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En los sistemas de distribución de energía se han centrado la atención en la calidad de la energía. La mala calidad de la energía puede desperdiciar energía y la capacidad de un sistema eléctrico; Puede dañar tanto el sistema de distribución eléctrica como los dispositivos que operan en el sistema.

 

Calidad de energía eléctrica e iluminación

Hay muchos elementos en un sistema de poder que afecta a dos parámetros principales; Factor de potencia y armónicos. Los motores eléctricos, algunos accesorios de iluminación, transformadores y otros dispositivos inductivos y capacitivos introducen potencia reactiva en el sistema y, por lo tanto, implican dañar el factor de potencia. Estos componentes necesitan potencia reactiva para funcionar.

Las cargas no lineales como UPS, sistemas informáticos, dispositivos fluorescentes, CFL, electrónica digital, etc. distorsionan las formas de onda de la corriente e introducen armónicos en el sistema de alimentación.

Este artículo técnico ayudará a los especificadores y consumidores de iluminación. Comprenda mejor la calidad de la energía, de modo que puedan seleccionar con más confianza los productos de iluminación de bajo consumo..

 

¿Qué es la calidad de la energía?

Para un sistema de distribución eléctrica, la calidad de la energía es la medida en que el voltaje de línea es una onda sinusoidal de amplitud constante. Figura 1 muestra una forma de onda de 120 voltios (V), 60 hercios (Hz)Tensión de línea de calidad de potencia ideal. En un circuito de corriente alterna, los electrones fluyen hacia la fuente de energía durante la mitad del ciclo y se alejan de la fuente de energía durante la otra mitad.

A 60 Hz, la onda de voltaje completa un ciclo cada 1/60th de un segundo, o aproximadamente cada 17 milisegundos (1/50th de un segundo, o 20 milisegundos en sistemas de 50 Hz). Los problemas con los generadores o el sistema de distribución de una empresa de servicios públicos pueden causar serios problemas de calidad de la energía, como caídas de tensión y transitorios, que pueden reducir la vida útil de los sistemas de iluminación y otros equipos eléctricos. Los altos niveles de distorsión (desviación de la onda sinusoidal) en el sistema de distribución también pueden dañar los equipos eléctricos.

Sin embargo, a diferencia de las caídas de voltaje y los transitorios, la distorsión a menudo es causada por dispositivos eléctricos que funcionan en el sistema.

Para un dispositivo eléctrico específico, el término potencia la calidad y describe la medida en que el dispositivo distorsiona la forma de onda del voltaje y cambia la relación de fase entre el voltaje y la corriente. Un dispositivo con características de calidad de potencia ideales no distorsiona la tensión de alimentación ni afecta la relación de fase de tensión.

 

Figura 1 – Forma de onda de voltaje para una fuente de alimentación de 120V, 60Hz con una calidad de energía ideal

Una onda sinusoidal suave es característica de un voltaje no distorsionado. A la frecuencia de 60 Hz, la onda se repite cada 16.7 ms. La amplitud es de 170V; El valor de la raíz cuadrada media (rms) de la onda es 120V.

¿Cómo afectan los sistemas de iluminación a la calidad de la energía?
Figura 2 – Forma de onda de corriente altamente distorsionada

La mayoría de los sistemas de iluminación incandescentes no reducen la calidad de energía de un sistema de distribución porque tienen formas de onda de corriente sinusoidales que están en fase con la forma de onda de voltaje (la corriente y el voltaje aumentan y disminuyen al mismo tiempo).

Los sistemas de iluminación incandescentes, fluorescentes, de descarga de alta intensidad (HID) y de bajo voltaje, que usan balastos o transformadores, pueden tener formas de onda de corriente distorsionadas.

Forma de onda típica de algunos balastos electrónicos para lámparas fluorescentes compactas. Los dispositivos con tales formas de onda de corriente distorsionada consumen corriente en ráfagas cortas (en lugar de dibujarla suavemente), lo que crea distorsión en el voltaje. Estas formas de onda de corriente de los dispositivos también pueden estar fuera de fase con la forma de onda de voltaje.

Dicho desplazamiento de fase puede reducir la eficiencia del circuito de corriente alterna. En figura 3, la onda de corriente se queda atrás de la onda de voltaje.

Durante parte del ciclo la corriente es positiva, mientras que el voltaje es negativo (o viceversa), como se muestra en las áreas sombreadas; La corriente y el voltaje trabajan unos contra otros, creando una potencia reactiva. El dispositivo produce trabajo solo durante el tiempo representado por las partes no sombreadas del ciclo, que representan la potencia activa del circuito.

La potencia reactiva no distorsiona la tensión. Sin embargo, es un importante problema de calidad de la energía, ya que los sistemas de distribución de las empresas de servicios públicos deben tener la capacidad de transportar energía reactiva a pesar de que no realiza ningún trabajo útil.

Tanto fabricantes de iluminación como propietarios de edificios. Puede tomar medidas para mejorar la calidad de la energía. La mayoría de los balastos electrónicos para lámparas fluorescentes de tamaño completo tienen filtros para reducir la distorsión de la corriente. Algunos balastos electrónicos para lámparas fluorescentes compactas tienen una alta distorsión de corriente, pero contribuyen muy poco a la distorsión de voltaje debido a su baja potencia. Balastos magnéticos para lámparas fluorescentes y HID. Por lo general, tienen corriente retrasada. Algunos balastos magnéticos contienen condensadores que resincronizan la corriente y el voltaje, lo que elimina la potencia reactiva. Los propietarios de edificios también pueden instalar condensadores en sus sistemas de distribución de edificios para compensar las grandes cargas con corriente de retraso.

¿Qué son los armónicos?

Un armónico es una onda con una frecuencia. Múltiplo entero de la onda fundamental, o principal. Cualquier onda distorsionada puede ser descrita por la onda fundamental más uno o más armónicos, como se muestra en Figura 4. Una onda de corriente distorsionada de 60 Hz, por ejemplo, puede contener armónicos a 120 Hz, 180 Hz, y otros múltiplos de 60 Hz (en sistemas de 50 Hz, estos pueden 100 Hz, 150 Hz, otros múltiplos de 50 Hz).

Figura 4 – Ilustración de armónicos.

El armónico cuya frecuencia es el doble de la fundamental se denomina armónico de segundo orden; El armónico de tercer orden tiene una frecuencia tres veces mayor que la fundamental, y así sucesivamente.

Nota – Una forma de onda distorsionada en Figura 4a Se puede describir por la suma de una onda sinusoidal con frecuencia 1 Hz y amplitud 2 pies, que es la fundamental, y una segunda onda sinusoidal con frecuencia 3 Hz y amplitud 1 pie, que es el armónico de tercer orden. Las dos ondas componentes se muestran en Figura 4b.

Formas de onda de corriente altamente distorsionadas contienen numerosos armónicos. Los componentes armónicos pares (de segundo orden, de cuarto orden, etc.) tienden a cancelar los efectos de los demás, pero los armónicos impares tienden a agregarse de una manera que aumenta rápidamente la distorsión porque los picos y las depresiones de sus formas de onda a menudo coinciden. La industria de la iluminación llama a su medida más común de distorsión armónica total (THD).

Distorsión armónica total (THD) y factor armónico

Fabricantes de lastre, servicios eléctricos, y las organizaciones estándar definen THD de manera diferente, lo que ha causado cierta confusión en la industria de la iluminación. Por ejemplo, IEEE define THD dado en IEEE 1035-1989 de la siguiente manera:

Dónde:

  • yo1 es la raíz media cuadrada (rms) de la forma de onda de la corriente fundamental
  • yo2 es la rms de la forma de onda de la corriente armónica de segundo orden
  • yo3 es la rms de la forma de onda de la corriente armónica de tercer orden, etc.

O como se define en IEC 61000-2:

Dónde yo1 Es la forma de onda fundamental de la corriente.

Por otro lado, ANSI y CSA usan la siguiente fórmula para calcular THD:

Dónde:

  • yo1 es la rms de la forma de onda de la corriente fundamental,
  • yo2 es la rms de la forma de onda de la corriente armónica de segundo orden
  • yo3 es la rms de la forma de onda de la corriente armónica de tercer orden, etc.

Como podemos ver, según la segunda definición, la THD siempre es inferior al 100%. La siguiente tabla muestra algunas conversiones entre las dos definiciones.

THD (%) según lo informado comúnmente por los fabricantes (IEEE 1035-1989) THD (%) según lo definido por CSA e IEC
5 5
20 19.6
32 30.5
50 44.7
100 70.7
150 83.2

Los servicios públicos típicamente suministran voltaje con menos2% de THD. Sin embargo, la THD actual para dispositivos electrónicos puede ser muy alta, a menudo más del 100%. La Tabla 1 enumera el THD actual de algunas cargas de iluminación, medido por NLPIP.

Los dispositivos con THD de alta corriente contribuyen al voltaje THD en proporción a su porcentaje de la carga total de un edificio. Por lo tanto, los dispositivos de mayor vataje pueden aumentar el voltaje THD más que los dispositivos de menor vataje. Si la distorsión armónica es una preocupación para un sistema de iluminación, NLPIP recomienda que los especificadores usen balastos electrónicos con filtros para minimizar la THD.

El voltaje máximo permitido recomendado THD en el punto donde un edificio se conecta al sistema de distribución de servicios públicos es del 5% (IEEE 1992).

Figura 5 muestra que el voltaje THD alcanza este límite cuando aproximadamente la mitad de la carga del edificio tiene un THD actual del 55%, o cuando aproximadamente una cuarta parte de la carga del edificio tiene un THD actual del 115%.

Tensión THD resultante de 55% y 115% de corriente THD

Continuará en la parte técnica del artículo 2 …

Referencias:

• Programa Nacional de Información de Productos de Iluminación;
• Instituto Americano de Estándares Nacionales;
• Schneider Electric – Guía de instalaciones eléctricas

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