Caracterizacin y anlisis de la calidad de energa en los sistemas de iluminacin incandescentes, fluorescentes y leds

 

Characterization and analysis of energy quality in incandescent, fluorescent and LED lighting systems

 

Caracterizao e anlise da qualidade energtica em sistemas de iluminao incandescente, fluorescente e LED

 

 

 

 

Marco Anbal Len Segovia I

marco.leon@utc.edu.ec

https://orcid.org/0000-0002-2057-1471

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Correspondencia: marco.leon@utc.edu.ec

 

 

 

Ciencias Aplicadas

Artculo de Investigacin

* Recibido: 31 de enero de 2025 *Aceptado: 17 de febrero de 2025 * Publicado: 02 abril de 2025

 

       I.          Universidad Tcnica de Cotopaxi

 

 


Resumen

En los ltimos aos el estudio de la calidad de energa relacionado principalmente con la presencia de armnicos en la red de suministro elctrico ha derivado en monitoreos constantes con el fin de identificar eventos que resulten perjudiciales a sus diferentes componentes por lo que este artculo presenta los resultados obtenidos de la evaluacin de un sistema elctrico con presencia de armnicos compuesto por cargas lineales y no lineales como las lmparas incandescentes, leds y fluorescentes. Se establecieron diferentes configuraciones que permiti determinar los niveles de distorsin armnica tanto de voltaje como corriente para analizar su influencia en el sistema elctrico ante las diferentes combinaciones de carga.

Palabras claves: calidad de energa, armnicos, suministro elctrico.

Abstract

In recent years, the study of power quality related mainly to the presence of harmonics in the electrical supply network has led to constant monitoring in order to identify events that are harmful to its different components, so this article presents the results. obtained from the evaluation of an electrical system with the presence of harmonics composed of linear and non-linear loads such as incandescent, LED and fluorescent lamps. Different configurations were established that allowed determining the harmonic distortion levels of both voltage and current to analyze their influence on the electrical system under different load combinations.

Keywords: power quality, harmonics, power supply.

 

Resumo

Nos ltimos anos, o estudo da qualidade da energia relacionado principalmente com a presena de harmnicas na rede de alimentao elctrica tem levado a uma monitorizao constante de forma a identificar eventos prejudiciais aos seus diferentes componentes. Portanto, este artigo apresenta os resultados obtidos a partir da avaliao de um sistema eltrico com presena de harmnicos compostos por cargas lineares e no lineares como lmpadas incandescentes, LED e fluorescentes. Foram estabelecidas diferentes configuraes que permitiram determinar os nveis de distoro harmnica tanto de tenso quanto de corrente para analisar sua influncia no sistema eltrico sob diferentes combinaes de carga.

Palavras-chave: qualidade de energia, harmnicos, alimentao eltrica.

 

Introduccin

Los diferentes sistemas de iluminacin utilizados en las industrias provocan un elevado ndice de armnicos en los alimentadores de distribucin de medio y bajo voltaje, afectando la calidad de energa y la eficiencia energtica de los sistemas elctricos convirtindose en una preocupacin permanente por parte de los gobiernos a nivel mundial, estos han logrado introducir en sus polticas de estado normativas que garanticen el uso eficiente de la energa elctrica, basados principalmente en los desafos de un crecimiento notable del sector comercial y particularmente en el industrial.

 

La calidad de energa y la eficiencia energtica son temas que deben ser tratados principalmente en los sectores industriales procurando disponer de sistemas energticos eficientes internos y externos garantizando la conservacin y proteccin de los recursos naturales tanto locales como mundiales  basado en la sostenibilidad a travs de compromisos a nivel ambiental, social y particularmente de las polticas desarrollas por los gobiernos de turno y las polticas propias de las empresas un desarrollo de una industria eficientes y productivas. En Ecuador, la Eficiencia Energtica se ha venido desarrollando a travs de diferentes programas y proyectos promovidos por los Gobiernos de turno a nivel de sustitucin tecnolgica de gestin y con la trasformacin de los hbitos culturales de la poblacin [1].

 

En la industria ecuatoriana existe el uso de muchas tecnologas principalmente a nivel de los sistemas de iluminacin donde se encuentran luminarias de vapor de mercurio, incandescentes, fluorescentes y led [2] debido a muchos factores basadas en polticas internas que en algunos casos priorizan el nuevo desarrollo tecnolgico y realizan las inversiones correspondientes y otras que se han quedado en el tiempo basan sus recursos en cambios pequeos y mantenimiento de las instalaciones existentes, esta situacin incide en los sistemas elctricos como alimentadores, TDP, protecciones, etc., debido a que se ven afectados por algunos aspectos significativos como cortes de energa, variaciones de voltaje, bajo factor de potencia y principalmente la presencia de armnicos, factores que afectan a un bajo nivel de iluminacin, paradas no planificadas que afectan la produccin, altos costos de produccin y consumos de electricidad elevados.

La calidad de energa dentro de una empresa debe cumplir con el estndar tanto para armnicos de voltaje como de corriente lo que considera el estndar IEC 61000-3-6  como porcentaje de voltaje nominal para el 3er armnico es del 5% principalmente y los lmites de corriente para el 3er armnico segn la norma IEC 61000-3-2 [3] para equipos de clase C donde se considera iluminacin es del 2%, estos y otros parmetros establecidos por reglamento como los flicker, niveles de tensin, variaciones y otros, permiten evaluar los ndices de ndices de calidad de la energa elctrica dentro un comercio o una industria. [4]

 

El anlisis de los resultados disponible sobre la calidad de energa y la eficiencia energtica, la aplicacin correcta de la normativa y la poltica interna evitan la utilizacin de tecnologas antiguas o inadecuada en los sistemas elctricos, as como el uso innecesario de los sistemas de iluminacin en reas poco concurridas o en horarios no laborales a travs de un control ptimo, reduciendo el consumo de energa y mejorando la productividad de la empresa que es la relacin existente entre el volumen total de produccin y los recursos utilizados para alcanzar dicho nivel de produccin. 

 

A pesar de que tanto la calidad de energa como la eficiencia energtica son de anlisis indispensable dentro de una industria estn han sido relegadas por las mismas debido a diferentes factores de ndole poltico como financiero, es decir muchas de las ocasiones tanto los departamentos tcnicos como las gerencias no ven la necesidad de un cambio y en muchos casos solo aplican soluciones parciales, por otro lado est la parte econmica debido a que muchas veces son inversiones importantes y las empresas no cuentan con los recursos necesarios por lo que se recurre a polticas que relacionan principalmente al personal y la aplicacin de normas que eviten el desperdicio de energa como mantener encendidas la luminarias en zonas poco transitadas o utilizadas, implementando controles automatizados y ms formas  que en mucho de los casos no solucionan el problema de fondo.  

 

En Ecuador la aplicacin del Plan Nacional de Eficiencia Energtica 2016 - 2035 auspiciada por el Ministerio de Electricidad, el BID y el PLANEE permite analizar los principales aspectos relacionados con el eje industrial considerando los objetivos sectoriales que permiten el reemplazo de los equipos ineficientes a travs de la aplicacin de la norma 50001 y la introduccin de sistemas de cogeneracin. Esta aplicacin ha permitido que a partir del 2012 se ejecute el programa de renovacin de equipos de consumo de energa ineficiente a travs de la ejecucin del proyecto Eficiencia Energtica para la Industria con lo que se logra implementar el Sistema de Gestin de Energa (SGEn) en 39 empresas y la capacitacin de 2000 tcnicos a nivel nacional para identificar y desarrollar mejoras energticas, dando como resultado la reduccin en el consumo de energa de 13400MWh/ao y de 57272 bep/ao en combustibles.

 

Es primordial considerar que el sector industrial se encuentra enfocado en el uso eficiente de los recursos naturales en proyectos de cogeneracin, as como el uso de nuevos sistemas de iluminacin lo que motiva el presente estudio sobre la evaluacin de la calidad de energa y su eficiencia al disponer de sistemas incandescentes, fluorescentes y led en un sistema industrial y como el uso de los mismos incide en los alimentadores, protecciones y operacin a travs de la presencia principalmente de armnicos y que a travs del presente estudio se pueda evaluar el comportamiento de cada sistema de iluminacin y su afectacin al sistema elctrico.  

 

Estrategias Metodolgicas / Materiales y Mtodos

Toma de datos

Se tomaron los datos correspondientes desde el mdulo de pruebas de calidad de energa con el analizador de redes Monofsico-Trifsico Mecatronik con un rango de voltaje 300 VRMS y una corriente de 10 ARMS (figura 1), de voltaje, corriente, armnicos, energa consumida correspondientes a cada lmpara considerando primero una conexin individual del sistema incandescente, fluorescente y led y en segundo lugar la conexin de grupo de lmparas incandescente-fluorescente, incandescente-led, fluorescente-led e incandescente-fluorescente-led, estos datos son registrados en Excel con el fin de extrapolar sus valores y determinar las curvas correspondientes.

Figura 1. Imagen datos obtenidos a travs analizador de redes Monofsico-Trifsico Mecatronik

Tcnicas analticas 

De las pruebas realzadas con cada conexin y grupo de luminarias se consider los resultados obtenidos tanto de forma individual como las posibles combinaciones obteniendo de cada una de ellas valores de voltaje, corriente y armnicos.

Los valores obtenidos de cada parmetro tanto de voltaje, corriente a las conexiones tanto individual como combinado de los tres sistemas incandescentes, fluorescentes y led nos permite utilizarlos para el anlisis del comportamiento del sistema elctrico.

 Mtodos analticos empleados: 

       Voltaje: medicin de los valores mnimos y mximos del voltaje en la red en un tiempo de 5 minutos utilizando el voltmetro del analizador de redes.

       Corriente: medicin de los valores del corriente en cada circuito evaluado en un tiempo de 5 minutos utilizando el ampermetro del analizador de redes. 

       Frecuencia: medicin de frecuencia en la red en un tiempo de 5 minutos utilizando del analizador de redes.

       Potencias: obtencin de los valores de potencia activa, aparente, reactiva y de distorsin en el sistema elctrico en un tiempo de 5 minutos utilizando el analizador de redes. 

       Armnicos: obtencin de los valores armnicos tanto de voltaje como de corriente cada sistema de iluminacin analizado en un tiempo de 5 minutos utilizando el analizador de redes. 

       Determinacin de las ondas caractersticas totales de voltaje y corriente en funcin de la fundamental y armnicos.

       Comparacin de los resultados obtenidos con lo que establece la norma en funcin de los lmites para cargas no lineales conectadas a la red pblica en el punto de conexin establecidas en el estndar IEEE 519-1992. [5]

Los resultados obtenidos tanto de los armnicos de voltaje como de corrientes se expresaron en unidades de voltios (V) como en amperios (A) respectivamente. Obteniendo valores correspondientes a la fundamental y armnicos para los dos casos THDv y THDi los cuales nos permiten analizar el comportamiento de las ondas y su grado de afectacin tanto a los sistemas internos como a red. 

Los parmetros elctricos obtenidos de cada sistema de iluminacin analizado permiten establecer su contenido armnico y que a travs de los cuales considera posibles soluciones.

Metodologa del ndice de armnicos de un sistema de iluminacin

En esta metodologa el grado de contaminacin armnica a la red generada por los sistemas de iluminacin es expresada como un porcentaje del valor VRMs tanto del voltaje como de la corriente compuesta por la fundamental y los armnicos correspondientes. As el voltaje podr tener lmites de THD para voltajes no superiores a 6,9 kV de un 5% y para corrientes menores de 20 A de un 5% tener segn se establece en el IEEE 519-1992 [6]. Por lo tanto, el ndice es un porcentaje que debe ser considerado en cada, considerndose que 3er y 5to armnico afecta principalmente a la calidad de energa. Este ndice de armnicos establecido por la normativa antes mencionada y cada uno de ellos responde a una afectacin directa dentro del sistema elctrico usado en la alimentacin de los sistemas de iluminacin:

Corrientes del tercer y quinto armnico: las corrientes del tercer y quinto armnico no se anulan, por lo contrario, se acumulan en el neutro, llegando en algunos casos a ser mayor que el de las fases provocando un sobrecalentamiento o una diferencia de voltaje excesiva entre el conductor neutro y tierra. 

Corrientes del quinto y onceavo armnico: la presencia de motores de induccin que pueden ser alimentadas por voltajes distorsionados se calientan por encima de los lmites de placa provocados por el efecto piel o por la corrientes de Foucault y si adems algn armnico es de secuencia negativa como el caso del 5to y 11vo armnico, el campo rotatorio generado se opone al sentido de giro del motor provocando la reduccin del par o torque y la prdidas en la eficiencia del motor as como vibraciones mecnicas. 

Corrientes del sptimo armnico: la presencia de las corrientes armnicas en un sistema elctrico provoca un aumento en las prdidas debido a un excesivo calentamiento de los conductores, generando una circulacin de corriente por su parte superior, fenmeno que es conocido como efecto piel y que generalmente se da por encima de frecuencias de 300Hz y que corresponde al 7mo armnico y superiores [9]. 

Estndares y recomendaciones: el incremento y el uso de sistemas electrnicos principalmente de potencia han generado un efecto negativo en las redes tanto de alto, medio y bajo voltaje a tal punto que tanto los entes nacionales como internacionales han establecido a travs de sus polticas lmites a la presencia de armnicos en los sistemas elctricos garantizando una buena calidad del producto tanto en voltaje como en corriente.

El instrumento como tal puede utilizar algoritmos de la transformada discreta de Fourier (DFT) que permitan el muestreo y retencin de los datos para su correspondiente anlisis en base a datos obtenidos de voltaje, corriente, potencia y las curvas correspondientes.

Es pertinente considerar que la estabilidad a largo plazo de la tensin de ensayo debe mantenerse dentro de un rango de +-2% y la frecuencia en un +-0,5% y si el sistema es trifsico la relacin entre fases debe ser de 0,120 y 240 con un rango de +-1,5%.

Por lo cual la tasa de distorsin armnica total THD es la relacin entre el valor eficaz de la suma de todas las componentes armnicas Gn hasta un orden definido H y el valor eficaz de la componente fundamental G1. Vea ecuacin (1).

          (1)

Donde:

G: Valor eficaz de la componente armnica sea corriente (I) o tensin (V)

H: Define los lmites a ser analizados por norma CEI 61000-3) 

Medidas de armnicos de corriente y tensin:

Los parmetros de entrada tanto de voltaje como de corriente deben adaptarse a valores de medida directa en el caso de superar los rangos especificados por el instrumento de medida con el fin de proporcionar un valor de medida directa de los armnicos correspondientes de ser el caso.

Para el caso del instrumento de medida se dispone rangos de corriente que van desde 0,1 A hasta 10 A y un mximo de 127V monofsico y 220V trifsico a una frecuencia de red de 60 Hz con un margen de error de +-0,1 %, considerando que el instrumento es de auto rango.

Para efectuar las mediciones se debe considerar que la tensin de ensayo debe mantenerse dentro del +-2% del valor seleccionado de entrada o tensin nominal de la red que para nuestro caso considera 220V trifsico y 127V monofsico, con una relacin de fase a 0, 120 y 240 +- 1,5.

La distorsin armnica no debe sobrepasar los valores establecidos en condiciones especficas de ensayo con valores nominales de la red: 

       0,9% para un armnico de orden 3;

       0,4% para un armnico de orden 5;

       0,3% para un armnico de orden 7;

       0,2% para un armnico de orden 9;

       0,2% para un armnico par entre 2 y 10;

       0,1% para un armnico de orden 11 y 40.

 

El valor de cresta de la tensin debe estar entre 1,40   a 1,42 veces el valor eficaz con un ngulo entre 87 y 93 despus del paso por cero y la cada de tensin no debe superar los 0,5 V.

 

Resultados y Discusin

Los resultados de la aplicacin de la metodologa para determinar el grado de contaminacin armnica en base a las diferentes luminarias instaladas dentro en una seccin industrial determinan si los parmetros son aceptables dentro de un sistema elctrico de iluminacin o no. 

 

 

 

 

Sistema Incandescente (Figura 2). 

Figura 2. Resultados de un sistema incandescente.

En la figura 2 se exponen los resultados obtenidos de los parmetros elctricos de un sistema incandescente, donde el estudio permite apreciar que tanto el voltaje como la corriente se encuentran en fase y no presenta ningn tipo de distorsin armnica, por ende, sus condiciones de funcionamiento son las ms ptimas dentro de un sistema de iluminacin.

Sistema Led (Figura 3). 

Figura 3. Resultados de un sistema led.

En la figura 3 se exponen los resultados obtenidos de los parmetros elctricos de un sistema Led, donde el estudio permite apreciar que la curva caracterstica del voltaje no presenta distorsin mientras que la curva de la corriente presenta una distorsin armnica de 3er, 5to, 7mo, 9no orden fundamentalmente; lo que a pesar de que las lmparas generan un nivel ptimo de iluminacin con un bajo consumo de corriente puede afectar a otros sistemas como alimentadores y protecciones reduciendo considerablemente su vida til. 

Sistema fluorescente (Figura 4). 

Figura 4. Resultados de un sistema fluorescente.

En la figura 4 se exponen los resultados obtenidos de los parmetros elctricos de un sistema fluorescente, donde el estudio permite apreciar que la curva caracterstica del voltaje no presenta distorsin mientras que la curva de la corriente presenta una distorsin armnica de 3er, 5to, 7mo, 9no orden fundamentalmente; lo que a pesar de que las lmparas generan un nivel aceptable de iluminacin con un consumo medio de corriente incluido la lmpara como su equipo de encendido puede afectar a otros sistemas como alimentadores y protecciones reduciendo considerablemente su vida til. 

 

 

 

 

 

Sistema incandescente, led y fluorescente (Figura 5). 

Figura 5. Resultados de un sistema combinado, incandescente, led y fluorescente.

En la figura 5 se exponen los resultados obtenidos de los parmetros elctricos de un sistema combinado incandescente, led y fluorescente, donde el estudio permite apreciar que la curva caracterstica del voltaje no presenta distorsin mientras que la curva de la corriente presenta una distorsin armnica de 3er orden fundamentalmente; en este caso se genera un fenmeno que permite disponer de una onda con presencia de pocos armnicos, pero con un bajo factor de potencia. 

ARM FUNDAMENTAL

ARM 2

ARM 3

ARM 4

ARM 5

ARM 6

ARM 7

ARM 8

ARM 9

ARM 10

1,188

 

0,228

 

0,116

 

0,084

 

0,051

 

Sistema incandescente, led y fluorescente (Figura 6). 

Tabla 1. Valores de los armnicos de corriente del sistema combinado de iluminacin

Figura 6. Resultados de armnicos del sistema combinado, incandescente, led y fluorescente.

En la figura 6 se exponen los resultados obtenidos de los parmetros elctricos de un sistema incandescente, led y fluorescente, donde los resultados expresan la presencia de un tercer armnico de 0,228 A y con un porcentaje total de 23,5% mismo que se encuentra por encima del 5% como valor establecido. 

 

Conclusiones

       De acuerdo con los resultados de la aplicacin de la metodologa de ndice de armnicos de un sistema de iluminacin respecto al voltaje este no presenta valores cercanos o superiores a lo establecido por la norma donde los sistemas incandescentes tienen un factor de potencia de 1 y el THD de voltaje se encuentra en un 3,6% mientras que el THD de corriente en 3,5%. 

       Los THD de voltaje en los sistemas led se encuentran en valores de 3,9%, mientras que los de corriente estn en el 69,3% con un factor de potencia de 0,752 y una onda de corriente muy distorsionada misma que est por encima de los valores establecidos para calidad de energa. Caso similar ocurre en los ahorradores donde los THD de voltaje es del 4.0% y los de corriente se encuentran en el 68,5% superando notablemente los expresados en la normativa correspondiente. 

       En el caso de los sistemas industriales la utilizacin de las lmparas incandescentes, fluorescentes y led de forma conjunta son muy frecuentes por lo que en el anlisis se obtuvo valores de THD de voltaje de 4% y los THD de corriente es 39,7% siendo est menor a las dos configuraciones anteriores debido a la presencia de cargas resistivas que restan el efecto inductivo del sistema.

 

Bibliografa

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