Anlisis de la contaminacin armnica en sistemas elctricos de iluminacin

 

Analysis of harmonic pollution in electrical lighting systems

 

Anlise da poluio harmnica em sistemas de iluminao eltrica

 

 

 

 

Franklin Hernn Vsquez-Teneda I
franklin.vasquez@utc.edu.ec 
https://orcid.org/0000-0002-2442-4348
,Dennis Bayardo Vsquez Barba II
dennis.vasquez1528@utc.edu.ec
https://orcid.org/0009-0007-7200-6566
Yuly Alejandra Urresty-Noguera III
yuly.urresty7018@utc.edu.ec
https://orcid.org/0009-0004-5649-035X
 

 

 

 

 

 

 

 

 


Correspondencia: franklin.vasquez@utc.edu.ec

Ciencias Tcnicas y Aplicadas

Artculo de Investigacin

 

*Recibido: 23 de abril de 2023 *Aceptado: 12 de mayo de 2023 * Publicado: 01 de junio de 2023

 

        I.            Docente de Ingeniera en Electricidad, Universidad Tcnica de Cotopaxi, Latacunga, Ecuador.

      II.            Estudiante de Ingeniera en Electricidad, Universidad Tcnica de Cotopaxi, Latacunga, Ecuador.

   III.            Estudiante de Ingeniera en Electricidad, Universidad Tcnica de Cotopaxi, Latacunga, Ecuador.

 


Resumen

Los ndices armnicos existentes a nivel residencial tanto de voltaje como de corriente en la red elctrica son valores que permiten analizar la calidad de energa de los sistemas de elctricos a nivel residencial a partir de la informacin disponible. En este estudio se aplic la metodologa de ndices de armnicos que se generan en los sistemas de iluminacin cuando se instalan luminarias incandescentes, fluorescentes y led, as como las cocinas de induccin y otros dispositivos electrnicos consideradas como cargas especiales. Se realizaron mediciones de los diferentes parmetros elctricos a partir de sistemas independientes y combinados obteniendo valores de voltaje, corriente, potencia, factor de potencia y los armnicos generados por los mismos. Segn la metodologa aplicada los sistemas analizados presentan generacin de armnicos dentro de los estndares reglamentarios excepto los sistemas combinados particularmente de iluminacin donde supera los valores establecidos como limites en los THD de corriente por lo que se requiere aplicar un proceso para mejorar la calidad de energa.

Palabras Claves: Calidad de Energa; THD; Armnicos; Distorsin Armnica.

 

Abstract

The THD indices of both voltage and current in lighting systems are values that allow analyzing the power quality of lighting systems at an industrial level based on the available information. In this study, the methodology of harmonic indices that are generated in lighting systems when incandescent, fluorescent and LED luminaires are installed was applied. Measurements of the different electrical parameters were made from independent and combined systems, obtaining values of voltage, current, power, power factor and the harmonics generated by them. According to the methodology applied, the systems analyzed present harmonic generation within regulatory standards, except for combined systems between fluorescent, led and incandescent where it exceeds the values established as limits in the current THD, mainly in the third harmonic, for which it is necessary to apply a process to improve the quality of energy from the technical, technological, social and environmental point of view.

Keywords: Power Quality; THD; Harmonic; Harmonic Distortion.

 

 

 

Resumo

Os ndices harmnicos existentes a nvel residencial tanto de tenso como de corrente na rede eltrica so valores que permitem analisar a qualidade de energia dos sistemas eltricos a nvel residencial com base na informao disponvel. Neste estudo, foi aplicada a metodologia dos ndices harmnicos que so gerados nos sistemas de iluminao quando so instaladas luminrias incandescentes, fluorescentes e led, alm de foges de induo e outros dispositivos eletrnicos considerados como cargas especiais. Foram feitas medies dos diferentes parmetros eltricos a partir de sistemas independentes e combinados, obtendo valores de tenso, corrente, potncia, fator de potncia e os harmnicos gerados por eles. De acordo com a metodologia aplicada, os sistemas analisados ​​apresentam gerao de harmnicos dentro dos padres regulamentares, com exceo dos sistemas combinados, principalmente de iluminao, onde ultrapassa os valores estabelecidos como limites no THD atual, motivo pelo qual necessrio aplicar um processo para melhorar qualidade poderosa.

Palavras-chave: Qualidade poderosa; THD; Harmnicos; Distoro harmnica.

 

Introduccin

El aumento y uso de dispositivos electrnicos en los ltimos aos en el sector residencial ha generado un problema en el sistema elctrico y consecuentemente en la red de distribucin debido a la contaminacin armnica, esto debido a que estos elementos realizan conversiones de energa elctrica y conmutaciones que provocan una distorsin en la seal sinusoidal de la corriente alterna afectando su forma y amplitud.

Diferentes estudios desarrollados sobre la calidad de energa se encuentran asociado a la presencia de armnicos en la red de suministro elctrico por lo cual se ha ejecutado varios procesos de monitoreo con el fin de analizar el comportamiento de los diversos eventos que pueden resultar perjudiciales al sistema y las soluciones pueden ser diversas en funcin de la particularidad que tenga las cargas conectadas instaladas.

La presencia de armnicos asociada al incremento de cargas con componentes electrnicos como las cocinas de induccin, iluminacin led, ahorradores, televisiones entre otros elementos considerados como parte de la experiencia obtenida por los autores del presente articulo en la evaluacin de la calidad de energa en un sistema elctrico residencial, permiten evaluar el comportamiento de las diferentes cargas tanto lineales como no lineales as los niveles de contaminacin armnica tanto de voltaje como de corriente presentes en la red de alimentacin.

Los estndares establecidos para en anlisis de la distorsin armnica estn definidos en IEEE Std 519-1992.

Los armnicos son distorsiones que se presentan en las ondas sinusoidales tanto del voltaje como de la corriente producidos por el uso de cargas con impedancias no lineales, como bobinas, dispositivos de conversin de corriente alterna a continua y conmutaciones que trabajan a frecuencias diferentes que la red convencional. [1]

Las cargas instaladas dentro de una residencia absorben corrientes que dan lugar a la aparicin de armnicos de orden impar (3,5,7, 9) y en algunos casos de orden par no caractersticos de orden (2,4,6, 8) producto de las asimetras de las cargas instaladas.

El aumento y uso de dispositivos electrnicos en los ltimos aos en el sector residencial residencial ha generado un problema en el sistema elctrico y consecuentemente en la red de distribucin debido a la contaminacin armnica, esto debido a que estos elementos realizan conversiones de energa elctrica y conmutaciones que provocan una distorsin en la seal sinusoidal de la corriente alterna afectando su forma y amplitud.

 

Materiales y mtodos

Diseo y alcance del estudio

Se realiz una investigacin sobre la generacin de armnicos en la red de alimentacin elctrica debido a las diferentes cargas existentes a nivel residencia de diseo experimental de tipo descriptivo y alcance explicativo.

 

Consulta de base de datos

Para el manejo de informacin se emplearon los datos obtenidos a travs del analizador de redes monofsico - trifsico Mecatronik con un rango de voltaje 300 VRMS / corriente de 10 ARMS y los estndares establecidos por IEEE Std 519-1992. El estudio incluy artculos de alta calidad.

 

Estrategia de adquisicin de datos

Los datos fueros adquiridos y seleccionados tomando en cuenta las diferentes condiciones de funcionamiento que se puede dar en un sistema de iluminacin donde se puede disponer de luminarias incandescentes, fluorescentes y led as como sistemas de fuerza compuestos por dispositivos electrnicos e inductivos.[1]

Los parmetros requeridos para la adquisicin de datos empleados para los anlisis correspondientes fueron: tipos de carga, voltajes, corrientes, potencia, frecuencia. Para la bsqueda, consulta, lectura del tratamientos y anlisis de datos se bas en textos, investigaciones, revistas con sustento cientfico entre otras referidos a la Calidad de Energa, mismas que han sido publicadas los ltimos seis aos, es decir, de 2017 a 2022. Los artculos elegidos fueron analizados de manera exhaustiva y selectiva segn los criterios de seleccin. [2]

 

Tabla 1. Lmites de distorsin armnica en voltaje -IEEE 519.

Lmites de distorsin armnica en voltaje

Nivel de tensin en la Acometida

Distorsin armnica individual

Distorsin armnica total THDv

Vn<1kV

5,00%

8,00%

Vn<1kV<69kV

3,00%

5,00%

69kV<1kV<138kV

1,50%

2,50%

Vn>138kV

1,00%

1,50%

 

Tabla 2. Lmites de distorsin armnica en corriente -IEEE 519.

Icc/IL

TDD

h<11

11<h<17

17<h<23

23<h<35

h>=35

Vn <= 69kV

Icc/IL <20

5,00%

4,00%

2,00%

1,50%

0,60%

0,30%

 

Anlisis de datos

De acuerdo a los estndares del IEEE, es pertinente considerar algunos aspectos fundamentales respecto a las corrientes armnicas que son generadas particularmente por cargas de tipo no lineales es decir se encuentran formadas por elementos electrnicos as como por bobinas y condensadores generando desfases respectos al voltaje fluyendo una potencia distorsionada misma es que es considerada como prdidas por efecto Joule mismo que se transforma en calor y que es equivalente a la potencia reactiva que se relaciona con el factor de potencia de desplazamiento.[3]

Entre los efectos que provoca el flujo de corrientes armnicas en un sistema elctrico podemos tener los siguientes:

         Aumento de prdidas en el sistema elctrico por el efecto Joule.

         Sobrecalentamiento en el conductor o conductores neutro.

         Sobrecalentamiento en las mquinas (motores, generadores y transformadores).

         Vibraciones en el funcionamiento de motores y generadores.

         Falla en el banco de condensadores.

         Falla en el rendimiento de los transformadores.

         Efectos de resonancia.

         Falla en el funcionamiento de los dispositivos electrnicos.

         Interferencias en sistemas de telecomunicacin.

         Falla en los sistemas de protecciones.

Tanto los efectos como las fallas dependern de la cantidad de armnicos existentes entre la carga no lineal y la carga total del sistema procurando que esta distorsin se encuentre dentro de los lmites establecidos por las nomas, mismas que debe ser menor al 20% del cargo total, para lo cual la distorsin armnica en corriente debe estar dentro de los lmites establecidos en IEEE-519 sin la ubicacin de filtros.[4]

Es decir que los problemas de armnicos se presentan cuando las cargas no lineales superan el 20% de la carga total instalada y tambin por la presencia de banco de capacitores que pueden presentar condiciones de resonancia.[5]

 

Criterios de inclusin y exclusin

Criterios de inclusin

Para la recoleccin de informacin se incluirn las siguientes tipologas: artculos cientficos, originales, anlisis y casos de estudio; tambin se consultaron pginas oficiales del Arconel, Ministerio de Electricidad y normativas vigentes tanto a nivel nacional como internacional referentes a la temtica de inters.

 

Criterios de exclusin

Se excluyeron artculos no disponibles en versin completa, cartas al editor, opiniones, perspectivas, guas, blogs, resmenes o conferencias. Tambin fueron excluidos los artculos sobre la temtica que estaban duplicados y realizados en otras poblaciones diferentes a las mencionadas en este estudio.

 

Consideraciones ticas

Este trabajo cumplir con las normas y principios universales de tica establecidos en las organizaciones internacionales de este campo, es decir evitar involucrarse en proyectos en los cuales la difusin de informacin pueda ser utilizada con fines deshonestos y garantizar la total transparencia en la investigacin.

 

Resultados y discusin

 

Tabla 3. Armnicos de Voltaje [V] en la red de alimentacin generada por los sistemas de iluminacin.

Armnicos

Led [W]

Led [W]

Ahorrador [W]

Incandescente [W]

Incandescente [W]

Incandescente/fluorescente [W]

Led /Incandescente [W]

Led / Ahorrador [W]

Ahorrador/Incandescente [W]

Fluorescente/Led/ahorrador [W]

Incandescente/led/Ahorrador [W]

todos

Armnicos

9

20

15

30

100

100/40

9/100

9/15

15/100

40/9/100

9/15/100

9/20/15/30/100/40

fundamental

124,8

125,4

124,3

124,8

123,4

123,5

123,9

124,1

123,3

124,7

123,8

121,8

3

4,3

4,4

4,6

4,3

4,2

4,7

4,5

4,7

4,8

4,8

4,7

4,6

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

1,3

 

1,3

1,3

 

 

1,4

1,4

1,4

 

1,3

1,3

 

 

 

 

Tabla 4. Armnicos de Corriente [mA] en la red de alimentacin generada por los sistemas de iluminacin.

Armnicos

Led [W]

Led [W]

Ahorrador [W]

Incandescente [W]

Incandescente [W]

Incandescente/fluorescente [W]

Led /Incandescente [W]

Led / Ahorrador [W]

Ahorrador/Incandescente [W]

Fluorescente/Led/ahorrador [W]

Incandescente/led/Ahorrador [W]

todos

Armnicos

9

20

15

30

100

100/40

9/100

sep-23

15/100

40/9/100

9/15/100

9/20/15/30/100/40

fundamental

142

179

109

142

830

978

1040

378

1188

409

68

1538

3

99

107

 

99

25

74

126

257

228

159

6

274

5

61

45

 

61

 

40

71

124

116

29

3

138

7

39

34

36

39

 

40

62

81

84

5

 

106

9

34

21

19

34

 

14

34

59

51

7

 

52

11

26

10

10

26

 

14

15

17

16

6

 

 

13

11

18

18

11

 

14

16

24

24

4

 

32

15

8

11

11

15

 

11

16

21

21

5

 

26

17

9

9

10

9

 

 

11

11

 

4

 

 

19

5

8

7

5

 

 

11

13

12

4

 

 

Con base a la toma de datos de las diferentes configuraciones utilizadas para el presente estudio se obtuvo los resultados de forma individual para led, incandescente, fluorescente y ahorradores as como sus combinaciones led-fluorescente, led-incandescente, fluorescente-incandescentes, led-incandescente-fluorescente entre otras posibilidades con el propsito de valorar el comportamiento armnico en cada caso y establecer los criterios que permitan considerar como los sistemas de iluminacin pueden afectar a la alimentacin elctrico residencial, estos resultados se muestran en la figura 1 se puede apreciar que la configuracin que permite la utilizacin de los diferentes tipos de luminarias presenta un mayor consumo de corriente de componente fundamental y la configuracin led-ahorrador un mayor componente en el 3er, 5to y 7mo armnico como se puede apreciar en la figura 2 y 3.

Figura 1. Comparacin de los armnicos de corriente alterna en mA

 

Figura 2. Comparacin de los armnicos fundamentales de corriente alterna en mA

 

 

Figura 3. Armnicos de 3er orden de corriente alterna en mA

 

Discusin

Para realizar la caracterizacin de las curvas obtenidas a travs del analizador Mecatronik se recurre al banco de pruebas en donde se dispone de diferentes tipos de cargas a ser analizadas a travs de la adquisicin de los parmetros de voltaje, corriente, potencia y frecuencia. En el analizador es posible visualizar la onda que se obtiene a la salida de cada carga conectada a la red elctrica y que luego ser analizada a travs de la descomposicin de la misma en la fundamental y sus componentes armnicos para posteriormente conseguir una onda total lo ms sinusoidal posible evitando alterar significativamente la forma de onda original que se recibe de la red [6].

Los armnicos de voltaje generados en la red dependen del ingreso de las cargas a la red, considerando que no todas ingresan al mismo tiempo. Tor tal razn no se puede determinar directamente valores picos, pero mediante la medicin de un sistema hibrido considerando el uso alternado y general de lmparas incandescentes, led y fluorescentes o ahorradores se puede obtener un aproximado de los armnicos de voltaje y corriente que afectan al sistema de alimentacin.[7]

 

Figura 4. Ubicacin del analizador Mecatronik

 

Los valores correspondientes al voltaje de alimentacin establecen que la variacin se encuentra por debajo de los 0,7 V lo que determina que se encuentra muy por debajo de los lmites establecidos por la normativa vigente que es del 3%, los armnicos de voltaje para los caos analizados se establecen en un rango mximo de 4,8% en el 3er armnico, y de 1,9 % en el 9 armnico lo que implica valores inferiores a la normativa que establece valores mximos de 8%.

 

Figura 5. Resultados correspondientes al sistema analizado

Figura 6. Desfase de la corriente con respecto al voltaje

 

Figura 7. Curva de la corriente por la presencia de armnicos

Figura 8. Grfico de la corriente fundamental y armnicos

 

Los armnicos de corriente generados por el sistema de conexin general de cargas analizado nos da un valor de THDi = 21,5 % superando notablemente los lmites establecidos por los estndares de IEEE-540 que para el caso de niveles inferiores de alimentacin de voltaje se encuentra en el 4% lo que nos indica que los ndices de armnicos en el sistema supera en 5 veces el valor establecido, esto se refleja en los valores correspondientes a la potencia reactiva que es de 20,6 VAr y la potencia de distorsin de 47,6 VArd (volta-amperios reactivos de distorsin) a pesar de que el factor de potencia (fp) es de 0,96; establecindose que el sistema se considera como una carga capacitiva. (figura 5)

Si bien es cierto que el factor de potencia nos indica que el sistema se encuentra dentro de los parmetros normales, en un anlisis general no se puede establecer directamente que el sistema tenga una afectacin por armnicos sino luego de mediciones ms especializadas que no permita observar que el sistema presenta valores por potencia reactiva y por potencia de distorsin, su anlisis nos permitir evaluar el sistema y tomar la mejor alternativa como una redistribucin de cargas, mejoramiento de sistema de iluminacin, cambio o repotenciacin de conductores y ubicacin de filtros. (figura 6)

En la figura 7 se puede apreciar la distorsin que tiene la onda de la corriente elctrica producto de las cargas conectadas, se puede apreciar que la corriente Irms es 1,575 A y la corriente mxima Imx = 1,672 A por lo que la componente armnica sera de Iarm = 0, 97 A misma que est distribuida en los armnicos impares que corresponde a un THDi = 21,5 % y que en relacin a los datos de la distorsin de potencia se debe a la composicin capacitiva del circuito misma que lleva a una afectacin en la vida til de los conductores y los diferentes utilizadores.

El diagnstico

 

Conclusiones

Se determin que los armnicos presentes en los circuitos formados por las lmparas de iluminacin led y fluorescentes o ahorradores fluyen hacia las redes de energa que alimentan los circuitos debidos que disponen de un bajo valor de impedancia respecto a los sistemas incandescentes.

Se identific que el valor correspondiente a la distorsin armnica total de un sistema compuesto led-ahorrador tiene un factor de potencia (fdp) de 0,718 y un THD = 78,2% que supera los limites establecidos por la norma que es del 8%, producto de este valor muy alto la curva de corrientes se muestra con un alto grado de distorsin en el 3ro, 5to y 7mo armnico.

Se evalu el comportamiento de la condicin ms crtica donde se tiene sistemas mixtos con resultados que indican que el factor de potencia es de 0,963% considerado como un valor muy eficiente y el THDi es del 21% superando ampliamente los limites establecidos del 8%, sin embargo, la solucin no corresponde a un banco de condensadores sino mas bien a filtros que permiten mejorar la calidad de energa en el sistema elctrico general.

 

Agradecimientos

Expreso mis ms sinceros agradecimientos a mi familia que me inspira a ser un mejor profesional cada da y a seguir creciendo como persona, a las autoridades de la Facultad de Ciencias de la Ingeniera y Aplicadas de la Universidad Tcnica de Cotopaxi y a su vez a autoridades y personal que hacen la Universidad Estatal del Sur de Manab.

 

 

 

 

Referencias

1.      ARCILA, Jos Dariel. Armnicos en sistemas elctricos. Ieb Sa, 2010, p. 1-26

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3.      MOORE, Philip J.; PORTUGUES, Iliana E. The influence of personal computer processing modes on line current harmonics. IEEE Transactions on power delivery, 2003, vol. 18, no 4, p. 1363-1368.

4.      D. Chapman, ARMNICOS CAUSAS Y EFECTOS.

5.      BEDOYA AYORA, Luis Fernando. Modelado del THD en los sistemas de iluminacin de induccin residenciales. 2015. Tesis de Ingeniera Elctrica.

6.      E. Emmanuel, T. J. Gentile, D. J. Pileggi, E. M. Gulachenski, C. E. Root, The Effect of Modern Compact Fluorescent Lights on Voltage Distortion, IEEE Transaction On Power Delivery, Vol. 8, N 3, Julio 1993

7.      DA SILVA, Marcelo F., et al. Modelo eltrico equivalente para lmpadas fluorescentes sem eletrodos de induo. Eletrnica de Potncia., 2012, vol. 17, p. 429-438.

8.      VALLS, Alejandro Prez. Localizacin y valoracin de fuentes de distorsin armnica y/o desequilibrio en redes elctricas. 2020. Tesis Doctoral. Universidad de Huelva. [11]

9.      Jang, T.; H. Kim; H. N. Kim; "Dimming Control Characteristics of Electrodeless Fluorescent Lamps" Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol.56, pp.93, Janeiro, 2009.

10.  MARTNEZ, Erick Hidalgo. Anlisis y tendencias de las tecnologas actuales en iluminacin aplicadas en el ahorro de energa elctrica. 2013. [12] Boronet, J, Axoled Iluminacin Industrial, LALMPARA DE INDUCCIN MAGNTICA Y LA VISIN HUMANA.

11.  CHO, Kyumin, et al. Electronic ballast of the electrode-less lamp for the group lighting system. En 2009 International Conference on Electrical and Electronics Engineering-ELECO 2009. IEEE, 2009. p. I-293-I-296. [15] S. Mingsong, H. Songling, and Z. Wei, MODELING AND ANALYSIS OF ELECTRODELESS LAMP SYSTEM, Abstract IEEE, April 2013.

12.  DA SILVA, Marcelo Freitas, et al. Analysis and design of a single-stage high-power-factor dimmable electronic ballast for electrodeless fluorescent lamp. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, vol. 60, no 8, p. 3081-3091.

13.  MORA, I. Balastro electrnico para lmpara fluorescente basado en un amplificador clase E operando a una frecuencia mayor a 1 MHz. 1998. Tesis Doctoral. Tesis de Maestra. Cenidet, Cuernavaca, Mor.(Mxico).

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15.  LINCANGO SIGCHA, Edgar Guillermo. Modelacin del THD en los sistemas de alimentacin residencial. 2015. Tesis de Licenciatura.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2023 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn los trminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribucin-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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