Distorsión armónica producida por lámparas de bajo consumo Dispositivo para reducir su impacto en la calidad de servicio

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1 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 Lámpara de bajo consumo, armónicas, factor de potencia, distorsión armónica, dispositivo corrector 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, aunque 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. 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 100 Ingeniería Eléctrica Diciembre 2012

2 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. 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 y perturbando 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 a 20% según IEEE Standard 519), originándose el deterioro de la PQ antes mencionado. 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 (20kHz) que mejora el rendimiento de la lámpara y elimina el peligroso efecto estroboscópico que produce el balasto 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: Figura 1: Forma de onda de tensión y de corriente Ingeniería Eléctrica Diciembre

3 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 existen potencia activa (P) y reactiva (Q) asociadas a la frecuencia fundamental y por lo tanto, el FP de cualquier carga conectada resulta: (1) Donde, Cos φ, desfasaje entre la tensión y la componente de frecuencia fundamental de corriente. (2) THD i : THD de corriente I n : Valor eficaz de cada componente armónica de corriente I 1 : Valor eficaz de la componente fundamental de corriente 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. 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: Los instrumentos utilizados fueron un osciloscopio de almacenamiento digital (DSO) (ancho de banda: 60 MHz, 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) Marca N Attralux (España)Cegasa Osram Philips ,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 Idealmente, debido a la presencia del puente rectificador, la Figura 2: Circuito de medición de corriente y tensión de las LBC Tabla 1: Corrientes armónicas eficaces de distintas LBC 102 Ingeniería Eléctrica Diciembre 2012

4 Lámpara comercial Potencia THD i (%) 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 Tabla 2: THD y factor de potencia Figura 3: Contenido armónico de distintas LBC se muestra en la figura 4, obteniéndose los resultados de la tabla 3. 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 4: Circuito de medición de corriente y tensión en el dispositivo corrector Circuito THD i (%) FP Sin Corrector 85 0,76 Con Corrector 18 0,98 Tabla 3: Factor de potencia con y sin corrector 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 diseño de un dispositivo electrónico para emplearlo como corrector, y una vez armado y puesto en marcha (ver Anexo, figuras A-1 y A-2) 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 Figura 5a: Formas ondas de tensión (CH1) y corriente de línea (CH2) sin el corrector Figura 5b: Contenido armónico de la corriente sin el corrector Ingeniería Eléctrica Diciembre

5 Figura 6a: Formas ondas de tensión (CH1) y corriente de línea (CH2) con el corrector Figura 6b: Contenido armónico de la corriente con el corrector 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 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 costo resulta comparable al de una LBC y, además, permite operar al conjunto con alimentación universal ( V / Hz). 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. Anexo Figura A-1: Dispositivo corrector Figura A-2: Disposición para medición Nota de redacción: el presente artículo cuenta con una extensa y específica bibliografía, la cual no publicamos por motivos editoriales. Por bibliografía o demás consultas: Ing. María Rita Ferrari mferrari@fceia.unr.edu.ar 104 Ingeniería Eléctrica Diciembre 2012