Análisis y resultados de regular lámparas led con estabilizadores-reductores de flujo en cabecera

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Analysis and results of controlling LEDs lamps with lighting flow dimmer-stabilisers

RESUMEN

En la actualidad existe un gran interés dentro del ámbito de la iluminación urbana por la aplicación de las nuevas lámparas con tecnologíaled (light emmitingdiode o diodo emisorde luz). Estas pueden llegar a tener ahorros superiores al 50% comparadas con las lámparas de descarga tradicionales. Este estudio pretende dar un paso más en la búsqueda de la eficiencia y ahorro energético, mostrando la compatibilidad de la tecnología led con los equipos estabilizadores-reguladores de flujo en cabecera. De los análisis lumínico y eléctrico recogidos en el presente estudio se pone de manifiesto que es posible obtener reducciones superiores al 20% en los consumos de las lámparas led, regulando en cabecera del cuadrodemaniobra,obteniendoreduccioneslumínicasequivalentes, sin afectar a la uniformidad de la iluminación de los viales. Se analiza,además,la contaminaciónpor armónicosconel sistema de ahorropropuesto.

Recibido: 18 de julio de 2013
Aceptado: 25 de octubre de 2013

Palabras clave

Led, iluminación, eficiencia energética, estabilizadores-reductores de flujo.

ABSTRACT

Actually, LED technology is generating much interest in public lighting. This technology has potential savings of over 50% compared with traditional discharge lamps. This study aims to go one step further in the quest for energy efficiency and savings. It demonstrates the compatibility of LED technology with lighting flow dimmer-stabilizer. The analysis of lighting and electrical parameters collected in this study shows that it is possible to obtain more than 20% reduction in consumption of LED lamps, regulating with lighting flow dimmer-stabiliser. Besides, equivalent reductions of lighting are obtained, having little effect on uniformity of illumination of the vials. It also discusses the harmonic pollution of the saving system proposed.

Received: July 18, 2013
Accepted: October 25, 2013

Keywords

Public lighting, LED lighting, energy efficiency lighting flow dimmer-stabilisers.


Introducción

El alumbrado público supone el 2,3% en el consumo eléctrico mundial (Reusel, 2008; Kostic, 2009), hasta el 80% de la energía eléctrica municipal consumida y hasta el 60% de su factura energética (AAE, 2011).

Las posibilidades de ahorro, sustituyendo las lámparas de descarga tradicionales por luminarias con tecnología led con prestaciones lumínicas semejantes, son elevadísimas (Saunders, 2012; Atkinson,1993) (Mills,1993) y permiten reducir el consumo eléctrico entre el 20% y el 50% (Mahapatra, 2009; Wen-Shing, 2011; Gil de Castro, 2012) con amortizaciones en menos de tres años.

La iluminación urbana con tecnología led es ya una realidad que poco a poco tiende a ir imponiéndose en nuestras ciudades (Svilainis, 2008). A pesar de ello, todavía no parece recomendable realizar sustituciones masivas debido a su elevado coste. No obstante, la tendencia a la baja en los últimos años permite pensar que, a corto o medio plazo, las haga competitivas en precio y prestaciones, en comparación con las lámparas tradicionales de descarga.

Este estudio intenta dar un paso más en la búsqueda de la eficiencia energética aplicada a la tecnología led de iluminación urbana. Se pretende analizar y exponer los resultados de regular el flujo luminoso sobre un vial iluminado con luminarias led, mediante el empleo de equipos estabilizadores-reguladores de flujo en cabecera (equipos que permiten reducir la tensión por fase en cada uno de los circuitos de salida, operando desde la cabecera, en el cuadro de maniobra y control, manteniendo dicha tensión estabilizada), incorporando a la luminaria un equipo controlador que lo hace compatible.

Para ello se han utilizado datos eléctricos y lumínicos tomados en el cuadro de mando telegestionado (cuadro con control remoto monitorizado e informatizado, para la captura de datos eléctricos e incidencias cada 15 minutos, para su posterior procesamiento y elaboración de informes, conectado a un terminal central, vía Internet, utilizando tecnología GPRS), contrastados con un analizador de red y dos luxómetros, uno fijo y otro móvil, para poder analizar así los resultados antes y después de reducir la tensión (Hermoso, 2013).

Desarrollo, materiales, equipos de medición y metodología del estudio


Características de la instalación analizada

Para el estudio se ha seleccionado un vial tipo residencial, situado en el centro urbano de la localidad de Fuengirola (Málaga), concretamente, en la calle Héroes Dos de Mayo, con un ancho total de 8 m, formado por calzada de 3 m y dos acerados de 2,5 m. Se instalaron nueve farolas de 3,5 m de altura, de las mismas características y prestaciones, con una disposición al tresbolillo cada 15 m de interdistancia (distancia longitudinal entre puntos de luz consecutivos, a un lado y otro del acerado del vial). Las nueve luminarias objeto del presente estudio son de la marca ATP modelo Villa y vienen equipadas con lámpara led, de la marca Etiled, con 51 W de potencia y diodos led fabricados por Cree (tabla 1).

La fuente de alimentación para los leds será del tipo LDAC-1500 I-75 con las características que se especifican en la tabla 2.

Cálculos luminotécnicos teóricos de partida

Previamente, se realizó el estudio lumínico teórico, a potencia completa, sin reducir, para led (figura 1) del vial, usando programa de cálculo luminotécnico SIBA, elaborado para ATP por el laboratorio de luminotecnia de la Universidad Politécnica de Cataluña (Smet, 2012; Ryckaert, 2012).

Definición del sistema de ahorro y eficiencia

El sistema de regulación y ahorro objeto del presente estudio consta de:

– Un estabilizador de tensión reductor de flujo luminoso, situado en la cabecera del cuadro. El modelo es Iluest fabricado por Salicru.

– Controlador universal para módulo led, marca Dimiled, instalado en cada una de las luminarias (figura 3).

Los datos eléctricos, se recogieron registrando medidas a intervalos de 15 minutos, telegestionadas mediante equipo Teleastro de Afeisa.

Estos datos fueron contrastados mediante la realización de mediciones in situ, a la salida de las tres fases y neutro del circuito de las nueve lámparas leds (repartidas tres por fase), con un equipo analizador de red tipo AR6 de la marca Circuitor.

El estabilizador-reductor de flujo en cabecera se instaló en un cuadro sito en calle Málaga, con cuatro circuitos de salida. Tres de ellos están conectados a líneas con lámparas de descarga, que no serán objeto de estudio, y un cuarto circuito alimenta exclusivamente las nueve luminarias led que pretendemos analizar de forma aislada, tanto con el equipo de medida telegestionado de la marca Afeisa, como con el analizador de red AR6de la marca Circuitor. De esta forma, podremos contrastar medidas eléctricas (tensión, intensidad, potencia activa y reactiva, así como el análisis de armónicos) antes y después de estabilizar la tensión de salida en el circuito de leds (véase la. rampa de funcionamiento del estabilizador de tensión de la figura 2).

Previamente, se procedió al ajuste manual del equipo de ahorro, en función de las caídas de tensión, por circuito. Se fijó la tensión reducida, en 208 V ± 5 V con una reducción entorno al 20%.

En el controlador Dimled, el selector de modo/tiempos (T%) determina el modo de funcionamiento. En la posición 0(u) la señal de salida de control establece un nivel de potencia reducido en función de la tensión de red medida, con el fin de realizar el control desde el reductor Iluest de cabecera.

El controlador Dimiled (figura 3) dispone de un sistema inteligente que permite determinar la tensión máxima de línea, correspondiente al nivel pleno. Esta característica lo hace apto para redes tanto de 220, 230 y 240 V AC. El selector de nivel, que permite seleccionar ocho porcentajes de potencia distintos, determina el nivel mínimo de potencia, es decir, limita la reducción máxima obtenida, aunque la tensión de la línea disminuya por debajo de dicho nivel.

Metodología y equipos de medida

Metodología para el estudio

El proceso seguido en el estudio consistió en (Khan, 2011; Zalewski, 2012):

– Se aisló el circuito que alimenta exclusivamente a las nueve luminarias led (tres luminarias led por fase del circuito independiente analizado).

– Se midieron los parámetros eléctricos, con el equipo de medida y telegestión Teleastro, instalado de manera permanente en cabecera, en el cuadro de maniobra, y contrastaron los resultados de las medidas con el analizador de red tipo AR6, instalado provisionalmente en el mismo a la salida del circuito que alimenta las lámparas led.

– Se realizaron mediciones luminotécnicas con dos luxómetros, uno fijo tipo Gossen modelo Mavolux 5032C/B del área de proyectos de ingeniería de la Escuela de Ingenieros de la Universidad de Málaga, calibrado y verificado, y se contrastaron las mediciones con otro luxómetro móvil LX-GPS para medida de iluminancia mediante vehículo y GPS marca Afei Sistemas de Automatización SA, propiedad del Ayuntamiento de Fuengirola.

– Se llevó a cabo un análisis comparativo, antes y después de entrar en funcionamiento el sistema de reducción de tensión. De esta forma, se evaluaron las minoraciones en el consumo y se contrastó la influencia de los sistemas de regulación y control comparados en la reducción de los niveles lumínicos, expresados en términos de iluminancia y uniformidad, estudiando y comparando los resultados teóricos con los prácticos.

Equipos para la medida de los parámetros eléctricos

– El equipo de medida Teleastro, cuyas características y rango de medida se indican en la tabla 3, utiliza un transformador de intensidad tipo toroidal con núcleo cerrado y clase 2 (tabla 3).

– Equipo de medida analizador de red tipo AR6 de la marca Circuitor, cuyas características, rango de medida y precisión se indican a continuación (tabla 4).

Equipos para la medida de los parámetros luminotécnicos

El método seleccionado para las mediciones luminotécnicas ha sido el método simplificado de medida de la iluminancia media, denominado de los “nueve puntos”, descrito en el R.D. 1890/2008, ITC-EA-07.

Se han empleado dos luxómetros para verificar el contraste de los resultados obtenidos:

– Luxómetro Gossen modelo Mavolux 5032C/B.

– Luxómetro móvil LX-GPS para medida de iluminancia mediante vehículo y GPS marca Afei Sistemas de Automatización SA.

Resultados


Balance y resultados del estudio de los parámetros eléctricos

Resultados obtenidos con equipo Teleastro

Los resultados eléctricos obtenidos en el presente estudio, obteniendo las medias de los valores registrados diariamente, a intervalos de 15 minutos se indican en la tabla 5. Así mismo, se puede observar la gráfica de reducción de la tensión estabilizada y reducida en un 20% (figura 4).

Resultados obtenidos con equipo AR6

Con el equipo analizador de red AR6 se realizaron como contraste, mediciones de los parámetros eléctricos por fase y entre fase y fase (tensión, intensidad, potencia activa, reactiva capacitiva e inductiva, factor de potencia y armónicos fundamentales). Se compararon los resultados de dichas medidas con y sin reducción de tensión desde el equipo estabilizador-reductor. Las mediciones se realizaron para el circuito de leds, considerando cada fase del circuito cargada con tres de las nueve lámparas leds de 51 W. Los resultados obtenidos se muestran en las figuras 5 a 12, de elaboración propia y que muestran los resultados eléctricos: tensiones de fase (figura 5), tensiones de línea (figura 6), intensidad de fase (figura 7) factor de potencia (figura 8), potencia activa (figura 9), potencia reactiva (figura 10), potencia reactiva capacitiva (figura 11) y armónicos fundamentales (figura 12) obtenidos antes y después de entrar el estabilizador de tensión en cabecera.

Balance luminotécnico

El balance luminotécnico medio, comparando con los resultados de las mediciones a pie de campo, se recoge en las tablas 9 y 10 y se realizó con dos luxómetros distintos para contrastar resultados. Así mismo, se recogen gráficamente las variaciones de iluminancia a la baja (color azul) cuando reducimos la tensión desde el estabilizador (figura 13) (CIE,1989; CIE,1995).

Resultados obtenidos con el luxómetro móvil LX-GPS

En tabla 9 y figura 13.

Resultados obtenidos con el luxómetro Gossen

Al entrar el estabilizador de tensión, reduciendo la tensión en un 20%, se observa una bajada en los niveles de iluminancia media en el mismo porcentaje, aspecto que queda verificado al contrastar las mediciones con los dos luxómetros y con resultados prácticamente iguales (tablas 9 y 10).

En las fotografías comparativas antes y después de reducir la tensión (figura 14) se puede observar que a simple vista es prácticamente imposible apreciar las diferencias de iluminación de los viales antes y después de reducir la tensión.

Control de fallos de equipos de ahorro y lámparas

Por último y como muy significativo, queremos señalar que durante este estudio que se hallevadoacabodurante 12 meses (entre enero y diciembre de 2012) no se ha registrado fallo alguno, en ninguna de las lámparas leds, ni en los controladores Dimiled de los equipos (datos obtenidos de Gecor).

Conclusiones y discusión

Con este estudio queda demostrado que las lámparas que utilizan tecnología led son perfectamente compatibles y regulables con equipos de ahorro, estabilizadores-reductores de tensión, instalados en la cabecera de los cuadros. Estos equipos, que son exactamente los mismos que los que se instalan para lámparas de descarga tradicionales (vapor de sodio o halogenuros metálicos), permiten el control de flujo luminoso en las luminarias led, sin precisar equipamientos especiales y son absolutamente compatibles para la regulación de la iluminación para ambas tecnologías. Tan solo requieren la instalación de un pequeño equipo controlador en la luminaria capaz de detectar la tensión estabilizada reducida y actuar sobre los diodos de la lámpara led reduciendo los niveles de iluminación proporcionalmente.

Del balance de los parámetros eléctricos registrados, queda demostrado que reducciones de tensión en cabecera en torno al 20% provocan reducciones en la potencia activa y reactiva de la lámpara y en el consumo de la misma, en la misma proporción, algo que cabía esperar. No obstante, sí hay que hacer notar que se ha registrado un incremento en la contaminación por armónicos en torno al 5%, para la tensión reducida de ahorro. El aumento de armónicos se debe, sin duda, a la mayor actuación de los PWN, de naturaleza rectangular, que hace que no existan componentes pares y aumenten los impares. Este incremento parece estar asociado claramente a la propia naturaleza electrónica de los led y sus drivers, aunque a pequeña escala y en pequeñas instalaciones, como la analizada, no pensamos pueda ser un problema. No obstante, sería necesario prevenir esta situación en un escenario de gran utilización de estos equipos, lo que puede afectar a la modulación de la forma de onda de la señal. Y a la intensidad que puede llegar a aparecer en el neutro en caso de ser común.

De los balances luminotécnicos, se desprende que también se producen reducciones de iluminancia media, en torno al 20%, en el momento que el estabilizador de tensión entra en reducción, coincidiendo, con los porcentajes de reducción de la tensión en cabecera. Todo esto sin variar significativamente la uniformidad media y la extrema. Notar como la iluminancia mínima, aunque aparentemente parece verse más afectada por la reducción de tensión, en torno al 40%, debe explicarse y relacionarse este valor extremo, con la baja precisión del equipo luxómetro móvil para rangos de medida por debajo de los 5 lux.

Queda comprobado que los niveles de ahorro energético que se pueden conseguir con equipos de estabilizadores-reductores, aplicados a luminarias con tecnología led, son directamente proporcionales a la reducción de tensión programada en cabecera del mismo.

También se demuestra que los niveles de iluminación se ven afectados en el mismo tanto por ciento que los niveles de reducción de potencia a los que se ve sometida la fuente de luz en reducción, con niveles de uniformidad semejantes.

Y, por último, en este estudio ha quedado puesta de manifiesto la altísima y contrastada eficiencia energética y el ahorro energético considerable que supone la instalación de leds, así como las posibilidades de regulación compatibles con otros sistemas de iluminación de descarga. No obstante, se enfrentan estos equipos led a dos aspectos fundamentales claramente mejorables. Por un lado, un elevado precio que les hacen no ser aún competitivos y la falta de estudios o experiencias que determinen su durabilidad real.

Agradecimientos

Queremos agradecer al Servicio Técnico de Alumbrado del Ayuntamiento de Fuengirola el apoyo prestado durante la fase experimental del presente estudio.

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