Energía Eléctrica Calidad e Iluminación (parte 1)

Introducción

La preocupación por los efectos de los productos de iluminación en los sistemas de distribución de energía se han centrado la atención en calidad de la energía. Pobre calidad de la energía puede desperdiciar la energía y la capacidad de un sistema eléctrico; que puede dañar tanto el sistema de distribución eléctrica y los dispositivos que operan en el sistema.

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 aparatos inductivos y capacitivos introducen potencia reactiva para el sistema, y por lo tanto dañar involucrado en el factor de potencia. Estos componentes necesitan potencia reactiva a trabajar.

Las cargas no lineales como UPS, sistemas informáticos, lámparas fluorescentes, CFLs, electrónica digital, etc. se distorsionan las ondas de corriente y la introducción de armónicos al sistema de potencia.

¿Qué es la calidad de la energía?

Para un sistema de distribución eléctrica, calidad de la energía es la medida en la que la línea de tensión es una onda sinusoidal de amplitud constante. Figura 1 muestra la forma de onda de un 120 voltios (En), 60-hertz (Hz) voltaje de la línea de la calidad de potencia ideal. En un circuito de corriente alterna, los electrones fluyen hacia la fuente de energía para una mitad del ciclo y lejos de la fuente de alimentación para la otra mitad.

En 60 Hz, la onda de tensión completa un ciclo cada 1/60^ª de un segundo, o aproximadamente cada 17 milisegundos (1/50^ª de un segundo, o 20 en milisegundos 50 Sistemas Hz). Los problemas con los generadores de una utilidad o sistema de distribución puede causar serios problemas de calidad de energía, tales como caídas de tensión y transitorios, los cuales pueden reducir la vida útil de los sistemas de iluminación y otros equipos eléctricos. Los altos niveles de distorsión (desviación de la onda de seno) en el sistema de distribución también puede dañar el equipo eléctrico.

A diferencia de las caídas de tensión y transitorios, sin embargo, distorsión a menudo es causada por los dispositivos eléctricos que operan en el sistema.

Para un dispositivo eléctrica específica, la calidad de la energía término describe la medida en que el dispositivo tanto distorsiona la forma de onda de voltaje y cambia la relación de fase entre tensión y corriente. Un dispositivo con características ideales de calidad de energía no falsea la tensión de alimentación, ni afecta a la relación de fase de voltaje-corriente.

Figura 1 – Forma de onda del voltaje para 120V, 60Fuente de alimentación Hz con una calidad de potencia ideal

Una onda sinusoidal suave es característica de tensión sin distorsiones. A la frecuencia de 60 Hz, la onda se repite cada 16.7 ms. La amplitud es 170V; La raíz cuadrada media (rms) valor de la onda es de 120V.

¿Cómo afectan a los sistemas de iluminación de calidad de energía?

Figura 2 – Onda de corriente altamente distorsionada

La mayoría de los sistemas de iluminación incandescentes no reducir la calidad de la energía de un sistema de distribución debido a que tienen formas de onda de corriente sinusoidal que están en fase con la forma de onda de voltaje (la corriente y el voltaje aumente y disminuya a la vez).

Fluorescente, descarga de alta intensidad (HID), y los sistemas de iluminación incandescente de bajo voltaje, que utilizan balastos o transformadores, pueden haber distorsionado las formas de onda de corriente. Figura 2 muestra un ejemplo de una forma de onda de corriente muy distorsionada típico de algunas balasto electrónico para lámparas fluorescentes compactas. Los dispositivos con este tipo de formas de onda distorsionadas, la corriente presenta ráfagas cortas (en vez de dibujar sin problemas), que crea distorsión en el voltaje. Estos dispositivos actuales formas de onda también pueden estar fuera de fase con la forma de onda de voltaje.

Tal desplazamiento de fase puede reducir la eficiencia del circuito de corriente alterna. En Figura 3, la actual ola está por detrás de la onda de tensión.

Durante parte del ciclo de la corriente es positivo mientras que el voltaje es negativo (o viceversa), como se muestra en las áreas sombreadas; el trabajo corriente y la tensión contra la otra, la creación de la potencia reactiva. El dispositivo produce trabajo sólo 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 calidad de la energía preocupación porque los sistemas de distribución de empresas de servicios públicos deben tener la capacidad de llevar la potencia reactiva a pesar de que lleva a cabo ningún trabajo útil.

Tanto los fabricantes de iluminación y propietarios de edificios pueden 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 la tensión debido a su bajo consumo de energía.

Figura 3 – Desplazamiento de fase de potencia reactiva

Balastos magnéticos para lámparas fluorescentes y HID suelen tener retraso actual. Algunos balastos magnéticos contienen condensadores que volver a sincronizar 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 construcción para compensar las grandes cargas con corriente retrasada.

¿Cuáles son los armónicos?

Un armónica es una onda con una frecuencia que es un múltiplo entero de la fundamental, o una onda principal. Cualquier forma de onda distorsionada puede ser descrita por la onda fundamental más uno o más armónicos, como se muestra en Figura 4. Una distorsionada 60 Onda de corriente Hz, por ejemplo, puede contener armónicos en 120 Hz, 180 Hz, y otros múltiplos de 60 Hz (en 50 Sistemas Hz Estos pueden 100 Hz, 150 Hz, otros múltiplos de 50 Hz).

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

Figura 4 – Ilustrando armónicos

Nota – Una forma de onda distorsionada en Figura 4a puede ser descrito por la suma de una onda sinusoidal con la frecuencia 1 Hz y amplitud 2 ft, que es la fundamental, y una segunda onda de seno con frecuencia 3 Hz y amplitud 1 ft, que es la armónica de tercer orden. Las dos ondas componentes se muestran en la Figura 4b.

Ondas de corriente altamente distorsionadas contienen numerosos armónicos. Los incluso componentes armónicos (de segundo orden, de cuarto orden, etc.) tienden a anularse mutuamente sus efectos, pero los armónicos impares tienden a añadir de una manera que aumenta rápidamente debido a la distorsión de los picos y valles de sus formas de onda de frecuencia coinciden. La industria de la iluminación llama a su medida más común de la distorsión de la distorsión armónica total (THD).

Total distorsión armónica (THD) y el factor de armónicos

Fabricantes de lastre, empresas eléctricas, y las organizaciones de normalización definen THD diferente, lo que ha provocado cierta confusión en la industria de la iluminación. Por ejemplo IEEE define THD dado en el estándar IEEE 1035-1989 como sigue:

Donde:

• Yo₁ es la raíz cuadrada de la media (rms) de la forma de onda de corriente fundamental
• Yo₂ es el valor eficaz de la segunda orden de onda de corriente armónica
• Yo₃ es el valor eficaz de la tercera orden de onda de corriente armónica, etc.

O como se define en IEC 61000-2:

Donde Yo₁ es la forma de onda de corriente fundamental.

Por otra parte, ANSI y CSA utilizar la siguiente fórmula para el cálculo de THD:

Donde:

• Yo₁ es el valor eficaz de la onda de corriente fundamental,
• Yo₂ es el valor eficaz de la segunda orden de onda de corriente armónica
• Yo₃ es el valor eficaz de la tercera orden de onda de corriente armónica, etc.

Como podemos ver, de acuerdo con la segunda definición, THD es siempre menor que 100%. La siguiente tabla muestra algunas conversiones entre las dos definiciones.

Utilidades típicamente de tensión con menos de 2% THD. Sin embargo, THD de corriente para aparatos electrónicos puede ser muy alto, menudo sobre 100%. Mesa 1 enumera THD corriente de algunas cargas de iluminación, medida por NLPIP. Los dispositivos con alta THD actual contribuyen a la distorsión armónica total de tensión en proporción a su porcentaje de la carga total de un edificio. Así, dispositivos de más potencia pueden aumentar THD de tensión más que los dispositivos de baja potencia. Si la distorsión armónica es una preocupación para un sistema de iluminación, NLPIP recomienda que los especificadores utilizan balastos electrónicos con filtros para minimizar la distorsión armónica total.

El THD de tensión recomendada máxima admisible en el punto donde un edificio se conecta al sistema de distribución de servicios es 5% (IEEE 1992).

Figura 5 muestra que la THD de tensión alcanza este límite cuando la carga de aproximadamente la mitad del edificio tiene THD actual de 55%, o cuando aproximadamente un cuarto de la carga del edificio tiene THD actual de 115%.

THD de tensión resultante de 55% y 115% corriente THD
Continuará en el artículo técnico part 2 ...