Ministerio de Cultura y Educación Universidad Tecnológica Nacional

Facultad Regional Paraná

INFORME DE LABORATORIO

TÍTULO:

EVALUACION DE DESEMPEÑO DE BALASTO ELECTRÓNICO PARA

ALUMBRADO PÚBLICO - ECOSOL NA250

SOLICITADO POR:

MUNICIPALIDAD DE PARANA

FECHA DE ENTREGA:

20 / 09 / 2014

Laboratorio de Investigación en Electrónica de Potencia Dpto. Materias Básicas – Área Física

Dpto Electrónica – Cátedra de Electrónica de Potencia

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Facultad Regional Paraná 1. Introducción.

Con el fin de evaluar la viabilidad técnica de aplicación de equipos auxiliares electrónicos de alto rendimiento en aplicaciones de alumbrado público, la Municipalidad de Paraná hace llegar para su evaluación un balasto electrónico Marca Ecosol modelo NA250, cuya descripción se detalla en el siguiente párrafo:

Balasto electrónico para lámparas de sodio de alta presión de 250 W, instalación dentro de luminaria de alumbrado público.

Unidad integrada que reemplaza la instalación de balasto, ignitor y capacitor.

La carcasa esta construida de perfiles de aluminio.

Dentro del artefacto se observan, sin haber realizado un relevamiento de la topología del circuito dos etapas bien definidas. Como etapa de salida se encuentra una configuración de inversor resonante de medio puente con control microprocesado. Como circuito de entrada se observa un corrector activo de factor de potencia de donde se presume se obtiene la alimentación para los circuitos lógicos. Un filtro de entrada de tipo EMC con capacitores y varistores correctamente dimensionados constituyen la etapa de conexión a la línea de AC antes del rectificador. El circuito rectificador constituido por diodos 6 A10 también presenta un dimensionamiento adecuado.

El montaje es del tipo híbrido coexistiendo las tecnologías de montaje convencional y SMD.

Como principales falencias en el montaje encontramos que la aislamiento eléctrico de los transistores con la placa de disipación se realiza con un maylar de buen nivel de aislamiento eléctrico pero de una resistencia térmica importante. Uno de los tornillos de fijación de la barra de sujeción de los transistores sobrepasa el límite de esta, dañando la aislación de un capacitor de alta tensión. Sobre la misma placa se disipan dos tipos de encapsulados TO247, correspondiente a los transistores y un diodo de encapsulado TO220, este tipo de montaje no puede garantizar una correcta disipación térmica del diodo antes mencionado.

El montaje de los diodos rectificadores se realiza en forma vertical acortando notablemente uno de los terminales reduciendo la capacidad de disipación térmica, si bien de acuerdo con las corrientes medidas este tipo de diodo no debería presentar sobreelevación de temperatura. Sin embrago, el terminal de mayor longitud es doblado manualmente sin respetar la distancia mínima desde el encapsulado. Esto puede generar fracturas en la unión del semiconductor con el terminal.

La bornera de conexión externa no es la mas adecuada en función de las condiciones de tensión existentes en la salida hacia la lámpara.

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Las prestaciones declaradas por el fabricante son las siguientes: - Tensión de alimentación 220Vac - Corriente de línea 1,13 A

- Factor de potencia 0,99 - Rango tensión de entrada 130 Vac – 265 Vac

- Tensión a circuito abierto 350 Vrms - Tensión de ignición 3,5 kV (tiempo máximo 7 minutos).

La metodología de estudio adoptada fue comparar el balasto electrónico con un balasto electromagnético convencional marca Italavia, con el respectivo ignitor para lámpara de sodio de alta presión de 250 W, y capacitor de 33 uF.

Para una correcta evaluación se propone realizar las siguientes mediciones:

Mediciones de parámetros eléctricos vistos desde la línea.

Mediciones de parámetros eléctricos vistos desde la lámpara.

Medición de emisión de intensidad luminosa.

Mediciones de temperatura. 2. Mediciones de parámetros eléctricos vistos desde la línea.

Para la obtención de las mediciones de los parámetros eléctricos se plantea como metodología la medición en tiempo de todas las variables eléctricas de calidad de consumo. Par esto se utiliza un instrumento analizador de potencia ENTES MPR63. Las mediciones realizadas para el balasto electrónico se prolongaron a lo largo de 80 minutos de funcionamiento continuo. Además se realiza la medición de regulación de intensidad luminosa vs. tensión de entrada, en el rango establecido para la tensión de alimentación (190 V – 240 V). 2.1 Resultados.

La luminaria presentó estabilidad de consumo durante los primeros 10 minutos de funcionamiento, luego la potencia se decrementa un 40 %, y continua en forma estable durante 20 minutos, para luego incrementarse a su valor original hasta la finalización de la medición, siendo este un comportamiento programado en el microcontrolador. Es probable,

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Facultad Regional Paraná aunque no se puede definir con certeza que sea un mecanismo de análisis de estabilidad o de conocimiento del tipo de lámpara. De la tabla de calificación rápida puede definirse que la distorsión armónica de corriente entregada por el balasto es baja, con un factor que se ubica entre el 3,9 % y el 7,4 %. De acuerdo con las normativas internacionales (IEC 1000) para una carga de esta potencia el THD debe ser inferior al 70 % siendo aconsejable sea de 12 % . En un análisis comparativo con una luminaria de balasto convencional esta presenta, desde el punto de vista del contenido armónico, un desempeño notablemente superior. El factor de potencia es alto -0,98 con un factor de desplazamiento similar. En las graficas 1 a 4, observamos la evolución de los parámetros eléctricos para ambos tipos de balastos, electrónico y convencional.

Fig. 1 Corriente balasto electrónico Fig. 2 Corriente balasto convencional

Fig. 3 Potencias balasto electrónico Fig. 4 Potencias balasto convencional De las gráficas se aprecia que el balasto electrónico consume aproximadamente un 11 % menos de potencia que el balasto convencional, en régimen estable. La siguiente prueba consistió en la medición de la variación de la intensidad luminosa en función de la tensión de línea, donde se obtuvieron las gráficas 5 y 6.

Intensidad en función del tiempo

0.500

0.750

1.000

1.250

1.500

0 20 40 60 80

t [min.]

I [A

]

Intensidad en función del tiempo

0.500

0.7000.900

1.1001.300

1.500

1.7001.900

0 10 20 30 40 50 60

t [min.]

I [A

]

Potencias en función del tiempo

100130160190220250280

0 20 40 60 80t [min]

W /

VA

Pot. Activa Pot. Aparente

Potencias en función del tiempo

100130160190220250280310340

0 10 20 30 40 50 60t [min]

W /

VA

Pot. Activa Pot. Aparente

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Facultad Regional Paraná Se puede apreciar el comportamiento constante de la intensidad luminosa en el balasto electrónico, con una variación del orden del 3 % del máximo de emisión obtenido a una tensión de alimentación de 220 V. En contraste el balasto convencional responde con una caída lineal de la intensidad luminosa a medida que se decrementa la tensión de alimentación, con una diferencia del 75 % entre los valores máximos y mínimos. Fig. 5 Tensión variable balasto electrónico Fig. 6 Tensión variable balasto convencional Nota: Las diferencia en los valores máximos de intensidad luminosa se debe a la utilización de dos lámparas diferentes en las respectivas mediciones.

3. Medición de emisión de intensidad luminosa. La metodología implementada consiste en la medición de la intensidad luminosa en un período de 80 minutos para el balasto electrónico. Se utilizó para este ensayo un instrumento Sonel LXP-1. 3.1 Resultado. Los ensayos de intensidad de emisión lumínica en el balasto electrónico se realizaron sobre dos lámparas, una es la Baw 10M08 de 250 W, y la otra es la Philips SON-T 250W Plus, esta última lámpara no recomendada por el fabricante para su utilización.

Tensión vs Intensidad Luminosa

20.000

22.000

24.000

26.000

28.000

30.000

185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250

Tensión [V]

E [K

Lux]

Tensión vs Intensidad Luminosa

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250

Tensión [V]

E [K

Lux]

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Intesidad Luminosa vs. tiempo

05

1015202530354045505560657075808590

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

t [m]

E [K

Lux]

Fig. 7 Intensidad luminosa lámpara Baw Fig. 8 Intensidad luminosa lámpara Philips Se observa que con la lámpara Philips el equipo mostró variaciones de intensidad aleatorias con picos de caída de hasta un 10 %, mientras que con la lámpara Baw el funcionamiento fue estable. En el ensayo con balasto convencional se observan mayores fluctuaciones en la intensidad luminosa, como se observa en la figura 9.

Fig. 9 Intensidad luminosa lámpara Philips, balasto convencional 4. Mediciones de temperatura. El análisis térmico se realizó mediante una cámara termográfica Testo 875. De las imágenes se puede interpretar que la temperatura está distribuida uniformemente en casi la totalidad del equipo auxiliar, encontrándose como zona más fría el frente en la que se monta la bornera de conexión. En el punto indicado como de toma de tempertura (temperatura de carcasa TC = 70ºC), la imagen termográfica muestra un valor levemente inferior al entorno. Esto se debe a una diferencia en los coeficientes de emisión entre la etiqueta y el aluminio.

Intesidad Luminosa vs. tiempo

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85

t [m]

E [K

Lux]

Intesidad Luminosa vs. tiempo

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

50.00

55.00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

t [m]

E [K

Lux]

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Facultad Regional Paraná En ninguna zona se registró una temperatura superior a 50ºC. Sin embargo la luminaria alcanzó temperaturas superiores a 60º C. En general el desempeño térmico se caracteriza como adecuado, pero puede no ser representativo del estado de los semiconductores de potencia (se aconseja el sil pad, goma siliconada, como material aislante).

Fig. 10 Termografías de balasto electrónico y luminaria

N.° Temp. [°C] Emisividad M1 36.9 0.90 M2 30.9 0.90 M3 21.0 0.90 M4 43.3 0.90 M5 42.5 0.90 M6 43.6 0.90

N.° Temp. [°C] Emisividad

M1 30.8 0.90

M2 43.3 0.90

N.° Temp. [°C] Emisividad M1 64.3 0.90 M2 58.4 0.90 M3 51.2 0.90 M4 40.4 0.90

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Facultad Regional Paraná 5. Medición de la corriente de lámpara en ciclo de encendido. Los oscilogramas obtenidos sobre la corriente de lámpara durante el encendido de la lámpara en frío muestran un nivel de corriente pico cercana a 2 A con un rizado de 500 mA. El tipo de señal relevada es consecuente con el ciclo de encendido realizado mediante circuito resonante.

Fig. 11 Oscilograma que muestra la corriente de lámpara durante el periodo de encendido: a) Medición del periodo de rizado. b) Medición del rizado de corriente.

Prof. Ing. Fabio Vincitorio Responsable Técnico