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An�lisis de la contaminaci�n arm�nica en sistemas el�ctricos de iluminaci�n

 

Analysis of harmonic pollution in electrical lighting systems

 

An�lise da polui��o harm�nica em sistemas de ilumina��o el�trica

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: franklin.vasquez@utc.edu.ec

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

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

 

        I.            Docente de Ingenier�a en Electricidad, Universidad T�cnica de Cotopaxi, Latacunga, Ecuador.

      II.            Estudiante de Ingenier�a en Electricidad, Universidad T�cnica de Cotopaxi, Latacunga, Ecuador.

   III.            Estudiante de Ingenier�a en Electricidad, Universidad T�cnica de Cotopaxi, Latacunga, Ecuador.

 

Resumen

Los �ndices arm�nicos existentes a nivel residencial tanto de voltaje como de corriente en la red el�ctrica son valores que permiten analizar la calidad de energ�a de los sistemas de el�ctricos a nivel residencial a partir de la informaci�n disponible. En este estudio se aplic� la metodolog�a de �ndices de arm�nicos que se generan en los sistemas de iluminaci�n cuando se instalan luminarias incandescentes, fluorescentes y led, as� como las cocinas de inducci�n y otros dispositivos electr�nicos consideradas como cargas especiales.� Se realizaron mediciones de los diferentes par�metros el�ctricos a partir de sistemas independientes y combinados obteniendo valores de voltaje, corriente, potencia, factor de potencia y los arm�nicos generados por los mismos. Seg�n la metodolog�a aplicada los sistemas analizados presentan generaci�n de arm�nicos dentro de los est�ndares reglamentarios excepto los sistemas combinados particularmente de iluminaci�n 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 energ�a.

Palabras Claves: Calidad de Energ�a; THD; Arm�nicos; Distorsi�n Arm�nica.�

 

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 harm�nicos existentes a n�vel residencial tanto de tens�o como de corrente na rede el�trica s�o valores que permitem analisar a qualidade de energia dos sistemas el�tricos a n�vel residencial com base na informa��o dispon�vel. Neste estudo, foi aplicada a metodologia dos �ndices harm�nicos que s�o gerados nos sistemas de ilumina��o quando s�o instaladas lumin�rias incandescentes, fluorescentes e led, al�m de fog�es de indu��o e outros dispositivos eletr�nicos considerados como cargas especiais. Foram feitas medi��es dos diferentes par�metros el�tricos a partir de sistemas independentes e combinados, obtendo valores de tens�o, corrente, pot�ncia, fator de pot�ncia e os harm�nicos gerados por eles. De acordo com a metodologia aplicada, os sistemas analisados ​​apresentam gera��o de harm�nicos dentro dos padr�es regulamentares, com exce��o dos sistemas combinados, principalmente de ilumina��o, onde ultrapassa os valores estabelecidos como limites no THD atual, motivo pelo qual � necess�rio aplicar um processo para melhorar qualidade poderosa.

Palavras-chave: Qualidade poderosa; THD; Harm�nicos; Distor��o harm�nica.

 

Introducci�n

El aumento y uso de dispositivos electr�nicos en los �ltimos a�os en el sector residencial ha generado un problema en el sistema el�ctrico y consecuentemente en la red de distribuci�n debido a la contaminaci�n arm�nica, esto debido a que estos elementos realizan conversiones de energ�a el�ctrica y conmutaciones que provocan una distorsi�n en la se�al sinusoidal de la corriente alterna afectando su forma y amplitud.

Diferentes estudios desarrollados sobre la calidad de energ�a se encuentran asociado a la presencia de arm�nicos en la red de suministro el�ctrico 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 funci�n de la particularidad que tenga las cargas conectadas instaladas.

La presencia de arm�nicos asociada al incremento de cargas con componentes electr�nicos como las cocinas de inducci�n, iluminaci�n led, ahorradores, televisiones entre otros elementos considerados como parte de la experiencia obtenida por los autores del presente articulo en la evaluaci�n de la calidad de energ�a en un sistema el�ctrico residencial, permiten evaluar el comportamiento de� las diferentes cargas tanto lineales como no lineales as� los niveles de contaminaci�n arm�nica tanto de voltaje como de corriente presentes en la red de alimentaci�n.

Los est�ndares establecidos para en an�lisis de la distorsi�n arm�nica est�n definidos en IEEE Std 519-1992.

Los arm�nicos 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 conversi�n 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 aparici�n de arm�nicos de orden impar (3,5,7, 9�) y en algunos casos de orden par no caracter�sticos de orden (2,4,6, 8�) producto de las asimetr�as de las cargas instaladas.

El aumento y uso de dispositivos electr�nicos en los �ltimos a�os en el sector residencial residencial ha generado un problema en el sistema el�ctrico y consecuentemente en la red de distribuci�n debido a la contaminaci�n arm�nica, esto debido a que estos elementos realizan conversiones de energ�a el�ctrica y conmutaciones que provocan una distorsi�n en la se�al sinusoidal de la corriente alterna afectando su forma y amplitud.

 

Materiales y m�todos�

Dise�o y alcance del estudio

Se realiz� una investigaci�n sobre la generaci�n de arm�nicos en la red de alimentaci�n el�ctrica debido a las diferentes cargas existentes a nivel residencia de dise�o experimental de tipo descriptivo y alcance explicativo.

 

Consulta de base de datos�

Para el manejo de informaci�n se emplearon los datos obtenidos a trav�s del analizador de redes monof�sico - trif�sico Mecatronik con un rango de voltaje 300 V_{RMS �}/ corriente de 10 A_RMS y los est�ndares establecidos por IEEE Std 519-1992. El estudio incluy� art�culos de alta calidad.

 

Estrategia de adquisici�n de datos�

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

Los par�metros requeridos para la adquisici�n de datos empleados para los an�lisis correspondientes fueron: tipos de carga, voltajes, corrientes, potencia, frecuencia. Para la b�squeda, consulta, lectura del tratamientos y an�lisis de datos se bas� en textos, investigaciones, revistas con sustento cient�fico entre otras referidos a la Calidad de Energ�a, mismas que han sido publicadas los �ltimos seis a�os, es decir, de 2017 a 2022. Los art�culos elegidos fueron analizados de manera exhaustiva y selectiva seg�n los criterios de selecci�n. [2]

 

Tabla 1. L�mites de distorsi�n arm�nica en voltaje -IEEE 519.

 

Tabla 2. L�mites de distorsi�n arm�nica en corriente -IEEE 519.

 

An�lisis de datos�

De acuerdo a los est�ndares del IEEE, es pertinente considerar algunos aspectos fundamentales respecto a las corrientes arm�nicas que son generadas particularmente por cargas de tipo no lineales es decir se encuentran formadas por elementos electr�nicos as� como por bobinas y condensadores generando desfases respectos al voltaje fluyendo una potencia distorsionada misma es que es considerada como p�rdidas 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 arm�nicas en un sistema el�ctrico podemos tener los siguientes:

�         Aumento de p�rdidas en el sistema el�ctrico por el efecto Joule.

�         Sobrecalentamiento en el conductor o conductores neutro.

�         Sobrecalentamiento en las m�quinas (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 electr�nicos.

�         Interferencias en sistemas de telecomunicaci�n.

�         Falla en los sistemas de protecciones.

Tanto los efectos como las fallas depender�n de la cantidad de arm�nicos existentes entre la carga no lineal y la carga total del sistema procurando que esta distorsi�n se encuentre dentro de los l�mites establecidos por las nomas, mismas que debe ser menor al 20% del cargo total, para lo cual la distorsi�n arm�nica en corriente debe estar dentro de los l�mites establecidos en IEEE-519 sin la ubicaci�n de filtros.[4]

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

 

Criterios de inclusi�n y exclusi�n�

Criterios de inclusi�n

Para la recolecci�n de informaci�n se incluir�n las siguientes tipolog�as: art�culos cient�ficos, originales, an�lisis y casos de estudio; tambi�n se consultaron p�ginas oficiales del Arconel, Ministerio de Electricidad y normativas vigentes tanto a nivel nacional como internacional referentes a la tem�tica de inter�s.��

 

Criterios de exclusi�n

Se excluyeron art�culos no disponibles en versi�n completa, cartas al editor, opiniones, perspectivas, gu�as, blogs, res�menes o conferencias. Tambi�n fueron excluidos los art�culos sobre la tem�tica 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 difusi�n de informaci�n pueda ser utilizada con fines deshonestos y garantizar la total transparencia en la investigaci�n.

 

Resultados y discusi�n�

 

Tabla 3. Arm�nicos de Voltaje [V] en la red de alimentaci�n generada por los sistemas de iluminaci�n.

Arm�nicos	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
Arm�nicos	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. Arm�nicos de Corriente [mA] en la red de alimentaci�n generada por los sistemas de iluminaci�n.

Arm�nicos	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
Arm�nicos	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 prop�sito de valorar el comportamiento arm�nico en cada caso y establecer los criterios que permitan considerar como los sistemas de iluminaci�n pueden afectar a la alimentaci�n el�ctrico residencial, estos resultados se muestran en la figura 1 se puede apreciar que la configuraci�n que permite la utilizaci�n de los diferentes tipos de luminarias presenta un mayor consumo de corriente de componente fundamental y la configuraci�n led-ahorrador un mayor componente en el 3er, 5to y 7mo arm�nico como se puede apreciar en la figura 2 y 3.

Figura 1. Comparaci�n de los arm�nicos de corriente alterna en mA

 

Figura 2. Comparaci�n de los arm�nicos fundamentales de corriente alterna en mA

 

 

Figura 3. Arm�nicos de 3^er orden de corriente alterna en mA

 

Discusi�n

Para realizar la caracterizaci�n de las curvas obtenidas a trav�s del analizador Mecatronik se recurre al banco de pruebas en donde se dispone de diferentes tipos de cargas a ser analizadas a trav�s de la adquisici�n de los par�metros 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 el�ctrica y que luego ser� analizada a trav�s de la descomposici�n de la misma en la fundamental y sus componentes arm�nicos para posteriormente conseguir una onda total lo m�s sinusoidal posible evitando alterar significativamente la forma de onda original que se recibe de la red [6].

Los arm�nicos 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 raz�n no se puede determinar directamente valores picos, pero mediante la medici�n de un sistema hibrido considerando el uso alternado y general de l�mparas incandescentes, led y fluorescentes o ahorradores se puede obtener un aproximado de los arm�nicos de voltaje y corriente que afectan al sistema de alimentaci�n.[7]

 

Figura 4. Ubicaci�n del analizador Mecatronik

 

Los valores correspondientes al voltaje de alimentaci�n establecen que la variaci�n se encuentra por debajo de los 0,7 V lo que determina que se encuentra muy por debajo de los l�mites establecidos por la normativa vigente que es del 3%, los arm�nicos de voltaje para los caos analizados se establecen en un rango m�ximo de 4,8% en el 3er arm�nico, y de 1,9 % en el 9 arm�nico lo que implica valores inferiores a la normativa que establece valores m�ximos 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 arm�nicos

Figura 8. Gr�fico de la corriente fundamental y arm�nicos

 

Los arm�nicos de corriente generados por el sistema de conexi�n general de cargas analizado nos da un valor de THDi = 21,5 % superando notablemente los l�mites establecidos por los est�ndares de IEEE-540 que para el caso de niveles inferiores de alimentaci�n de voltaje se encuentra en el 4% lo que nos indica que los �ndices de arm�nicos 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 distorsi�n de 47,6 VArd (volta-amperios reactivos de distorsi�n) a pesar de que el factor de potencia (fp) es de 0,96; estableci�ndose 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 par�metros normales, en un an�lisis general no se puede establecer directamente que el sistema tenga una afectaci�n por arm�nicos sino luego de mediciones m�s especializadas que no permita observar que el sistema presenta valores por potencia reactiva y por potencia de distorsi�n, su an�lisis nos permitir� evaluar el sistema y tomar la mejor alternativa como una redistribuci�n de cargas, mejoramiento de sistema de iluminaci�n, cambio o repotenciaci�n de conductores y ubicaci�n de filtros. (figura 6)

En la figura 7 se puede apreciar la distorsi�n que tiene la onda de la corriente el�ctrica producto de las cargas conectadas, se puede apreciar que la corriente Irms es 1,575 A y la corriente m�xima Im�x = 1,672 A por lo que la componente arm�nica ser�a de Iarm = 0, 97 A misma que est� distribuida en los arm�nicos impares que corresponde a un THDi = 21,5 % y que en relaci�n a los datos de la distorsi�n de potencia se debe a la composici�n capacitiva del circuito misma que lleva a una afectaci�n en la vida �til de los conductores y los diferentes utilizadores.

El diagn�stico

 

Conclusiones

Se determin� que los arm�nicos presentes en los circuitos formados por las l�mparas de iluminaci�n led y fluorescentes o ahorradores fluyen hacia las redes de energ�a 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 distorsi�n arm�nica 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 distorsi�n en el 3ro, 5to y 7mo arm�nico.

Se evalu� el comportamiento de la condici�n m�s cr�tica 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 soluci�n no corresponde a un banco de condensadores sino mas bien a filtros que permiten mejorar la calidad de energ�a en el sistema el�ctrico general.

 

Agradecimientos�

Expreso mis m�s sinceros agradecimientos a mi familia que me inspira a ser un mejor profesional cada d�a y a seguir creciendo como persona, a las autoridades de la Facultad de Ciencias de la Ingenier�a y Aplicadas de la Universidad T�cnica de Cotopaxi y a su vez a autoridades y personal que hacen la Universidad Estatal del Sur de Manab�.

 

 

 

 

Referencias

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4.      D. Chapman, �ARM�NICOS CAUSAS Y EFECTOS.�

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� 2023 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).