformador con derivación central con una tensión negativa....-rectificador tipo puente En este caso se emplean cuatro diodos. Al igual que antes, sólo son posibles dos estados de conducción, o bien los diodos y están en directa y conducen (tensión positiva) o por el contrario son los diodos y se encuentran en inversa y conducen (tensión negativa). Como se observa en la figura.9 A diferencia del caso anterior, ahora la tensión máxima de salida es la del secundario del transformador (el doble de la del caso anterior), la misma que han de soportar los diodos en inversa, al igual que en el rectificador con dos diodos. Figura numero..- Rectificación onda completa tipo puente. Vo = Vi = Vs en el rectificador con puente de Graetz.

21 Capítulo I Fuentes de alimentación Mediante el uso de diodos en vez de, este diseño elimina la necesidad de la conexión intermedia del secundario del transformador. La ventaja de no usar dicha conexión es que la tensión en la carga rectificada es el doble que la que se obtendría con el rectificador de onda completa con diodos. Tensión de entrada positiva (figura.) y negativa (figura.) Figura número..- Operación de un rectificador onda completa tipo puente con tensión de entrada positiva. Figura número..- Operación de un rectificador onda completa tipo puente con tensión de entrada negativa.

22 Capítulo I Fuentes de alimentación Las gráficas de salida de un rectificador de onda completa tipo puente se puede observar a continuación en la figura.. Durante el semiciclo positivo de la tensión de la red, los diodos D y D conducen, esto da lugar a un semiciclo positivo en la resistencia de carga. Los diodos D y D conducen durante el semiciclo negativo, lo que produce otro semiciclo positivo en la resistencia de carga. El resultado es una señal de onda completa en la resistencia de carga. Hemos obtenido la misma onda de salida V L que en el caso anterior. La diferencia más importante es que la tensión inversa que tienen que soportar los diodos es la mitad de la que tienen que soportar los diodos en un rectificador de onda completa con diodos, con lo que se reduce el coste del circuito. Figura número..- Formas de onda en la salida de un rectificador onda completa tipo puente.

23 Capítulo I Fuentes de alimentación..- Fuente de alimentación regulada Aunque pudiera existir diferencias conceptuales, establecemos que una C.D. es todo tipo de corriente o de tensión eléctrica que conserva siempre una misma polaridad. Por ejemplo una fuente de alimentación, sin filtro y sin regulador, proporciona en las terminales de salida una tensión de corriente de C.D. La señal eléctrica de salida que proporciona la fuente de alimentación no regulada corresponde a una C.D. pulsante que tiene además una componente alterna elevada, denominada tensión de rizo (Vrizo), si esta tensión pasa a través de un proceso de filtrado y regulado, se obtiene una C.D. continua. Como se muestra en la figura.. Figura número..- Fuente de alimentación regulada.

24 Capítulo I Fuentes de alimentación..- Filtros Un filtro eléctrico o filtro electrónico es un elemento que discrimina una determinada frecuencia o gama de frecuencias de una señal eléctrica que pasa a través de él, pudiendo modificar tanto su amplitud como su fase. Las características que definen un filtro vienen determinadas por los siguientes conceptos: Con independencia de la realización concreta del filtro (analógico, digital o mecánico) la forma de comportarse de un filtro se describe por su función de transferencia. Ésta determina la forma en que la señal aplicada cambia en amplitud y en fase al atravesar el filtro. La función de transferencia elegida tipifica el filtro....-tipos de filtro Atendiendo a sus componentes constitutivos, naturaleza de las señales que tratan, respuesta en frecuencia y método de diseño, los filtros se clasifican en los distintos grupos que a continuación se indica....-respuesta a la frecuencia Este tipo de filtros se dividen en cuatro categorías dependiendo de la señal que a determinada frecuencia se quiera filtrar: Los filtros pasa baja permiten el paso a las señales de baja frecuencia (por lo común, a partir de la corriente continua), hasta una frecuencia de corte especificada y presentan una alta atenuación por encima de ese punto de corte. figura.5a. Los filtros pasa alta rechazan las frecuencias que van desde la corriente continua hasta la frecuencia de corte y dejan pasar los componentes por encima de ese punto de corte. figura.5b. Los filtros pasa banda dejan pasar las frecuencias que se encuentran dentro de una banda y rechazan los componentes de fuera de esa banda. figura.5c. Los filtros de rechazo de banda suprimen las frecuencias que están dentro de una banda dada y dejan pasar los componentes de fuera de dicha banda. figura.5d. Hasta cierto punto, estas descripciones son ideales puesto que en los filtros reales hay una región de transición entre el pasa banda y la región de alta atenuación (supresión de banda). En la figura.5, se muestran curvas típicas de filtros para cada una de las cuatro categorías.

25 Capítulo I Fuentes de alimentación Figura numero.5.- Formas de respuestas de filtros, a)pasa baja; b)pasa banda alto; c)pasa banda; d)de rechazo de banda....-filtros activos y pasivos Filtro pasivo: Es el constituido únicamente por componentes pasivos como capacitores, bobinas y resistores. Filtro activo: Es aquel que puede presentar ganancia en toda o parte de la señal de salida respecto a la de entrada. En su implementación se combinan elementos activos y pasivos. Siendo frecuente el uso de amplificadores operacionales, que permite obtener resonancia y un elevado factor Q, sin el empleo de bobinas....-filtros analógicos o digitales Atendiendo a la naturaleza de las señales tratadas los filtros pueden ser: Filtro analógico: Diseñado para el tratamiento de señales analógicas. Filtro digital: Diseñado para el tratamiento de señales digitales. Entre ellos, cabe citar el filtro adaptado cuya función principal es maximizar la relación señal a ruido en el receptor. 5

26 Capítulo I Fuentes de alimentación...-definiciones de parámetros básicos Además de las formas básicas de filtros, los técnicos o los ingenieros se deben familiarizar con la terminología que sigue y que se usa para describir o designar filtros....-frecuencia de corte (F) La frecuencia de corte define el límite de pasa banda, y por lo común corresponde a db de atenuación. Mientras que los filtros pasa baja y pasa alta tienen sólo una frecuencia de corte, los filtros de pasa banda y rechazo de banda tienen dos frecuencias de corte....-frecuencia central (F ) Los filtros de pasa banda don geométricamente simétricos, o sea, simétricos en torno a una frecuencia central) cuando se traza en papel para gráficas lineales logarítmicas con la frecuencia en el eje logarítmico. La frecuencia central se puede calcular por medio de: F = F F En donde F es el corte inferior y F la frecuencia de corte superior, como se muestra en la figura.. Para filtros estrechos, en donde la razón de F a F es menor que., la forma de respuesta se acerca a la simetría aritmética. A continuación se puede calcular F mediante el promedio de las frecuencias de corte. F = F + F...-Frecuencia de corte de supresión de banda (F a ) Es pasa banda y el filtro de banda están separados por una zona de transición, F a, es la frecuencia a la que se especifica la atenuación mínima que se requiere....-factor de selectividad (Q) Q es la razón de la frecuencia central de un filtro de pasa banda al ancho de banda de db. Si F y F corresponden al punto inferior y superior de db, el factor de selectividad se podrá expresar como sigue: F Q = F F 6

27 Capítulo I Fuentes de alimentación Otro método alternativo para expresar la selectividad de un filtro es mediante el porcentaje de ancho de banda (BW) que se define por medio de: % BW = F F F X...5.-Factor de forma (SF) El factor de forma es la razón del ancho de banda de supresión al ancho de banda de paso de los filtros pasa banda. El ancho de banda se suele medir en los puntos de db y el ancho de banda de supresión se mide en puntos dados de atenuación, tales como db pérdida por inserción (IL) La perdida por inserción es la reducción (medida en decibeles) a la salida de un filtro, en comparación con el nivel medido en las mismas terminales, antes de la inserción del filtro. 7

28 Capítulo II Balastros electrónicos CAPÍTULO II BALASTROS ELECTRÓNICOS Introducción La electrónica esta incidiendo de manera relevante en los diferentes sistemas de control eléctricos, tal es el caso de la sustitución habida en los balastros eléctricos tradicionales para la operación de lámparas fluorescentes por balastros electrónicos ahora para las lámparas ahorradoras de energía de los sistemas de iluminación, mejorando con ello la operación y dando como resultado un importante ahorro en el consumo de energía eléctrica. El balastro se utiliza para el encendido de la lámpara y limitar su corriente de operación. Los balastros electrónicos comparados con los electromagnéticos permiten un ahorro de energía promedio de aproximadamente 5 % para los mismos niveles de salida de iluminación. En este capítulo se describirán las diferentes características de los balastros necesarias para las lámparas ahorradoras de energía comparando su operación con otro tipo de lámparas, incluyendo la fluorescente y la incandescente, lo que permitirá visualizar el impacto de las lámparas ahorradoras en las instalaciones eléctricas.. Por qué ahorro de energía? Algunas estimaciones nos dicen que el 5% de la energía generada se consume en los sistemas de iluminación; de ahí que se busque mejorar la relación costo-beneficio ó relación lumen por watt. En la actualidad al comprar una lámpara ahorradora, notamos como en las envolturas publicitarias se muestra un comparativo de la potencia en watt que dicha lámpara desarrolla contra la potencia en watt que se consumiría con una lámpara incandescente, esto, además de servir como mercadotecnia permite que el consumidor visualice la incidencia en el ahorro, en términos monetarios, en el pago de energía al hacer uso de lámparas ahorradoras. Estos elementos también están relacionados con la eficiencia, eficacia, continuidad en la operación, variaciones, costo en suma con la calidad, aspectos que dependen de dos factores: el tubo fluorescente para un mejor rendimiento y el sistema de encendido o alimentación de la lámpara denominado balastro. 8

29 Capítulo II Balastros electrónicos. Tipos de iluminación Existen dos tipos de fuentes de luz:. Incandescencia (termorradiación). Este tipo de fuente se refiere a la generación de luz como consecuencia del paso de una corriente eléctrica a través de un filamento conductor. Fuentes de luz. De descarga (luminiscencia). Esta fuente de luz es emitida por los átomos cuando sus electrones pasan a un estado fundamental desde un estado excitado; ésta transición se produce con la liberación de energía, correspondiente a la diferencia entre ambos estados, en forma de radiación electromagnética de una longitud de onda visible. La luz producida por incandescencia se produce por una emisión radiante de alta temperatura de un material normalmente de Tungsteno y a la radiación generada en el espectro visible se le llama incandescente. La figura. muestra una lámpara incandescente, la cual emite luz gracias a su elevada temperatura en su filamento Figura. Lámpara incandescente La iluminación por descarga se origina por una descarga eléctrica producida por una diferencia de potencia (ddp) que se establece entre dos electrodos y dicha descarga origina una radiación electromagnética visible denominada luminiscencia. 9

30 Capítulo II Balastros electrónicos.. Lámparas CFL ahorradora de energía (Lámpara de descarga) Las lámparas ahorradoras de energía denominadas CFL (Compact Fluorescent Lamp Lámpara Fluorescente Compacta) son una variante mejorada de las lámparas de tubos rectos fluorescentes, en la figura. se puede apreciar una lámpara de este tipo con sus diferentes partes...- Partes de una lámpara CFL ahorradora de energía Tubos fluorescentes, rectos Filamentos de encendido(dentro de tubos fluorescentes) Balastro electrónico Base. (El balasto electrónico va colocado dentro) Casquillo con rosca Figura..- Partes constitutivas de una lámpara CFL ahorradora de energía. Las lámparas ahorradoras de energía constan de las siguientes partes:...- Tubo fluorescente Se componen de un tubo de unos 6 mm de diámetro aproximadamente, doblados en forma de U invertida, cuya longitud depende de la potencia en watt que tenga la lámpara. En todas las lámparas CFL existen siempre dos filamentos de tungsteno o wolframio (W) alojados en los extremos libres del tubo con el propósito de calentar los gases inertes, como el neón (Ne), el criptón (Kr) o el argón (Ar), que se encuentran alojados en su interior. Junto con los gases inertes, el tubo también contiene vapor de mercurio (Hg). Las paredes del tubo se encuentran recubiertas por dentro con una fina capa de fósforo.

31 Capítulo II Balastros electrónicos...-balastro Las lámparas ahorradoras de energía son de encendido rápido, por tanto no requieren cebador (encendedor, starter) para encender el filamento, sino que emplean un balasto electrónico en miniatura, encerrado en la base que separa la rosca del tubo de la lámpara. Ese balasto suministra la tensión o voltaje necesario para encender el tubo de la lámpara y regular, posteriormente, la intensidad de corriente que circula por dentro del propio tubo después de encendido.....-base La base de las lámparas ahorradoras se compone de un receptáculo de material plástico, en cuyo interior hueco se aloja el balasto electrónico. Unido a la base se encuentra un casquillo con rosca normal E-7 (conocida también como rosca Edison), la misma que utilizan la mayoría de las lámparas incandescentes. No obstante, existen variantes con otros tipos de conectores, de presión o bayoneta, en lugar de casquillos con rosca, que funcionan con un balasto electrónico externo, que no forma parte del cuerpo la lámpara. Figura. Esquema de una lámpara ahorradora de energía Las lámparas ahorradoras de energía por su estructura interna de funcionamiento se consideran como cargas no lineales, las cuales tienden a provocar fluctuaciones de tensiones y corriente en la red eléctrica donde estén conectadas.

32 Capítulo II Balastros electrónicos..- Tipos de balastros El desarrollo de la tecnología ha permitido que en la actualidad se usen balastros electrónicos para operación de fuentes de luz producida por descargas eléctricas....- Balastro electromagnético El balastro electromagnético consiste básicamente de un núcleo de acero rodeado por dos bobinas de cobre o aluminio, este arreglo transforma potencia eléctrica en una forma apropiada para arrancar y regular la corriente en las lámparas fluorescentes. Otro componente principal de la mayoría de los balastros electromagnéticos es el capacitor. El capacitor en dichos balastros optimiza el Factor de Potencia, de tal forma que puede utilizar la energía de manera más eficiente, los balastros electromagnéticos que están equipados con el capacitor son considerados balastros de alto factor de potencia....- Balastros electrónicos La revolución electrónica ha dado lugar a mejoras drásticas en el funcionamiento de los balastros, El balastro electrónico esta basado en una tecnología enteramente diferente a la del balastro electromagnético. Enciende y regula las lámparas fluorescentes en altas frecuencias, generalmente mayores a KHz, usando componentes electrónicos en vez de tradicional transformador. Un aspecto muy importante en la evolución que han tenido los balastros electrónicos dentro de los sistemas de iluminación fluorescente, son las ventajas que presentan con respecto a los balastros electromagnéticos tradicionales, tales como la eliminación del parpadeo de la lámpara en el encendido, el ruido audible, la habilidad para ajustar la salida de luz de la lámpara a casi cualquier nivel cuando es usado un control de intensidad luminosa. Aunque los balastros electromagnéticos presentan gran simplicidad y bajo costo, estos tienen que trabajar a frecuencia de red lo cual, trae como consecuencia un elevado peso y gran volumen así como bajo rendimiento. Por ello los balastros electrónicos de alta frecuencia son utilizados hoy en día para la alimentación de lámparas ahorradoras de energía. Comparado el balastro tradicional electromagnético con el electrónico, este puede proporcionar mayor rendimiento, control de la potencia de salida, larga vida a la lámpara y reducido volumen.

33 Capítulo II Balastros electrónicos Figura. Esquema físico de un balastro electrónico...- Funcionamiento de un balastro electrónico El desarrollo de nuevas topologías en la implementación de un factor de potencia alto y balastros de bajo costo se ha convertido en una importante rama de investigación en el área de la electrónica de potencia. Varias soluciones pueden ser obtenidas de la literatura. Una primera solución para implementar un alto factor de potencia en un balastro está basado en la integración de las dos etapas que lo constan, gracias a la reducción de elementos de control por medio de compartición de uno o más interruptores....- Operación básica de un balastro Los balastros son diseñados para operar las lámparas ahorradoras de energía y proveer la tensión requerida apropiada para el arranque y operación de la lámpara. En todos los sistemas de iluminación fluorescente el balastro se encarga de tres principales tareas: Provee la tensión adecuada para establecer un arco entre los dos electrodos que enciende la lámpara. Regula la corriente eléctrica que fluye a través de la lámpara para estabilizar la salida de luz. Proporciona la tensión de operación correcta para proveer la corriente de operación específica de la lámpara. Los balastros también pueden compensar variaciones de tensión de fuente. El balastro electrónico provee la tensión necesaria para encender el tubo de la lámpara, posteriormente, regula la intensidad de corriente que circula por dentro del propio tubo después de encendido.

34 Capítulo II Balastros electrónicos El balasto electrónico se compone, fundamentalmente, de un circuito rectificador diodo de onda completa y un oscilador, encargado de elevar la frecuencia de la corriente de trabajo de la lámpara entre KHz y 6 KHz aproximadamente, en lugar de los 6 hertz con los que operan los balastos electromagnéticos e híbridos que emplean los tubos rectos y circulares de las lámparas fluorescentes comunes antiguas. La corriente eléctrica alterna fluye hacia el balasto electrónico, donde un rectificador diodo de onda completa se encarga de convertirla en corriente directa y mejorar, a su vez, el factor de potencia de la lámpara. A continuación un circuito oscilador, compuesto fundamentalmente por un circuito transistorizado en función de amplificador de corriente, un enrollado o transformador (reactancia inductiva) y un capacitor o condensador (reactancia capacitiva), se encarga de originar una corriente alterna con una frecuencia, que llega a alcanzar entre mil y 6 mil ciclos o hertz por segundo. La función de esa frecuencia tan elevada es disminuir el parpadeo que provoca el arco eléctrico que se crea dentro de las lámparas fluorescentes cuando se encuentran encendidas. De esa forma se anula el efecto estroboscópico que normalmente se crea en las antiguas lámparas fluorescentes de tubo recto que funcionan con balastos electromagnéticos (no electrónicos). En las lámparas fluorescentes antiguas el arco que se origina posee una frecuencia de sólo 6 hertz, la misma que le proporciona la red eléctrica doméstica a la que están conectadas. En la figura.5 se muestra el diagrama eléctrico de un balastro electrónico Figura.5.- Diagrama eléctrico de un balastro electrónico.

35 Capítulo II Balastros electrónicos...- Estructura del balastro electrónico Los balastros son dispositivos diseñados para operar las lámparas fluorescentes y proveer la tensión requerida apropiada para el arranque y operación de la lámpara. Los balastros electrónicos están compuestos de grupos de componentes electrónicos que convierten tensión de CA a CD, pasando por un convertidor CD-CD el cual funciona como corrector de factor de potencia. Posteriormente la salida se conecta a un inversor de alta frecuencia que alimenta la lámpara, En la figura.6 se muestra en cascada las dos etapas que forman al balastro electrónico. Figura.6.- Etapas del balastro electrónico.5.- Elementos de calidad de un balastro electrónico Los elementos de calidad que afectan el rendimiento de los balastros proporcionan medidas comparativas de los parámetros de eficiencia del funcionamiento de los sistemas de iluminación y cómo estas afectan el comportamiento del balastro. Los siguientes parámetros son los que especifican el buen desempeño de un balastro..5..-factor de potencia El FP es un parámetro regulado que permite conocer la relación que existe entre la potencia reactiva desarrollada por la carga respecto a la potencia real consumida por la misma; en consecuencia se pretende que la potencia proporcionada por el proveedor de la energía eléctrica, potencia aparente S, sea utilizada para evitar regreso de potencia hacia la fuente, debido al efecto reactivo de las cargas. Dicha relación, por norma, debe de ser mayor a,9 y menor a,, que corresponde a un ángulo de defasamiento, entre la corriente y la tensión, de 5,8 a y es igual al coseno del ángulo θ del triángulo de potencias, de la figura.7. 5

36 Capítulo II Balastros electrónicos Cuando un sistema de cargas monofásicas originan defasamientos, entre las señales de corriente y tensión, mayores a 5,8, dan lugar a un FP menor a,9 existiendo un exceso de potencia reactiva y un exceso de potencia o energía transferida de la carga hacia la fuente, con las consecuencias que ello implica a la compañía suministradora. En México, de acuerdo a la tarifa y al Diario Oficial de la Federación del día de noviembre de 99, se establece que cuando se tenga un FP inferior a,9, la compañía suministradora de energía, Comisión Federal de Electricidad o la Compañía de Luz y fuerza del Centro, tienen derecho a cobra al usuario una compensación tipificada como penalización o cargo por la cantidad que resulte de aplicar al monto de la facturación el porcentaje de recargo que resulte de la siguiente ecuación: % de penalización=(/5)(,9/fp-)() Asimismo, cuando el FP sea mayor a,9, la compañía suministradora tendrá la obligación de bonificar al usuario el porcentaje del total de la facturación determinado por la siguiente ecuación: % de bonificación=(/)(-,9/fp)() Existen varias maneras, en la practica, de reducir dicho defasamiento y por lo tanto corregir el FP, uno es que los sistemas de cargas eléctricas utilicen únicamente cargas resistivas, otro es instalando motores síncronos que desarrollen efecto capacitivo y el más usual utilizando capacitores estáticos. Por su mayor incidencia para corregir el FP Potencia Activa: Los diferentes dispositivos eléctricos convierten energía eléctrica en otra forma de energía, tales como: mecánica, lumínica, térmica, química, etc. Esta energía corresponde a una energía útil o potencia activa, similar a la energía consumida por una resistencia. Se expresa en watts (W) Potencia Reactiva: Los motores, transformadores y en general todos los dispositivos eléctricos que hacen uso del efecto de un campo electromagnético, requieren potencia activa para efectuar un trabajo útil, mientras que la potencia reactiva es utilizada para la generación del campo magnético. Esta potencia reactiva corresponde a la potencia reactiva estando 9 defasada de la potencia activa. Esta potencia es expresada en volts-amperes reactivos (VAR). 6

37 Capítulo II Balastros electrónicos.5...-potencia Aparente: La potencia aparente (S) se define como el producto de la tensión por la intensidad de corriente eléctrica y corresponde a la potencia proporcionada por la compañía suministradora de energía, su unidad es el volt-amper (VA). S=VI. En el triángulo de potencia (figura.7), esta potencia corresponde a la hipotenusa del triángulo. Asimismo, desde el punto de vista de la representación compleja la potencia aparente es igual a la suma fasorial de la potencia real o activa más la parte imaginaria de la potencia reactiva: S=P±jQ VA Donde: S=potencia aparente (VA) P=potencia real o activa (W) Q=potencia reactiva (VAR) En la figura.7, se muestra dicho triángulo de potencia del cual se puede observar la dependencia entre las mismas; por ejemplo, del triángulo se desprende que: S = P + Q =VI (VA) P=VIcos = S Q (W) Q=VIsen = S P (VAR) El producto de la corriente y la tensión es llamada potencia aparente, es también la resultante de la suma de los vectores gráficos de la potencia activa y de la potencia reactiva. Se expresa en volts-amperes (VA) θ Figura.7 Representación grafica del triangulo de potencias El factor de potencia es la razón entre potencia activa (W) y la potencia total (VA) que consume una carga eléctrica. Su valor puede variar entre O y. El F.P. es una característica de la carga eléctrica. En teoría mientras mayor sea un F.P. (cercano a ) es mejor. Asimismo, también se define como una medida de la efectividad del dispositivo para convertir la potencia aparente (S), el producto rms de la corriente y tensión de entrada, en potencia eléctrica útil o potencia activa. 7

38 Capítulo II Balastros electrónicos El factor de potencia se puede expresar matemáticamente de la siguiente forma: P = VI cosθ (watt) S = VI (VA) FP = cosθ Por lo tanto: P FP = S Un factor de potencia alto significa que la mayor parte de la energía que recibe el dispositivo eléctrico es aprovechada para efectuar su función, Un factor de potencia bajo significa que la energía recibida por un elemento eléctrico no es aprovechada para su función, ocasionando perdidas a la compañía suministradora de energia Factor de cresta Razón entre la comente pico que demanda un equipo y su corriente media. Es una medida de no-linealidad de un consumo eléctrico. Mientras mayor sea el Factor de Cresta se puede soportar corrientes picos mayores demandadas por las cargas conectadas..6.- Distorsión armónica.6..- Definición de armónicas Este concepto proviene del teorema de Furrier y define que bajo ciertas condiciones analíticas, una función periódica cualquiera puede considerarse integrada por una suma de funciones senoidales, incluyendo un termino constante en caso de asimetría respecto al eje de las abscisas, siendo la primera armónica, denominada también señal fundamental, del mismo periodo y frecuencia que la función original y el resto serán funciones senoidales cuyas frecuencias son, múltiplos de la fundamental. Estas componentes son denominadas armónicas de la función periódica original. Las ondas simétricas contiene únicamente armónicas impares, mientras que para ondas asimétricas existirán tanto armónicas pares como impares Distorsión armónica En un sistema de potencia eléctrica, los aparatos y equipos que se conectan a él, tanto por la propia empresa como por los clientes, están diseñados para operar a 6 Hz 8

39 Capítulo II Balastros electrónicos (Continente Americano), con una tensión y corriente senoidal. Por diferentes razones, se puede presentar un flujo eléctrico a otras frecuencias de 6 Hz sobre algunas partes del sistema de potencia o dentro de la instalación de un usuario. La forma de onda existente esta compuesta por un número de ondas senoidales de diferentes frecuencias, incluyendo una referida a la frecuencia fundamental. En la figura.8 se observa la descomposición de una onda distorsionada en una onda senoidal a la frecuencia fundamental (6 Hz) más una onda de frecuencia distinta. El término componente armónico o simplemente armónico, se refiere a cualquiera de las componentes senoidales mencionadas previamente, la cual es múltiplo de la fundamental. La amplitud de los armónicos es generalmente expresada en porciento de la fundamental. Figura.8.- Descomposición de una onda senoidal distorsionada. Figura.9.- Onda fundamental de 6 Hz 9

40 Capítulo II Balastros electrónicos Figura..- ª armónica Figura..- 5ª armónica Figura..- Onda resultante de la sumas de la ª armónica con la fundamental.