Comportamiento de los sistemas de alumbrado

Transcripción

1 Comportamiento de los sistemas de alumbrado José Cidrás Pidre Camilo J. Carrillo González Grupo de investigación en.e Universidade de Vigo Equipos auxiliares Son los equipos eléctricos asociados a la lámpara y necesarios para su correcto funcionamiento, desde el punto de vista eléctrico. Los equipos auxiliares más comunes son: los balastos los arrancadores los condensadores. Balastros electrónicos 2

2 Equipos auxiliares Balastos y fuentes de alimentación Las ventajas principales de la utilización de los balastos electrónicos: Mayor eficiencia de la lámpara por alimentarla a frecuencia elevadas Prevención del efecto estroboscópico Mayor eficiencia del balasto, al desparecer las pérdidas en el cobre y en el hierro (rendimiento superior al 95%) Arranque instantáneo Factor de potencia del conjunto puede ser unitario Inmunidad a variaciones de la tensión de entrada Posibilidad de incorporar control de flujo luminoso 3 Funcionamiento: balastro electromagnético Tensión de cebado arco: 25V-5kV Tensión de arco: 8V-8V 2 Equipos auxiliares Tensión en lámpara de halogenuros metálicos V - Tensión de arco Extinción y reencendido del arco x -3 4

3 Funcionamiento: balastro electromagnético Tensión de cebado arco: 25V-5kV Tensión de arco: 8V-8V Equipos auxiliares L + balastro R tubo cebador Tubo fluorescente Balastro, bobina con núcleo de hierro con inductancia elevada Cebador, ampolla en cuyo interior hay un contacto bimetálico que se abre con el calor. Arranque: Cebador en serie con balastro Apertura cebador provoca arco eléctrico Régimen permanente: Bobina muy saturada (pérdidas en hierro y en cobre) En función de la lámpara de descarga, el sistema de cebado del arco puede ser distinto. 5 Funcionamiento: Lámpara fluorescente compacta Tensión y corriente balastro electrónico 8 V 3 khz Equipos auxiliares 23 V 5 Hz CA CA lámpara descarga CA/CC CC/CA 23V 5Hz 8 V 3 khz 6

4 Funcionamiento: Lámpara fluorescente compacta Tensión y corriente Equipos auxiliares Fluorescente compacta Sin FILTRO Fluorescente compacta CON FILTRO 7 Equipos auxiliares Elementos de un sistema de iluminación Equipos Auxiliares Cebador / Arrancador o Genera los picos de tensión iniciales para el arranque de las lámparas. o Precalentamiento de los cátodos. o Lámparas de fluorescencia. Balastos electromagnéticos o electrónicos. o Proporciona corriente de arranque. o Proporciona tensión de vacío para generar arco entre electrodos. o Limita el consumo de corriente de la lámpara. o Estabiliza la corriente ante variaciones de tensión (alarga la vida útil). Condensadores o Compensa el uso de energía reactiva cuando se utilizan reactancias electromagnéticas. o Lámparas de fluorescencia, halogenuros metálicos y vapor de sodio. Transformador / Fuente de alimentación o Convierte la tensión de red a la adecuada a lámparas de muy baja tensión. o Lámparas halógenas de baja tensión y LED s 8

5 Equipos auxiliares Los sistemas de alimentación: balasto Las lámparas de descarga se alimentan a través de balastos mediante los que se limita la corriente de alimentación. Se utilizan en las lámparas de descarga. Balastos electrónicos versus balastros electromagnéticos Menor consumo (mayor eficiencia) Mayor factor de potencia Reducción efecto estroboscópico (confort visual) Posibilidad de control Menor fiabilidad Balasto Lámpara Condensador Arrancador Balasto Condensador Arrancador Equipo de conexión electrónico Pérdidas ECC = 2% P lamp (W) Equipo de conexión convencional (Electromagnético) Pérdidas ECE = % P lamp (W) 9 Consumo lámparas Equipos auxiliares La potencia consumida por una lámpara se puede poner como: I = (P aux + P lamp )/(U cos) Donde P aux es la potencia consumida por los sistemas auxiliares (balasto o fuente de alimentación) y P lamp es la potencia consumida por la lámpara. Los valores de referencia para el factor de potencia son: cos = ; para lámparas incandescentes cos =.6; para tubos fluorescentes sin compensación de reactiva cos =.86; para tubos fluorescentes con compensación de reactiva cos =.96; para tubos fluorescentes con balastro electrónico Potencia Corriente en A Potencia consumida en W Nº nominal Sin corr. Con corr. Balast. Sin corr. Con corr. Balast. Tubos en W FP FP Electr. FP FP Electr Normativa límite consumo: CTE HE3: consumo de lámparas de descarga y halógenas y sus balastros RD 838/22: consumo de lámparas fluorescentes

6 Características de la tensión Formas de onda Ténsión monofásica Ténsión trifásica R S T V V ,,,,2,2 sg ,,,,2,2 sg Características ideales de la tensión: Forma de onda: sinusoidal Frecuencia: 5 Hz Valor Eficaz: 23 V (monofásica) / 4 V (trifásica) Valor de pico: 325 V (monofásica) / 565 V (trifásica) RMS v t dt v kt max(v(t)) T = Período en s Frecuencia en Hz: fr = /T T = Período de muestreo en s tensión Valor eficaz N 2 2 pico T N T k 2 Valor eficaz (V) o RMS V ONDAS SINUSOIDALES Valor medio de la forma de onda al cuadrado. UNE-EN La medida del valor eficaz ha de realizarse sobre períodos consecutivos para redes de 5 Hz. Forma de Onda v(t) T = Período en s Frecuencia en Hz: fr = /T Amplitud de Onda tiempo APROXIMACIÓN Para formas de onda sinusoidales o cuasi sinusoidales: RMS, v tdt T Proporcional al valor medio de la onda rectificada. T

7 Tensión e intensidad en una carga V !!! Tensión e -3 intensidad - desfasadas!!! -4-5,,,2 kw 3, 2,5 2,,5, u(t) sg i(t) P 5 p(t) 5 A Potencia instantánea: p t u t i t Valor instantáneo del producto de tensión por intensidad. Potencia media o activa: tt N P p d p kt T N t k Valor medio de la potencia instantánea En el caso de formas de onda sinusoidales: P UI cos ( W ),5, -,5,,,2 sg p(t) < Desfase entre tensión e intensidad 3 Potencia en una carga Potencia aparente: S UI VA Potencia reactiva: Q S 2 P 2 UI sin VAr Cos : P UI cos El ángulo es el desfase entre la tensión e intensidad para ondas sinusoidales. En inglés DPF o Displacement Power Factor. W Potencia reactiva generada por un condensador: Q 2fr C U 2 C: capacidad del condensador (F) fr: frecuencia de red (Hz) U: valor eficaz tensión (V) 4

8 Ejemplo Análisis de tubo fluorescente con balastro electromagnético, con y sin, condensador para compensación de reactiva. Características del tubo: Sin Condensador Tipo: T8 5 5 CON Condensador Potencia nominal: 8W Código Color: 84 (CCT 4K; Ra 85) Compensación de reactiva: 5uF / 25V Sin Condensador U = 233 V I =.37 A P = 3. W S = 86.6 VA cos fi =.35 inductivo Q = 8.2 VAr Voltios CON Condensador U = 232 V I =.6 A Watios Voltios P = 3.3 W S = 37.9 VA cos fi =.997 inductivo Q = 22.7 VAr Watios tiempo en s tiempo en s 5 Potencia en presencia de armónicos Armónicos Descomposición armónica Armónicos o COMPONENTE FUNDAMENTAL: Componente de la misma frecuencia que la forma de onda original. o ARMÓNICO DE ORDEN h Componente de frecuencia h veces la fundamental. o COMPONENTE CONTINUA ovalor medio de la forma de onda periódica. Onda Distorsionada Periódica Componente fundamental Nivel de Continua Tercer armónico COMPONENTES ARMÓNICAS: Cualquier forma de onda periódica no sinusoidal de una frecuencia dada (frecuencia fundamental) se puede descomponer en ondas sinusoidales cuya frecuencia es múltiplo de la frecuencia fundamental más una componente continua.

9 Potencia en presencia de armónicos Armónicos Descomposición armónica h= h=3 Onda Distorsionada Periódica Valor Eficaz: U Frecuencia: 5 Hz Componente fundamental (h=) Valor Eficaz: U Frecuencia: 5 Hz Armónico de orden 3 (h=3) Valor Eficaz: U 3 Frecuencia: 5 Hz Una forma de onda periódica se puede descomponer en INFINITAS ondas sinuosidades cuya frecuencia es múltiplo de la frecuencia de la onda de partida. En REDES industriales NO suelen existir armónicos de orden par (h=,2,4,...) o bien su valor es muy bajo debido a la simetría de onda (ciclo positivo igual al ciclo negativo). El valor eficaz de la onda periódica se puede poner como suma cuadrática de los valores eficaces de los armónicos. = h=5 h=7 Armónico de orden 5 (h=5) Valor Eficaz: U 5 Frecuencia: 25 Hz Armónico de orden 7 (h=7) Valor Eficaz: U 7 Frecuencia: 35 Hz En REDES INDUSTRIALES las tensiones e intensidades tienen una frecuencia de 5 Hz. Esto quiere decir que la componente fundamental es de 5 Hz y los armónicos tienen una frecuencia múltiplo de este valor. Los armónicos habituales en la redes industriales son los impares, especialmente los armónicos 3º (5 Hz), el 5º (25 Hz) y el 7º (35 Hz). 7 Potencia en una carga: Potencia reactiva: Potencia en presencia de armónicos P p t dt W Factor de potencia: Potencia aparente: S UI VA Habitualmente se designa como f.d.p., o TPF (True Power Factor). T 2 2 Q S P P FP S P UI cos Q UI sin W VAr Para la componente fundamental Cos : El ángulo es el desfase entre componente fundamental de la tensión y la componente fundamental de la intensidad. Potencia reactiva generada por un condensador: Q 2fr C U 2 Sistemas lineales : FP cos Sistemas no lineales : FP cos C: capacidad del condensador (F) fr: frecuencia de red (Hz) U: valor eficaz tensión (V) 8

10 El nivel de distorsión de una forma de onda se valora con la denomina Tasa Total de Distorsión Armónica o THD, que se define como: Para la tensión: Potencia en presencia de armónicos Distorsión armónica Para la intensidad: U2 U3 U4 U5 U6 THDU U I2 I3 I4 I5 I6 THDI I Donde U h e I h representan los armónicos de tensión e intensidad de orden h, o lo que es lo mismo aquellos cuya frecuencia es hx5hz. El nivel de distorsión de una forma de onda se valora con la denomina Tasa Total de Distorsión Armónica o THD, que se define como: Para la tensión: Uh HDh U Para la intensidad: Ih HDh I 9 Potencia en presencia de armónicos Límites - normativa Según la normativa, la tasa de distorsión armónica de la tensión ha de ser inferior al 8%, considerando únicamente los armónicos hasta el orden 4 (UNE-EN 56, Clase 2 en UNE- EN 6-2-4): THD U < 5% Límites de armónicos de tensión (Clase 2 en UNE-EN 6-2-4) mult. de tres impares pares 2 % Orden del armónico h 2

11 Introducción a la CA Armónicos En lo referente a cargas, las distintas normativas limitan la distorsión de la corriente demandada por éstas. Al contenido en componentes armónicas de la corriente se le denomina emisión de corrientes armónicas. Una lámpara de 25W con un cos de.98 podría tener un THD I superior al 9% y cumplir con la normativa. ma/w Límites de emisión de armónicos de corriente para lámparas de menos de 25 W (Clase C en UNE-EN 6-3-2) Orden del armónico h 2 Potencia en presencia de armónicos Factor de potencia y cos fi En el caso de formas de onda de la corriente y tensión sinusoidales (sin distorsión o con THD=) el denominado cos y el factor de potencia tienen un valor coincidente. En el caso de que las formas de onda estén distorsionadas ), ambas variables tienen valores distintos ( ). La relación entre ambas se puede poner como: FP PPcos THD THD THDTHD I U U I Generalmente Cuando THD U < 5% y THD I > 4% la expresión anterior se puede aproximar como: FP cos THD 2 I En la actualidad, los cálculos de potencia reactiva y cos a efectos de facturación no tienen en cuenta la distorsión armónica de la corriente. 22

12 Potencia en presencia de armónicos Factor de potencia y cos fi,9,8 cos fi = cos fi =,9 cos fi =,8 cos fi =,7 cos fi =,6 FP,7,6,5,4 % 2% 4% 6% 8% % 2% THD-I 23 Ejemplo Análisis de tubo fluorescente con balastro electromagnético con condensador para compensación de reactiva. Características del tubo: CON Condensador Tipo: T8 5 Potencia nominal: 8W Código Color: 84 (CCT 4K; Ra 85) Compensación de reactiva: 5uF / 25V CON Condensador U = 232 V I =.6 A THD I = 59.84% P = 3.3 W S = 37.9 VA cos fi =.997 inductivo Q = 22.7 VAr P = 3.3 W Q = 2.52 VAr FP =.8 Voltios Watios tiempo en s 24

13 Ejemplo Análisis de tubo LED para sustitución de tubo T8 de 8W. Características del tubo LED: Tipo: T8 Potencia nominal: 8W 5 CCT 6K; Ra 8 Compensación de reactiva: N/A Medidas U = 233 V I =.37 A THD I = 42% P = 7.9 W S = 8.6 VA cos fi =.997 inductivo Q = 3.5 VAr P = 7.9 W Q = -.6 VAr FP =.98 Comportamiento capacitivo Voltios Watios tiempo en s 25 Ejemplo Análisis de tubo LED para sustitución de tubo T8 de 8W. Características del tubo LED: Tipo: T8.3 Potencia nominal: 8W CCT 6K; Ra 8.2. espectro límite orden del armónico h onda fund h= h= h= h=

14 Comportamiento capacitivo de balastos electrónicos y fuentes de alimentación Balastros electrónicos y fuentes de alimentación están normalmente constituidos por un convertidor AC/DC/AC. o Entrada AC: 22 V / 5Hz o Salida AC: ej. descarga 9V / 5 khz, LED CC. Primera etapa (AC/DC): Puente de diodos 23V 5Hz La carga del condensador comienza un poco antes de que la tensión llegue a su máximo, lo que provoca que la componente fundamental de la corriente vaya adelantada con respecto a la tensión. 27 Flicker lumínico Definición También se denomina parpadeo o efecto estroboscópico y se refiere a la oscilación del nivel lumínico de una lámpara debido a la oscilación de la tensión instantánea de la tensión. Las frecuencias de parpadeo superiores a 65 Hz - 2 Hz son filtradas por la retina del ojo, por lo que sus efectos pueden considerarse despreciables. No se debe confundir con el flicker de la tensión, cuyo origen viene determinado por el efecto de las variaciones del valor eficaz de la tensión y su efecto sobre la percepción visual de las personas 28

15 Es la modulación del flujo luminoso que presentan algunas fuentes de luz en funcionamiento normal (típ: Hz). Puede verse incrementado por los equipos de control de flujo luminoso (dimming). Efectos: Problemas neurológicos Cansancio, dolores de cabeza Distracción Eficacia visual reducida Efecto estroboscópico Flicker lumínico Flicker Index =.2 Porcentaje de Flicker = 6.6% =% + Flicker index= Fotodiodo de alta frecuencia. 29 Flicker lumínico Ejemplo Análisis de Flicker lumínico tubo LED Lux (medio) = 8 klx Lux (maximo) = 42 klx Lux (mínimo) =. klx Porcentaje Flicker = 99% Flicker Index =.92 LUX 4.5 x tiempo en s 3

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