Elementos de una Luminaria HID

Para funcionar correctamente una lámpara HID necesita de una serie de equipos auxiliares que deben ser conectados y dimensionados para la obtención del mayor rendimiento tanto lumínico como en el tiempo. Estos equipos son:

El Balasto
El Capacitor
El ignitor o arracador

En un circuito como el que se muestra en la figura:

Diagrama esquemático de los componentes de una luminaria HID

Se puede notar la forma correcta de conectar los dispositivos mencionados anteriormente, los cuales pasamos a describir a continuación:

El Balasto. Generalidades.

Todas las lámparas de descarga tienen una resistencia negativa por lo que necesitan un dispositivo externo que limite la corriente cuando se les aplica tensión, o de lo contrario se destruirían rápidamente. El dispositivo que se utiliza para limitar ésta corriente es el balasto.

Además de esta función principal, el balasto proporciona suficiente tensión para el encendido de la lámpara y limita las variaciones de corrientes frente a las variaciones de la tensión de alimentación.

En todos los casos, hace que la lámpara funciones a un voltaje adecuado independientemente del de la red de alimentación, para lo cual requiere que haya suficiente tensión de alimentación o utilizar balastos de tipo autotransformador de dispersión para elevarla o reducirla al valor preciso y a la vez regular la corriente de la lámpara.

Según su forma constructiva y características de funcionamiento, los tipos más utilizados son:

Balasto tipo Reactor Abierto de alto factor de potencia (BRA)

Cuando la tensión de la red es suficiente para arrancar y mantener el arco en la lámpara, se suelen utilizar los reactores serie, o “chokes”, formados por una bobina simple con un núcleo magnético y que conectados eléctricamente en serie con la lámpara, limitan y regulan la corriente en la misma.

Es el más sencillo de construcción, menor tamaño y pérdidas más reducidas .Por el contrario, la regulación de potencia frente a las variaciones de la tensión de red no es muy buena, de tal forma que una variación del 10% ocasiona variaciones en la lámpara del 20 al 25%. Por ello, solo deben utilizarse en circuitos donde las fluctuaciones de la tensión de alimentación no sobrepasen el + 5%.

El factor de potencia se encuentra entre 0,4 y 0,6 inductivo cuando no se conecta el capacitor en paralelo. La corriente de arranque es aproximadamente 50% mayor que la de funcionamiento.

Este circuito, consta de un reactor en serie con la lámpara y un capacitor, en paralelo con la línea. El capacitor no afecta las condiciones de lámpara, por consiguiente sus características de regulación son equivalentes a las del reactor. Pero sí modifica las condiciones de red, ya que eleva el factor de potencia a 0,9 reduciendo prácticamente en un 50% los valores de línea.

Balasto de alto factor de potencia

Balasto Capacitivo (Autorregulado)

Su circuito eléctrico está formado por la conexión en serie de un reactor y un capacitor, ambos en serie con la lámpara. Es un conjunto balasto capacitor, de especial aplicación en aquellas zonas con tensión de red inestable, ya que funciona con tensiones de alimentación de hasta 140 volt. En este balasto se logra una mejor regulación de la potencia en lámpara. Para + 10% de variación en la tensión de línea, se obtiene + 10% de variación en la potencia de lámpara.

El capacitor debe ser el adecuado para soportar la tensión que se desarrolla en funcionamiento. En este caso se deben utilizar capacitores para 400V. ó 600V. (Según la lámpara).

Balasto capcitivo autorregulado

Balasto Autotrasformador de Alta Reactancia de Dispersión.

Cuando la tensión de red es insuficiente para lograr el arranque de la lámpara, se hace necesario la utilización de balastos autotransformadores (o autotransformador dispersión) los cuales elevan la tensión al valor preciso para arrancar y mantener el arco de la lámpara. Este tipo de balasto, al igual que los de serie, tienen baja regulación de potencia en lámpara. La corrección del factor de potencia será siempre en paralelo y se utilizarán capacitores de gran capacidad para ello.

Balasto Autotrasformador de Alta Reactancia de Dispersión.

Balasto Autotransformador de Potencia Constante (CWA)

Está formado por un autotransformador de alta reactancia de dispersión, con un capacitor en serie con la lámpara. El uso del capacitor permite a la lámpara operar con mejor estabilidad frente a las variaciones de la línea. La tensión a circuito abierto es la mínima necesaria para encender la lámpara. El factor de potencia es de 0,9. Sus características de regulación son buenas, una fluctuación de 10% en la tensión de línea, ocasiona una variación de 5% en la potencia de la lámpara. Por lo tanto se pueden usar en líneas con variaciones del 10%. La corriente de encendido de la lámpara es menor que la de funcionamiento. No hay corriente de irrupción, debido a la presencia del capacitor. Con este circuito la lámpara se apaga con valores mucho más bajos de tensión de línea.

Sin embargo, es más voluminoso y también tiene pérdidas propias más altas que un balasto serie. La principal característica constructiva es que el capacitor en serie tiene un una valor de impedancia similar al de la impedancia de balasto inductivo en serie. Esto crea un efecto de resonancia capaz de mantener la corriente constante ante variaciones de la tensión de entrada y de la lámpara

Balasto Autotransformador de potencia constante.

Etiqueta Balasto CWA Marca Transmagneca

Condensador.

Todas las lámparas de descarga como vimos requieren del uso de un balasto como elemento limitador de la corriente, que es por naturaleza muy inductivo. Cuando la lámpara es energizada la misma sustrae del sistema de alimentación una potencia aparente (VA) que posee dos componentes, una potencia activa que es la que consume la lámpara para emitir luz, y una componente reactiva que es la que alimenta el circuito electromagnético del balasto. El factor de potencia es la relación entre ambas magnitudes tal como se describe en la siguiente expresión:

f.p.= Potencia Activa (W)/Potencia Aparente (VA)

El factor de potencia en un sistema de iluminación sin compensación está alrededor de .35 a .5 . Otra manera de denotar el f.p. es como cosΦ cual es la relación trigonométrica de los fasores W y VAr como se muestra en el siguiente diagrama:

Diagrama Fasorial de Potencias Activas y reactivas.

Corrección del factor de potencia

Como se mencionó anteriormente, la componente inductiva del balasto requiere potencia reactiva del sistema de alimentación (VAr). Esta componente atrasa a la componente activa en 90°. Un condensador o capacitor conectado en paralelo con el sistema tal como se muestra en el diagrama sustrae de la red potencia reactiva VAr(c) que adelanta en 90° la potencia activa. Como puede observarse en el siguiente diagrama las potencias reactivas

Diagrama fasorial de compensación del factor de potencia

inductiva ( VAr ) y la potencia reactiva capacitiva ( VA (c)) se oponen dando como resultado una reducción de la potencia reactiva sustraída del sistema (VAr nuevo), o lo que es lo mismo una mejora del factor de potencia. Escogiendo el condensador adecuado, se puede corregir el factor de potencia a valores muy cercanos a 1, en la práctica son tomados como aceptables factores de potencias superiores a 0.80. El nuevo factor de potencia viene dado por la expresión:

f.p.nuevo= Potencia Activa (W)/Potencia Aparente (VA1) = cosΦ1

Cálculo del capacitor para corrección del factor de potencia.

Como vimos en el módulo 1 en un circuito con inductancia y resistencia el voltaje en el balasto se puede calcular de la siguiente expresión:

Vbal=Raiz(Vlinea^2-VLámpara^2)

Donde:

Vbal: Voltaje en el Balasto

Vlinea: Voltaje al que se está conectando la Luminaria

Vlámpara: Voltaje de operación nominal de la lámpara utilizada

La potencia reactiva en el Balasto se puede calcular como:

VAbal= Vbal*Ilamp

Donde:

Ilamp: Corriente Nominal en la lámpara

El capacitor necesario para compensar el f.p. a un valor dado se puede calcular como:

Capacitor en μF = (VAbal-PLamp*TAN(ACOS(f.p.))/( Vlinea2*377)*1.000.000

Donde:

Plamp: Potencia nominal de la lámpara

f.p: factor de potencia al que se desea compensar el sistema

En la siguiente tabla podemos observar los valores de los capacitares para algunos de los modelos más populares de lámparas para corrección del f.p. de 90%, 85% y 80%:

Valores de condensador para distintas lámparas y tensiones de línea

Lámpara	Vlinea (V)	Vlamp (V)	Ilamp (A)	C 90% (μF)	C 85% (μF)	C 80% (μF)
100W NA	120	55	2,1	31	28	25
250W NA	240	100	3	23	22	20
400W NA	240	100	4,8	38	35	32
1000W NA	240	110	10,3	76	69	62
1000W NA	480	250	4,7	16	14	12
80W HG	240	115	0,8	6	5	5
175W HG	240	130	1,75	11	10	8
250W HG	240	130	2,13	14	12	10
400W HG	240	135	3,2	20	17	14
1000W HG	240	140	7,5	44	37	31
1000W HG	480	265	4,3	13	12	10
70W MH	240	85	0,9	8	7	7
100W MH	480	103	1,2	6	6	5
150W MH	240	135	1,4	9	7	6
250W MH	240	130	2,13	14	12	10
400W MH	240	125	3,4	23	20	17
1000W MH	240	130	8,25	53	46	40
1000W MH	480	250	6,4	21	19	16
2000W MH	240	135	16,5	101	87	74
2000W MH	480	240	8,5	29	26	23

NA: Vapor de sodio, HG: Vapor de mercurio, MH: Metal Halide

Importancia de la corrección del factor de potencia:

Se reduce la carga, con lo cual se pueden suplir otras cargas sin necesidad de aumentar la generación

Se evitan las penalizaciones por un factor de potencia bajo

Se obtienen ahorros considerables por concepto de la instalación (cables, protecciones y transformadores )

Ignitor

Las lámparas de vapor de sodio y algunas de MH necesitan de un pulso de arranque que inicie la descarga dentro del tubo, este pulso o tren de pulsos lo suministra el ignitor o cebador, el cual está conformado por un circuito electrónico capaz de producir pulsos de voltaje de 1.5 a 5kV. Existen distintos tipos de ignitores, pero en general producen un “golpe” inductivo a través de la bobina del balasto o parte de ella cortocircuitando y abriendo en periodos muy cortos, que van de dos a seis pulsos por ciclo. Los ignitores están diseñados para distintos tipos de lámparas y tensiones de línea los cuales se deben tener en cuenta para lograr un adecuado funcionamiento.

Existen tres tipos principales de ignitor:

Tipo impulsador ( tres terminales)

Es el mas económico y usa la inductancia del balasto como fuente principal del impulso. El balasto debe poseer aislamiento suficiente para soportar el pulso. Principalmente usado en las lámparas de sodio