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• George Braham Victoria Rivera

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CONTROL AUTOMATICO I

Contenido 1.

INTRODUCCIÓN............................................................................................. 2

2.

TIPOS DE CONTROL...................................................................................... 2 2.1.

FOTOCONTROLES TÉRMICOS.................................................................2

2.2.

FOTOCONTROLES ELECTROMAGNÉTICOS.............................................3

2.3.

FOTOCONTROLES ELECTRÓNICOS.........................................................3

2.4.

CARACTERÍSTICAS................................................................................. 4

3.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS FOTOCÉLULAS..............................5

4.

APLICACIONES.............................................................................................. 5

5.

FUNCIONAMIENTO DEL ALUMBRADO PÚBLICO.............................................5

6.

CARACTERISTICAS Y PARTES DEL ALUMBRADO PÚBLICO............................7 6.1.

CARACTERISTICAS................................................................................. 7

6.2.

VENTAJAS ENERGÉTICAS Y AMBIENTALES.............................................8

6.3.

EQUIPOS AUXILIARES............................................................................. 9

6.3.1.

Balasto............................................................................................. 9

6.3.2.

Condensador..................................................................................... 9

6.3.3.

Arrancadores.................................................................................. 10

6.3.4.

Equipos reductores del flujo luminoso.............................................10

6.3.5. Sustitución de las lámparas de vapor de mercurio por otras más eficientes..................................................................................................... 10 6.3.6.

Mejora del factor de potencia...........................................................10

6.3.7.

Sustitución de balastos...................................................................10

6.3.8.

Adecuación de los sistemas de encendido........................................10

6.3.9.

Mantenimiento de las instalaciones..................................................11

6.3.10. 6.4. 6.5. 7.

1

Gestionar la energía.....................................................................11

CIRCUITO QUE INVOLUCRA...................................................................11 FUNCIONAMIENTO RESUMIDO..................................................................11

ESQUEMA DESDE EL PUNTO DE VISTA DE CONTROL AUTOMÁTICO.............12

ALUMBRADO PÚBLICO 1. INTRODUCCIÓN El alumbrado público es el servicio público consistente en la iluminación de las vías públicas, parques públicos, y demás espacios de libre circulación que no se encuentren a cargo de ninguna persona natural o jurídica de derecho privado o público, diferente del municipio, con el objetivo de proporcionar la visibilidad adecuada para el normal desarrollo de las actividades. Por lo general el alumbrado público en las ciudades o centros urbanos es un servicio municipal que se encarga de su instalación, aunque en carreteras o infraestructura

vial

importante

corresponde

al

gobierno

central

o

regional

su

implementación. Para poder ejercer el principio de ahorro energético es necesario un sistema de control automático que supervise este proceso el cual parte del principio del funcionamiento de las fotocélulas. 2. TIPOS DE CONTROL 2.1.

FOTOCONTROLES TÉRMICOS

Existen dos diferentes tecnologías para el mecanismo de operación de los fotocontroles térmicos. La primera de ellas utiliza un elemento bimetálico que se reflexiona cuando experimenta un nivel de temperatura suficientemente alto, producido por una resistencia de calentamiento enrollada sobre dicho bimetálico. Cuando el nivel de iluminancia exterior es alto, la resistencia de la fotocelda disminuye, permitiendo que circule a través de la resistencia de calentamiento (Rc), una corriente suficientemente alta para que el elemento bimetálico se flexione, modificando la posición de los contactos de carga. Cuando el nivel de iluminancia exterior es bajo, la resistencia de la fotocelda aumenta, restringiendo el paso de corriente a través de la resistencia de calentamiento, haciendo que el elemento bimetálico recupere su posición original, por lo cual los contactos de carga quedan en su posición original y la carga sea desconectada. La anterior tecnología es ineficiente, debido a que gran parte del calor generado por el resistor para ser transferido al bimetálico, es disipado en el aire. La segunda tecnología logra un más alto coeficiente de transferencia y funciona con base en un resistor plano. El componente principal es una película de pasta densa, aplicada a un elemento no conductivo, generalmente una pieza de cerámica.Esta película resistiva es adherida en el lado de un bimetal, lo cual provee una fuente de calor durable y estable.

Debido a que el calor es transferido al bimetal sobre un área mayor, se logra una mayor eficiencia debida a un mayor coeficiente de transferencia de calor. La utilización de los fotocontroles bimetálicos térmicos, había sido amplia en sistemas en los cuales el factor de decisión era el costo inicial, sin embargo, se ve limitada cuando se analizan térmicamente aspectos como la tolerancia amplia en la calibración, y en la relación de los niveles de apagado/encendido que generan mayores consumos de energía. Adicionalmente, por sus características térmicas, estos fotocontroles no trabajan apropiadamente a altas o bajas temperaturas y su operación se afecta aún más, cuando son instalados para el control individual sobre la carcasa de la luminaria. 2.2.

FOTOCONTROLES ELECTROMAGNÉTICOS

La operación de los fotocontroles electromagnéticos se efectúa mediante un electroimán que abre o cierra unos contactos de carga.Cuando el nivel de iluminancia en la superficie del elemento sensor es bajo, la corriente a través de la bobina es lo suficientemente pequeña para mantener los contactos de carga en su posición normal. Cuando el nivel de iluminación es alto, se produce el paso de una corriente mayor a través de la bobina cuyo núcleo ejerce atracción sobre el contacto, modificando la posición de los contactos de carga. Estos sistemas de conmutación tienen buen desempeño, sin embargo, la fabricación de las láminas de las bobinas son elaboradas por procesos que requieren un alto nivel de control. 2.3.

FOTOCONTROLES ELECTRÓNICOS

Como parte del desarrollo, para la operación de este tipo de fotocontroles, se han venido utilizando fototransistores de silicio, en combinación con circuitos electrónicos, que estabilizan la tensión de entrada, suprimen y limitan los pulsos de tensión y corriente a valores admisibles a la operación del fotocontrol y no requieren de pararrayos o varistores. El desempeño de estos últimos, es excelente ya que garantizan unas condiciones estables y uniformes a través del rango de tensión de operación para el cual se diseña y durante la vida promedio para la que está garantizado, a unos costos muy comparables a los electromagnéticos.La operación de los fotocontroles se realiza mediante elementos semiconductores, como relés de estado sólido o triacs, los cuales evitan la utilización de elementos con partes móviles para realizar la conmutación, sus

contactos están libres de arcos, ruidos y la operación es segura.Igualmente, se establecen unos niveles de histéresis en el circuito de disparo ¨Trigger¨, para que pequeñas variaciones de luz no causen intermitencia de la bombilla y generen una relación de encendido/apagado menor a 1.5, garantizando períodos de operación más uniformes. 2.4. 

CARACTERÍSTICAS

Controla la conexión y desconexión de artefactos eléctricos para iluminacióna través del cambio del nivel lumínico del medio ambiente.



Sirve para todo tipo de luminaria dentro del rango de tensión, e inclusive enlámparas de bajo consumo.



Retraso

de

respuesta

de

apagado

(máximo

de

1

minuto).

Especialmenteimportante cuando el fotocontrol recibe un rayo de luz, originado por un relámpagoo por luces de un vehículo. 

Sensor de luz de Silicon de larga vida, que no presenta variaciones portemperatura.



Ahorro de energía, pues la conexión del fotocontrol se produce con un nivel deiluminación entre 5 y 12 Lux, y la desconexión entre 28 y 35 lux (si es necesario pueden ser provistos otros umbrales lumínicos).



Tiene incorporado un protector contra sobretensiones (MOV-Varistor oxido metálico)protegiendo a la lámpara y al fotocontrol contra cambios inesperados devoltaje Los fotocontroles electrónicos utilizanun fototransistor como sensor de luz. Hoy en día hay dos formas comercialmente viables, para detectar la luz visible que utilizan los fotocontroles en sistemas de Alumbrado Público: los dispositivos con Silicon (FOTOTRANSISTOR) y las Celdas CdS. El fotosensor del tipo Silicon presenta las siguientes características:



Sensor de luz de silicon de larga vida no presenta variaciones por temperatura no presenta autocalentamiento que si presentan las celdas Cds (Celda de cadmio usadas en losfotocontroles no electrónicos).



Los sensores de silicon son de tamaño reducido.

3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS FOTOCÉLULAS Las fotocélulas son elementos sensibles a la luz que constan de un emisor y un receptor integrados generalmente en el mismo cuerpo. También llamadas “Fotoceldas” o “Células fotosensibles”. Los Fotocontroles son elementos de control que permiten abrir y/o cerrar un circuito prendiendo y apagando una lámpara dependiendo de la intensidad de la luz del Sol que llega al dispositivo.

4. APLICACIONES Los Fotocontroles son utilizados en lugares en donde se requiere “automatizar” el encendido de lámparas, es decir que se prendan y apaguen de acuerdo al nivel de iluminación existente en dicho lugar. Son comunes en alumbrado público o también en empresas e industrias prendiendo lámparas por la tarde/noche, aunque ya empiezan a utilizarse con mayor frecuencia en residencias.

5. FUNCIONAMIENTO DEL ALUMBRADO PÚBLICO Su funcionamiento se basa en la incidencia de la luz del Sol sobre una célula fotoeléctrica que reacciona a la misma provocando una pequeña corriente que permite activar un pequeño dispositivo (relé) que actúa abriendo el circuito de alimentación de la lámpara. En cuanto cesa la luz del Sol termina la corriente y el circuito se cierra. Las conexiones son las que te muestro en el diagrama, si los colores que utilicé cambian, entonces sigue las indicaciones del fabricante proporcionadas al comprar el dispositivo. Los Fotocontroles electrónicos tienen un punto de orientación hacia el Norte, por lo que siempre deben posicionarse hacia él. Permiten controlar cargas diversas, el que te muestro controla hasta 1,500 Watts. Su voltaje de operación es de 127 Volts, en C.A. Si tu fotocontrol es para 220 Volts, realiza las mismas conexiones solo conecta el Neutro a una segunda Fase alimentadora. Dependiendo de la carga a controlar toda la instalación puedes hacerla en calibre número 12 AWG o incluso si es pequeña (menos de 500 Watts) en calibre 14.

6. CARACTERISTICAS Y PARTES DEL ALUMBRADO PÚBLICO

6.1.

CARACTERISTICAS

Las lámparas utilizadas en el alumbrado público deben presentar algunas características que permitan un ahorro energético y, a su vez, económico: 

Intensidad luminosa y tipo de luminaria (reproducción cromática): las lámparas utilizadas deben adaptarse a las necesidades de uso. La demanda lumínica de emplazamientos turísticos no es la misma que en puntos únicamente de tráfico, por lo que las necesidades de intensidad y tipo de luz en estos emplazamientos no es la misma. Tener presente estas diferencias debe permitir reducir la demanda



energética total y optimizar la potencia instalada. Calidad energética de las lámparas (eficiencia): no todos los tipos de lámparas presentan el mismo rendimiento energético. Hacer una correcta selección de las lámparas (dentro de la misma función), teniendo en cuenta el rendimiento (lumen/W), puede derivar en un ahorro energético importante.



Zonificación: establecer cuál es el área que se necesita iluminar permite optimizar



las potencias de las lámparas y, por lo tanto, reducir el consumo. Duración de la vida económica: las lámparas presentan una reducción del rendimiento con el tiempo (lumen/potencia). Tener presente esta variación de propiedades y establecer un óptimo (económico y energético) en la sustitución de lámparas debe permitir un mejor rendimiento del sistema lumínico.

La mayor parte de las lámparas utilizadas en el alumbrado público utilizan un sistema de descarga eléctrica en un gas, generalmente lámparas de mercurio con rendimientos inferiores a otras opciones que se encuentran en el mercado. Los sistemas de descarga consisten en dos electrodos que generan un flujo de electrones por medio de un gas; la excitación de los átomos del gas permite generar luz, cuyas características están en función de la lámpara utilizada. Los tipos más utilizados en el alumbrado público son:      

Lámparas fluorescentes. Lámparas de vapor de mercurio de alta presión. Lámparas de vapor de sodio a baja presión. Lámparas de vapor de sodio a alta presión. Lámparas de mercurio con halógenos metálicos. Lámparas con descarga por inducción.

La sustitución de las lámparas es un proceso que se ha desarrollado en la mayor parte de las ciudades, aunque en muchas zonas se continúan utilizando sistemas de mercurio. En este sentido, se recomienda el uso de lámparas del tipo descarga, si bien su elección tiene que ser la adecuada para obtener las finalidades previstas. En carreteras, se recomiendan lámparas de vapor de sodio a alta presión, a causa de su eficacia luminosa (lumen/W) y mejor rendimiento cromático que las lámparas de vapor de sodio a baja presión. Estas características de las lámparas de baja presión las convierten en adecuadas para puntos con poca necesidad de intensidad lumínica, como pueden ser las carreteras en campo abierto o las zonas rurales. 6.2.

VENTAJAS ENERGÉTICAS Y AMBIENTALES

Una óptima selección de lámparas permite:   

Reducción del consumo energético. Ahorro en las emisiones de CO2. Ahorro económico. La inversión en materiales de calidad deriva en una inversión inicial superior, aunque se acaba amortizando con la optimización del consumo energético.



Adecuación de la intensidad lumínica para cada necesidad. Esto permite minimizar



la contaminación lumínica de cada emplazamiento. Optimización de las necesidades lumínicas para cada necesidad.

6.3.

EQUIPOS AUXILIARES

La tipología de las lámparas utilizadas en el alumbrado público (sistemas con potencias superiores a las de tipo doméstico) implica la necesidad de disponer de una serie de dispositivos para el correcto funcionamiento, ya que, además, en muchos casos éstas no pueden conectarse directamente a la red. Algunos de los elementos auxiliares más importantes son: 6.3.1. Balasto Es un dispositivo que limita el crecimiento de la intensidad de la corriente y suministra a la lámpara las características de tensión, de frecuencia y de potencia adecuadas a un funcionamiento estable. El balasto es así un elemento limitante de intensidad que evita la autodestrucción de la lámpara porque tiene tendencia a incrementar la intensidad durante su funcionamiento y permite un régimen de trabajo. Energéticamente, las características más importantes de los balastos son: 

El funcionamiento del balasto tiene asociado un consumo energético importante.



Éste puede llegar a ser del orden del 20% del consumo de la lámpara. Características de la alimentación: para asegurar un correcto funcionamiento energético de la lámpara, es necesario que el balasto se adapte a las condiciones óptimas de funcionamiento de la lámpara, si no, esto derivará en una pérdida de rendimiento energético.

6.3.2. Condensador La función del condensador es corregir el factor de potencia del sistema y minimizar el consumo de energía reactiva. Con estos sistemas se obtiene una reducción del consumo energético y un ahorro a la factura energética por una reducción de energía reactiva. 6.3.3. Arrancadores Se encargan de generar los impulsos de tensión necesarios para encender la lámpara.

6.3.4. Equipos reductores del flujo luminoso Hay sistemas en el mercado que permiten regular la intensidad lumínica. Aunque representan un incremento en el consumo energético de las lámparas, la posibilidad de regular la potencia en puntos concretos de necesidades variables puede permitir reducir el consumo energético anual de manera significativa. En estas condiciones pueden plantearse diversas opciones en el campo de la eficiencia en el alumbrado público: 6.3.5. Sustitución de las lámparas de vapor de mercurio por otras más eficientes La selección de las lámparas más adecuadas es el punto más importante para el buen funcionamiento energético de los sistemas de alumbrado público. En este sentido, el cambio más interesante puede ser la sustitución de las lámparas de mercurio existentes por sistemas más eficientes. 6.3.6.

Mejora del factor de potencia

Las instalaciones con lámparas de descarga presentan un consumo de energía reactiva que representa un incremento sobre la factura que puede llegar al 45%. Mediante una correcta instalación de condensadores puede obtenerse una reducción de costes importante. 6.3.7. Sustitución de balastos Actualmente, hay balastos del tipo electrónico que permiten una reducción de hasta el 15% en el consumo energético con respecto a los sistemas tradicionales. 6.3.8. Adecuación de los sistemas de encendido Encender el parco lumínico en el momento óptimo representa una manera eficiente de reducir el consumo energético. Disposiciones con células fotoeléctricas que enciendan o apaguen en función de la intensidad de luz elementos con relojes astronómicos son soluciones que se encuentran actualmente en el mercado. 6.3.9. Mantenimiento de las instalaciones Un correcto mantenimiento de las instalaciones permite incrementar la vida económica y los rendimientos lumínicos. Es importante mantener limpiezas periódicas en las líneas de alumbrado y sustituciones adecuadas de las líneas.

6.3.10. Gestionar la energía Tener presente las necesidades del parque de luces, así como coordinar todos los medios técnicos y humanos, son elementos esenciales para el correcto funcionamiento de las instalaciones. 6.4.

CIRCUITO QUE INVOLUCRA

6.5.

FUNCIONAMIENTO RESUMIDO

La tensión viene desde la red al transformador reductor, el cual va luego al medidor y al interruptor termomagnetico, pero sin antes pasar por la unidad de control la cual está constituida por fotocélulas que activan al contactor, el cual manipula la entrada de corriente al alumbrado.

7. ESQUEMA DESDE EL PUNTO DE VISTA DE CONTROL AUTOMÁTICO



La señal de entrada será el valor de consigna del nivel de iluminación al que queremos que entre en funcionamiento el sistema de alumbrado, y que seleccionaremos mediante un potenciómetro que podremos regular, para poder seleccionar diversos valores de consigna.



La señal de salida será la iluminación producida.



El sensor que capta el nivel de iluminación será una resistencia especial LDR, que modifica el valor de resistencia en función de la incidencia de luz sobre ella. Ambas señales las llevaremos a un amplificador operacional (AO), en el que comparamos las señales en sus entradas, si es mayor la señal de referencia ofrecerá una señal de error que convenientemente amplificada, por un transistor, o como en este caso por un relé o contactor, actuará sobre el encendido del alumbrado público.



Se trata de un sistema de control en bucle cerrado, ya que continuamente está comparando la iluminación ambiental con la señal de consigna.