DISTORSIÓN ARMÓNICA PRODUCIDA POR LÁMPARAS DE BAJO CONSUMO DISPOSITIVO PARA REDUCIR SU IMPACTO EN LA CALIDAD DE SERVICIO

Transcripción

1 1/7 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 Autores del Trabajo Nombre País Ing. María Rita Ferrari Argentina mferrari@fceia.unr.edu.ar Ing. Luis Alberto Krapf Argentina luiskrapf@yahoo.com.ar Mgter. Jorge Ronco Argentina jcronco@fceia.unr.edu.ar Ing. Eduardo Passerini Argentina epasseri@epe.santafe.gov.ar Srta. Rosana Andrea Seggiaro Argentina rosanaseggiaro@hotmail.com Ing. Gonzalo López Argentina glopez@fceia.unr.edu.ar Ing. Luciano Rumin Argentina lucianorumin@gmail.com Ing. Andrés Carlos Vazquez Sieber Argentina andres_vazquez_sieber@yahoo.com.ar 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. PAPER DOC 1 / 7

2 2/7 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 PAPER DOC 2 / 7

3 3/7 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 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 = cosϕ 1+ THD i 2 (1) THD i n= 2 I 1 I 2 n = (2) THD i : THD de corriente In: 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: 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. PAPER DOC 3 / 7

4 4/7 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. Marca N Tabla 1 Corrientes Armónicas Eficaces de Distintas LBC Attralux Cegasa (España) I (ma) 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 Tabla 2 - THD y Factor de Potencia Lámpara THD Potencia i Comercial (%) 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 3 120% 100% 80% 60% 40% 20% Attralux Cegasa (España) Osram Phillips Figura 4 - Circuito de Medición de Corriente y Tensión en el Dispositivo Corrector. Tabla 3- Factor de Potencia con Corrector y sin Corrector Circuito THD i (%) FP 0% Figura 3 Contenido Armónico de Distintas LBC Sin Corrector 85 0,76 Con Corrector 18 0,98 PAPER DOC 4 / 7

5 5/7 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 Figura 6b- Contenido Armónico de la Corriente con el Corrector 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), PAPER DOC 5 / 7

6 6/7 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 / 50-60Hz). 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 C 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, /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 S.A. Qureshi, M. Akmal and R. Arif Power Quality Based Comparison of Compact Fluorescent Lamp with Fluorescent Light, /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, 8-11 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 , version June 24, 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 Limites para las emisiones de corriente armónica equipos con corriente de entrada menor a 16 A 12. Norma IRAM-IEC 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 : Métodos de medición de la calidad de suministro (servicio) (IEC :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, SE- PROCAE, Mayo de PAPER DOC 6 / 7

7 7/7 ANEXO Fig. A-1 Dispositivo Corrector Fig. A-2 Disposición para medición VOLVER PAPER DOC 7 / 7