Consideraciones técnico-económicas de la aplicación de balastos de doble potencia en sistemas de alumbrado público / Technical and economic considerations of implementing bi-power ballasts for lighting systems
Autor: Vega Albarracín, Hernando
Asesor: Amortegui Gil, Francisco Javier (Thesis advisor)
Fecha: 2010
Programa: Bogotá - Medicina - Especialidad en Anestesiología y Reanimación
Facultad: Facultad de Medicina

Resumen: Entre las diversas tecnologías de control energético aplicado en sistemas de alumbrado público se encuentra la aplicación del balasto de doble potencia en luminarias de alumbrado público, para la implementación de esta tecnología se aprovecha el bajo tránsito de peatones y de vehículos en varios intervalos de tiempo durante la noche y madrugada. En el estudio de esta tecnología de control de iluminación,  se evaluaron las características de desempeño eléctrico y fotométrico, de eficiencia energética, y calidad de potencia a partir de: a) un modelo de simulación del sistema balasto-bombilla de sodio de alta presión, el cual se analizó la sensiblidad de las características eléctricas y fotométricas de la bombilla ante el incremento de impedancia. b) El diseño de un plan de ensayos acorde según las normas técnicas aplicables y el actual “Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público RETILAP”. c) El estudio de caso de diseño al implementar este tipo de tecnología en una avenida principal de la ciudad y un análisis económico para una luminaria instalado. Como resultado de este análisis se concluye la viabilidad de implementar esta tecnología a partir de la caracterización de la vía en condición de alta y bajo tráfico vehicular, el adecuado funcionamiento de la luminaria cuando se reduce la potencia de la bombilla hasta un 40% de la potencia nominal, adicionalmente la rápida recuperación de la inversión por cuenta del ahorro energético. / Abstract. Among the various technologies applied in energy control lighting systems is the application of bi-power ballast in road lighting, for the implementation of this technology takes advantage of the low traffic of pedestrians and vehicles at various time intervals during night and early morning. In the study of this technology for lighting control, we evaluated the characteristics of electrical and photometric performance, energy efficiency, and power quality from: a) a simulation model of ballast-of high pressure sodium lamp system, which analyzed the sensitivity of the electrical and photometric characteristics of the lamp to the increase in impedance.  b) Designing a test plan designed according to technical standards and the current "Technical Regulations and Lighting Public Lighting RETILAP." c) The case study design to implement this technology on a main street of the city and an economic analysis for a luminaire installed. As a result of this analysis suggests the feasibility of implementing this technology from the characterization of the track in condition of high and low traffic, the proper functioning of the fixture when it reduces the power of the lamp up to 40% of rated power, further rapid return on investment on behalf of energy savings.

CONSIDERACIONES TÉCNICO- ECONÓMICAS DE LA APLICACIÓN DE
BALASTOS DE DOBLE POTENCIA EN SISTEMAS DE ALUMBRADO PÚBLICO
PRESENTADO POR:
ING. HERNANDO VEGA ALBARRACIN
TRABAJO FINAL DE ESPECIALIZACIÓN PARA OPTAR AL TÍTULO DE
ESPECIALISTA EN CALIDAD DE LA ENERGÍA
DIRECTOR
ING. FRANCISCO JAVIER AMORTEGUI
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
BOGOTA D.C.
2010AGRADECIMIENTOS
Doy gracias a los Ingenieros Mario Quiroga, Oscar Carvajal, y en general al personal del
Laboratorio de Ensayos Eléctricos Industriales “Fabio Chaparro”, por su ayuda oportuna, y en
especial a Yazmin D, y María G, por bridarme el impulso necesario para culminar este trabajo.ÍNDICE
Pág
Introducción 1
4
1. Sistemas de control de iluminación en el alumbrado público.
1.1 Sistemas eléctricos de las luminarias 4
1.2 Tecnologías de control de iluminación de alumbrado público. 6
2. Desempeño eléctrico y fotométrico del balasto doble potencia. 11
2.1 Simulación 11
2.2 Experimentación y comparación con el modelo teórico 17
2.3 Plan de ensayos 20
3. Estudio de caso 29
3.1 Caracterización del tráfico 30
3.2 Análisis del diseño fotométrico 32
3.3 Análisis económico 34
4. Conclusiones y recomendaciones 35
5. Bibliografía 37INTRODUCCIÓN
El 3 % de la energía eléctrica1 que se genera en el país es utilizada en el alumbrado
público; en el caso de la ciudad de Bogotá, para el año 2009, (Figura 1), la facturación
de la electrificadora local de sólo esta actividad, correspondió en un 2%, equivalente a
36,8 millones de dólares.
Alumbrado
Público
Oficial 2% Otros
4% 1%
Total Residencial
Industrial
(Estrato 1 a 6)
31%
44%
Comercial
18%
Figura A 1. Consumo de la energía eléctrica en Colombia por sectores.
Si bien porcentaje de utilización de la energía eléctrica en alumbrado público es
pequeño, es muy importante buscar maneras de cómo optimizar este uso de la
energía eléctrica y así mejorar la eficiencia del sistema, el bienestar de la comunidad y
tener una actitud más amigable con el medio ambiente.
1 Fuente: Superintendencia de Servicios Públicos y estimaciones del autor.
1Alumbrado
Oficial Público
Industrial 2% 2%
8%
Otros
(Operaciones
de RED)
Comercial
33%
21%
Total
Residencial
(Estrato 1 a 6)
34%
Figura A 2. Facturación promedio por sectores de la electrificadora local
(CODENSA ESP) en el 1° semestre de 2009.
El alumbrado público es un servicio no domiciliario el cual tiene como finalidad
iluminar lugares de libre acceso, en los que se incluyen las vías públicas, parques y
demás espacios que se encuentre bajo responsabilidad del municipio (iluminación de
monumentos o lugares de interés histórico o turístico), con el fin de que se
desarrollen actividades nocturnas dentro del sector urbano o rural, sino que además
debe garantizar:
Sensación de seguridad a los peatones y sus bienes, sin embargo la seguridad
misma no está relacionada con puntos de luz instalados.
Adecuada visibilidad de los conductores, una iluminación con valores de
iluminancia y luminancia acordes según la velocidad y flujo vehicular de la
vía, puede reducir el riesgo de accidente de tráfico y así mismo la severidad.
La accidentabilidad también está asociada también con otros factores tales como:
- Factor Humano (Alcoholismo, Sueño, Exceso de Velocidad)
- Estado del Vehículo (Condiciones mecánicas)
- Condiciones Ambientales
2Figura A 3. Aplicación de controles de iluminación.
Para garantizar el cumplimiento de los puntos anteriormente mencionados, se han
ideado maneras de cómo tener un sistema de alumbrado eficiente y eficaz mediante
la reducción de la emisión de flujo luminoso, teniendo en cuenta que en la noche y
en la madrugada hay un bajo flujo vehicular, hay pocos peatones, y se presentan
sobretensiones permanentes en la red, debido a la desconexión de cargas eléctricas.
A pesar que se puede disminuir el flujo luminoso del alumbrado público, se puede
mantener la sensación de seguridad, así mismo se puede garantizar la seguridad de los
conductores sin que esto comprometa la seguridad en el desplazamiento. En el Reino
Unido (UK), un estudio ha demostrado la poca incidencia que tiene la disminución de
los niveles de iluminación con los accidentes de tráfico2.
De esta manera con la aplicación de estos sistemas de control de iluminación se
está contribuyendo a la conservación del medio ambiente mediante un ahorro
energético sostenible.
En el desarrollo de este trabajo se describirán diversas tecnologías de control de
iluminación aplicables al alumbrado público, centrándose principalmente en la
tecnología de luminarias con balasto tipo reactor doble potencia donde se estudiarán
varios aspectos: Desempeño eléctrico y fotométrico, económico y normativo.
2 Tomado del documento: “Street Lighting and Road Safety”, The Royal Society For the Prevention of
Accident. 2007, [10].
31. SISTEMAS DE CONTROL DE ILUMINACIÓN EN EL ALUMBRADO
PÚBLICO
1.1. Sistemas eléctricos de las luminarias. En los sistemas de alumbrado público se
aplican diferentes clases de luminarias, de las cuales el circuito eléctrico puede
cambiar dependiendo del tipo de balasto y el sistema de arranque aplicado. En
las Figuras 1.1 y 1.2, se presentan los circuitos eléctricos de las luminarias que
utilizan los diferentes tipos de balastos y arrancadores:
Las luminarias que utilizan balastos tipo reactor son instaladas en circuitos
viales donde las variaciones de tensión son moderadas de un ± 5% de la
tensión nominal; estas variaciones traen como consecuencia un cambio
de la potencia nominal de la bombilla en un ±12%. Adicionalmente, estos
balastos se caracterizan por tener menores pérdidas.
Las luminarias que utilizan balasto de potencia constante son instalados
en circuitos con fuertes variaciones de tensión de ± 10% de la tensión
nominal, estas variaciones tienen cambios sobre la potencia nominal de la
bombilla de un ± 10%.
El uso de los diferentes tipos de arrancadores están asociados con las
características del pulso requerido para la encender los diferentes tipos
de bombillas de descarga, tipo de fabricación del balasto (estándar
americano o europeo) y la distancia que puede tener ente el sistema
eléctrico de la luminaria y la bombilla.
4Luminaria con balasto tipo reactor y Luminarias con balasto tipo reactor y
arrancador tipo superposición. arrancador tipo semi-paralelo.
Luminarias con balasto tipo reactor y arrancador tipo paralelo.
Figura 1.1 Circuitos eléctricos de luminarias con balasto tipo reactor con diferentes
tipos de arrancadores.
Luminaria con balasto de potencia Luminaria con balasto de potencia
contante (CWA) y arrancador tipo constante (CWA) y arrancador tipo semi-
paralelo. paralelo.
Figura 1.2 Circuito eléctrico de luminarias con balasto de potencia contante con
diferentes tipos de arrancadores.
51.2. Tecnologías de control de iluminación de alumbrado público. Actualmente se
ha masificado el uso de luminarias que utilizan bombillas de sodio de alta
presión, estas bombillas tiene una alta eficacia luminosa (140 lm/W). Esta
característica se puede complementar la eficiencia de la luminaria mediante la
aplicación adecuada de estrategias para el control de potencia en la bombilla
de sodio de alta presión.
Los desarrollos tecnológicos en esta área se focalizan en aprovechar las
siguientes situaciones que ocurren en el periodo de la noche y de la madrugada:
Incremento de la tensión de alimentación en horas de la noche y de la
madrugada del sistema de alumbrado público debido a la desconexión
de un gran porcentaje de cargas eléctricas.
Baja circulación de peatones y flujo vehicular.
A continuación se describen brevemente las diferentes tecnologías de control
de nivel de iluminación:
A. Controles de la Tensión de Cabecera.
Figura 1.3 Dispositivos de Control de Tensión de Cabecera.
Los reguladores o controles de cabecera, son dispositivos de control de flujo
luminoso que aprovechan la capacidad del sistema balasto-bombilla de vapor
de sodio de alta presión de poder soportar reducciones de la tensión de
alimentación de tensión sin que se extinga el arco de la bombilla y haciendo
que en la bombilla se reduzca la potencia de la bombilla y por tanto la emisión
de luz.
6De acuerdo a catálogos técnicos este tipo de tecnología logran bajar la tensión
nominal de alimentación hasta un 85%, trayendo como consecuencia la
reducción de la potencia eléctrica consumida por la luminaria en un rango de
60% al 65% de la potencia nominal y la reducción de flujo luminoso en un
rango mínimo que va de un 36% a un 40%.
Estos equipos estabilizadores regulan y reducen la tensión en cada una de las
fases respecto al neutro de la instalación, realizando así la reducción de
potencia de manera equilibrada y por consecuencia la reducción de la emisión
de flujo luminoso en cada una de las luminarias del circuito que es alimentado
por este sistema de control.
En la Figura 1.3, se presenta el detalle de este sistema de control de
iluminación. Se puede apreciar que el sistema de control es colocado en un
gabinete, en el cual se instala el sistema de control, la instrumentación, el
sistema de protección y los sistemas de maniobra. En la Tabla 1.1, se
presentan las características para cada potencia de estos controladores de
tensión.
Potencia Tensión de
Fases I max (A)
(kVA) red (V)
7,5 380 III+N 11,4
15 380 III+N 22,8
22 380 III+N 33,5
30 380 III+N 45,5
45 380 III+N 68,5
60 380 III+N 91,2
7,5 220 III 19,7
15 220 III 39,4
22 220 III 58,0
30 220 III 78,7
45 220 III 118,5
2,5 220 III 11,4
5 220 III 22,8
Tabla 1.1 Características eléctricas de los controles de la tensión de cabecera
Ventajas e inconvenientes.
Una de las principales ventajas de este sistema de control de iluminación, es la
regulación de tensión que alimenta la luminaria, haciendo que las bombillas de sodio
de alta presión consuman como máximo la potencia nominal o la potencia reducida
sin que la vida útil de la bombilla no se vea comprometida aún, si la red de
alimentación presenta sobretensiones permanentes.
7Este control de iluminación es de fácil implementación, no se requiere inversiones
adicionales; usualmente se utiliza en luminarias con balasto tipo rector, facilitando
la reducción de la tensión y por lo tanto la potencia y emisión de luz de las bombillas
de vapor sodio de alta presión. Un aspecto muy importante para la implementación
de esta tecnología en instalaciones de alumbrado público es la regulación del
circuito; se debe garantizar que la última luminaria alimentada por este sistema de
control no tenga una reducción de tensión adicional por caída de tensión en los
conductores que comprometa su adecuado funcionamiento.
Por último, esta tecnología tiene el inconveniente que no es adecuada su aplicación,
si el circuito de alumbrado público tiene combinadas luminarias que utilizan
bombillas de vapor de sodio y vapor de mercurio a alta presión; pues las luminarias
que utilizan bombillas de mercurio toleran una reducción de tensión hasta un 10% o
menos, y las de vapor de sodio hasta un 15% o más, por tanto el circuito de
iluminación con este tipo de control no podría garantizar el adecuado
funcionamiento de todas las luminarias o del ahorro de energía sería muy limitado.
B. Balasto Electrónico de Doble Potencia.
El balasto electrónico es un dispositivo que integra las siguientes funciones:
– Realiza el encendido de las bombillas de vapor sodio de alta presión, (en
general las bombillas de HID).
– Controla la corriente de la bombilla; llevándola al valor nominal según el
tipo y potencia de la bombilla.
El balasto electrónico tiene la propiedad de mantener la potencia de la
bombilla en su valor nominal, en rangos de variación de tensión que pueden
llegar a ser hasta un ±15% de la tensión nominal, una ventaja adicional que
tiene esta tecnología de control son las bajas pérdidas que puede representar
entre un 4% y un 5% de la potencia consumida por la bombilla, en
comparación de los balastos electromagnéticos que pueden tener pérdidas
entre un 9% y 25% de la potencia de la bombilla.
Una propiedad muy importante es la flexibilidad de la programación de
temporización de manera que la reducción de potencia en la bombilla y por
tanto en la luminaria sea escalonada, adicionalmente su fácil implementación
a sistemas de control inteligente de alumbrado público.
La principal desventaja de estos sistemas de control está asociada con la gran
susceptibilidad ante sobretensiones transitorias derivadas de las descargas
eléctricas atmosféricas.
8Algunos fabricantes han incluido otras funciones a estos controles de
iluminación, en las que se pueden enunciar:
Desconexión automática del sistema de alimentación. En el caso que la
bombilla presente falla, ya sea por sobrecorriente, o por avería del
tubo de arco.
Sistema de re-encendido temporizado, principalmente aplicado a las
bombillas de halogenuro metálico; en el caso que la bombilla se
apague, este sistema le da a la bombilla un tiempo determinado para
que tenga el enfriamiento necesario y pueda encender de nuevo y más
fácilmente.
C. Balasto Electromagnético de Doble Potencia.
Es un balasto de reactancia simple el cual en un inicio de su operación tiene una
impedancia definida para garantizar que la bombilla de vapor de sodio de alta
presión, llegue sus valores nominales de tensión, corriente y potencia; luego puede
cambiar la impedancia del balasto a un valor significativamente mayor con el fin de
reducir la potencia consumida por la bombilla (y por tanto de la luminaria), hasta un
45% de la potencia nominal. En la Figura 1.6, se presenta el circuito típico de esta
tecnología de control de iluminación.
Figura 6. Circuito típico de un balasto tipo reactor de doble potencia.3
Durante la operación de este balasto en condición normal el condensador C1, realiza la
corrección del factor de potencia a un valor como mínimo 0,90, al realizarse el cambio
de reducción de potencia , se incrementa la impedancia del balasto y por lo tanto la
necesidad de cambiar de capacitancia inicial C1, a C ∞ para corregir nuevamente y
mantener el factor de potencia en 0,9.
3 Figura tomada de catálogo técnico de balastos del fabricante “ELT” [8].
9En la Tabla 2, se resume el efecto que se tiene cuando se aplica la reducción de la
potencia en las bombillas de descarga de alta intensidad (HID).
Tipo de bombilla Porcentaje
de descarga de de Observaciones para la reducción de
Desventajas
alta intensidad reducción potencia.
(HID) de potencia
Se recomienda realizar una operación a
Vapor de sodio de potencia nominal de la bombilla de por
50%
alta presión lo menos 30 minutos, antes de realizar
Puede disminuir la
la reducción de la potencia, es
eficacia de la bombilla,
recomendable que la reducción de
la temperatura de color.
potencia se realice si es posible de
manera escalonada para no
comprometer la vida de la bombilla.
Cuando se aplica la reducción de
potencia, la bombilla de halogenuro
metálico tiene fuertes cambios en las
características de temperatura y
Halogenuro
50% reproducción de color: C a mbios en las
metálico
-La temperatura de color tiende a características de color
incrementarse aproximadamente un de la luz y disminución
150% de los valores típicos para este de la eficacia de la
tipo de bombilla (3000 °K y 4000 °K). bombilla
-La reproducción de color disminuye.
Sin embargo este efecto es menos
drástico en bombillas que tiene el bulbo
recubierto de fósforo.
Vapor de Cuando se aplica la reducción de
Disminución de la
mercurio de alta 50% potencia, la bombilla no tiene fuertes
eficacia de la bombilla
presión cambios en las características de color.
Tabla 1.2 Reducción de potencia en bombillas de descarga de alta intensidad.
102. DESEMPEÑO ELÉCTRICO Y FOTOMÉTRICO DEL BALASTO DOBLE POTENCIA
En este trabajo tiene como objetivo evaluar el desempeño eléctrico y fotométrico de una
luminaria de alumbrado público cuando se le instala un balasto doble potencia, para ello este
estudio se realizo en tres fases:
a) La predicción del comportamiento del sistema bombilla- balasto aplicando un
modelo de simulación de circuitos, para determinar la sensibilidad que tiene la potencia
de la bombilla ante cambios de impedancia del balasto.
b) Verificación experimental de dicha predicción, implementado un circuito de una
luminaria, y realizando una variación de la impedancia al balasto.
c) Aplicación de un plan de ensayos para verificar el adecuado funcionamiento de la
bombilla y fotométrico cuando se realiza una reducción de potencia en la luminaria,
cuando se aplica un balasto de doble potencia.
2.1 Simulación
El primer análisis preliminar se baso en un modelo de simulación de un sistema balasto-
bombilla, expuesto en el articulo “A SPICE Compatible Model of High Intensity Discharge
Lamps”4, en este articulo se describe el desarrollo de un modelo de un bombilla HID,
compatible con el paquete de software PSPICE, basado en principios físicos fundamentales
(Termodinámicos) y la aplicación de parámetros de las bombillas HID.
Figura 2.1 Modelo propuesto para una bombilla de descarga de alta intensidad expuesto en la
referencia bibliográfica.
4 Ver referencia bibliográfica [9].
11La descripción del modelo del arco eléctrico de la bombilla está basado en la ecuación de
balance de potencia, para cualquier tiempo el incremento de calor del arco, (dQ) está dado
por la siguiente ecuación :
[1]
Donde:
Pin : DPotencia de entrada en la bombilla
Pout : DPotencia de removida de la bombilla
dt : DTiempo de incremento.
Adicionalmente el modelo expuesto en el artículo en mención parte de 5 suposiciones:
Figura 2.2. Esquema del tubo de arco de la bombilla de vapor de sodio de alta presión.
a. El arco de la bombilla de vapor de sodio de alta presión está confinado en un plasma
cilíndrico.
b. El arco de la bombilla está en equilibrio termodinámico.
c. El arco de de la bombilla está compuesto por dos capas cilíndricas:
- El radio de la capa interna es igual al radio de los electrodos.
- El radio de la capa externa es igual a radio del tubo de arco.
- La longitud del arco eléctrico de la bombilla es igual a la distancia de separación de
los electrodos.
d. La corriente eléctrica circula solamente por la capa interna del arco.
e. Las pérdidas de energía son debidas a la radiación a la conducción de calor.
f. Se desprecia la influencia del tubo de arco, los electrodos y el bulbo de la bombilla.
12Bajo estas suposiciones el artículo define las expresiones de las variables de tipo físico para
determinar la ecuación diferencial del estado del arco de la bombilla:
El calor por unidad de longitud está dado por la siguiente ecuación:
[2]
Donde:
Carc, Cper : Capacidad calorífica de las capas internas y externas.
arc, per : Densidad de carga eléctrica de las capas internas y externas.
R tube,Rel : Radio del tubo de arco y de los electrodos
Tred : Factor de ajuste, de reducción de temperatura, en la periferia del arco.
La potencia de la bombilla, está definida por unidad de longitud mediante la
siguiente expresión :
[3]
Donde:
Lg : Distancia entre electrodos.
Energía radiada, está definida por la siguiente expresión :
[4]
Donde:
: Emisividad de la superficie del arco.
Pérdidas por conducción de calor, está definida por la siguiente expresión :
[5]
Donde:
= (T): Coeficiente de trasferencia de calor.
Reemplazando cada una de las expresiones de las componentes de energía [2] a [5] en la
expresión [1], se tiene la siguiente ecuación diferencial:
13[6]
La manera de evaluar la ecuación diferencial [6] es determinar cada una de las constantes:
Carc, Cper, arc, per y , en la figura X se muestra el esquema de solución de la ecuación
diferencial .
Figura 2.3 Estructura de la solución de la ecuación de estado de la bombilla.
14Figura 2.4 Implementación del modelo en el software de simulación PSPICE.
La implementación del modelo de la bombilla se realizo en el software de simulación de
circuitos eléctricos PSPICE, aprovechando la interfaz gráfica y matemática para implementar
la fuente de tensión, el balasto y el modelo matemático (ecuación diferencial [6]) del arco
de la bombilla de sodio de alta presión.
Inicialmente el artículo había desarrollado la simulación para un balasto tipo reactor y una
bombilla de vapor de sodio de alta presión de 400 W a una frecuencia de 50 Hz. Haciendo los
ajustes necesarios y consultando los valores relacionados con la geometría del arco de la
bombilla (Rtube,Rel , Lg ) se logró llegar al modelo para una bombilla de vapor de sodio de
250 W sodio, en la Figuras 2.5, 2,6 y 2.7 se presenta el resultado de la comparación ente
mediciones realizadas en la bombilla de sodio y la simulación de computador del modelo
implementado.
15200
150
)
V
( a 100
llib
m 50
o
b
a l 0
e
d
0 10 20 30 40 50
n ó -50
is
n Simulacion
e T -100
Medición
-150
-200
Tíempo (ms)
Figura 2.5 Comparación de la tensión simulada y la medición, para una bombilla de sodio de
400W.
5,5
3,5
1,5
)
A
(
e-0,5
n
e 0 5 10 15 20 25 30
ir
r
o-2,5
C
-4,5
Corriente Medida
Corriente Simulada
-6,5
Tiempo (ms)
Figura 2.6 Corriente medida y simulada para una bombilla de sodio de 250 W.
200
150
100
)
V 50
(
n
ó
is 0
n
e
T 0 5 10 15 20 25 30 35
-50
-100
Tensión medida
-150
Simulación
-200
Tiempo (ms)
Figura 2.7 Tensión medida y simulada para una bombilla de sodio de 250 W.
162.2 Experimentación y comparación con el modelo teórico
Una vez determinado los modelos respectivos para las bombillas de 250 W y 400 W se realizó
un análisis de sensibilidad para determinar cómo varia la potencia de la bombilla ante
variaciones de impedancia del balasto, modelando así el funcionamiento del balasto doble
potencia.
Como un segundo paso se realizó la validación experimental del efecto sobre la potencia de la
bombilla de vapor de sodio ante incrementos de impedancia del balasto, para ello se
implemento un circuito de prueba, tal como se indica en la Figura 2.8, en este circuito se
instalo un vatímetro digital de dos canales, un canal midió la características eléctricas de la
bombilla (Ibal, Vb) y el otro midió las características eléctricas del balasto de referencia
ajustable, en las Figuras 2.8 y 2.9 se presenta los resultados experimentales y la simulación.
Figura 2.8. Circuito de pruebas implementado.
300
) W 250
(
a
llib
m 200
o
b
a
l
e
d 150 145 W
a
ic
n
e 124,9 W
t
o
P 100
Variación de impedancia
Simulación
50
90 110 130 150 170 190
(% )Incremento de Impedancia.
Figura 2.8 Comparación experimental y simulación ante variaciones de impedancia en una
bombillas de sodio de alta presión de 400W.
17425
400
)
W
( 375
a
llib
m
350
o
b
a
l
e 325
d
a
ic 300 W
n e 300 Variación de Impedancia
t
o Simulación
P
275 269,1 W
250
95 105 115 125 135 145
(%) Incremento de Impedancia
Figura 2.9 Comparación experimental y simulación ante variaciones de impedancia en una
bombillas de sodio de alta presión de 400 W.
Por último se verifico la sensibilidad que tiene la bombilla cuando se realiza el cambio de
impedancia y la emisión del flujo luminoso, en la figuras 2.10 y 2.11 se presentan los
resultados de la mediciones.
120,0
100,0
)
W
/
m
l(
a 80,0
ic
a
c
if
E
60,0
Análisis de Sensibilidad
Lineal (Análisis de Sensibilidad)
40,0
90 110 130 150 170 190
(% )Incremento de Impedancia.
Figura 2.10. Análisis de sensibilidad en la eficacia de la bombilla de sodio de 250W ante
cambios de impedancia.
18120
100
)
W
/
m
l(
a
ic 80
a
c
if
E
Variacion de flujo eficacia
60
Lineal (Variacion de flujo eficacia)
40
90 110 130 150 170 190
% Incremento de impadancia
Figura 2.11. Análisis de sensibilidad en la eficacia de la bombilla ante cambios de impedancia.
2.2.1 Análisis de resultados
Comparando los resultados experimentales y la simulación del sistema balasto-bombilla de
sodio (250W /400W), se nota una diferencia las señales de tensión y corriente entre la
simulación y las mediciones realizadas, esto se puede se explicar porque el modelo sugiere
un comportamiento ideal de la bombilla, mientras las bombillas de referencia utilizadas
tienen tolerancias en sus características eléctricas hasta un 10% de respecto a los valores
nominales, sin embargo puede darse una mayor exactitud a la simulación, empleando
técnicas como las descritas en el articulo técnico “A Universal PSPICE Model for HID Lamps5”,
en la cual involucra la solución de la ecuación diferencial del estado del arco eléctrico de la
bombilla mediante la aplicación de un algoritmo genético, ajustando así cada una de las
variables del modelo físico, mediante una comparación continua (tiempo real) con
mediciones de corriente y tensión en la bombilla. Esta técnica no se implemento por
limitaciones técnicas y por que en principio no era un objetivo de este trabajo. En la Figura
2.12 se muestra algunos de los resultados de este artículo al aplicar esta técnica.
Figura 2.12 Resultado de la simulación pa ra una bombilla halogenuro metálico
35 W , propuesto en el articulo “A Universal PSPICE Model for HID Lamps”
5 Ver referencia bibliográfica [11]
19Aún así la simulación muestra la misma tendencia de los resultados experimentales, es decir
la linealidad que hay entre la variación de la impedancia del balasto y la potencia de la
bombilla. Adicionalmente para los dos bombillas estudiadas,(Figuras 2.8 y 2.9) se comprueba
que se puede incrementar la impedancia entre un 45 y 50 %, sin que extinga el arco de la
bombillas, en el próximo literal se verificará en detalle esta condición operación de la para las
bombillas de vapor de sodio de alta presión de 250 W y 400W.
Por último se nota la linealidad que existe entre ente la eficacia de la bombilla de sodio de alta
presión y el incremento de la impedancia en el rango de 100 y 170 % del valor nominal, en
particular, un incremento del 50% impedancia se tiene aproximadamente una reducción de
la mitad de potencia nominal de la bombilla.
2.3 Plan de ensayos
Para dar un estudio más profundo de la aplicación de un balasto doble potencia instalado en
una luminaria se determino el siguiente plan de ensayos para evaluar otros aspectos de
interés, tal como el ahorro energético de la luminaria, la emisión de armónicos de corriente
y susceptibilidad que tiene sobre la bombilla con potencia reducida ante cambios súbitos en
la tensión de alimentación tal como los sag.
Para tal efecto se tomaron las siguientes muestras de balastos que se describen a
continuación:
Balasto doble potencia de para bombilla de sodio de alta presión de 250W, con
reducción a 150W, t : 70°C, Tw: 130°C, factor de potencia (no corregido) : 0,4, factor
de potencia corregido : 0,90.
Balasto doble potencia de para bombilla de sodio de alta presión de 250W, con
reducción a 125W, t : 70°C, Tw: 130°C, factor de potencia (no corregido) : 0,4, factor
de potencia corregido : 0,90.
Balasto doble potencia de para bombilla de sodio de alta presión de 400W, con
reducción a 250 W, t : 70°C, Tw: 130°C, factor de potencia (no corregido) : 0,4, factor
de potencia corregido : 0,90.
Luminaria para bombillas de sodio de 250W, con balasto tipo reactor doble potencia
(250W /125W)
En la elaboración del plan de ensayos se revisaron las diferentes normas de balastos, para
determinar los requisitos que aplican para esta tecnología, en aspectos de desempeño
eléctrico, fotométrico y de calidad de energía.
En las primeras tres columnas de Tablas 2.1 y 2.3 se presentan la tensión de prueba y las
normas de referencia para realizar los ensayos a los balastos bajo estudio a potencia nominal
y a potencia reducida en las potencias de bombillas de sodio de alta presión de 250 W y 400 W
respectivamente.
En las Tablas 2.2 y 2.4, se presentan los resultados de la medición de armónicos de corriente a
la entrada de la luminaria y la verificación de la susceptibilidad que tiene el balasto doble
potencia ante reducciones momentáneas de la tensión de alimentación.
20Tensión de Operación Potencia Potencia
Norma de
Característica prueba de normal reducida reducida
referencia
alimentación (100%) (60%) (50%)
Entrada de la luminaria --- --- --- --- ---
Potencia (W) RETILAP 275,0 179,0 142,6
Corriente (A) 100% Numeral 1,373 0,950 0,906
330.1
Factor de potencia 0,910 0,850 0,710
Bombilla --- --- --- --- ---
Factor de cresta de la
100% NTC 2118 1,48 1,46 1,45
corriente de la bombilla
Potencia (W) 248,5 159,1 126,1
Tensión (V) 100% 94,68 72,46 67,1
Corriente (A) 2,999 2,444 2,075
Potencia (W) 220,7 145,0 115,0
Tensión (V) 95% 87,60 70,02 65,00
RETILAP
Corriente (A) Numeral 2,873 2,320 1,960
Potencia (W) 330.1 278,4 174,0 139,4
Tensión (V) 105% 103,20 75,92 71,10
Corriente (A) 3,108 2,565 2,173
- -11,2 -8,9 -8,8
Regulación
+ 10,7 8,6 9,5
Balasto --- --- --- --- ---
Pérdidas de potencia en Corriente
NTC 3657 25,7 24,4 ---
el balasto (W) nominal (Máx)
Diferencia de
Pérdidas de potencia en No
potencia 26,5 19,9 16,5
el balasto (W) normalizado
(Pent-Psal)
Trapezoide 95%,100%,105% NTC 2243 Ver figura
Corriente
Calentamiento ( T °C) NTC 2117 65 45 ---
nominal (Máx)
Tabla 2.1. Resultado de los ensayos de desempeño eléctrico, realizados a balastos doble
potencia para bombillas de sodio de alta presión de 250W.
21Operación Potencia Potencia
Tensión de Norma de normal reducida reducida
Característica
prueba. referencia (100%) (60%) (50%)
% Mag % Mag % Mag
Distorsión armónica
33,5 52,0 53,2
total (%).
3° Armónico (%) 14,4 12,8 9,5
100% NTC 2118
5° Armónico (%) 20,9 25,0 25,4
7° Armónico (%) 13,7 22,7 24,3
9° Armónico (%) 4,2 2,5 4,1
No se produjo extinción de arco,
Tensión nominal ante la simulación de una reducción
Tensión de extinción NTC 2243
de bombilla de tensión en un tiempo no mayor a
100 ms
Tabla 2.2 Medición de armónicos de corriente en un balasto doble potencia, y verificación
susceptibilidad ante SAG, en luminarias con balastos doble potencia para bombillas de sodio
de alta presión de 250W.
Tensión de Operación Potencia
Norma de
Característica prueba de normal reducida
referencia
alimentación (100%) (60%)
Entrada de la luminaria --- --- --- ---
Potencia (W) RETILAP 441,0 285,0
Corriente (A) 100% Numeral 2,170 1,480
Factor de potencia 330.1 0,930 0,871
Bombilla --- --- --- ---
Factor de cresta de la
100% NTC 2118 1,597 1,549
corriente de la bombilla
100% 405,0 256,0
Potencia (W) 95% RETILAP 362,0 232,0
105% Numeral 456,0 283,0
330.1
- -10,6 -9,4
Regulación
+ 11,2 9,5
Balasto --- --- --- ---
Pérdidas de potencia en Corriente
NTC 3657 33,3 29,3
el balasto (W) Nominal (Máx)
Diferencia de
Pérdidas de potencia en No
36,0 29,0
potencia
el balasto (W) normalizado
(Pent-Psal)
Trapezoide 95%,100%,105% NTC 2243 Ver figura
Corriente
Calentamiento ( T °C) NTC 2117 70 61,2
Nominal (Máx)
Tabla 2.3. Resultado de los ensayos de desempeño eléctrico, realizados a balastos doble
potencia para bombillas de sodio de alta presión de 400W.
22Operación Potencia
Tensión de Norma de normal reducida
Característica
prueba. referencia (100%) (60%)
% Magnitud
Distorsión armónica de
36,0 52,0
total (%).
3° Armónico (%) 15,1 13,7
100% NTC 2118
5° Armónico (%) 23,8 22,2
7° Armónico (%) 13,6 36,4
9° Armónico (%) 4,0 4,6
Tensión nominal No se produjo extinción
Tensión de extinción NTC 2243
de bombilla de arco
Tabla 2.4 Medición de armónicos de corriente en un balasto doble potencia, y verificación
susceptibilidad ante SAG, en luminarias con balastos doble potencia para bombillas de sodio
de alta presión de 400 W.
2.3.1 Análisis de resultados
Revisando los resultados de las mediciones que se presentan en las Tablas 2.1 a 2.4, se
encuentra lo siguiente:
a. Desempeño eléctrico
Una reducción en un 40 % de la potencia nominal de la bombilla impacta en una
disminución de la potencia eléctrica de la luminaria en un 35%, para las dos potencias de
balasto de 250W y 400W. En el caso particular del balasto de 250W que puede reducir
la potencia de la bombilla hasta un 50 %, la reducción de la potencia eléctrica de la
luminaria es de un 48%.
La reducción de potencia en la bombilla hasta un 40%, hace que el factor de potencia
descienda hasta un 6,6%. Para reducciones de potencia mayores a un 50% del valor
nominal de la bombilla el factor de potencia se tiene un descenso mayor (20%), esto
sugiere que es necesario acoplar un condensador adicional a la luminaria,
debidamente dimensionado si se necesita reducir la potencia de la bombilla en un
porcentaje mayor del 40%, de lo contrario se compromete la eficiencia de la distribución
de potencia activa en un circuito de alumbrado público.
El factor de cresta de la corriente que pasa por la bombilla cuando esta opera a
potencia nominal tiene un valor de 1,4 y 1,5 para los balastos de 250W y 400W
respectivamente, al cambiar la impedancia del balasto este parámetro no se ve afectado
significativamente, sólo en un 1,7% en el balasto de 250W y 3% en el balasto de 400W.
La regulación del balasto mejora significativamente para los dos casos en un promedio
del 20%, para el caso del balasto de 250W, y de un 13% para el caso del balasto de
400W, esto implica que a potencia reducida no tendría mayores variaciones en el
consumo de potencia ante variaciones de tensión que pueden ocurrir en horas de la
madrugada.
23La reducción en la pérdidas de potencia en el balasto para el caso del balasto de 250W
es de un 25%, y para el balasto de 400W de un 19,4%, esto contribuyen positivamente
en la reducción de la temperatura de operación del balasto y por lo tanto el incremento
de la vida útil del mismo.
Se nota un incremento significativo en la distorsión armónica de corriente en la
luminaria en un 55%, para los balastos de 250W de potencia, y de un 44 % para los
balastos de 400W de potencia, lo podría generar un problema de cargabilidad del
trasformador de distribución que alimenta a los circuito de alumbrado, a pesar de la
reducción de la carga eléctrica, adicionalmente habría una contaminación de la red en
general.
Cuando se realizo el ensayo de la “tensión de extinción” se nota que una luminaria
operando con una bombilla a potencia reducida, puede soportar descensos de tensión
hasta un 40% de la tensión nominal sin que se extinga la bombilla, con este ensayo se
garantiza así la confiabilidad de esta tecnología en su operación ante perturbaciones en
la tensión de alimentación.
Balasto 250 W Balasto 400 W
Reducción de Reducción de Reducción de
Características potencia en la potencia en la potencia en la
bombilla en un bombilla en un bombilla en un
40% 50% 40%
Reducción de
potencia a la entrada 35% 48% 35%
de la luminaria.
Disminución del
6,6% 22,0% 6,6%
factor de potencia.
Incremento del
1,1% 1,7% 3,0%
factor de cresta.
Incremento en la
20,7% 21,3% 11,0%
capacidad de
regulación del
20,2% 20,0 14,0%
balasto.
Disminución de las
24,9% 37,7% 19,4%
pérdidas del balasto.
Reducción del
31,0% --- 12,6%
calentamiento ( t)
Incremento de la
distorsión armónica 55,0% 53,0% 44,0%
total (%).
Tabla 2.5 Análisis de los ensayos realizados a los balastos doble potencia.
Análisis de los diagramas trapezoidales.
En la figuras 2.13 y 2.14 se presenta los diagramas trapezoidales de los balastos para
bombillas de sodio de 250W y 400W. Para los dos casos se nota la fuerte reducción de
24las características eléctricas de tensión y potencia de la bombilla lo que puede sugerir
una operación inestable de la bombilla, sin embargo con los ensayos realizados se ha
demostrado que en esta condición de potencia reducida se tiene una correcta operación
del sistema balasto bombilla.
En la figura 2.15 se presenta la manera de cómo el balasto operaria a tensión nominal y
cuando se presenta la conmutación a doble potencia:
El balasto llegará en un punto de estabilidad eléctrica a través de la curva trapezoidal a
tensión nominal resaltado con el círculo rojo y luego experimenta una transición
operacional cuando se incrementa la impedancia hasta llegar al punto naranja de la
curva trapezoidal a potencia reducida, a medida que la bombilla envejece la curva de
“transición operacional” se desplaza hacia la derecha de la gráfica logando la operación
del sistema aun fuera del trapezoide.
Por último cabe resaltar que las curvas trapezoidales a tensión nominal exceden el
límite superior definido, por tanto no cumplen este requisito del Reglamento Técnico de
Alumbrado.
Potencia nominal Potencia reducida
Figura 2.13 Trapezoides del balasto de doble potencia de 250 W.
Potencia nominal Potencia reducida
Figura 2.14 Trapezoides del balasto de doble potencia de 400W.
25Figura 2.15 Transición operacional para los balastos de doble potencia para bombillas de
250W y 400W.
b. Análisis fotométrico de la luminaria con balasto doble nivel de potencia para bombillas
de sodio de 250 W.
En las Figuras 2.16 y 2.17 se presenta las curvas polares de la luminaria con una operación
de bombilla a potencia normal y a potencia reducida (50% ), se nota que para los planos
C: 90°-270°, la luminaria trata de mantener el valor de máxima intensidad luminosa sin
embargo la dirección del ángulo “ ” se incrementa en 15°, respecto al caso de la potencia
nominal.
En el plano C: 0-180, se nota que al reducir la potencia de la bombilla en un 50 %, la
intensidad máxima se reduce en un 35%, pero la variación del ángulo “ ” es de solo 4°.
Figura 2.16 Diagrama polar de la luminaria sin reducción de potencia.
26Figura 2.17. Diagrama polar de la luminaria con reducción de potencia.
En las Figuras 2.18 y 2.19 se presentan las curvas del factor utilización calculadas a partir del
archivo fotométrico, se nota un fuerte cambio en la distribución de luz cuando se realiza la
reducción de potencia en la bombilla y por tanto en la luminaria, en la Tabla 2.6, se presenta
el porcentaje de variación de flujo luminoso ( 20%) hacia el frente de la luminaria y hacia
atrás de la luminaria en condición de potencia nominal y reducida.
Figura 2.18 Curva de utilización de la luminaria, a potencia reducida de la luminaria
.
Figura 2.19 Curva de utilización de la luminaria, a potencia nominal de la luminaria.
27Potencia Potencia
Factores de Utilización % cambio
Nominal Reducida
K1 (% Flujo luminoso
emitido hacia el frente de 52 62 19
la luminaria)
K2 (% Flujo luminoso
emitido hacia atrás de la 31 24 -23
luminaria)
Tabla 2.6 Comparación de los factores de utilización K1, K2.
283. CASO DE ESTUDIO FOTOMÉTRICO
En esta parte de este trabajo se analiza el impacto de las características fotométricas de una
vía cuando se instalan luminarias con balastos de doble potencia, los cuales van a realizar un
control de potencia en la bombilla y por tanto una disminución del flujo luminoso, a diferentes
horas de la noche y la madrugada.
Se plantea analizar cómo cambian los niveles de iluminancia, la uniformidad de la iluminación
de una vía, cuando se accionan los balastos doble potencia en el trascurso de la noche.
Para realizar este análisis se tomo un segmento de la avenida Ciudad de Quito ( NQS carrera
30), comprendido entre la avenidas 2° y 3 ° Sur, para lo cual se aprovecho la caracterización el
flujo vehicular a diferentes horas del día, en la Figura 3.1 se muestra algunas aspectos de la
vía bajo estudio.
Se tomaron las especificaciones de la vía se acorde con la norma NTC 900.
CONVENCIONES
Ubicación del equipo
Sentido Peatonal
Sentido Vial
Li Linea imaginaria de referencia
1 Número de movimiento
Figura 3.1 Detalle la vía bajo estudio.
293.1 Caracterización del tráfico
A continuación en las Figuras 3.2, 3.3 y 3.4 se presentan la caracterización del tráfico
vehicular a lo largo de un día típico la avenida Ciudad de Quito (NQS carrera 30), entre las
calles 2 y 3 Sur.
HISTOGRAMA DE OCUPACIÓN -MAÑANA
2,50
s e 880 Vehiculos 2260 Vehiculos valor máximo
liM
valor mínimo .
2,00
O
L1,50
U
C
IH
E V Finalización de la operacióndel
o1,00
N sistema de alumbrado publico
0,50 Finalización del accionamiento del
sistema doble potencia de la luminaria
-
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 3 0 3 0 3 0 3 0 3
5 5 6 6 7 7 8 8 9 9
HORAS OCUPADOS VACIOS
Figura 3.2. Registro de flujo vehicular en horas de la mañana en la intersección de la avenida
Ciudad de Quito entre las calles 2 y 3 Sur.
HISTOGRAMA DE OCUPACIÓN -TARDE
2,50
1980 Vehiculos
s
e valormáximo
liM 2,00
1430 Vehiculos
valor mínimo .
1,50
O
L
U
C
IH
E1,00
V
o
N
0,50
-
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3
0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
HORAS OCUPADOS VACIOS
Figura 3.3 Registro de flujo vehicular en horas de la tarde en la intersección de la avenida
Ciudad de Quito entre las calles 2 y 3 Sur.
30HISTOGRAMA DE OCUPACIÓN -TARDE -NOCHE
2,50
s
e OOppeerraacciióónnddeell ssiisstteemmaa 330000 VVeehhiiccuullooss
liM
ddee aalluummbbrraaddoo ppuúbblliiccoo vvaalloorr mmíínniimmoo ..
2,00
O
L 1,50
U
C
IH
E
V 1,00
o
N
0,50 IInniicciioo ddeell aacccciioonnaammiieennttoo ddeell ssiisstteemmaa
ddoobbllee ppootteenncciiaa ddee llaa lluummiinnaarriiaa
-
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3
6 6 7 7 8 8 9 9 0 0 1 1 2 2
1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2
HORAS OCUPADOS VACIOS
Figura 3.4 Registro de flujo vehicular en horas de la noche en la intersección de la avenida
Ciudad de Quito entre las calles 2 y 3 Sur.
En la figura 3.4 se puede observar que la vía bajo estudio, en el intervalo de tiempo entre las
18:00 horas y las 22:00 horas tiene un flujo vehicular promedio/hora, mínimo de 1210
vehículos, por tanto mantiene la clasificación de la vía en el tipo M1, según la clasificación
definida en la Tabla 5.10.1.1 a, del RETILAP6, sin embargo se observa que a partir de las
22:15 horas en adelante el promedio cambia a 525 vehículos/horas colocando la clasificación
de la misma vía en el tipo M2,según la Tabla mencionada del RETILAP. Por tanto es difícil
suponer que para las restantes horas de la noche y las primeras horas de la madrugada la
misma vía tenga una clasificación M3. Para este análisis se supone una velocidad máxima en el
área urbana de 60 km/hora.
Para este caso se puede sugerir varias clasificaciones de una vía de acuerdo a la evolución del
flujo vehicular en el trascurso de la noche y de la madrugada, siendo así viable la
implementación de las luminarias con balasto de doble potencia.
6 De acuerdo al RETILAP, la clasificación está relacionada con el flujo vehicular (T) y la velocidad máxima
que se supone de 60 Km/h:
Una vía es del tipo M1 si tiene un flujo vehicular es mayor a T>1000 Vehículos/hora,
Una vía es del tipo M2 si el flujo vehicular entre 500<T<1000.
Una vía es del tipo M3 si el flujo vehicular entre 250<T<500.
Una vía es del tipo M4 si el flujo vehicular entre 100<T<250.
Una vía es del tipo M5 si el flujo vehicular es menor a T<100.
313.2 Análisis del diseño fotométrico
Una vez analizado el flujo vehicular de esta vía en particular, el paso siguiente es el análisis
fotométrico, para determinar si en condiciones de operación de potencia reducida de la
luminaria, la iluminancia y demás parámetros de diseño son compatibles con clasificaciones
de vía con menor flujo vehicular.
Para esto se diseño un sistema de alumbrado de acuerdo al perfil de la vía bajo estudio que se
presenta en la Figura 3.5, utilizando las fotometrías de la luminaria que se analizaron describe
en el numeral 2.3.1 realizadas potencia nominal y en potencia reducida.
Este diseño realizo aprovechando la herramienta Ulysse 2, en la Figura 3.5 se presenta el
detalle geométrico de la implementación en este software.
Figura 3.5 Detalle geométrico de la vía bajo estudio.
En la figura 3.1 se presenta el resultado del diseño realizado a potencia nominal de la
luminaria y a potencia reducida, en la Tabla 3.1 se presenta la comparación de los resultados
de este diseño.
Figura 3.2. Diagrama isolux a potencia nominal de la luminaria.
32Figura 3.2. Diagrama isolux a potencia reducida de la luminaria.
Figura 3.7 Diagrama Isolux del diseño a potencia nominal de la luminaria.
Límite mínimo
Potencia (RETILAP) de Límite
Potencia
Característica Reducida acuerdo a la máximo
Nominal
(50%) clasificación de (RETILAP)
la vía
Iluminancia
41,6 18,5 --- ---
Promedio (lx)
Iluminancia
25,1 13,5 --- ---
mínima (lx)
2,0 (cd/m)-M1
Luminancia
3,98 1,66 ---
Promedio (cd/m)
1,5 (cd/m)-M2
Factor de
0,61 0,79 0,40 ---
Uniformidad (Uo)
Factor de
Uniformidad 0,63 0,70 0,5 (cd/m) ---
Longitudinal (cd/m)
Relación de
0,57 2,5 0,5 ---
alrededores (SR)
TI 5,7 2,5 --- 10
Tabla 3.1 Análisis fotométrico del diseño realizado con luminarias a potencia nominal y a
potencia reducida.
33En el numeral 2.3.1 b se había observado que la luminaria cambia la distribución de luz,
cuando se realiza la reducción de potencia, si son comparados los diagramas polares de las
fotometrías en los principales planos.
Aplicando la matriz de intensidades de las luminarias en las dos condiciones en el diseño, se
confirma el fuerte cambio de la iluminancia con los patrones de las curvas isolux que se
presentan en las Figuras 3.6 y 3.7.
Sin embargo si se analizan los resultados de la Tabla 3.1, se sugiere que la reducción de la
potencia en la luminaria cambia las especificaciones de iluminación de la vía de M1 a M2, sin
comprometer los requisitos exigidos para cada clasificación de la vía.
3.3 Análisis Económico
En la Tabla 3.2 se presenta los costos relacionados con las inversiones y costos relacionados
con la implementación de luminarias con balastos de doble potencia para bombillas de sodio
de alta presión de 250 W y 400 W, con una reducción en la potencia de la bombilla en un 40%.
Se supone que las luminarias de doble potencia operan en total 11 horas, de las cuales 5
operan a potencia nominal y 6 horas a potencia reducida.
Operación de luminarias de doble Luminaria Luminaria
potencia de 250W de 400W
Horas de operación a potencia
11 11
nominal de la luminaria.
Horas de operación a potencia
5 5
nominal.
Horas de operación a potencia
6 6
reducida.
Costo de un kilowatio hora ($) 0,157 0,157
Costo de una luminaria ($), con
145 187
balasto de doble potencia.
Mano de obra (cuadrilla) ($) 19 19
Ahorro Total 10 años ($) 329 535
Tiempo de recuperación de la
18,4 15,3
inversión.(Meses)
Tabla 3.2 Análisis económico de la implementación de luminarias de doble potencia.
Para la luminaria 250W, se recupera la inversión en 18 meses y al final de la vida útil
del balasto (10 años) se tendría un ahorro de $329,0.
Para la luminaria 400W, se recupera la inversión en 15,3 meses y al final de la vida útil
del balasto (10 años) se tendría un ahorro de $535,0.
344. CONCLUSIONES
La utilización de nuevas tecnologías para el control de iluminación en el alumbrado
público son una alternativa para dar un uso eficiente y eficaz de la energía eléctrica;
si bien, su aplicación está relacionada con recursos disponibles de los municipios y
electrificadoras, es importante considerar estas tecnologías como un mecanismo de
mejora en el nivel de vida de las personas y tener una relación más amigable con el
medio ambiente por cuenta del ahorro energético relacionado. Si bien este trabajo
trato el tema de balasto reactor de doble potencia, la metodología de análisis
implementación de esta tecnología control de iluminación pública aplica para cada
una de las descritas en el Capitulo 1.
La viabilidad para la implementación de estas tecnologías está relacionada con la
caracterización del flujo vehicular en horas de la noche (y de madrugada) de la vía
bajo estudio, permitiendo analizar los intervalos de tiempo donde la flujos
vehiculares promedios/hora son mínimos y máximo , estableciendo para la vía los
niveles de iluminación requeridos, y declarando por lo menos dos tipos de
clasificación según el RETILAP para una misma vía. De esta manera se pueden definir
el horario de operación para estas tecnologías, y determinar los niveles de ahorro
energético.
El diseño del alumbrado deberá considerar las clasificaciones de la vía, para garantizar
que en condiciones de operación de la luminaria a potencia reducida y a potencia
normal cumplan con los requerimientos exigidos por el Reglamento Técnico y demás
normatividad de acuerdo a las clasificaciones de vía declaradas.
Analizando el desempeño eléctrico del balasto se nota que el valor óptimo de
reducción de potencia en la bombilla de sodio es del 40%, a pesar que técnicamente se
podría llevar hasta un 50%.
Una de las razones está relacionada con la selección de una capacitancia que corrija
simultáneamente el factor de potencia de la luminaria, a potencia nominal de
bombilla y a potencia reducida, de acuerdo a la mediciones una reducción mayor de
potencia en la bombilla mayor a 50 %, se reducen en un 20% el factor de potencia,
comprometiendo la distribución de potencia reactiva en el circuito de alumbrado, con
un 40% de reducción de potencia la reducción es de sólo un 6%. Otra posibilidad es
35instalar dos condensadores a la luminaria, uno que corrija dicho factor, a potencia
nominal de y el otro la condición de potencia reducida. En este caso incrementaría el
costo de la luminaria.
Otra característica muy interesante de este tipo de tecnologías es la confiabilidad que
ofrece el balasto de doble nivel de potencia, ante fuertes reducciones de variaciones
de tensión (-40%Vn), a la entrada de la luminaria en condición de potencia reducida.
Los resultados más interesantes durante la ejecución de los ensayos fue el fuerte
incremento de la distorsión armónica en la corriente de entrada de la luminaria y el
cambio de la distribución de la luz, de la luminaria cuando se opera en condición de
potencia reducida.
La aplicación de modelos de simulación de sistemas de iluminación son una
herramienta novedosa e importante para predecir el desempeño eléctrico en
general, tal como el que se implemento, el cual nos aproximo hasta cuanto se podría
reducir la potencia eléctrica bombilla con el incremento de impedancia del balasto.
TRABAJOS POSTERIORES SUGERIDOS
Es importante abordar los temas ahorro energético en áreas comerciales e industriales
mediante la utilización de sistemas dimerizables aplicados a sistemas de iluminación
fluorescentes y su impacto en el sistema de distribución,
Dar una mayor exactitud a los modelos de simulación físico-matemáticos del arco
eléctrico de las bombillas de descarga de alta intensidad de descarga, y que sean
aplicados a otros tipos de bombillas como las bombillas de halogenuro metálico
(CDM-MH).
Para las demás tecnologías de control de potencia de las bombillas de sodio de alta
presión es importante realizar el análisis económico comparativo entre cada una de
las tecnologías descritas en el capítulo 1, como punto de partida en la selección de
nuevas alternativas de ahorro energético en alumbrado público.
365. BIBLIOGRAFÍA
a. LIBROS Y ARTÍCULOS TÉCNICOS
[1]. Convenio de Colaboración firmado entre el Instituto para la Diversificación y Ahorro de
la Energía (IDAE) y el Comité Español de Iluminación (CEI). Ministerio de Ciencia y
Tecnología. Madrid, “Guía Técnica de Eficiencia Energética en Iluminación”. Marzo de
2001.
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