Impacto del Alumbrado Publico con LEDs en la Red de Distribuci´ on

Paula Catalina Acu˜ na Roncancio

Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ingenier´ıa Departamento de El´ectrica y Electr´ onica Bogot´a, Colombia 2011

Impacto del Alumbrado Publico con LEDs en la Red de Distribuci´ on

Paula Catalina Acu˜ na Roncancio

Tesis como requisito parcial para optar al t´ıtulo de: Magister en Ingenier´ıa El´ ectrica

Directora: Ingeniera Estrella Esperanza Parra L´ opez

L´ınea de Investigaci´on: Calidad de Potencia Grupo de Investigaci´on: Programa de Adquisici´on y An´ alisis de Se˜ nales PAAS

Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ingenier´ıa Departamento de El´ectrica y Electr´ onica Bogot´a, Colombia 2011

El secreto del ´exito en la vida del hombre consiste en estar dispuesto para aprovechar la ocasi´ on que se le depare.

Benjamin Franklin

Agradecimientos Agradezco a la profesora Estrella Parra, directora de ´esta tesis; una mujer, madre, ingeniera y profesora ejemplar, a quien tuve la dicha de tener cerca para aprender detalles t´ecnicos, de redacci´on, y no menos importantes, de la vida. Gracias por su tiempo, respeto, apoyo y motivaci´on en el desarrollo de ´esta tesis. Al profesor Jes´ us Quintero, asesor de ´esta tesis, por las cr´ıticas y aportes realizados a lo largo de ´este proyecto de investigaci´on, y por ese voto inicial de confianza, que desencaden´o en un proyecto de vida alrededor del tema de iluminaci´on. A los profesores Francisco Am´ortegui, Fernando Herrera y Omar Pr´ıas, por motivarme en el proceso de formaci´on como profesional y como persona, a trav´es de la pasi´on e intensidad con que viven el d´ıa a d´ıa en los diferentes escenarios de la vida, gracias por sus cr´ıticas y aportes en mi proceso de formaci´on. A mis compa˜ neros del Laboratorio de Ensayos El´ectricos Industriales - LABE, por todas las cosas que pude aprender a su lado, los momentos compartidos y la colaboraci´on en parte del proceso de medici´on realizado en esta tesis. A mi compa˜ nero de clase y amigo, Ricardo Pardo, por sus ense˜ nanzas y apoyo durante el desarrollo de la maestr´ıa. Al profesor Andr´es Pavas, por sus comentarios y aportes a esta tesis. Al grupo de investigaci´on PAAS, por darme el aval para ser part´ıcipe de la pasant´ıa patrocinada por el CYTED en la Universidad Polit´ecnica de Catalu˜ na, de d´onde pude extraer parte de los resultados y conclusiones de ´esta tesis. A la direcci´on del postgrado, por el apoyo en la divulgaci´on de los resultados parciales de ´esta tesis en el X Congreso Panamericano de Iluminaci´on, en Valparaiso-Chile. A la direcci´on acad´emica de sede - DIB, por el soporte econ´omico proporcionado para la realizaci´on de ´este trabajo, a trav´es del programa de apoyo a tesis de postgrado. En general, al alma mater, a quien guardo un profundo sentido de agradecimiento y pertenencia, por el aporte que ha hecho en mi vida de forma integral. Un extensivo saludo de agradecimiento a las instituciones y personas que permitieron y me acogieron durante la experiencia de intercambio. Al Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnolog´ıa para el Desarrollo - CYTED, la Universidad Polit´ecnica de Catalu˜ na - UPC, y el Katholieke Hogeschool Sint-Lieven - KAHOSL. Gracias al equipo que me acogi´o en la UPC y me apoy´o en la realizaci´on de medidas sobre el proyecto piloto. Al Profesor Peter Hanselaer y al Ph.D. Arno Keppens, de KAHOSL y el laboratorio Light&Lighting, por acogerme en su laboratorio, dedicarme parte de su tiempo en la instrucci´on del know-how del laboratorio, y motivarme a continuar por el camino de la investigaci´on en el campo de la iluminaci´on. Agradezco a Dios, por protegerme y bendecirme con la salud, la compa˜ nia de personas maravillosas a mi alrededor, el entusiasmo por lo que hago, y la perseverancia para superar

viii las dificultades presentadas. A mis padres, porque me han ense˜ nado que con paciencia, tacto, constancia y perseverancia, es posible alcanzar las metas y sue˜ nos. A mi hermana, que con su posici´on firme, siempre ha tratado de mostrarme la otra cara de la vida. A Osquitar, que con muestras de su serenidad, sencillez, sensibilidad, constancia y cari˜ no, me permite disfrutar a´ un m´as el paso por la vida, mil gracias por las correcciones hechas en la redacci´on de ´este documento, y por el apoyo y compa˜ nia incondicional en mi vida. A Lopecitas, por siempre querer sacar sonrisas de mi parte, a pesar de la situaci´on.

Resumen El tema abordado en esta tesis fue la determinaci´on del impacto de las luminarias de LEDs usadas en el alumbrado p´ ublico sobre la calidad de potencia de la red distribuci´on, a partir del desarrollo de un modelo y la simulaci´on de su operaci´on en un circuito de distribuci´on. Se adopt´o una metodolog´ıa de modelamiento de carga no lineal en el dominio del tiempo a trav´es del modelo din´amico que relaciona la tensi´on y corriente de la carga. Para esto se realizaron mediciones en condiciones de laboratorio a cada una de las muestras disponibles y, a trav´es de las se˜ nales caracter´ısticas de tensi´on y corriente, se hall´o el valor de los par´ametros del modelo din´amico que representa cada una de las cargas evaluadas. Se implementaron los modelos obtenidos para simular un circuito t´ıpico de alumbrado p´ ublico, donde se evaluaron los siguientes indicadores: tensi´on rms, corriente rms, potencia aparente, potencia activa, factor de potencia, y distorsi´on arm´onica en tensi´on y corriente. Igualmente sobre dos proyectos piloto de telegesti´on y aplicaci´on de nuevas tecnolog´ıas de iluminaci´on, se estimaron los par´ametros el´ectricos y lum´ınicos. A partir de los resultados de simulaci´on y de medici´on en campo, se estableci´o que el desarrollo de los drivers empleados con la tecnolog´ıa LED hace que su utilizaci´on en la red sea favorable, dado que mejora el factor de potencia y mantiene el ´ındice de distorsi´on total alrededor del 3 %; en materia ´optica, las luminarias de LED aun deben mejorar en pro de alcanzar una mayor eficiencia, mejor distribuci´on de luz e ´ındice de reproducci´on de color. Palabras clave: alumbrado p´ ublico, calidad de potencia, distorsi´ on arm´ onica, factor de potencia, modelo carga no lineal, LED, simulaci´ on en el dominio del tiempo.

Abstract The aim of the thesis was to assess the impact of LED street lighting on the power quality of distribution system. In order to assess the impact through simulation, a methodology for non-linear load was adopted to represent the dynamic behavior between the voltage and current of the LED lighting load. The available samples were measured at lab conditions to obtain the current and voltage signals. From the current and voltage signals, the RLC parameters were obtained in order to represent the LED lighting load. Afterwards, the models were implemented in a typical street lighting circuit to evaluating the follow indexes: current rms, voltage rms, active power, aparent power, power factor, and total harmonic distortion in current and voltage. A similar analysis was done on two pilot projects of telemanagement in street lighting, where besides the electric parameters, luminous parameters were evaluated too. The follow conclusions were extracted from the simulation and measurements results: LED street lighting is favorable to improve the power factor in the street lighting circuits and reduce the current harmonic distortion compared with the HPS luminaires. The current

x harmonic distorsion remains still within limits imposed by power quality standards; regarding to lighting, the efficiency, color rendering index and light distribution must be improved in order to be competitive with the conventional street lighting technologies. Keywords: street lighting, power quality, harmonic distortion, power factor, non-linear load model, LED, time domain simulation

Contenido Agradecimientos

VII

Resumen 1. Introducci´ on 1.1. Motivaci´on . . . . . . . . 1.2. Objetivo de la tesis . . . 1.3. Esquema de la tesis . . . 1.4. Publicaciones realizadas

IX

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2. Generalidades 2.1. Alumbrado P´ ublico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Sistemas de Iluminaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Fuentes de luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Balastos - Bombillas de descarga en gas . . . . . . . . . 2.2.3. Generador de alta frecuencia - Bombillas de inducci´on . 2.2.4. Drivers - LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5. Sistemas de telegesti´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Calidad de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. RETILAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Modelos y pruebas 3.1. Modelado de carga no lineal en el dominio del tiempo . . . 3.2. Modelado de carga no lineal en el dominio de la frecuencia 3.3. Simulaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1. Modelo de luminarias . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. Modelo de luminarias + circuito de AP . . . . . . . 3.4. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Mediciones 4.1. Mediciones de Laboratorio . . . . . . . . . 4.1.1. Metodolog´ıa . . . . . . . . . . . . . 4.1.2. Resultados - Par´ametros el´ectricos 4.1.3. Resultados - Par´ametros ´opticos . .

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Contenido 4.2. Mediciones en el proyecto de telegesti´on UN . . . . . . . 4.2.1. Metodolog´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2. Resultados - Par´ametros el´ectricos . . . . . . . . 4.2.3. Resultados - Par´ametros ´opticos . . . . . . . . . . 4.3. Mediciones en Proyecto Piloto - Mas de Roda-Barcelona 4.3.1. Metodolog´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. Resultados - Par´ametros el´ectricos . . . . . . . . 4.3.3. Resultados - Par´ametros ´opticos . . . . . . . . . . 4.4. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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5. Conclusiones y trabajos futuros 5.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Trabajos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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A. Metodolog´ıa para el modelamiento de carga no lineal en el dominio del tiempo 61 B. Modelo equivalente Norton arm´ onico Bibliograf´ıa

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1. Introducci´ on 1.1.

Motivaci´ on

Desde la creaci´on de la primera bombilla por Thomas Alba Edison hasta nuestros d´ıas, la iluminaci´on ha evolucionado a pasos agigantados para atender las necesidades en diferentes lugares y condiciones. Esta evoluci´on ha ido de la mano con los avances que se tienen en la f´ısica de materiales. La primera en aparecer fue la bombilla que emit´ıa luz a trav´es del calentamiento de un filamento; luego aparecieron las bombillas de descarga en gas, que generan radiaci´on en el espectro visible usando un arco controlado en un medio gaseoso ya sea de mercurio, sodio o halogenuros met´alicos; posteriormente, surgen las bombillas de inducci´on, que a trav´es de una corriente inducida excitan los ´atomos de mercurio al interior de la bombilla, generando radiaci´on UV que se transforma en radiaci´on en el rango visible usando f´osforo amarillo; y actualmente, con la f´ısica de semiconductores al servicio de la iluminaci´on de prop´osito general, los diodos emisores de luz de alta potencia (LED). Las u ´ltimas tendencias en iluminaci´on se desarrollan y se aplican en los pa´ıses con un alto desarrollo tecnol´ogico como China, Estados Unidos, Alemania, Finlandia, Francia y Jap´on, entre otros, seg´ un el estudio de Vigilancia Tecnol´ogica en el Sector de la Iluminaci´on [20] realizado por la Universidad Nacional de Colombia en asocio con Codensa y Colciencias en el a˜ no 2009. Del alumbrado p´ ublico, cabe mencionar las fuentes de luz que se postulan para su uso masivo dentro de los pr´oximos 10 a˜ nos, a saber, LED, Inducci´on y Plasma; adem´as, se evidencia una tendencia hacia la telegesti´on y el uso del balasto electr´onico. Este estudio sirvi´o como punto de partida para la determinaci´on de esta tesis, pues permiti´o identificar el crecimiento en el uso de la tecnolog´ıa LED para el alumbrado p´ ublico. Lo anterior conlleva a conocer las implicaciones y oportunidades que trae consigo la tecnolog´ıa LED, y de esta forma adaptar la infraestructura y normatividad de acuerdo a las caracter´ısticas de esta tecnolog´ıa. Una de las implicaciones de car´acter t´ecnico es el efecto de la utilizaci´on de la tecnolog´ıa LED sobre la calidad de potencia en la red el´ectrica, de manera que un an´alisis centrado en ´este aspecto permitir´a hacer recomendaciones para mitigar los efectos nocivos que se puedan generar al instalar esta tecnolog´ıa de forma masiva. Al momento de revisar el estado del arte de las tem´aticas relacionadas con esta propuesta de tesis, no se encontr´o informaci´on del efecto de la tecnolog´ıa LED empleada para el alumbrado p´ ublico sobre la calidad de potencia de la red de distribuci´on. Sin embargo, s´ı se viene

1.2 Objetivo de la tesis

3

promoviendo la aplicaci´on de la tecnolog´ıa en forma masiva para el alumbrado p´ ublico, a trav´es de iniciativas gubernamentales en pa´ıses como Espa˜ na y Estados Unidos, en donde se han instalado proyectos piloto y se ha hecho el respectivo seguimiento sobre ellos para identificar los detalles de la operaci´on y el mantenimiento de esta tecnolog´ıa en el alumbrado p´ ublico. Para el caso de Estados Unidos, la implementaci´on y seguimiento de proyectos piloto han estado acompa˜ nados de un programa de evaluaci´on llamado CALIPER, cuyo objetivo es evaluar las caracter´ısticas fotom´etricas y par´ametros el´ectricos como tensi´on, corriente, potencia y factor de potencia, dejando de lado la medici´on de los indicadores de calidad de potencia en las redes de distribuci´on donde los proyectos piloto han sido instalados. Uno de los casos de implementaci´on de Espa˜ na fue conocido de primera mano por la autora de esta tesis, quien gracias a la pasant´ıa patrocinada por CYTED (Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnolog´ıa para el Desarrollo) logr´o participar en la ejecuci´on de una de las auditor´ıas peri´odicas hechas al proyecto piloto Barcelona@22 en la calle Mas de Roda en Barcelona - Espa˜ na, en d´onde se diagnostic´o el desempe˜ no el´ectrico y ´optico del proyecto.

1.2.

Objetivo de la tesis

Para el 2010, a˜ no desde el que comenz´o a desarrollarse esta tesis, localmente no se detectan se˜ nales inmediatas de inversi´on por parte del gobierno o los operadores de red para renovar el parque lum´ınico con nuevas tecnolog´ıas, como LED o Inducci´on para el caso de alumbrado p´ ublico. Por esta raz´on, la academia ha asumido como parte de una realidad de futuro el uso masivo de estas tecnolog´ıas, y ha venido desarrollando proyectos de investigaci´on para determinar el impacto de estas tecnolog´ıas sobre la calidad de potencia del sistema en estado estable, m´as espec´ıficamente, el efecto de la emisi´on de arm´onicos de este tipo de cargas sobre la red, pues al tratarse de cargas no lineales, se presume que tengan una alta emisi´on de arm´onicos. Tal es el caso de la tesis que antecede este trabajo, cuyo objeto fue evaluar el impacto de la tecnolog´ıa LED aplicada a la iluminaci´on interior en diferentes escenarios de aplicaci´on, considerando s´olo LEDs, y combinaci´on con bombillas fluorescentes compactas[7]. Y ´esta tesis, cuyo objetivo general es la determinaci´on del impacto de las luminarias de LEDs usadas en el alumbrado p´ ublico, sobre la calidad de potencia de la red distribuci´on en estado estable, a partir del desarrollo de un modelo y la simulaci´on de su operaci´on en conjunto con un modelo de circuito de distribuci´on. Para ello se desarrollaron los siguientes objetivos espec´ıficos: 1. Desarrollo de un modelo de simulaci´on para una luminaria de LEDs con aplicaci´on en alumbrado p´ ublico, y validaci´on con las mediciones obtenidas en condiciones de laboratorio. 2. Determinaci´on del impacto sobre la calidad de potencia en la red de distribuci´on del uso de luminarias de LEDs, a trav´es de la simulaci´on de los modelos desarrollados y el modelo de un circuito de distribuci´on, y comparaci´on con otras tecnolog´ıas convencio-

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1 Introducci´on nales a partir de sus modelos en distintas combinaciones.

3. Obtenci´on de las caracter´ısticas el´ectricas y fotom´etricas de l´amparas de LEDs y otras tecnolog´ıas convencionales empleadas en la actualidad.

1.3.

Esquema de la tesis

Acorde a la estructura detallada en la Figura 1-1, a continuaci´on se describe el contenido de los cap´ıtulos de este documento.

Figura 1-1.: Esquema de desarrollo de la tesis

Cap´ıtulo 2: Presentaci´on del marco conceptual de los principales aspectos t´ecnicos, econ´omicos y normativos del alumbrado p´ ublico, las tecnolog´ıas disponibles para el alumbrado p´ ublico, y la calidad de potencia en redes de distribuci´on Cap´ıtulo 3: Desarrollo de los modelos de simulaci´on definidos para las fuentes de luz evaluadas, y los resultados de su aplicaci´on al modelo de un circuito t´ıpico de alumbrado p´ ublico Cap´ıtulo 4: Presentaci´on de resultados de las medidas hechas sobre dos proyectos piloto Cap´ıtulo 5: Recopilaci´on de los principales hallazgos, conclusiones y trabajos futuros

1.4 Publicaciones realizadas

1.4.

5

Publicaciones realizadas

Durante el desarrollo del presente trabajo de tesis se realiz´o una publicaci´on internacional: Acu˜ na,P., Quintero, J., Parra, E., Ram´ırez, R., Sudri´a, A., Herrera, F. Impacto del alumbrado p´ ublico con tecnolog´ıa LED en la emisi´on de arm´onicos en la red de distribuci´on. X Congreso Panamericano de Iluminaci´on. Octubre 2010.

2. Generalidades 2.1.

Alumbrado P´ ublico

La principal funci´on del alumbrado p´ ublico es permitir el tr´afico en horas de la noche o en ´areas oscuras (t´ uneles) con niveles aceptables de seguridad y confort, para conductores y peatones. Hist´oricamente, los aspectos que han aumentado la funcionalidad del alumbrado p´ ublico son: prevenci´on del crimen, mejora en la econom´ıa de las ciudades gracias a su est´etica, facilidad en la orientaci´on para peatones y conductores, seguridad en el tr´afico, y seguridad social de los peatones y residentes[22]. Las funciones del alumbrado p´ ublico suelen estar definidas con base en los siguientes aspectos: Ubicaci´on (urbano o rural) Sector (industrial, residencial, comercial) Funci´on de la red (flujo, acceso, local) Infraestructura (doble carril, un solo carril) Los requisitos fotom´etricos se suelen expresar en t´erminos de luminancia para las v´ıas destinadas al tr´afico de automotores, mientras que para las v´ıas locales y residenciales se eval´ ua en t´erminos de iluminancia. Los principales criterios para evaluar la calidad de un proyecto de iluminaci´on de v´ıas para automotores son: 1. 2. 3. 4.

Luminancia promedio de la superficie de la v´ıa Grado de deslumbramiento Uniformidad del patr´on de luminancia Gu´ıas ´opticas y visuales

Y para un proyecto de iluminaci´on residencial o local: 1. 2. 3. 4. 5.

Iluminancia promedio de la superficie de la v´ıa Iluminancia de las ´areas adjuntas a la carretera Uniformidad del patr´on de iluminancia Grado de deslumbramiento Color de la luz

2.1 Alumbrado P´ ublico

7

Seg´ un [9], los sistemas de alumbrado p´ ublico deben atender a los siguientes requisitos: Requisitos del Sistema El´ ectrico Alto Factor de Potencia Sistemas de Alta Eficiencia Buen Sistema de Protecci´on Sistemas en conformidad de est´andares de EMC-EMI Regulaci´on de Corriente ´ Requisitos Opticos Temperatura de Color apropiada Ausencia de deslumbramiento Ausencia del efecto estrobosc´opico Iluminar un ´area espec´ıfica Consumo de energ´ıa el´ ectrica en Alumbrado P´ ublico A nivel mundial el alumbrado p´ ublico consume alrededor de 218 TWh, lo que representa el 8 % del consumo de energ´ıa el´ectrica usado en iluminaci´on en el mundo para un a˜ no. Esta energ´ıa el´ectrica se traduce en 16,1 Plmh (Petalumenes-hora) con fuentes a una eficacia promedio de 74 lm/W, cuyo costo es del orden de 1.33 U S$/M lmh, es decir, 18.7 billones de dolares a nivel mundial, de los cuales el 79 % representa el costo de la electricidad, y el tanto porciento restante corresponde a la infraestructura, instalaci´on y mantenimiento [5]. En Bogot´a el alumbrado p´ ublico consume alrededor de 210 GWh al a˜ no, que representa el 3,5 % de la energ´ıa el´ectrica en la ciudad (5945 GWh). La distribuci´on del consumo energ´etico puede verse en la Figura 2-1. Consideraciones econ´ omicas de un proyecto de iluminaci´ on LED Al considerar los costos de energ´ıa y operaci´on, el tiempo estimado para recuperar la inversi´on de un proyecto de iluminaci´on LED para alumbrado p´ ublico es entre 6 y 8 a˜ nos. Acorde con un estudio realizado en la ciudad de Raleigh (Carolina del Norte - USA), un proyecto con una inversi´on inicial de 42000 US$ tendr´a ahorros en el consumo de energ´ıa el´ectrica con un costo representativo de 2803 US$ por a˜ no, y los gastos de sustituci´on y mantenimiento se reducir´an en 3325 US$, de manera que el tiempo para la recuperaci´on de la inversi´on ser´a de 7 a˜ nos.[14]

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2 Generalidades

Figura 2-1.: Distribuci´on de Carga El´ectrica en Bogot´a (2006 - 2009). Datos tomados de SIEL (Sistema de Informaci´on El´ectrico Colombiano)

2.2.

Sistemas de Iluminaci´ on

2.2.1.

Fuentes de luz

Las fuentes de luz convierten energ´ıa el´ectrica en energ´ıa electromagn´etica. El efecto electroluminiscente, y la espectro de radiaci´on en el rango visible, son quienes definen la eficiencia de la conversi´on. La eficiencia en la conversi´on debida al efecto electroluminiscente, depende de la interacci´on f´ısica en el medio que se propaga la radiaci´on electromagn´etica; por otra parte, la relaci´on entre la radiaci´on electromagn´etica que coincide con la curva de sensibilidad del ojo humano (curva V (λ)), y la radiaci´on electromagn´etica total, definen la eficiencia de la energ´ıa electromagn´etica radiada. La potencia electromagn´etica que se encuentre dentro de la curva de sensibilidad del ojo humano se denomina flujo luminoso y se mide en l´ umenes [lm]. Algunos de los indicadores utilizados para evaluar el desempe˜ no de las fuentes de luz se definen a continuaci´on: Eficacia lum´ınica: Se define como el cociente entre el flujo luminoso y la potencia el´ectrica con la que la fuente es excitada, por lo que sus unidades son [lm/W] Temperatura de color (CCT): Temperatura absoluta de un cuerpo negro cuya cromaticidad se aproxima a la de la fuente de luz ´Indice de reproducci´on de color (IRC): Se refiere a la habilidad de una fuente de luz,

2.2 Sistemas de Iluminaci´on

9

con una temperatura de color espec´ıfica, para reproducir los colores de un objeto tan bien como una fuente de referencia con la misma temperatura de color. Vida u ´til: Periodo de servicio efectivo de una fuente de luz que trabajo en condiciones y ciclos de trabajo nominales hasta que su flujo luminoso sea el 70 % del flujo luminoso total Las fuentes de luz que se usan actualmente en los proyectos de alumbrado p´ ublico son bombillas de descarga en sodio de alta presi´on, y bombillas de descarga en halogenuros met´alicos. A continuaci´on se presenta una breve muestra de sus principales caracter´ısticas. Fuentes de Descarga en Gas Existen cinco familias de l´amparas de descarga: 1. 2. 3. 4. 5.

L´amparas L´amparas L´amparas L´amparas L´amparas

de de de de de

baja presi´on de mercurio baja presi´on de sodio alta presi´on de mercurio alta presi´on de sodio halogenuros met´alicos

Considerando que las que se encuentran actualmente en el parque de alumbrado p´ ublico son en su gran mayor´ıa de alta presi´on de descarga y halogenuros met´alicas, s´olo se prestar´a atenci´on a ´estas. El funcionamiento consiste en un tubo de descarga de gas en una cubierta envolvente. Dado que son de alta presi´on (1 atm), este tubo es peque˜ no y suele llamarse quemador. En la operaci´on, el quemador eleva su temperatura, de manera que el material del que est´e hecho debe tener alta resistencia t´ermica, como es el caso de la cer´amica o el cuarzo. Cuando est´a fuera de operaci´on, el gas se encuentra condensado, de tal forma que toma algunos minutos para que ´este se evapore durante la ignici´on. La cubierta envolvente puede ser transparente, o tener en sus paredes mol´eculas de f´osforo para mejorar la temperatura de color de la l´ampara. Las l´amparas de descarga en gas son m´as brillantes y entre 3 y 10 veces m´as eficientes que las l´amparas incandescentes [11]. 1. L´amparas de alta presi´on de descarga en sodio Como su nombre indica, utilizan en la descarga sodio. Con este material se logra una mejora en el color con respecto a las antes utilizadas bombillas de sodio de baja presi´on, debido al aumento en la temperatura de color y el ´ındice de reproducci´on de color que se tiene con el aumento en la presi´on de la descarga. (Ver Figura 2-3) 2. L´amparas de Halogenuros Met´alicos Son l´amparas de alta presi´on de descarga de mercurio con componentes halogenuros de las tierras raras. Los componentes halogenuros se adicionan con el fin de mejorar el

10

2 Generalidades

Figura 2-2.: L´ampara de alta intensidad de descarga Metal Halide [11] ´ındice de reproducci´on de color y la eficacia de la l´ampara. Las l´amparas de halogenuros met´alicos se utilizan con frecuencia en iluminaci´on de estadios, pasajes y lugares en donde se requiere una buena reproducci´on de color. (Ver Figura 2-2)

2.2.2.

Balastos - Bombillas de descarga en gas

Las l´amparas de descarga en gas requieren el uso de un balasto que sea capaz de mantener la corriente constante. Los balastos pueden ser electromagn´eticos o electr´onicos. Para regular la corriente de descarga en las bombillas de descarga en gas expuestas anteriormente, es necesario el uso de un balasto. Antes del desarrollo de la electr´onica de potencia los balastos fueron primordialmente electromagn´eticos, y hoy, con la electr´onica de potencia en auge, es posible el uso de balastos electr´onicos para bombillas de descarga en gas con alta eficiencia y posibilidades de dimerizaci´on como caracter´ısticas diferenciadoras. Existen diversas topolog´ıas de balastos electromagn´eticos, pero todos ellos se caracterizan por usar una inductancia en serie para limitar la corriente de descarga. A continuaci´on se describen las caracter´ısticas de las topolog´ıas m´as comunmente usadas para operar las l´amparas de descarga en gas. En la operaci´on de la primera topolog´ıa de balasto (Ver Figura 2.4(a)), el interruptor se cierra y fluye la corriente de corto circuito a trav´es de los electrodos

2.2 Sistemas de Iluminaci´on

11

Figura 2-3.: L´ampara de alta intensidad de descarga Sodio de Alta Presi´on [11]

generando un calentamiento en ellos, posteriormente se abre el interruptor y la energ´ıa, almacenada en la inductancia en forma de campo magn´etico, es liberada a trav´es de un pico de tensi´on entre los electrodos del orden de 800 V, generando con esto la descarga a trav´es del gas. Una vez se ha encendido la l´ampara, la tensi´on dentro de ella es menor que la tensi´on a la entrada del balasto, de manera que el interruptor permanece abierto. Para mejorar la operaci´on del interruptor y disminuir la radio interferencia que pueda haber, se ubica en paralelo al interruptor un condensador del orden de 10 nF (Ver Figura 2.4(b)), adem´as, se ubica otro condensador a la entrada del balasto con el fin de mejorar el factor de potencia disminuido por la impedancia inductiva equivalente del balasto. Dado que la tensi´on pico generada es de apenas 800 V, la topolog´ıa descrita anteriormente s´olo trabaja bien para bombillas de baja presi´on, en el caso de bombillas de alta presi´on es necesario tener una tensi´on pico entre 2,5 kV y 40 kV.Para generar una tensi´on pico de este orden es necesario el uso de un autotransformador (Ver Figura 2.4(c)), que puede ser instalado directamente sobre la inductancia limitadora cuando las distancias entre el balasto y la bombilla son cortas, o en serie con la inductancia limitadora para evitar capacitancias par´asitas. No obstante, las topolog´ıas mencionadas no poseen regulaci´on de tensi´on, de modo que su conexi´on en zonas donde existen varias fluctuaciones de tensi´on, har´a que el uso de estas topolog´ıas no convenga para bombillas que necesiten una buena regulaci´on de potencia. Para solucionar

12

2 Generalidades

este problema se suele ubicar un condensador en serie con la inductancia limitadora del autotransformador (Ver Figura 2.4(d)), y se conoce como constant wattage autotransformer (CWA)[6].

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 2-4.: Topolog´ıas t´ıpicas de balasto electromagn´etico para bombillas de descarga Con los desarrollos en electr´onica de potencia, m´as espec´ıficamente en el ´area de convertidores, se ha logrado dise˜ nar balastos electr´onicos que frente a los balastos electromagn´eticos tienen ventajas competitivas como: mayor eficiencia, mayor factor de potencia, menor peso y tama˜ no, y posibilidad de dimerizaci´on. La estructura general de los balastos electr´onicos (Ver Figura 2-5) se compone de un filtro de interferencia electromagn´etica que consiste en una inductancia acoplada con un condensador, una etapa de rectificaci´on que suele ser controlada con el fin de no afectar el factor de potencia y la regulaci´on de tensi´on en los terminales de entrada, un inversor acompa˜ nado de un balasto de alta frecuencia para alimentar a la l´ampara con una se˜ nal de alta frecuencia, un circuito de inicio para proporcionar el pico de tensi´on necesario para provocar la ignici´on en la l´ampara, y un circuito de protecci´on y control[6]. Otras tecnolog´ıas que se postulan para ser sustitutas de las l´amparas de descarga en gas son las l´amparas de inducci´on y LED. A continuaci´on se da una breve descripci´on de cada una

2.2 Sistemas de Iluminaci´on

13

Figura 2-5.: Estructura t´ıpica de un balasto electr´onico.

de ellas. Inducci´ on En las bombillas de inducci´on el gas de descarga es excitado por energ´ıa el´ectrica en forma de campo electromagn´etico de alta frecuencia sin uso de electrodos. La ausencia de electrodos en este tipo de bombillas es factor determinante en la larga vida u ´til de ´estas, alrededor de 60000 horas. Al hacer una analog´ıa entre la bombilla de descarga y la bombilla de inducci´on, se tiene que el devanado del primario en la bombilla de inducci´on est´a representado por la bobina de inducci´on, que es excitada a trav´es de un generador de alta frecuencia (Figura 2.6(a)), y el secundario est´a representado por una descarga en gas a baja presi´on. La radiaci´on ultra violeta inducida en la descarga excita el polvo fluorescente ubicado en la superficie de la bombilla y se produce luz blanca(Figura 2.6(b)).

2.2.3.

Generador de alta frecuencia - Bombillas de inducci´ on

El generador de alta frecuencia contiene un oscilador que alimenta a la antena encargada de iniciar y mantener la descarga en el gas. Su funci´on es garantizar la operaci´on del oscilador de forma estable y el filtrado de la potencia en el punto de conexi´on. Normalmente se ubica dentro de una caja met´alica de tal forma que se a´ısle la radiointerferencia y la conducci´on de calor, garantizando una larga vida u ´til. La frecuencia de salida para el generador se encuentra alrededor de 2.6 MHz [19].

14

2 Generalidades

(a) Principio f´ısico de la bombilla de inducci´on

(b) Estructura de la bombilla de inducci´on

Figura 2-6.: Bombilla de inducci´on[19]

Diodo Emisor de Luz Un LED (light-emitting diode) es considerado una carga no lineal. Puede ser representado por una fuente constante de tensi´on, con variaciones eventuales a causa de los cambios en la temperatura de uni´on del diodo. La ca´ıda de tensi´on en el diodo est´a relacionada con la fuerza necesaria que deben tener los electrones para atravesar la barrera en el semiconductor. De esta forma al tener un incremento en la temperatura debida a la disipaci´on de potencia en el LED, se tendr´a un incremento en la temperatura que har´a que la fuerza necesaria de los electrones para vencer la barrera en el semiconductor sea menor, y por ende la ca´ıda de tensi´on disminuya. Adem´as, dado que el semiconductor no es un conductor perfecto, su modelo tiene una resistencia en serie con la la fuente constante de tensi´on. El valor de esta resistencia es el cociente entre la variaci´on en tensi´on debida a una variaci´on de corriente, y la variaci´on de corriente en la zona de conducci´on del diodo. [24]

2.2.4.

Drivers - LEDs

Dado que los LEDs empleados para iluminaci´on de prop´osito general son de alta potencia, y que la disipaci´on de potencia tiene efectos sobre la tensi´on y sobre la corriente del LED, no es posible controlar LEDs a partir de fuentes lineales. Para controlar los LEDs es necesario emplear controladores regulados, cuyas desventajas son la eficiencia, el costo y problemas de compatibilidad electromagn´etica.[24]

2.2 Sistemas de Iluminaci´on

15

En pro de garantizar el m´aximo desempe˜ no ´optico de los LEDs, los drivers deben considerar las caracter´ısticas ´opticas, t´ermicas y el´ectricas del LED. Es deseable que el driver tenga las siguientes caracter´ısticas: Bajo consumo de potencia, para lo cual el n´ umero de componentes que tenga se debe reducir Alimentar al LED a trav´es de pulsos de corriente. Esto es posible dado que el LED tiene una respuesta r´apida frente a est´ımulos de corriente Larga vida u ´til. Una de las ventajas del LED como fuente de luz es su larga vida u ´til, de modo que el driver debe tener una vida u ´til tan o m´as larga que la del LED. Para esto se requiere, en la medida de lo posible, evitar el uso de condensadores electrol´ıticos en la etapa de filtrado del driver, ya que de los componentes requeridos en la construcci´on del driver, son los que definen la vida u ´til del driver. Los drivers de LEDs suelen ser fuentes constantes de corriente. Se presentan en diferentes topolog´ıas, tales como los convertidores buck, boost, buck-boost, SEPIC, Fly-back, entre otras. La que se utiliza con mayor frecuencia en aplicaciones de iluminaci´on interior y exterior es la topolog´ıa Fly-back con algunas variaciones. La estructura t´ıpica de un driver se detalla en la Figura 2-7. A continuaci´on se presenta una breve descripci´on de la topolog´ıa Fly-back.[16]

Figura 2-7.: Estructura t´ıpica de un driver. [16] Topolog´ıa Fly-Back Esta suele a ser la topolog´ıa m´as empleada para el control y la alimentaci´on de los LEDs. La Figura 2-8 presenta el esquema de la topolog´ıa. El punto en el devanado primario del

16

2 Generalidades

transformador indica el inicio del devanado, que a su vez se conecta al drenador de un transistor MOSFET que conmuta entre tierra (encendido) y circuito abierto (apagado) a una frecuencia entre 10 y 100 kHz; mientras que el otro extremo del devanado se conecta a un valor fijo de alta tensi´on para apantallar las capas interiores del devanado, con lo que se logra reducir la interferencia electromagn´etica (EMI). El punto en el devanado secundario se conecta al diodo de salida que previene la conducci´on cuando el MOSFET est´a apagado, mientras que el otro extremo del devanado se conecta a tierra para apantallar el devanado secundario de la EMI. Mientras que el MOSFET est´a apagado, la energ´ıa almacenada en forma de campo magn´etico en el transformador se libera en forma de corriente a trav´es del diodo de salida y luego por la carga, que en este caso es el arreglo de LEDs[24].

Figura 2-8.: Estructura t´ıpica de un convertidor Fly-back. [24]

2.2.5.

Sistemas de telegesti´ on

Un sistema de telegesti´on est´a comprendido por subsistemas de comunicaci´on y automatizaci´on, que permiten el control individual de las luminarias, ajuste de los niveles de luz, y reportar las fallas en cada luminaria. La funcionalidad de los sistemas de gesti´on, permite en ahorros energ´eticos, reducci´on de la poluci´on lum´ınica, y mejoras en el mantenimiento del alumbrado p´ ublico. Los componentes de un sistema de telegesti´on son: centro de control, terminales remotas, unidades de control de luz, bal´astos, y l´amparas. La funci´on del centro de control es monitorear la operaci´on de la l´ampara a trav´es de la toma de decisiones con base en los par´ametros de control y los datos de operaci´on guardados. Las terminales remotas est´an instaladas en las cabinas de control, en donde adem´as, residen los contactores de las l´amparas, interruptores, un temporizador y/o fotocelda; la funci´on es, colectar informaci´on de las unidades de control de luz y enviarlas al centro de control, as´ı como recibir se˜ nales

2.3 Calidad de Potencia

17

del centro de control y enviarlas a las unidades de control de luz. Las unidades de control de luz reciben los comandos de las terminales remotas, ejecutan los comandos, y transmiten el estado de la l´ampara a las terminales remotas.[2]. En la figura 2-9 se ilustra la estructura t´ıpica de un sistema de telegesti´on en alumbrado p´ ublico.

Figura 2-9.: Estructura de un sistema de telegesti´on en alumbrado p´ ublico [2]

2.3.

Calidad de Potencia

El t´ermino calidad de potencia, se refiere a qu´e tan cercanas son las se˜ nales de tensi´on y corriente respecto a la se˜ nal ideal para la operaci´on del sistema de potencia, es decir la se˜ nal sinosoidal. Las perturbaciones que afectan la calidad de potencia se pueden clasificar de acuerdo con varios criterios como: amplitud, ancho de banda, duraci´on, permanentes o aleatorias. Tomando como criterio permanencia o aleatoriedad de las perturbaciones, surges, sags, y swells que se ubican en la categor´ıa de aleatorios, mientras que los arm´onicos, inter-arm´onicos, flicker y fluctuaciones de voltaje, se consideran de naturaleza permanente, es decir ocurren en el estado estable del sistema[18]. Para analizar las perturbaciones de tipo permanente, se suele evaluar el comportamiento del sistema entre la frecuencia fundamental y el arm´onico 50, para el caso colombiano ser´ıa entre 60 Hz y 3 kHz[17]. De las perturbaciones de tipo permanente, s´olo los arm´onicos son analizados en esta tesis, de manera que el modelamiento del sistema y de las cargas estar´a en funci´on de realizar flujos de carga arm´onicos, y determinar el impacto de una sustituci´on masiva de las cargas no lineales en iluminaci´on en alumbrado p´ ublico sobre la calidad de potencia en la red. Para determinar qu´e tan perjudicial es el contenido arm´onico de una carga no lineal, existen

18

2 Generalidades

varios est´andares que delimitan los nivel m´aximos de emisi´on arm´onica en corriente para los usuarios acorde a su tama˜ no, de tal forma que la distorsi´on en tensi´on no supere los l´ımites establecidos. Los l´ımites de distorsi´on arm´onica en tensi´on son establecidos para que las componentes del sistema no tengan que trabajar fuera del r´egimen para el cu´al fueron dise˜ nados.

L´ımites de Distorsi´ on Arm´ onica Los l´ımites de distorsi´on arm´onica est´an definidos en dos est´andares internacionales: IEC 61000-3-2 con aplicaci´on en Europa, y el IEEE-519-1992 con aplicaci´on en Am´erica. Estos dos est´andares fijan los l´ımites de distorsi´on arm´onica en corriente y tensi´on para los usuarios finales y para las compa˜ n´ıas distribuidoras, sin embargo, sus contenidos difieren significativamente. A continuaci´on se se˜ nalan algunas de las principales diferencias entre los dos est´andares [12]. 1. El est´andar IEEE parte de la premisa de compartir la responsabilidad de emisi´on de arm´onicos entre el usuario final y la distribuidora. De manera que si el usuario final cumple con lo establecido en el est´andar, pero los l´ımites en el sistema est´an fuera, la soluci´on del problema debe ser por parte de la distribuidora. Mientras que la IEC fija los l´ımites de corriente espec´ıficos para las cargas con mayor emisi´on de arm´onicos, de tal manera que el cumplimiento de estos l´ımites no altera la distorsi´on arm´onica en tensi´on de todo el sistema. 2. Los l´ımites de distorsi´on arm´onica en tensi´on son constantes para el est´andar IEEE, mientras que para el de IEC disminuyen en cuanto aumenta el orden del arm´onico. 3. El est´andar IEEE fija l´ımites de distorsi´on arm´onica en corriente para diferentes niveles de tensi´on y sin distinci´on alguna entre las cargas, teniendo con esto una pobre correlaci´on entre la distorsi´on arm´onica en corriente y en tensi´on. Por otra parte, el est´andar IEC fija los l´ımites de distorsi´on arm´onica en corriente para diferentes tipos de carga, asegur´andose que el cumplimiento de estos, garantice la operaci´on del sistema dentro de los l´ımites de distorsi´on arm´onica en tensi´on. 4. Los arm´onicos de orden par se definen con mayor detalle en el est´andar IEC, fijando un valor para cada uno de los ordenes pares, mientras que el est´andar IEEE establece los l´ımites para estos como el 25 % del arm´onico impar inmediatamente anterior. 5. El est´andar IEEE establece que se pueden exceder los l´ımites hasta un 50 % para periodos cortos de tiempo. Entre tanto, la IEC utiliza los percentiles (95th y 99th ) para periodos de tiempo muy cortos (3 segundos) y cortos (10 segundos), respectivamente. En las tablas 2-1 y 2-2 se muestran los l´ımites en distorsi´on arm´onica en corriente establecidos por el est´andar IEC61000-3-2 para las cargas evaluadas en esta tesis, carga de

2.3 Calidad de Potencia

19

iluminaci´on y carga electr´onica con corriente inferiores a 16 A, respectivamente. En la tabla 2-3 se presentan los l´ımites establecidos por el est´andar IEEE-519-1992 para la emisi´on de corriente arm´onica de cargas que se conecten a un nivel de tensi´on menor o igual a 69000 V.

Orden

n 3 5 7 9 11 13 1000 500 < T < 1000

30 < V < 60 V < 30 Al paso

250 < T < 500 100 < T < 250 T < 100

M3 M4 M5

de V

Tabla 2-4.: Clasificaci´on de v´ıas Clase de iluminaci´on M3 M4 M5

Luminancia promedio (M´ınimo mantenido) seg´ un superficie de la v´ıa [lx] R1 R2 y R3 R4 12 17 15 8 12 10 6 9 8

Factor de uniformidad [ %] Emin /Eprom 34 25 18

Tabla 2-5.: Requisitos de iluminancia para los diferentes tipos de v´ıa

3. Modelos y pruebas El modelado de un sistema el´ectrico puede hacerse a diferentes niveles seg´ un la necesidad, a nivel micro basado en ecuaciones de diferencias finitas, a nivel de componentes (RLC), o a nivel macro basado en la descripci´on del sistema visto como una caja negra. Para el modelado del sistema el´ectrico orientado al an´alisis de arm´onicos se emplean las dos u ´ltimas aproximaciones, modelado a nivel de componentes RLC y a nivel macro. El modelado a nivel de componentes se suele emplear para hacer an´alisis en el dominio del tiempo, mientras que a nivel macro en el dominio de la frecuencia. Los modelos para los componentes que normalmente integran el sistema el´ectrico como transformadores, l´ıneas de transmisi´on, cargas lineales y condensadores se encuentran ya definidos en los diferentes programas de simulaci´on de sistemas de potencia, de manera que ser´a de inter´es s´olo el modelado de la carga no lineal correspondiente al alumbrado exterior, en este caso las luminarias de tipo LED. A lo largo de ´este cap´ıtulo se muestra la metodolog´ıa que se emple´o para modelar las luminarias LED en el dominio del tiempo, y la simulaci´on del modelo en su aplicaci´on sobre un circuito t´ıpico de alumbrado p´ ublico.

3.1.

Modelado de carga no lineal en el dominio del tiempo

A pesar de que en el mercado existe una alta diversidad de topolog´ıas empleadas en elementos como balastos y drivers, todos ellos suelen conservar la estructura descrita en el cap´ıtulo 2. Los drivers de LEDs se componen de las siguientes etapas: entrada, filtros EMI, rectificador, filtro, convertidor DC-DC, salidas y controlador. Para hacer el modelamiento se utilizar´a la metodolog´ıa propuesta en [23]. Esta metodolog´ıa determina el valor de los par´ametros R, L y C de la topolog´ıa equivalente a partir de los datos registrados para la tensi´on y la corriente de entrada del driver. La topolog´ıa equivalente est´a compuesta por una inductancia L, que representa la inductancia par´asita del circuito o una entrada al filtro EMI, C es la capacitancia utilizada para el filtrado del rectificador, y R es el equivalente resistivo del convertidor DC-DC y el resto de etapas conectadas al rectificador. En el driver existe un intervalo de tiempo durante el cual existir´a un comportamiento de tipo lineal entre la tensi´on y la corriente de entrada, este intervalo equivale al tiempo de duraci´on de carga del condensador, el cual est´a comprendido entre, el momento en que la tensi´on del condensador es menor que la tensi´on del diodo (Ton), y el instante en que la corriente en el condensador es cero (Toff). Para el intervalo de tiempo en que la relaci´on entre la tensi´on

3.2 Modelado de carga no lineal en el dominio de la frecuencia

23

y la corriente es de tipo lineal (Ton ≤ t ≤ Tof f ), el circuito equivalente est´a compuesto por elementos pasivos, tal como se presenta en la figura 3-1. El comportamiento din´amico de ´este circuito se describe a partir de la ecuaci´on diferencial en el dominio del tiempo (3-1) , la cual a su vez tiene una representaci´on en el dominio de la frecuencia tras aplicar la transformada de Laplace (3-2).

Figura 3-1.: Topolog´ıa equivalente para carga no lineal en el intervalo de tiempo Ton-Toff.

1 d2 L d 1 d v(t) + v(t) = L 2 i(t) + i(t) + i(t) dt RC dt RC dt C

G(s) =

1 (s + 1 ) I(s) = 2L s RC 1 V (s) s + RC + LC

(3-1)

(3-2)

A partir de la medici´on se obtienen muestras de tipo discreto, de tal forma que una vez se tienen las ecuaciones que modelan el comportamiento din´amico del driver en el dominio de la frecuencia, se procede a extraer el modelo discreto para aplicar de manera apropiada los datos de las mediciones. Para determinar los par´ametros del modelo en el dominio del tiempo se elabor´o un algoritmo en matlab con base en el desarrollo matem´atico mostrado en el Ap´endice A. Los resultados se presentan en la secci´on 3.3.

3.2.

Modelado de carga no lineal en el dominio de la frecuencia

La desventaja que tiene el modelado en el dominio del tiempo, frente al desarrollado en el dominio de la frecuencia, es la complejidad e ineficiencia computacional, pues se debe

24

3 Modelos y pruebas

expresar cada uno de los componentes del sistema en t´erminos de ecuaciones diferenciales y darles soluci´on. Por tal raz´on, la mayor cantidad de metodolog´ıas utilizadas actualmente para modelar cargas con contenido arm´onico, son en el dominio de la frecuencia, a´ un cuando no consideren todas las variables de la relaci´on entre el sistema y la carga. Para el modelado de cargas no lineales en el dominio de la frecuencia se dispone de cuatro posibilidades: fuentes constantes de corriente arm´onica, modelado probabil´ıstico, an´alisis arm´onico iterativo y equivalente Norton arm´onico. A continuaci´on se describen las caracter´ısticas m´as importantes de cada una de ellas, justificando los pros y contras de su utilizaci´on. 1. Fuentes de corriente arm´onica fijas La simulaci´on de las cargas con contenido arm´onico, a trav´es de fuentes de corriente arm´onica, toma como supuesto el hecho que la se˜ nal de tensi´on no presenta distorsiones, de manera que ser´a el caso m´as conservador dado que los fasores arm´onicos pueden tener diferencias significativas en el ´angulo de fase para los arm´onicos de orden 11 y superiores. Este modelamiento no representa ninguna interacci´on entre la carga y las variaciones del sistema de distribuci´on. 2. Modelado probabil´ıstico Las componentes arm´onicas de orden menor a 11, presentan caracter´ısticas similares en magnitud y fase entre cargas de diferente tipo (cargas de iluminaci´on, variadores de velocidad, equipos de soldadura, cargadores de bater´ıas, etc), mientra que las componentes de orden superior, presentan diferencias en el ´angulo de fase, originando que la suma vectorial de las componentes sea diferente a su suma aritm´etica. El modelado probabil´ıstico eval´ ua las magnitudes y ´angulos de fase para las componentes arm´onicas bajo diferentes distribuciones de probabilidad, a trav´es de simulaciones de Montecarlo. Las diferencias en el ´angulo de fase para las componentes de orden superior suelen darse s´olo en aquellas cargas cuyo comportamiento es variable a lo largo del tiempo, como es el caso de los cargadores de bater´ıas y variadores de velocidad. Para poder desarrollar una generalizaci´on del modelo es necesario que exista una muestra representativa de elementos (n ≥ 30), raz´on por la cual no se implement´o en este trabajo, puesto que no se dispon´ıa de la cantidad de luminarias m´ınima para cada tecnolog´ıa. 3. Equivalente Norton arm´onico Esta alternativa de modelamiento propone representar la carga a trav´es de un circuito equivalente Norton. La representaci´on de las cargas no lineales a trav´es de las fuentes de corriente para los diferentes arm´onicos, no considera el efecto de la distorsi´on en la se˜ nal de tensi´on, de manera que es una opci´on es involucrar una admitancia que

3.3 Simulaciones

25

sea capaz de reflejar el comportamiento de la carga frente a distorsiones en la se˜ nal de tensi´on[17]. A lo largo de esta tesis se determin´o el equivalente Norton arm´onico para las luminarias LED, sin embargo, se encontr´o que no existe un equivalente que represente la respuesta de la carga frente a todas las variaciones de la se˜ nal, puesto que para dos cambios en la se˜ nal de tensi´on, ∆V1 y ∆V2 , existe una variaci´on considerable entre la impedancia para cualquier orden de arm´onico, hecho que adem´as coincide con los resultados presentados en [21]. Los resultados obtenidos al emplear este modelo se presentan en el ap´endice B.

3.3.

Simulaciones

3.3.1.

Modelo de luminarias

Se determin´o el modelo RLC para el an´alisis en el dominio del tiempo para dos luminarias de tecnolog´ıa LED; la primera de ellas (LED1), instalada en el proyecto piloto de telegesti´on en el campus universitario; y la segunda (LED2), instalada en el proyecto piloto de Mas de Roda (Ver detalles de los proyectos en el cap´ıtulo 4). El modelo se extrajo a partir de las mediciones de tensi´on y corriente en la terminal de entrada; para LED1 estas mediciones se hicieron a condiciones de laboratorio, y para LED2 en las condiciones de instalaci´on del proyecto. El valor de los par´ametros RLC calculados a partir del modelo din´amico de la secci´on 3.1, no representaban el comportamiento real de la carga, por lo cual se revis´o la topolog´ıa t´ıpica de los drivers y se encontr´o que, el filtro EMI a la entrada no es conformado s´olo por una inductancia L, es necesario adicionar un condensador en paralelo, de manera que el circuito en la zona lineal estar´a representado por un condensador Ci en paralelo con Cf, raz´on por la que los valores fueron ajustados de tal forma que, la suma de Ci y Cf fuera igual al valor encontrado para C en la determinaci´on de par´ametros del modelo. Adem´as, en el proceso de ajuste, el par´ametro que m´as tuvo cambios con relaci´on a los resultados matem´aticos, fue el valor de la impedancia que representaba al convertidor y los LEDs, dado que esta etapa tiene grandes diferencias entre luminarias. El modelo se implement´o en el programa ATP Alternative Transient Program, corriendo simulaciones en el dominio del tiempo, y prestando especial atenci´on al comportamiento del sistema en el estado estable. En la Tabla 3-1 se resumen los resultados que se obtuvieron a partir del modelo din´amico, y tras el ajuste (Ver figuras 3.2(a) y 3.2(b)). En las Figuras 3-3 y 3-4, se presentan las formas de onda obtenidas a partir de las mediciones y de la simulaci´on del modelo para cada una de las luminarias. Para validar los resultados de la simulaci´on del modelo, se evaluaron los siguientes indicadores sobre los datos de la forma de onda medida y la simulada por el modelo: tensi´on rms, corriente rms, potencia activa, potencia aparente y factor de potencia. Posteriormente, se determin´o el

26

3 Modelos y pruebas

error de cada indicador para la se˜ nal simulada por el modelo, con relaci´on a la se˜ nal medida. En la tabla 3-2 se presentan los resultados para las dos luminarias, donde se puede apreciar que el error para el modelo de LED1 es mayor que el obtenido para LED2. Esta diferencia en el error para las dos luminarias, es justificable en la medida que, a pesar que en el proceso de muestreo de la se˜ nal se cumpl´ıa con el teorema de Nyquist1 , la frecuencia de muestreo en la adquisici´on se˜ nales para LED1 es menor que para LED2, influyendo significativamente en los resultados de modelamiento acorde con [23]. No obstante, los errores entre los valores medidos y los resultados del modelo, la aproximaci´on hecha por el modelo se considera bastante cercana a la realidad, pues en promedio los errores no superan el 4 %, y el error m´aximo se tiene en la tensi´on rms del modelo hecho para LED1. Luminaria LED1 LED2

Z [Ω] Mat. Ajuste 710 313 553 410 + j94, 2

L [mH] Mat. Ajuste 13,6 13 4.8 4.8

C [µF] Mat. Ajuste 4,77 3,5 4,08 4,1

Tabla 3-1.: Par´ametros del modelo matem´atico

(a) LED1

(b) LED2

Figura 3-2.: Modelo RLC 1

El teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, demuestra que la reconstrucci´on exacta de una se˜ nal peri´ odica continua en banda base a partir de sus muestras, es matem´aticamente posible si la se˜ nal est´ a limitada en banda y la tasa de muestreo es superior al doble de su ancho de banda.

3.3 Simulaciones

27

Figura 3-3.: Se˜ nal medida y simulada por el modelo para la luminaria LED1. Tensi´on y corriente

Figura 3-4.: Se˜ nal medida y simulada por el modelo para la luminaria LED2. Tensi´on y corriente

28

3 Modelos y pruebas

Magnitud Medida Tensi´on RMS [V] Corriente RMS [A] Potencia aparente [VA] Potencia activa [W] Factor de potencia total (adelanto) THDi [ %]

LED1 Modelo Error [ %]

Medida

LED2 Modelo Error [ %]

197.73 0.66 131.99

212.1 0.6 137.0

7.27 3.22 3.81

224.89 0.53 119.54

224.2 0.5 115.2

0.28 3.35 3.62

128.07 0.97

129.8 0.9

1.35 2.36

113.54 0.94

109.7 0.9

3.37 0.25

10.89

10.6

2.66

11.15

11.0

1.17

Tabla 3-2.: Comparaci´on entre la se˜ nal medida y la simulada por el modelo a trav´es de indicadores

3.3.2.

Modelo de luminarias + circuito de AP

Usando los modelos definidos previamente para la tecnolog´ıa LED, y uno definido para las bombillas de HID seg´ un la misma metodolog´ıa, se simul´o el circuito de alumbrado p´ ublico conformado por 64 luminarias, variando la composici´on de tecnolog´ıas E1: 100 % Sodio, E2: 50 % Sodio y 50 % LED, y E3: 100 % LED (Ver figuras 3.3.2). El n´ umero de luminarias a simular en el circuito se eligi´o considerando c´omo est´a distribuida la carga de alumbrado p´ ublico en la Universidad, 400 luminarias en 7 transformadores, lo que da un n´ umero aproximadamente de 60 luminarias por cada transformador. Cabe mencionar, que la potencia de todas las luminarias simuladas fue de 150 W, y son normalmente utilizadas en v´ıas de bajo tr´afico M3 y M4, dado que fue la potencia de las luminarias disponibles como muestra. No obstante, se espera que el comportamiento sea escalable a circuitos con luminarias de mayor potencia, siempre y cuando, las luminarias est´en dentro de su rango nominal de operaci´on. El circuito simulado, adem´as de las 64 luminarias, estaba compuesto por una fuente ideal de tensi´on en serie con la impedancia de corto circuito. La impedancia de corto circuito fue calculada a partir de la capacidad de corto circuito establecida por el fabricante del transformador, para la potencia nominal establecida en la placa. Se simul´o un transformador de 150 KVA, que seg´ un el fabricante, tiene una capacidad de corto circuito del 5 %, y conociendo la tensi´on nominal de operaci´on, se tiene que la impedancia de corto circuito ser´a:

3.3 Simulaciones

29

Snom = 150KV A

(3-3)

150 ∗ 100 = 2912KV A 5,15 Ssc 2912 √ = √ = 8084A Isc = VLL ∗ 3 208 ∗ 3 VLL = 25mΩ = 2,5 + j25mΩ Zsc = Isc

(3-4)

Ssc = 5,15 % =

(3-5) (3-6)

Para cada uno de los casos se evaluaron, la distorsi´on arm´onica en corriente y en tensi´on, el factor de potencia, la potencia activa y aparente, y las p´erdidas. Ya que las mediciones hechas en el proyecto piloto UN y en Mas de Roda mostraron balance entre las fases, para la simulaci´on se asumi´o un circuito balanceado. Las caracter´ısticas de operaci´on del circuito se muestran en la tabla 3-3 y los resultados para cada uno de los escenarios en la tabla 3-4.

Tensi´on de operaci´on (VLL ) [V] Capacidad de corto circuito (ISC ) [A] Impedancia de corto circuito (R + jX) [Ω] Tipo de red Conductor Distancia promedio entre postes [m]

208 8084 0,0025 + j0,025 Subterr´anea XLPE 1/0 mH/km) 17

(R=0,369

Ω/km,

Tabla 3-3.: Caracter´ısticas del circuito de alumbrado

L=0,978

30

3 Modelos y pruebas

Figura 3-5.: Escenarios de simulaci´on

THDi [ %] THDv [ %] FP P´ erdidas en el conductor [W] P [W] S [VA] K Isc I1

E1 - 100 % HPS

E2 - 50 % HPS 50 % LED

E3 - 100 % LED

10.38 0.11 0.98 289.2

7.84 0.10 0.99 244.0

3.76 0.02 0.99 228.1

3.12 % 9257.5 9385.1 1.12 89

2.76 % 8839.3 8879.9 1.11 94

2.72 % 8379.1 8396.2 1.02 100

Tabla 3-4.: Comparaci´on entre escenarios de carga lum´ınica en un circuito t´ıpico de AP Donde:

3.4 Conclusiones THDi: THDv: P: S: K: Isc : I1 :

31

Distorsi´on arm´onica total en corriente como porcentaje de la fundamental Distorsi´on arm´onica total en tensi´on como porcentaje de la fundamental Potencia activa Potencia aparente Factor de derrateo - Calculado seg´ un la norma IEEE C57.110 Corriente de corto circuito Corriente a la frecuencia fundamental

A partir de los resultados en la Tabla 3-4 cabe resaltar las siguientes observaciones: La distorsi´on arm´onica total en corriente para los tres escenarios se encuentra dentro del l´ımite establecido por el est´andar IEEE-519-1992, que para la relaci´on de IIsc1 es de 12 %. Sin embargo, se observa que en cuanto aumenta la participaci´on de la iluminaci´on con LED, la distorsi´on arm´onica total en corriente es menor. El factor de potencia para los tres escenarios analizados se encuentra dentro de las exigencias m´ınimas de eficiencia en el uso de la red establecidas por los entes reguladores (F P > 0,9), es decir, m´as del 90 % de la potencia transmitida est´a haciendo un trabajo. Los escenarios E1 y E2 implican el derrateo del transformador, es decir, que no puede operar al m´aximo de su potencia nominal, sino al 90 %, para as´ı evitar sobrecalentamientos debido a las corrientes arm´onicas. Seg´ un las mediciones realizadas en condiciones de laboratorio, la eficiencia lum´ınica (flujo luminoso por potencia el´ectrica demandada - lm/W) entre las luminarias de sodio y LEDs difieren en un 20 %, siendo la eficiencia de la luminaria LED menor a la de la luminaria de sodio. Lo anterior implica que para obtener el mismo flujo luminoso de una luminaria de sodio de 150 W, es necesario instalar una luminaria de LED de 180 W; sin embargo, este no es un valor de potencia comercial, por lo cual se tom´o como sustituta la luminaria de LED a 150 W. Con el reemplazo del 100 % de las luminarias de sodio por LED, se lograr´ıa una reducci´on del 13 % en las p´erdidas en el conductor, las cuales pasar´ıan del 3.1 % al 2.7 %, para E1 y E3, respectivamente.

3.4.

Conclusiones

El modelado en el dominio de la frecuencia realizado a trav´es del equivalente Norton arm´onico no logr´o representar el comportamiento din´amico entre el sistema y la carga, por lo cual los resultados obtenidos a partir ´este modelo carecen de validez, al momento de evaluar el efecto de la iluminaci´on exterior con LED sobre la red de distribuci´on. En el proceso de modelado a partir de medici´on, la exactitud del modelo est´a ´ıntimamente relacionada con la frecuencia de muestreo en la adquisici´on de las se˜ nales, a mayor frecuencia

32

3 Modelos y pruebas

mayor exactitud. El modelo desarrollado para las luminarias LED demuestra ser una buena aproximaci´on, en la medida en que el error para cada uno de los indicadores evaluados, no supera el 4 %, con excepci´on del valor de tensi´on rms para el caso de LED1. El error del 7.27 % para la tensi´on rms de LED1 puede ser debido a que, la se˜ nal reproducida en simulaci´on no contempl´o la distorsi´on arm´onica de la se˜ nal aplicada en el proceso de medici´on. La instalaci´on de la tecnolog´ıa LED en el alumbrado p´ ublico, disminuye la distorsi´on arm´onica en corriente en un 64 % con relaci´on al escenario actual, de iluminaci´on con tecnolog´ıa de HPS. Este efecto se ve reflejado en las p´erdidas, que tienen una disminuci´on del 13 %. No obstante, para los tres escenarios tecnol´ogicos en el circuito de alumbrado p´ ublico, la emisi´on de arm´onicos en corriente no sobrepasa los l´ımites establecidos por las normas internacionales. Una de las etapas de los drivers de LEDs es el convertidor, que conmuta a frecuencias entre los 10 y los 100 kHz. Por limitaciones en la frecuencia de muestreo, no fue posible modelar la emisi´on de arm´onicos a ese rango de frecuencias. Ser´ıa de inter´es para trabajos futuros lograr reproducir un modelo que represente los drivers de LEDs en un rango m´as amplio de frecuencias, de tal modo que sea posible determinar la emisi´on de arm´onicos de orden superior, sobre el sistema de distribuci´on.

4. Mediciones Este cap´ıtulo muestra y analiza los resultados obtenidos en tres condiciones diferentes, en condiciones de laboratorio, en un proyecto piloto de telegesti´on instalado en el campus universitario, y en un proyecto piloto de telegesti´on y tecnolog´ıa LED instalado en la calle Mas de Roda de la ciudad de Barcelona (Espa˜ na). En condiciones de laboratorio, se evaluaron: 2 muestras de tecnolog´ıa LED, 1 de alta intensidad de descarga en sodio de alta presi´on (HPS), y 1 de inducci´on. La evaluaci´on se realiz´o desde el punto de vista el´ectrico y lum´ınico, a condiciones referenciadas por los est´andares de prueba. Por otra parte, los proyectos de telegesti´on, cada uno con las particularidades que ser´an descritas m´as adelante, se evaluaron desde el punto de vista el´ectrico y lum´ınico a las condiciones propias de aplicaci´on. Para cada una de las condiciones se describe la metodolog´ıa seguida en la medici´on y an´alisis, los resultados y el an´alisis.

4.1.

Mediciones de Laboratorio

4.1.1.

Metodolog´ıa

Para cada una de las muestras, se midieron par´ametros el´ectricos (tensi´on, corriente, potencia, factor de potencia, THDi, THDv) y lum´ınicos (flujo luminoso, temperatura de color -CCT, distribuci´on de intensidad). Para la medici´on de par´ametros el´ectricos se utiliz´o un analizador de potencia marca Yokogawa WT1600, en la configuraci´on de medida presentada en la figura 4-1; y un scopemeter marca Fluke 123 con una pinza amperim´etrica Fluke i5s, para la captura de las formas de onda. Para la medici´on del flujo luminoso se emple´o una esfera integradora marca LMT1000 con un di´ametro de 2 m, para la medici´on del CCT se emple´o un espectr´ometro USB2000+, y para la determinaci´on de la distribuci´on de intensidades luminosas se emple´o un goniofot´ometro LMT GO-DS 2000. Los equipos utilizados para la medici´on de par´ametros el´ectricos cuentan con trazabilidad al Laboratorio de Metrolog´ıa del Laboratorio de Ensayos El´ectricos Industriales - LABE, y los empleados para la medici´on de par´ametros ´opticos cuentan con trazabilidad al NIST de Estados Unidos y al PTB de Alemania. A continuaci´on se describen los detalles de las pruebas realizadas a cada tecnolog´ıa.

34

4 Mediciones

Figura 4-1.: Circuito de medida 1. Bombilla de alta intensidad de descarga La l´ampara de alta intensidad de descarga fue sometida a un tiempo de quemado de 100 horas previo a la realizaci´on de las pruebas, atendiendo al procedimiento de prueba se˜ nalado en la norma NTC2243, que es la norma colombiana equivalente a la IEC60662-High-pressure sodium vapour lamps - Performance specifications. Para el quemado, la bombilla se aliment´o a la tensi´on nominal de operaci´on y a temperatura ambiente. Posteriormente, la bombilla se ubic´o en la esfera integradora y se aliment´o a la tensi´on nominal de operaci´on por un periodo de 1 hora para permitir la estabilizaci´on t´ermica del sistema. Luego, se realizaron mediciones de tensi´on, corriente, potencia, factor de potencia, THDi y THDv con el analizador de potencia WT1600, se capturaron las formas de onda de tensi´on y corriente con el scopemeter Fluke 123, y se hizo la lectura del flujo luminoso con el fot´ometro conectado en el puerto de detecci´on de la esfera integradora LMT1000. Finalmente, la bombilla se ubic´o en el goniofot´ometro para la extracci´on de su curva caracter´ıstica de distribuci´on de intensidades luminosas, para lo cual la bombilla fue alimentada a su tensi´on nominal, 230 V. 2. Bombilla de Inducci´on Al igual que en el caso de la l´ampara de alta intensidad de descarga; la bombilla de inducci´on, se someti´o a un periodo de quemado de 100 horas, asumiendo que su comportamiento es similar a las bombillas de alta intensidad de descarga, pues para esta tecnolog´ıa no fue posible localizar un est´andar internacional que brindara el procedimiento de prueba. Dado el tama˜ no de esta bombilla, la caracterizaci´on no se realiz´o en la esfera integradora, sino en el goniofot´ometro. Se someti´o a un tiempo de estabilizaci´on t´ermica de 1 hora, a la tensi´on nominal de operaci´on y a temperatura ambiente (20 o C). Se tomaron mediciones de tensi´on, corriente, potencia, factor de potencia, THDi y THDv con el analizador de potencia WT1600, se capturaron las formas de onda de tensi´on y corriente con el scopemeter Fluke 123, y se hizo la fotometr´ıa

4.1 Mediciones de Laboratorio

35

en el goniofot´ometro LMT GO-DS 2000, a partir de la cual se determin´o la curva de distribuci´on de intensidades y el flujo luminoso. 3. Luminaria de LEDs En condiciones de laboratorio, se caracterizaron dos muestras de luminarias LED para alumbrado exterior, S1-LED y S2-LED. La caracterizaci´on el´ectrica y ´optica se realiz´o acorde con el est´andar LM-79-IESNA LM-79 Approved Method for Electrical and Photometric Measurement of SSL Products del IESNA. Para esta luminaria no se establece un periodo de quemado, de manera que s´olo fue sometida a un periodo de estabilizaci´on t´ermica de dos horas, acorde con los tiempos que establece el est´andar para luminarias de este tama˜ no. Se tomaron mediciones de tensi´on, corriente, potencia, factor de potencia, THDi y THDv con el analizador de potencia WT1600; se capturaron las formas de onda de tensi´on y corriente con el scopemeter Fluke 123; se hizo la fotometr´ıa en el goniofot´ometro LMT GO-DS 2000; y se midi´o la CCT con el espectr´ometro Ocean Optics USB2000+. Para S1-LED la caracterizaci´on se hizo a una tensi´on dentro del rango nominal de operaci´on; para S2-LED la caracterizaci´on se realiz´o a diferentes tensiones entre 100 V y 220 V, para observar cu´al era la variaci´on de los par´ametros el´ectricos y ´opticos dentro del rango de tensi´on de operaci´on establecido por el fabricante (100 V-220 V).

4.1.2.

Resultados - Par´ ametros el´ ectricos

Las se˜ nales de tensi´on y corriente para cada una de las muestras evaluadas se presentan en las figuras 4.2(a) a 4.2(c). Sobre las se˜ nales de tensi´on y corriente medidas para cada tecnolog´ıa, se aplic´o la transformada r´apida de Fourier para determinar el contenido arm´onico. Dado que la frecuencia de muestreo del scopemeter fue de 3,5 kHz, cumpliendo el teorema de Nyquist, s´olo se tendr´an en consideraci´on los arm´onicos del 1 al 25, que equivalen a un rango de frecuencias entre 60 Hz y 1500 Hz. El contenido arm´onico en corriente para cada una de las tecnolog´ıas se muestra en la Figura 4-3, en donde se evidencia que los arm´onicos con mayor magnitud son los impares, como era de esperar ya que es una se˜ nal par.

36

4 Mediciones

2.0

200

2.0

150

1.5

400

Corriente Tension

Corriente

300

Tension 100

1.0

200

0.5

50

0.5

100

0.0

0

0.0

0

A

-0.5

-50

-0.5

-100

-1.0

-100

-1.0

-200

-1.5

-150

-1.5

-300

-200

-2.0

-2.0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16

-400 1

2

3

4

5

tiempo (ms)

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16

tiempo (ms)

(a) Bombilla de inducci´on

(b) Bombilla de HID Sodio

2.0

400

Corriente (A) 1.5

Tension (V)

1.0

200

0.5

100

0.0 0

V

A

300

-0.5 -100 -1.0 -200 -1.5 -300 -2.0 2

4

6

8

10

12

14

16

tiempo (ms)

(c) Luminaria S1-LED

Figura 4-2.: Se˜ nales de tensi´on y corriente

Los par´ametros el´ectricos y el flujo luminoso, se presentan en la tabla 4-1.

V

1.0

V

A

1.5

4.1 Mediciones de Laboratorio

37

100 95

HDi Induccion

HDi (% de la fundamental)

HDi LED HDi HPS

20

15

10

5

0

3

6

9

12

15

18

21

24

n

Figura 4-3.: Distorsi´on arm´onica en corriente para las luminarias de inducci´on, LED y HPS

Vi n [V] Ii n [A] Pin [W] P F [—-] T HDvin [ %] T HDiin [ %] Flujo luminoso [lm] Eficacia lum´ınica [lm/W]

Sodio

Inducci´on

S1-LED

208.17 0.7370 146.82 0.9567 ad 1.50 29.40 11640 79.72

111.3 1.1240 123.65 0.9985 atr 1.52 4.03 5330 43.17

208.75 0.7048 146.69 0.9829 ad 1.68 10.83 8906 62.55

Tabla 4-1.: Medici´on de par´ametros el´ectricos y flujo luminoso a tensi´on nominal de operaci´on para las tecnolog´ıas sodio, inducci´on y LED

Para la muestra S2-LED se hicieron variaciones de tensi´on y se monitore´o el comportamiento de los otros par´ametros el´ectricos, en las figuras 4.4(a) y 4.4(b) se presentan los resultados.

4 Mediciones

1.00

Factor de potencia

0.99

0.98

0.97

0.96

100

120

140

160

180

200

220

14

2.0

Distorsion en tension 12

1.8 10

1.6

8

6 1.4

4

1.2 2

100

Tension [V]

Distorsion en corriente

120

140

160

180

200

Distorsion en tension (% de la fundamental)

Distorsion en corriente (% de la fundamental)

38

220

Tension (V)

(a) Factor de potencia vs Tensi´ on - Luminaria de (b) Distorsi´ on arm´ onica en tensi´ on y corriente vs LEDs Tensi´ on - Luminaria de LEDs

Figura 4-4.:

4.1.3.

Resultados - Par´ ametros ´ opticos

Las figuras 4-5 son la representaci´on polar de la distribuci´on de luz para las tecnolog´ıas evaluadas. La curva roja, representa la distribuci´on en el plano horizontal de la luminaria; y la curva azul, el plano vertical de la luz proyectada por la luminaria. La l´ınea que divide el plano polar representa el horizonte, y cada l´ınea radial representa 10◦ .

4.1 Mediciones de Laboratorio

39

(a) Bombilla de HID Sodio

(b) Bombilla de inducci´on

(c) Luminaria S1-LED

(d) Luminaria S2-LED

Figura 4-5.: Fotometr´ıa para cada una de las tecnolog´ıas evaluadas

Al comparar las curvas 4.5(c) y 4.5(d), es preciso mencionar que la luminaria S2LED tiene una mejor distribuci´on de luz en el espacio, pues su radiaci´on no se concentra en un peque˜ no rango del plano vertical, como s´ı lo hace la luminaria S1LED. Adem´as, las intensidades para S1LED son mayores que para S2LED, lo cual generar´a deslumbramiento al concentrar bastante potencia en un peque˜ no cono de radiaci´on. De la figura 4.5(b), cabe resaltar que la fotometr´ıa pertenece s´olamente a la bombilla, raz´on por la cual se tiene radiaci´on hacia arriba del horizonte en el plano vertical, y en el plano horizontal rad´ıa la m´axima potencia en todas las direcciones. Por su parte, la luminaria de sodio tiene un buen patr´on de radiaci´on, en la medida en que tiene una potencia considerable en los ´angulos de inter´es para alumbrado exterior, 60◦ en el plano vertical y 75 ◦ en el plano horizontal. Para S2LED, se observ´o el comportamiento del ´ındice de reproducci´on de color y la tempe-

40

4 Mediciones

ratura de color bajo diferentes tensiones (Ver figura 4-6), a partir de lo cual puede concluirse que el ´ındice de reproducci´on de color y la temperatura de color no son afectados por las variaciones de tensi´on, dentro del rango de tensiones establecido por el fabricante del driver.

98

Temperatura de color - CCT Indice de reproduccion de color

96 94

3785

92 90

3784

88 86

3783

84 82

3782

Indice de reproduccion de color [%]

Temperatura de color - CCT [K]

3786

80 100

120

140

160

180

200

220

Tension [V]

Figura 4-6.: Temperatura de color e ´ındice de reproducci´on de color frente a variaciones de la tensi´on en la tecnolog´ıa LED- S2-LED

4.2.

Mediciones en el proyecto de telegesti´ on UN

4.2.1.

Metodolog´ıa

Las mediciones se hicieron sobre una secci´on del proyecto de telegesti´on UN, que se encuentra conectada a la subestaci´on Observatorio. El circuito analizado tiene un total de 35 luminarias, conectadas a trav´es de dos ramales (Ramal 1: postes rojos, Ramal 2: postes verdes. Ver figura 4-8), distribuidas as´ı: 2 LED de 150 W, 8 HPS con balasto electr´onico fijo a 150 W, 5 HPS con balasto electr´onico dimerizable, 5 HPS con balasto electromagn´etico 150 W, 10 Halogenuros met´alicos (MH) 140 W, y 5 MH 90 W. El proceso de dimerizaci´on s´olo se realiza sobre las luminarias de MH y HPS con balasto electr´onico dimerizable, quienes tienen montadas terminales remotas que a trav´es de una conexi´on inal´ambrica, reciben la se˜ nal proveniente del centro de control. Durante el periodo de registro (Ver figura 4-9), se evidenciaron 3 ciclos durante el periodo de encendido del proyecto: 18:00-20:00 100 % Potencia, 20:00-22:00 50 % Potencia, 22:00 - 6:00 10 % Potencia.

4.2 Mediciones en el proyecto de telegesti´on UN

41

Los par´ametros el´ectricos observados en este proyecto fueron: tensi´on rms, corriente rms, factor de potencia, y distorsi´on arm´onica en tensi´on y corriente. El tiempo de observaci´on de los par´ametros el´ectricos fue de 21 horas con mediciones cada 30 minutos, y se realiz´o con el analizador de redes Fluke 435, que al momento de hacer la medici´on ten´ıa trazabilidad al patr´on del laboratorio de ensayos el´ectricos industriales y se encontraba dentro de los l´ımites de operaci´on especificados por el fabricante. La medici´on de los par´ametros el´ectricos se realiz´o en el punto de acople com´ un del circuito dedicado de alumbrado p´ ublico. En este punto se conectan 35 luminarias a un transformador de distribuci´on trif´asico de 150 KVA en conexi´on ∆ − ∆, cuya capacidad de corto circuito fue calculada igual que en el apartado 3.3.2. A partir de la relaci´on corriente de corto circuito y corriente demandada a la frecuencia fundamental, se adoptaron los l´ımites que fija el est´andar IEEE-519-1992 (Ver los resultados en la tabla 4-2). Por otra parte, la observaci´on de los par´ametros lum´ınicos se hizo acorde con la metodolog´ıa en [8]. Estos se midieron con el espectr´ometro marca Ocean Optics YAZ-ULM200, gracias a su portabilidad. El espectro se captur´o a trav´es de la medici´on de irradiancia absoluta, teniendo como referencia el archivo de la calibraci´on hecha por el NIST. La captura se hizo a nivel del suelo justo debajo de las luminarias se˜ naladas m´as adelante. Los datos se descargaron y analizaron a trav´es del software EspectraSuite, tambi´en de Ocean Optics. La evaluaci´on de la eficiencia energ´etica de este proyecto se hizo acorde con [15], en donde se realiza una clasificaci´on del desempe˜ no energ´etico de la instalaci´on, tomando como par´ametros la potencia instalada, el ´area y la iluminancia media del ´area evaluada. Seg´ un este decreto, la eficiencia se calcula as´ı:

ǫ=

A ∗ Em P

(4-1)

Donde A corresponde al ´area iluminada, Em la iluminancia media, y P la potencia instalada para iluminar el ´area A. Posteriormente, esta eficiencia (ǫ) se compara con una eficiencia de referencia (ǫr ) seg´ un la iluminancia promedio en la instalaci´on, lo cual da como resultado el ´ındice de consumo energ´etico - ICE, que puede ser ubicado en la tabla de clasificaci´on (Figura 4-7)as´ı:

ǫ ǫr 1 ICE = Iǫ Iǫ =

(4-2) (4-3)

42

4 Mediciones

Figura 4-7.: Bandas de eficiencia energ´etica seg´ un real decreto 1890 de 2008

Figura 4-8.: Plano del proyecto de telegesti´on UN - Subestaci´on observatorio

4.2 Mediciones en el proyecto de telegesti´on UN

4.2.2.

43

Resultados - Par´ ametros el´ ectricos

La Figura 4-9 ilustra la relaci´on entre corriente de carga y distorsi´on arm´onica en corriente, a mayor corriente, menor distorsi´on arm´onica en corriente. Este hecho es favorable, ya que al establecer la relaci´on entre capacidad de corto circuito y corriente de carga a la frecuencia fundamental, la relaci´on da bastante grande (Ver tabla 4-2); sin embargo, se ve que el l´ımite de distorsi´on arm´onica en corriente se supera para cuando la carga es inferior a 5 A, es decir, cuando no est´a conectado el alumbrado p´ ublico. La magnitud de cada uno de los arm´onicos en corriente y tensi´on para los escenarios de carga evidenciados en la figura 4-9, se presentan en las figuras 4-11 y 4-12, respectivamente. Adem´as, cabe destacar que el proceso de dimerizaci´on no afecta la emisi´on de arm´onicos; no bostante, s´ı afecta el factor de potencia por desplazamiento, como se observa en la figura 4-10.

Tipo de carga Carga electr´onica Carga lum´ınica - flujo 100 % Carga lum´ınica - flujo 50 %

I1 1.21 12.33 10.37

Isc I1

5749.8 567.5 675.1

T HDi 29.9 9.1 12.2

T HDi (IEEE519) 20 15 15

Tabla 4-2.: Comparaci´on de la distorsi´on arm´onica con el est´andar IEEE-519-1992

20 35

Corriente THDi

Corriente (A)

25

10 20

15 5

THDi (% de la fundamental)

30

15

10

5

0 5/13/2011 16:00

F

5/13/2011 22:00

S

5/14/2011 04:00

S

5/14/2011 10:00

S

tiempo

Figura 4-9.: Distorsi´on arm´onica en corriente y carga en el circuito telegesti´on

44

4 Mediciones

PF TPF 1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0 Carga electronica

Flujo pleno

Flujo reducido

Figura 4-10.: Factor de desplazamiento y factor de potencia en el circuito telegesti´on

HDi Carga electronica HDi Flujo pleno

20

HDi Flujo reducido

18 HDi (% de la fundamental)

16 14 12 10 8 6 4 2 0

5

10

15

20

25

n

Figura 4-11.: Distorsi´on arm´onica en corriente en el circuito telegesti´on

4.2 Mediciones en el proyecto de telegesti´on UN

45

3.5

HDv Carga electronica

HDv (% de la fundamental)

3.0

HDv Flujo pleno HDv Flujo reducido 2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0 3

6

9

12

15

18

21

24

n

Figura 4-12.: Distorsi´on arm´onica en tensi´on en el circuito telegesti´on

4.2.3.

Resultados - Par´ ametros ´ opticos

Los resultados de aplicar la metodolog´ıa descrita en [8] se resumen en la tabla 4-3. Al comparar estos con lo especificado por el RETILAP (Tabla 2-5), se tiene que la iluminancia promedio y la uniformidad cumple y supera los l´ımites, considerando que los tramos se ubican en una v´ıa tipo M4 y una superficie R3. Adem´as, se evalu´o la eficiencia energ´etica de la instalaci´on seg´ un la metodolog´ıa descrita anteriormente, y se encontr´o que para los tres tramos evaluados la instalaci´on tiene el menor ´ındice de consumo energ´etico (Ver tabla 4-4), es decir, se encuentra en la categor´ıa A.

Emax [lx] Emin [lx] Eprom [lx] Em [lx] Um [ %] Ug [ %]

Tramos 7-8 (MH90W) 28,81 3,86 15,52 14,19 27,21 13,40

3-2 (LED150W) 145,6 21,91 49,03 47,43 46,19 15,04

19-20 (HPS150W) 83,22 13,37 35,48 33,12 40,36 16,06

16-17 (HPS150W) 77,86 8,34 30,74 28,48 29,29 10,71

Tabla 4-3.: Iluminancia en proyecto de telegesti´on Adem´as de los indicadores evaluados anteriormente, el ´ındice de reproducci´on de color (CRI) y la temperatura de color (CCT), son otros indicadores u ´tiles para evaluar el comportamiento

46

4 Mediciones

Tramo 7-8 Tramo 3-2 Tramo 19-20

A [m2 ] m2 150 163.8 316.8

Em lx 14.19 47.43 33.12

P W 90 150 150

ǫ 2 lx m W 23.6 51.8 70.0

Ie ——– 1.3 1.6 2.2

ICE ———0.7 0.6 0.4

Banda de eficiencia ——A A A

Tabla 4-4.: Calculo de eficiencia energ´etica para Telegesti´on UN

de las fuentes de luz. Los resultados de los valores medidos para estos indicadores, se muestran en la tabla 4-5. Adem´as, se captur´o el espectro de radiaci´on electromagn´etica para cada uno de los puntos especificados en la tabla 4-5, en las figuras 4-14, se muestra el espectro para cada luminaria. Estos espectros, constituyen una de las razones que justifica la significativa diferencia entre el valor de la eficacia para las luminarias de LED y de Sodio. Adem´as de la amplitud de la se˜ nal, la potencia radiada para la luminaria de sodio se encuentra concentrada en las longitudes de onda entre 550 y 650 nm, que a su vez coincide con la m´axima sensibilidad del ojo humano en condiciones de alta luminancia (L ≥ 0,6cd/m2 ), por lo cual, el flujo luminoso1 ser´a mucho mayor que para las luminarias LED. No obstante, el ´ındice de reproducci´on de color para las luminarias LED es mejor, dado que la potencia radiada en la mayor´ıa del espectro visible (380 nm - 780 nm) tiene una magnitud considerable. Los bajos niveles de eficacia para la tecnolog´ıa LED se deben a que la radiaci´on de m´axima magnitud se ubica hacia las longitudes de onda bajas (azul), en donde la sensibilidad del ojo humano es baja. Sin embargo, uno de los paradigmas en materia de alumbrado p´ ublico, es la evaluaci´on de los sistemas de alumbrado p´ ublico con otra curva de sensibilidad, la curva mes´opica. Con la curva mes´opica, los bastones son los sensores en el ojo humano, que son los que realmente act´ uan a bajos niveles de luminancia (L < 0,6cd/m2 ). Esta curva tiene la mayor sensibilidad hacia el azul (Ver figura 4-13), de modo que la tecnolog´ıa LED evaluada con esta curva resultar´ıa con eficacias superiores a las alcanzadas por la tecnolog´ıa de HID en sodio de alta presi´on.

1

Es el flujo espectral radiado, multiplicado por la curva de sensibilidad del ojo humano, y sumado para todas las longitudes de onda en las que haya radiaci´ on[13].

4.2 Mediciones en el proyecto de telegesti´on UN

47

Figura 4-13.: Curvas de sensibilidad del ojo humano[10]

CRI Ra [ %] CCT [K]

Puntos de observaci´on 3 (LED-150 W) 7 (MH-90 W) 77,4 73,4 3791 2224

11 (MH-140 W) 67,5 2178

Tabla 4-5.: Temperatura de color e ´ındice de reproducci´on de color para tecnolog´ıas evaluadas

48

4 Mediciones

(a) Luminaria 16 - HPS 150 W balasto electromagn´etico

(b) Luminaria 7 - MH 90 W

(c) Luminaria 3 (S2-LED) - LED 150 W

(d) Luminaria 2 (S1-LED) - LED 150 W

(e) Luminaria 5 - MH 150 W

Figura 4-14.: Potencia radiada en el suelo justo debajo de las luminarias

4.3 Mediciones en Proyecto Piloto - Mas de Roda-Barcelona

4.3.

Mediciones en Proyecto Piloto - Mas de Roda-Barcelona

4.3.1.

Metodolog´ıa

49

El proyecto piloto Mas de Roda, estaba compuesto por un conjunto de 12 luminarias, sistemas de comunicaci´on, un display de cristal l´ıquido (LCD), una unidad de procesamiento (CPU), y sensores para monitorear la presencia humana y las condiciones ambientales. Cada luminaria ten´ıa una potencia nominal de 100 W y estaban conectadas a una red dedicada de 230 V y 50 Hz. Se encontr´o variedad entre los drivers utilizados por cada una de las luminarias. Las cargas que se conectan en el punto de acople com´ un son: alumbrado p´ ublico, recarga de veh´ıculos el´ectricos (fuera de operaci´on al momento de hacer mediciones), equipos de comunicaci´on, videosensores, y equipos de c´omputo. Toda la carga se conecta a un transformador trif´asico de 50 kVA, cuya capacidad de corto circuito es de 1443,3 A. Se observaron los 3 escenarios de carga que se presentan durante las 24 h. El primer escenario se defini´o por la carga conectada durante el d´ıa, es decir, cuando s´olo los elementos de control se conectan a la red. El segundo escenario se define por la carga conectada a la red en horas de la noche, donde las luminarias operan a m´aximo flujo luminoso y los elementos de control est´an en funcionamiento. El tercer escenario se define por la carga a partir de las 0 h en donde la se˜ nal de control se reduce al 60 % del flujo luminoso total. A lo largo de 12 h se registr´o el comportamiento de los tres escenarios a trav´es del equipo analizador de redes Dranetz PX5BMI. Las puntas de prueba y las pinzas de corriente fueron ubicadas en el punto de acople com´ un (PCC). Se realiz´o el registro de tensi´on, corriente, potencia, distorsi´on arm´onica en corriente y tensi´on, y factor de potencia, sobre cada una de las tres fases y el neutro. Para cada uno de los intervalos de tiempo se tomaron los valores promedio como los valores verdaderos. En adici´on a los escenarios observados, se realizaron mediciones sobre dos luminarias con diferente driver bajo las condiciones de operaci´on definidas para el segundo escenario de carga. Las magnitudes observadas para las luminarias fueron: tensi´on, corriente, potencia (activa, reactiva y aparente), distorsi´on arm´onica en corriente y tensi´on, y factor de potencia. La evaluaci´on de par´ametros ´opticos se realiz´o utilizando un medidor de color Gigahertz HCT-99 con el cual se realizaron mediciones de iluminancia. Para la medici´on se traz´o una grilla de 15 puntos a lo largo de calzada para dos tramos ubicados entre dos farolas (Tramo 1: Entre farolas 10 y 11; Tramo 2: Entre farolas 5 y 6). Sobre cada punto se midi´o la iluminancia y el CCT, y sobre los puntos 2 y 5 de cada tramo se realiz´o la medida del espectro de radiaci´on. La selecci´on del n´ umero de puntos se realiz´o tomando en consideraci´on el m´etodo simplificado de los nueve puntos y dando un poco de redundancia al m´etodo, adicionando 6 puntos sim´etricos con relaci´on a los puntos 7, 8 y 9, como se observa en la Figura 4-15.

50

4 Mediciones

Con los datos obtenidos se extrae el valor de los indicadores de calidad lum´ınica y eficiencia energ´etica para verificar que se encuentran en conformidad con la normatividad local.

Figura 4-15.: Ubicaci´on de los 15 puntos para la medici´on de la iluminancia

4.3.2.

Resultados - Par´ ametros el´ ectricos

Escenario 1 2 3

Carga Electr´onica Electr´onica + Lum´ınica 100 % Electr´onica + Lum´ınica 60 %

Potencia aparente [VA] 481,5 1551,8

Corriente de carga I1 [A] 0,63 2,32

Corriente de corto circuito [A] 2291,0 622,1

1450,9

2,12

680,8

Tabla 4-6.: Descripci´on de los escenarios de carga

4.3 Mediciones en Proyecto Piloto - Mas de Roda-Barcelona

51

400

4

Corriente 300

Tension

2

200

1

100

0

0

-1

-100

-2

-200

-3

-300

-400

-4 0

5

10

15

20

25

30

Tiempo (ms)

Figura 4-16.: Formas de onda para tensi´on y corriente - Escenario 1

120 110 Fase A

100

Fase B

% de la fundamental

90

Fase C

80 70 60 50 40 30 20 10 0

0 THD

3

6

9

12

15

18

21

24

orden del armonico (n)

Figura 4-17.: Distorsi´on arm´onica en corriente - Escenario 1

Tension (V)

Corriente (A)

3

52

4 Mediciones Fase

THDv

THDi

TPF

DPF

--A B C

% 1.24 1.32 1.35

% 97.9 103.9 113.0

---0.63 -0.47 -0.42

- - -— -0.87 -0.68 -0.64

Tabla 4-7.: Distorsi´on arm´onica y factor de potencia por fase. Escenario 1

Fase

CorrienteRM S

--A B C Neutro

A 0.873 0.818 0.527 1.038

Tabla 4-8.: Corriente por fase. Scenario 1

400 6

Corriente

300

Tension

4 200

100

0

0

-100

-2

-200 -4 -300 -6 -400 0

5

10

15

20

25

30

Tiempo (ms)

Figura 4-18.: Formas de onda para tensi´on y corriente - Escenario 2

Tension (V)

Corriente (A)

2

4.3 Mediciones en Proyecto Piloto - Mas de Roda-Barcelona Orden

A

B

C

--3 5 7

mA/W 3.6 2.9 2.6

mA/W 6.1 5.6 4.5

mA/W 6.0 5.4 4.7

53

Tabla 4-9.: Corriente arm´onica por vatio demandado. Escenario 1

40 35

Fase A Fase B

% de la fundamental

30

Fase C

25 20 15 10 5 0

0 THD

3

6

9

12

15

18

21

24

orden del armonico (n)

Figura 4-19.: Distorsi´on arm´onica en corriente - Escenario 2

Fase

THDv

THDi

TPF

DPF

--A B C

% 0.69 0.95 0.90

% 30.08 26.05 23.11

---0.91 -0.91 -0.92

- - -— -0.96 -0.94 -0.95

Tabla 4-10.: Distorsi´on arm´onica en corriente por fase y factor de potencia. Escenario 2

54

4 Mediciones Fase

CorrienteRM S

--A B C Neutro

A 2.140 2.264 2.120 1.183

Tabla 4-11.: Corriente por fase. Escenario 2

Orden --3 5 7 % de la

A

B

C

% % 27.57 27.33 18,0 18,5 10,0 10,0 fundamental

% 27.84 15,0 7.5

Tabla 4-12.: Corriente arm´onica por vatio demandado. Escenario 2

400

Corriente

6

300

Tension

200

100

2

0 0 -100 -2 -200 -4

-300

-400

-6 0

5

10

15

20

25

30

Tiempo (ms)

Figura 4-20.: Formas de onda para tensi´on y corriente - Escenario 3

Tension (V)

Corriente (A)

4

4.3 Mediciones en Proyecto Piloto - Mas de Roda-Barcelona

55

40 35

Fase A Fase B

% de la fundamental

30

Fase C

25 20 15 10 5 0

0

3

6

9

12

15

18

21

24

orden del armonico (n)

Figura 4-21.: Distorsi´on arm´onica en corriente - Escenario 3

Orden

C

--% 3 22.5 5 18.0 7 13.0 % de la fundamental Tabla 4-13.: Corriente arm´onica por vatio demandado. Escenario 3 Los l´ımites de distorsi´on arm´onica establecidos por el est´andar IEEE 519-1992 son iguales para todos los tipos de carga conectados al sistema cuya tensi´on de operaci´on no supere los 69000 V, mientras que de acuerdo con el est´andar IEC 61000-3-2, el escenario 1 se eval´ ua con los l´ımites para equipos clase D y los escenarios 2 y 3 con los l´ımites para equipos clase C. Para los equipos clase D, los l´ımites est´an en t´erminos del indicador de corriente arm´onica por unidad de potencia, tal como se ve en la Tabla 2-1. Realizando el c´alculo de este indicador a partir de los valores de distorsi´on arm´onica medidos (Ver Tabla 4-9), se puede establecer que las emisiones arm´onicas en corriente est´an fuera de los l´ımites establecidos. Por otra parte, al comparar con la norma IEEE 519-1992 considerando que la relaci´on entre la corriente de corto circuito y la corriente de carga est´a entre 100 y 1000, se tiene que las emisiones arm´onicas para el escenario 1 sobrepasan los l´ımites. Ver Figura 4-19 y Tabla 2-3.

56

4 Mediciones

Los l´ımites de emisi´on arm´onica para los equipos clase C se fijan como el m´aximo de corriente arm´onica para cada uno de los arm´onicos impares (Ver Tabla 2-2). Aunque la distorsi´on arm´onica para los escenarios 2 y 3 disminuye considerablemente con relaci´on al escenario 1, se evidencia que a´ un la corriente emitida en cada uno de los arm´onicos impares sobrepasa los l´ımites establecidos por la IEC 61000-3-2 (Ver Tabla 4-11 y Tabla 4-13). Para estos escenarios se tom´o la decisi´on de evaluarlos como clase C ya que la carga lum´ınica constituye el 83 % de toda la carga. De la misma forma, estos escenarios sobrepasan los l´ımites establecidos en el est´andar IEEE 519-1992.

4.3.3.

Resultados - Par´ ametros ´ opticos

Tramo 1 Tramo 2

A m2 48.36 61.72

Em lx 19.96 15.97

P W 101.5 101.5

ǫ 2 lx m W 9.5 9.7

Ie ——– 0.73 0.88

ICE ———1.36 1.13

Banda de eficiencia ——D C

Tabla 4-14.: Calculo de eficiencia energ´etica para Mas de Roda De acuerdo con el Real Decreto 1890 de 2008 [15], para una iluminancia media en servicio cercana a 20 lx en el tipo de v´ıa evaluada, que para este caso corresponde a una v´ıa ambiental, 2 la eficiencia requerida debe estar m´ınimo en 7,5lx m , lo cual se cumple de acuerdo a los W resultados de la tabla 4-14. De este c´alculo de eficiencia energ´etica cabe anotar que se ha despreciado el ´area por el cual transitan los peatones, lo cual har´ıa la eficiencia energ´etica de la instalaci´on fuera mayor. Ahora bien, si se compara este valor de eficiencia con el valor de referencia se obtiene el ´ındice de eficiencia energ´etica que permite saber qu´e tan eficiente es la instalaci´on. Y de la evaluaci´on realizada en el proyecto deja ver que se ubica entre las bandas C y D de eficiencia energ´etica.

Tramo 1 Tramo 2

Em lx 19.96 15.97

Medido Emin Um lx ———11.09 0.56 5.65 0.35

Requerido tr´afico normal Em Emin lx lx 7.5 1.5 7.5 1

Requerido Em lx 20 20

tr´afico alto Um ——0.4 1.4

Tabla 4-15.: Evaluaci´on de la iluminancia y uniformidad m´ınima en conformidad de la normatividad local Por otra parte, se evaluaron los par´ametros de iluminancia y uniformidad considerando dos situaciones, una con tr´afico normal y la otra con tr´afico alto (Ver tabla 4-15), resaltando que las caracter´ısticas de la v´ıa se apropian m´as a la primera de ´estas. Si se trata de una v´ıa

4.4 Conclusiones

57

de tr´afico normal se tiene que los requisitos de iluminancia m´ınima se cumplen a cabalidad, mientras que si la v´ıa fuera de tr´afico alto estar´ıa fuera de los requisitos m´ınimos tanto en iluminancia media como en uniformidad media.

4.4.

Conclusiones

A condiciones de laboratorio, la distorsi´on arm´onica en corriente generada por cada una de las tecnolog´ıas no supera los l´ımites establecidos por los est´andares, lo cual en primera instancia, garantizar´ıa que al ser conectadas a un circuito de distribuci´on, no afectar´ıan la distorsi´on arm´onica en tensi´on. No obstante, cabe resaltar que la distorsi´on arm´onica en corriente es mayor para la luminaria de sodio, que para las luminarias de LED. La diferencia en t´erminos de eficiencia lum´ınica entre la tecnolog´ıa de sodio y LED cada vez se hace m´as peque˜ na, el sodio ha permanecido est´atico en su nivel de eficiencia (80 lm/W), mientras que el LED ha evolucionado en dos a˜ nos de 40 lm/W a 62 lm/W. Esto hace que la tecnolog´ıa LED comience a cobrar importancia como tecnolog´ıa candidata en un proceso de sustituci´on masiva con miras a la reducci´on en el consumo de energ´ıa y emisi´on de distorsiones arm´onicas. Aunque el driver de la luminaria LED evaluada opera a diferentes condiciones de tensi´on dentro de un rango, en las figuras 4-4 se evidencia que existe un punto ´optimo de operaci´on del driver a una tensi´on de 120 V, de tal forma que se tiene un alto factor potencia y la menor distorsi´on arm´onica en tensi´on y corriente posible. El ´ındice de reproducci´on de color y el coeficiente de temperatura de color son indiferentes a los cambios de tensi´on dentro del rango nominal de operaci´on. Con la metodolog´ıa actual de evaluaci´on del alumbrado p´ ublico, bajo la curva fot´opica, la tecnolog´ıa LED cumple a cavalidad con los l´ımites m´ınimos de calidad en materia de uniformidad e iluminancia promedio. Sin embargo, a partir de su espectro t´ıpico de radiaci´on, es posible afirmar que si el sistema de evaluaci´on cambiara de referencia, a la curva mes´opica, el comportamiento de la tecnolog´ıa LED ser´ıa a´ un mejor que el de las otras tecnolog´ıas, y se podr´ıa reducir la potencia nominal de las bombillas, reduciendo con ´este el consumo de energ´ıa en alumbrado p´ ublico, que a nivel mundial representa cerca del 8 % de la energ´ıa el´ectrica. En t´erminos de eficiencia energ´etica, se encontraron diferencias notables en el ´ındice de consumo energ´etico - ICE para los dos proyectos piloto evaluados. Mientras que para el proyecto de Mas de Roda (evaluado en el 2009) el ICE tiene una clasificaci´on de D, para el proyecto de Telegesti´on UN (evaluado en el 2011) el ICE da una clasificaci´on de A, que es lo m´aximo en eficiencia seg´ un la clasificaci´on del real decreto espa˜ nol de eficiencia en instalaci´on de alumbrado exterior.

58

4 Mediciones

En el proyecto Mas de Roda, se evidencia que el factor de potencia para los escenarios 2 y 3 es aceptable, mientras que la distorsi´on arm´onica en corriente sobrepasa los l´ımites; sin embargo, los valores de distorsi´on arm´onica en tensi´on son menores al l´ımite para este indicador, 3 %. Los par´ametros el´ectricos de generaci´on de arm´onicos a la red, medidos en el proyecto de Mas de Roda para diferentes escenarios, no cumplen con la norma t´ecnica internacional IEC 61000-3-2. De la comparaci´on entre escenarios, se puede inferir que el factor de mayor incidencia en la generaci´on de contaminaci´on arm´onica son las fuentes de alimentaci´on de los sistemas de control y comunicaciones instaladas en el gabinete de control del sistema. Desde el punto de vista el´ectrico, el gran reto para los pr´oximos cinco a˜ nos en el dise˜ no de las luminarias para alumbrado exterior basadas en LEDS, es alcanzar una eficiencia de por lo menos 80 lm/W en condiciones normales de operaci´on, que es la eficiencia que actualmente tienen las luminarias de HPS. Aunque los proyectos piloto descritos aqu´ı contienen equipos y sistemas de control prototipo y especialmente dise˜ nados para este sistema, se debe resaltar que las mediciones de contaminaci´on arm´onica sobre la red de alimentaci´on de CA, muestran que las cargas no lineales asociadas con este tipo de tecnolog´ıa pueden incidir negativamente en la calidad de la energ´ıa y el ahorro energ´etico esperado. Sin embargo se prev´e que con el actual desarrollo de la electr´onica de potencia, en poco tiempo ser´a m´as f´acil y econ´omico tener dispositivos para control y alimentaci´on de los sistemas LEDS con altos factores de potencia y por ende, menor contaminaci´on arm´onica a la red de alimentaci´on de CA.

5. Conclusiones y trabajos futuros 5.1.

Conclusiones

El desarrollo de modelos en el dominio del tiempo es una herramienta u ´til para evaluar la interacci´on del sistema y las cargas. La aplicaci´on de estos modelos para cargas de iluminaci´on, en particular, permite extraer indicadores de su comportamiento el´ectrico al ser implementados en el modelo de un circuito t´ıpico de alumbrado p´ ublico. Tras evaluar los resultados obtenidos a partir de la simulaci´on acorde con los l´ımites establecidos por los est´andares internacionales de calidad de potencia (IEEE-519-1992 e IEC-61000-3-2), se tienen elementos de valor para juzgar la pertinencia o no de la instalaci´on masiva de una nueva tecnolog´ıa en la red el´ectrica, a´ un cuando no se tenga acceso a proyectos pilotos. La distorsi´on arm´onica total en corriente para los tres escenarios tecnol´ogicos evaluados a trav´es de simulaci´on se encuentra dentro del l´ımite establecido por el est´andar IEEE-5191992, que para la relaci´on de IIsc1 es de 12 %. Sin embargo, se observa que en cuanto aumenta la participaci´on de la iluminaci´on con LED, la distorsi´on arm´onica total en corriente es menor. Con el reemplazo del 100 % de las luminarias de sodio por LED, se lograr´ıa una reducci´on del 13 % en las p´erdidas en el conductor, las cuales pasar´ıan del 3.1 % al 2.7 %, para E1 y E3, respectivamente. Con la metodolog´ıa actual de evaluaci´on del alumbrado p´ ublico, bajo la curva fot´opica, la tecnolog´ıa LED cumple a cavalidad con los l´ımites m´ınimos de calidad en materia de uniformidad e iluminancia promedio. Sin embargo, a partir de su espectro t´ıpico de radiaci´on, es posible afirmar que si el sistema de evaluaci´on cambiara de referencia, a la curva mes´opica, el comportamiento de la tecnolog´ıa LED ser´ıa a´ un mejor que el de las otras tecnolog´ıas, y se podr´ıa reducir la potencia nominal de las bombillas, reduciendo con esto el consumo de energ´ıa el´ectrica en alumbrado p´ ublico, que a nivel mundial representa cerca del 8 % de la energ´ıa el´ectrica. En t´erminos de eficiencia energ´etica, se encontraron diferencias notables en el ´ındice de consumo energ´etico - ICE para los dos proyectos piloto evaluados. Mientras que para el proyecto de Mas de Roda (evaluado en el 2009) el ICE tiene una clasificaci´on de D, para el proyecto de Telegesti´on UN (evaluado en el 2011) el ICE da una clasificaci´on de A, que

60

5 Conclusiones y trabajos futuros

es lo m´aximo en eficiencia seg´ un la clasificaci´on del real decreto espa˜ nol de eficiencia en instalaci´on de alumbrado exterior. Desde el punto de vista el´ectrico, el gran reto para los pr´oximos cinco a˜ nos en el dise˜ no de las luminarias para alumbrado exterior basadas en LEDS, es alcanzar una eficiencia de por lo menos 80 lm/W en condiciones normales de operaci´on, que es la eficiencia que actualmente tienen las luminarias de HPS.

5.2.

Trabajos futuros

Durante esta tesis se realiz´o un an´alisis para los arm´onicos menores a 1500 Hz, lo cual permite hacer un an´alisis sobre las p´erdidas adicionales causadas por las corrientes arm´onicas. No es desconocido que los drivers para LEDs, tienen en su interior circuitos de conmutaci´on que operan a frecuencias entre los 10 kHz y 100 kHz, que podr´ıan tener impacto sobre las corrientes de Eddy en los transformadores y radiointerferencia. Por lo anterior, se sugiere desarrollar un sistema de medida que permita caracterizar los drivers y su aplicaci´on con un rango de frecuencia mayor, reproducir un modelo y, analizar el impacto siguiendo la metodolog´ıa que se sigui´o en esta tesis. Para la tecnolog´ıa LED, se han desarrollado una serie de indicadores que relacionan el desempe˜ no lum´ınico con indicadores econ´omicos, dejando de lado las implicaciones que tenga en t´erminos el´ectricos. Por esta raz´on, conviene formular y evaluar indicadores que integren factores de desempe˜ no en t´erminos lum´ınicos, econ´omicos, y el´ectricos. Dado el movimiento que se viene dando en el comit´e de alumbrado p´ ublico de la CIE International Comission on Illumination acerca del cambio de sistema de referencia para la evaluaci´on del alumbrado exterior, conviene que desde la academia se formule un proyecto cuyo objetivo sea configurar un sistema de evaluaci´on basado en la curva mes´opica, de tal forma que sea posible evaluar tecnolog´ıas convencionales de alumbrado p´ ublico y apoyar la elaboraci´on de un marco normativo a nivel nacional para el cambio de sistema de evaluaci´on. Con el auge de las smart grids, conviene integrar herramientas para el seguimiento y control de los indicadores de potencia a los sistemas de telegesti´on en alumbrado p´ ublico.

A. Metodolog´ıa para el modelamiento de carga no lineal en el dominio del tiempo Para extraer el modelo discreto del circuito mostrado en la Figura 3-1 se utiliza un m´etodo de discretizaci´on basado en la aproximaci´on de Tustin, la cual se representa por la ecuaci´on A-1.

s=

2 z−1 Ts z + 1

(A-1)

Donde Ts es el tiempo de muestreo. Sustituyendo A-1 en 3-2 se obtiene la ecuaci´on que representa el modelo discreto del driver.

G(z) =

α1 z 2 + α2 z + α3 I(z) = 2 V (z) z + β1 z + β2

(A-2)

Los coeficientes de A-2 est´an en funci´on de los par´ametros R, L, C del driver y el tiempo de muestreo Ts . A partir de las ecuaciones A-3 a A-7 es posible determinar las expresiones para R, L y C A-8-A-10 en funci´on de los coeficientes y el tiempo de muestreo. Luego, se procede a extraer la transformada inversa Z para determinar el modelo discreto del driver en t´erminos de ecuaciones de diferencias A-11.

62

α1 = α2 = α3 = β1 = β2 =

A Metodolog´ıa para el modelamiento de carga no lineal en el dominio del tiempo

2RCTs + Ts2 4RLC + 2LTs + RTs2 2Ts 4RLC + 2LTs + RTs2 Ts2 − 2RCTs 4RLC + 2LTs + RTs2 2RTs2 − 8RLC 4RLC + 2LTs + RTs2 4RLC − 2LTs + RTs2 4RLC + 2LTs + RTs2

(A-3) (A-4) (A-5) (A-6) (A-7)

Ts (β2 − β1 + 1) 4(α2 − 2α3 ) Ts (α2 − 2α3 ) C= β1 + β2 + 1 (β1 + β2 + 1)(β1 + β2 − 1) R= 4(1 − β2 )(α2 − 2α3 ) L=

(A-8) (A-9) (A-10)

I(n) + β1 I(n − 1) + β2 I(n − 2) = α1 [V (n) + V (n − 1)] + α2 [V (n − 1) + V (n − 2)]

(A-11)

Donde I(n) y V (n) representan la muestra de la corriente de entrada (salida del sistema) y la muestra de la tensi´on de entrada (entrada del sistema), respectivamente. Y α2 = α1 + α3 . Si se tienen Ns muestras se podr´a representar el modelo discreto del driver a trav´es de un sistema linear de ecuaciones, en donde el n´ umero de ecuaciones ser´a Ns − 2 y las variables son cuatro, que son los coeficientes que luego permiten determinar los par´ametros L y C. Para determinar el valor de la resistencia se utiliza el algoritmo de la potencia promedio para evitar el ruido debido a la alta sensibilidad en la adquisi´on de se˜ nales de tensi´on y corriente. De acuerdo a la Ley de Ohm la resistencia puede ser expresada en funci´on de la potencia activa y la corriente promedio, de manera que a partir de la definici´on de potencia y utilizando las muestras para la tensi´on y ocrriente se determina el valor de R con menor ruido.

    

I(2) I(3) .. .





−I(1) −I(2) .. .

−I(0) −I(1) .. .

V (2) + V (1) V (3) + V (2) .. .

V (1) + V (0) V (2) + V (1) .. .



      =     I(Ns ) −I(Ns − 1) −I(Ns − 2) V (Ns ) + V (Ns − 1) V (Ns − 1) + V (Ns − 2)

β1 β2 α1 α3

    

63 (A-12)

I = Ψθ

R=

(A-13)

P 2 Iprom

(A-14)

N

P =

1X v(n)i(n) N n=1

(A-15)

N/2

Iprom

2X i(n) = N n=1

N=

1 f Ts

(A-16) (A-17)

Para la soluci´on del sistema A-13 de utiliza el m´etodo de la descomposici´on en el valor singular. Este m´etodo consiste en obtener dos bases ortonormales, de tal manera que Ψ se descompone en tres matrices tal como se muestra en A-18.

U SV T

(A-18)

Donde, U : (Ns × Ns ) matr´ız ortogonal unitaria, S : (Ns × 4) matr´ız diagonal, V : (4 × 4) matr´ız ortogonal unitaria. De tal forma que la soluci´on a A-13 es obtenida a trav´es de la expresi´on A-19.

θ = (V S −1 U T )I

(A-19)

B. Modelo equivalente Norton arm´ onico Para hallar el modelo equivalente Norton arm´onico para la luminaria LED, que como se dijo a lo largo de esta tesis es de tipo no lineal, se emple´o la metodolog´ıa desarrollada en [4]. Seg´ un esta metodolog´ıa a partir de dos o m´as mediciones de tensi´on y corriente sobre una carga no lineal para se˜ nales de tensi´on distintas entre s´ı es posible determinar el equivalente Norton arm´onico as´ı:

ZN,h =

Vh,1 − Vh,2 Ih,2 − Ih,1

(B-1)

Vh,1 ZN,h

(B-2)

IN,h = Ih,1 + Donde:

Vh,i : Medici´on i de tensi´on para todos los arm´onicos h Ih,1 : Medici´on i de corriente para todos los arm´onicos h ZN,h : Impedancia Norton para todos los arm´onicos h IN,h : Fuente de corriente Norton para todos los arm´onicos h Sobre la luminaria de LED se hicieron mediciones de tensi´on y corriente para distintos valores de tensi´on dentro del rango de operaci´on especificado por el fabricante de la luminaria, entre 100 V y 220 V cada 20 V. Luego se realiz´o el c´alculo de la impedancia con las mediciones hechas para las se˜ nales de 200 V y 220 V, y se repiti´o el proceso para las se˜ nales de 160 V y 180 V. Los resultados se presentan en la tabla: Se˜ nal 1 160 200

Se˜ nal 2 180 220

Real(Impedancia)[h=5] 0,0015 1,9493

Imaginaria(Impedancia)[h=5] 5,4549e-5 50,6989e-3

Tabla B-1.: Resultados para el c´alculo de impedancia Norton

65 La impedancia Norton se determin´o a partir del arm´onico 5 dado que en tensi´on es el arm´onico que concentra la mayor cantidad de distorsi´on. Los valores de impedancia para los dos intervalos de tensi´on observados dista m´as del 100 %, de manera que este equivalente no puede ser empleado para representar este tipo de carga no lineal, puesto que ni siquiera para el mismo arm´onico esta carga de orden no lineal tiene un comportamiento lineal.

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67

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