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Equipos auxiliares para lámparas de mercurio
-/2002
Equipos auxiliares para lámparas de mercurio
Redacción SicaNews [ newsletter@sicaelec.com
]
Resumen:
En este artículo se describen las particularidades que presentan los diferentes tipos de equipos auxiliares para lámparas de mercurio de alta presión y las características técnicas que deben tener para cumplir con las normas de aplicación.
Desarrollo:
1 - Introducción general
El funcionamiento de las lámparas de vapor de mercurio de alta presión (MAP) presenta un conjunto de aspectos que deben considerarse para su funcionamiento correcto. Habitualmente estas lámparas de descarga gaseosa son alimentadas con corriente alterna, para obtener un desgaste parejo de sus electrodos que permita una vida útil prolongada.
Las lámparas MAP en estado frío se encienden sin necesidad de aplicar un medio auxiliar externo a tensión nominal, pues disponen de un electrodo auxiliar interno de cebado, ubicado muy cerca de uno de los electrodos principales para producir una descarga piloto inicial de arranque. Una característica típica de estas lámparas, es que después de apagar la misma, por efecto del calentamiento previo se produce una presión interna tan elevada que la tensión de encendido no disminuye por debajo de la de servicio hasta que la lámpara se haya enfriado, requiriendo así un tiempo para el reencendido a tensión nominal.
En ciertos casos, para acelerar el proceso de reencendido en caliente se pueden utilizar aparatos adicionales.
La descarga en el tubo posee una característica de resistencia negativa, pues la caída de tensión en la lámpara casi no aumenta con el incremento de la corriente, siendo necesaria la instalación de una impedancia con característica de resistencia positiva que limite la intensidad absorbida para lograr un funcionamiento estable. Además, su tensión de arco casi constante permite construir balastos autorregulados, como se indica mas adelante.
Según su lugar de ubicación, esta impedancia limitadora puede ser externa o interna, por lo que estas lámparas se fabrican en dos modelos básicos: para uso con equipo auxiliar y mezcladoras.
Las primeras funcionan en cualquier posición y necesitan un balasto externo preconectado para estabilizar el proceso de descarga. En el encendido pueden llegar a absorber hasta 1,5 veces la intensidad nominal, según el tipo de lámpara. El flujo luminoso máximo se alcanza a los 3 - 6 minutos del encendido. Tienen una vida útil elevada: entre 12.000 hs. y 16.000 hs. según la potencia; y asimismo una eficacia luminosa alta: entre 50 y 60 lm/W, lo que la convierte en una lámpara de bajo consumo.
Por su parte, las mezcladoras no requieren ningún equipo auxiliar para su funcionamiento y se pueden conectar directamente a la red, pues la impedancia limitadora está implementada a través de un filamento resistivo de tungsteno incluido en la lámpara y conectado en serie con el elemento de descarga. Este filamento también provee cierto flujo luminoso.
En el encendido absorben hasta 1,5 veces la intensidad nominal y necesitan un pequeño tiempo de calentamiento para llegar a los valores máximos de emisión. Su vida útil ronda las 6.000 hs. Además debe considerarse la influencia de la tensión aplicada, como en las incandescentes. Su eficacia luminosa es de 20 a 30 lm/W, mientras que la posición de funcionamiento es vertical (± 30º) en las lámparas de 160W y en cualquier posición en las demás potencias.
En teoría existen dos tipos de balastos para lámparas de vapor de mercurio de alta presión, basados en diferentes principios de funcionamiento: los electromagnéticos y los electrónicos. Sin embargo, estos últimos aún no tienen difusión práctica, como ya ocurre con los destinados a la lámparas fluorescentes.
2 - Balastos electromagnéticos
En los balastos electromagnéticos de CA sin atenuación, diseñados para lámparas con tensiones de arco menores que la tensión de la línea, sólo se necesita un inductor en serie con la lámpara.
Para las lámparas con tensiones de arco mayores que la tensión de la red de CA, se agrega un capacitor resonante en serie, o mas habitualmente, se dispone un autotransformador elevador de campo disperso, con el que se logra la interdependencia entre la tensión y la intensidad secundaria, necesaria para el funcionamiento de la lámpara de descarga, mediante un circuito magnético en derivación entre el bobinado primario y el secundario.
Los balastos electromagnéticos que operan a la frecuencia de 50 ó 60 Hz, usualmente generan un ligero zumbido audible y tienen un bajo factor de potencia (alrededor de 0,45 ind.) que debe compensarse mediante capacitores adicionales conectados en paralelo o en serie.
Si además se desea reducir el efecto estroboscópico, producido por el parpadeo de la emisión lumínica a la frecuencia de red y sus múltiplos, se deben incorporar elementos reactivos que generen un desplazamiento de fase entre las distintas lámparas instaladas o bien deben conectárselas a las diferentes fases del suministro de energía eléctrica.
Cabe aclarar que el ojo humano puede compensar el efecto estroboscopico producido por la lámpara, aunque esto puede producir fatiga ocular; pero en los casos en que se tengan máquinas en rotación pueden presentarse situaciones de trabajo peligrosas.
Los balastos para MAP de uso común para iluminación interior o exterior, no suelen presentar problemas de zumbido apreciables si son montados correctamente. Pero, en otros casos, como por ejemplo en los estudios de radio o televisión, el ruido de los balastos será altamente percibido por los micrófonos, y la posible interferencia de RF provocará problemas con otros equipos de audio y video
Los componentes necesarios para el servicio de las lámparas (bobinas de reactancia y capacitores) se agrupan frecuentemente en equipos auxiliares de preconexión, cuyos reactores generalmente están construidos en ejecuciones de alambre de cobre esmaltado y chapas de hierro laminadas incluidas en resina colada.
El balasto de factor de potencia normal sólo contiene un inductor que se conecta en serie con la lámpara. El mismo se emplea cuando la tensión de línea supera el valor de la tensión de encendido de la lámpara, y dado que sus características de regulación son pobres, no se recomienda para instalaciones con variaciones de tensión pronunciadas.
El balasto de alto factor de potencia consta de un inductor que se conecta en serie con la lámpara y un capacitor en paralelo con la red, que no afecta la operación de la lámpara. En consecuencia támbien se usa cuando la tensión de línea es mayor que el valor de la tensión de encendido, y sus características de regulación son equivalentes al anterior.
La tensión de arco casi constante de las lámparas MAP permite construir balastos autorregulados (conexión capacitiva), en los que el capacitor en serie con el inductor permite su funcionamiento con fuertes variaciones de la tensión de alimentación (como ocurre en ciertas regiones marginales o en industrias con arranque frecuente de grandes motores), llegando a funcionar con tan sólo 140 V (en redes de 220 Vca nominal). Con esta disposición se logra una buena regulación de la potencia de la lámpara.
En esta conexión serie, la tensión resultante en el capacitor es mayor que la de red (400 ó 600 V según lámpara). Asimismo, los valores de la inductancia y de la capacidad deben estar mutuamente ajustados, pues de lo contrario, se pueden presentar corrientes armónicas demasiado elevadas, que conducirían a un desgaste prematuro de la lámpara.
Por lo anterior, la tolerancia en el valor de la capacidad a instalar no debe exceder del 4 %; y además no puede convertirse un balasto común en autorregulado por el simple agregado de un reactor serie. Al respecto no debe olvidarse que el balasto reactor simple está diseñado para trabajar a una tensión e inducción magnética mucho menor que la presentaría en tal conexión serie.
Para atenuar la luminosidad de la lámpara (dimming), hay que asegurar las condiciones de mantenimiento de la descarga luminiscente en todo el campo de regulación deseado, sin perjudicar la vida útil de la lámpara ni de los equipos asociados. El dispositivo atenuador habitualmente se conecta en serie con el balasto propiamente dicho. El mismo puede estar constituido por un triac cuyo ángulo de disparo se modifica variando la resistencia de un circuito RC, por un reactor de núcleo saturable o por un reactor adicional en serie con o sin derivaciones intermedias. También puede recurrirse a balastos con varios arrollamientos que permiten obtener diferentes impedancias.
Cabe señalar que el campo de regulación que puede obtenerse con estos balastos electromagnéticos resulta bastante reducido, pues como el arco se extingue cada vez que la tensión pasa por cero, a bajos niveles no se logra alcanzar la suficiente tensión para restablecer el arco inmediatamente.
3 - Carácterísticas técnicas
Recapitulando lo dicho anteriormente, el balasto debe cumplir con las siguientes funciones:
a) Fijar la corriente de operación normal de la lámpara.
b) Presentar alta impedancia hacia la red al momento del arranque, asegurando las condiciones de encendido.
c) Presentar valores reducidos de pérdidas en el hierro y una resistencia óhmica baja, de manera que las perdidas de potencia (calor generado) sean mínimas.
d) Mantener acotado el valor del factor de pico y de las armónicas presentes.
La norma IRAM 2312 es la que establece las características de funcionamiento y seguridad de los balastos para lámparas de vapor de mercurio de alta presión alimentados con corriente alterna de 50 ó 60 Hz, para asegurar el desempeño correcto de la instalación. También resultan de aplicación las normas IEC 60922 y 60923.
De acuerdo con las características anteriores, es necesario que los balastos cumplan con los siguientes parámetros:
1) Impedancia nominal: Esta es la característica del balasto que fija (en su mayor parte) la corriente de operación de la lámpara. Una reactancia un poco por debajo de la nominal implica una mayor corriente de operación y una potencia lumínica mayor. Esto trae como consecuencia el envejecimiento prematuro de la lámpara y del balasto debido al incremento del calor generado por ambos componentes.
Por el contrario, una reactancia por encima del valor nominal implica obtener una menor luminosidad que la de cálculo, afectando el confort visual y los niveles de iluminación resultantes.
Si el flujo luminoso obtenido adopta valores demasiado bajos, se tendrá un punto de operación inaceptable desde el punto de vista técnico-económico.
2) Aislación interna: Debido a que las lámparas MAP no necesitan pulsos de ignición elevados (como en sodio alta presión), sólo se requiere un nivel de aislación semejante al de la mayoría de los aparatos de baja tensión.
3) Pérdidas mínimas: La resistencia interna del alambre de cobre del balasto y las perdidas generadas por el núcleo del reactor son las responsables de la producción del calor por parte de este (potencia de pérdida), que además del gasto económico, produce un envejecimiento prematuro de los materiales aislantes. Hay que considerar que aproximadamente por cada 7 ºC de aumento de la temperatura de trabajo del balasto, se produce una reducción de su expectativa de vida a la mitad.
Por tal motivo, las normas de aplicación determinan la máxima temperatura de funcionamiento (por ejemplo 120 ºC) y la máxima sobreelevación de temperatura admisible (por ejemplo 70 ºC). La diferencia entre ambas es la máxima temperatura ambiente a la que puede operar el balasto (por ejemplo 50 ºC).
Cabe aclarar en cuanto a la temperatura ambiente, que se debe considerar la existente en las proximidades del equipo auxiliar. Hay que tener en cuenta que los balastos muchas veces se instalan en luminarias totalmente cerradas, en las que se produce un aumento de la temperatura significativo originado por el calor de pérdidas del balasto y la lámpara.
Las características de pérdidas del balasto están estrictamente relacionadas con la calidad de los materiales utilizados para su fabricación. Además el condensador de factor de potencia se verá afectado por esta perdida debida al aumento de la temperatura ambiente reinante dentro de la luminaria.
4) Interferencia: Debe obedecer a las normas de interferencia eléctrica y electromagnética vigentes, ya que un problema común es el ruido producido por estos y la radiofrecuencia (RF).
Por otra parte, de acuerdo a su método de instalación se distinguen los siguientes tipos de balastos:
A) Balasto para ser incorporado: previsto exclusivamente para ser instalado en el compartimiento portaequipo interior de una luminaria, o dentro de una cubierta o caja adicional para el balasto, adosada a la luminaria.
B) Balasto para intemperie: para ser instalado en las proximidades de una luminaria, no protegido contra contactos accidentales, colocado en lugares inaccesibles a las personas sin el uso de escaleras, y provisto de una cubierta adecuada para protegerlo de las inclemencias atmosféricas.
C) Balasto independiente: previsto para ser colocado desvinculado de la luminaria a cualquier distancia y que, sin cobertura suplementaria, ofrezca las máximas condiciones de seguridad para el usuario y la instalación.
A su vez, todos los tipos precedentes pueden presentarse en una de las siguientes clases:
I) Sin temperatura marcada: son aptos para trabajar en ambientes cuyas temperaturas no excedan de los 35 ºC.
II) Con temperatura marcada: para ambientes con temperaturas hasta 50 ºC en los de tipo para incorporar y 35 ºC en el resto.
4 - Otros factores adicionales
En la instalación de lámparas de vapor de mercurio de alta presión deben considerarse otros factores. Así, la importancia del correcto dimensionamiento de la línea de alimentación radica en la tensión que se tiene en la acometida de cada luminaria, considerando que habitualmente todo un grupo de luminarias se alimenta a través de una misma línea y que esta presenta una caída de tensión originada por la corriente circulante.
Puede ocurrir que en alguna luminaria la tensión de entrada se encuentre muy cerca de la tensión de encendido, lo que hace que dicha luminaria en algunas ocasiones no encienda. El problema se agrava al ir envejeciendo las lámparas en cuestión, debido a que requieren de mas tiempo para poder encender.
Por otra parte hay que tomar en cuenta los eventuales aumentos en la tensión de alimentación debida a las fluctuaciones en la red por encima del valor nominal, lo cual acorta la vida de la lámpara. Además, los aumentos repentinos de tensión debidos a perturbaciones atmosféricas podrían afectar al capacitor de corrección del factor de potencia y al balasto.
Asimismo, existen casos de lámparas en las cuales al haber concluido su período de vida útil, estas no quedan totalmente fuera de servicio, verificandose que durante su operación se encienden y se apagan en un período de 5 a 10 minutos.
Debido a la existencia de una inductancia en el equipo, cualquier conexión que falle en el circuito de línea que comprende el balasto y la lámpara (inclusive la base de la lámpara), provocará picos de tensión por autoinducción del reactor, que pueden facilmente dañar la base de la lámpara.
Entonces se aconseja el uso de buenos terminales para todas las conexiones, siendo inclusive recomendable (en algunos casos) la soldadura con estaño de esas conexiones. La base de la lámpara cumple con la función de servir de soporte mecánico y de conexión eléctrica para dicha lámpara, y además de todo esto, debe presentar una buena aislación eléctrica. Lo cual significa que los materiales involucrados en esa base están sometidos a un alto grado de deterioro por causa del calor engendrado, el torque mecánico, y el paso de corriente. De lo explicado anteriormente, se recomienda el uso de buenos materiales para la construcción de luminarias, especialmente aquellas destinadas a ambientes muy severos.
Si el capacitor de corrección del factor de potencia presenta perdidas en su desempeño (resistencia interna), estas pueden llegar a ser tan altas que es posible su colapso debido al incremento de la temperatura. También un aumento sostenido de la tensión de red por encima de la tensión nominal del capacitor puede hacer que este salga de operación o se produzca su explosión.
La temperatura del recinto donde se instala el balasto debe ser la menor posible, por lo que se debe procurar que tenga una buena ventilación y evitar que el calor generado por la lámpara se dirija hacia el mismo. Además se recomienda instalar el balasto en contacto con superficies metálicas, para facilitar la disipación de calor por conducción.
Otro factor a tener en cuenta, es que los cables que van al portalámparas deben ser los adecuados para soportar la alta temperatura que generalmente se tiene en el recinto correspondiente.
En el caso de equipos instalados en zonas cercanas al mar, es importante que se disponga de la correspondiente protección contra la corrosión salina.
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