Eficiencia Energética - Capítulo IV - La eficiencia de los electrodomésticos en el ahorro energético

Los electrodomésticos, aunque no son aparatos de gran potencia, ocupan un lugar importante en el consumo energético. En un hogar medio, aproximadamente el 15% del consumo de electricidad corresponde a la iluminación, el 25% a los pequeños electrodomésticos y el 60% a los electrodomésticos de línea blanca. Dentro del grupo de los pequeños electrodomésticos se encuentran los aparatos electrónicos como el televisor, reproductor de DVD, equipo de música, ordenador, etcétera. Y dentro de los electrodomésticos de línea blanca están la lavadora, el frigorífico, el lavavajillas, etcétera. El funcionamiento simultáneo de todos estos aparatos en miles de hogares supone un importante gasto energético. Por lo que en este sector la eficiencia energética desempeña un importante papel. Los equipos electrónicos generan corrientes armónicas que introducen en las redes de alimentación unas deformaciones que deterioran la calidad de la energía. La mayoría de los países europeos están implantando la norma EN 61000-3-2 sobre armónicos, con el objeto de controlar las perturbaciones y obtener la máxima eficiencia energética.

Nos estamos familiarizandos con el término "eficiencia energética", que es lo que se entiende como la adecuada administración de la energía con el objeto de ahorrar la que no produce un trabajo útil, como consecuencia de algunos tópicos como el cuidado del medio ambiente, el ahorro económico y el agotamiento de las fuentes de energía de combustibles fósiles. Un punto importante de la eficiencia energética lo ocupan los electrodomésticos de nuestras viviendas, que, si bien, no son aparatos de gran potencia, hay que pensar que son cientos de miles los que en cada momento están funcionando simultáneamente. Entendiendo por electrodoméstico todo aparato de uso doméstico alimentado con electricidad, si bien, los podemos clasificar en dos grandes grupos: los pequeños electrodomésticos (que en su mayoría son aparatos electrónicos como el televisor, el DVD, el equipo de música, el ordenador, etcétera) y los electrodomésticos de línea blanca (lavadora, frigorífico, lavavajillas y demás).

En 1994 entró en vigor en España una directiva comunitaria que exige el etiquetado energético de lámparas de uso doméstico y los electrodomésticos de línea blanca como frigoríficos, congeladores, lavadoras, lavavajillas, etcétera. Desde entonces, todos los fabricantes tienen que identificar los electrodomésticos con una letra de la A a la G, que es indicativa de su nivel de eficiencia energética. La A indica la máxima eficiencia y la G, la mínima, según se refleja en la tabla 1.

Para entender como se regulan las categorías existentes en la eficiencia energética para electrodomésticos hemos de tener presente como se regula el voltaje nominal. El voltaje nominal europeo es actualmente de 230 V 50 Hz. Formalmente, 240 V en el Reino Unido y 220 V en el resto de Europa. El límite de voltaje armónico en Europa es de:

230 V -10% +6%

Es decir, una variación de voltaje armónico comprendida entre 207 V y 243,8 V, tomando como valor para la mayoría de los países europeos 220 V, mientras que para el Reino Unido el valor es de:

230 V -6% +10%

Esto le permite una variación comprendida entre 216,2 V y 253 V, tomándose en el Reino Unido el valor nominal de 240 V. Con el objeto de que los equipos europeos cumplan con ambos límites, se admite oficialmente desde el año 2003 como límites:

230 V ± 10%

Esto se traduce en unos valores de tensión comprendidos entre 207 V y 253 V, que son distintos para el resto del mundo y dependen de la zona: América del Norte, México, Australia, etcétera.

Pero aparte de esto, hay que tener en cuenta el "factor de potencia" y el "cos ϕ". En general, el factor de potencia y el cos ϕ son lo mismo y se puede hablar de uno y de otro indistintamente. Si bien, hay que precisar que esto es cierto sólo en el caso de que no estén presentes señales armónicas, es decir, cuando tanto la señal de corriente como la de tensión sean señales senoidales.

Tabla 2. Ejemplo de pegatinas según la clasificación energética.

Según la norma UNE EN 50160:1996, una tensión armónica es una tensión senoidal cuya frecuencia es múltiplo entero de la frecuencia fundamental de la tensión de alimentación.

Cuando en una instalación hay armónicos, significa que aunque la señal sea de 50 Hz, contiene componentes de alta frecuencia. Y, en general, la tensión de alimentación contendrá armónicos cuando no sea perfectamente senoidal, es decir, cuando presente deformaciones con respecto a una tensión senoidal perfecta. Por tanto, podemos decir que el factor de potencia es la relación entre la potencia activa y la potencia aparente:

FDP = Potencia activa / Potencia aparente

Mientras, el cos ϕ es la relación entre la componente fundamental de la potencia activa y la componente fundamental de la potencia aparente.

Cos ϕ = Potencia activa fundamental / Potencia aparente fundamental

La relación entre el FDP y el cos ϕ viene dada por el factor de distorsión o factor de deformación (FDD):

FDD = FDP / cos ϕ

Además,

FDD = Valor de la fundamental (H1) / Valor eficaz

Por lo que:

FDP / cos ϕ = Valor fundamental (H1) / Valor eficaz

De donde:

cos ϕ = FDP x Valor eficaz / Valor fundamental (H1)

Donde el valor eficaz = √(H12 + H22 + H32 + H42 +…..+ Hn2), viene dado como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las componentes armónicas. Sólo en el caso de que no se presenten armónicos se cumplirá que:

Valor eficaz = √(H12) = H1

Y entonces:

cos ϕ = FDP x H1 / H1

Quedando:

FDP = cos ϕ

Y en este caso, las tensiones y corrientes son perfectamente senoidales y el factor de distorsión (FDD) es igual a la unidad. Pues se cumple que:

FDD = FDP / cos ϕ = cos ϕ / cos ϕ = 1

En las instalaciones domésticas el factor de potencia y el cos ϕ están habitualmente muy próximos, aunque se produzcan armónicos, ya que, si bien, la señal de corriente en presencia de armónicos está muy deformada, la señal de tensión tendrá menor distorsión armónica. Esto en la práctica se traducirá en que el factor de potencia y el cos ϕ tienen valores cercanos.

La producción de armónicos en las instalaciones domésticas se debe fundamentalmente a la conexión de equipos que presentan una característica tensión-corriente no lineal como equipos informáticos, electrodomésticos con control electrónico y, en general, cualquier aparato electrónico.

El efecto de los armónicos sobre las potencias puestas en juego quedará más clarificado si utilizamos el conocido triángulo de potencias, pero en este caso en tres dimensiones (tabla 3).

Si representamos por:

S, la potencia aparente.

Q, la potencia reactiva.

P, la potencia activa.

D, la distorsión de potencia armónica.

De todas estas potencias, la única que produce trabajo útil es la potencia activa P. De forma que la potencia de distorsión armónica D, y la reactiva Q de la instalación no producen trabajo. Y vienen relacionadas por la expresión:

S²= P²+ Q² + D²

De donde la distorsión armónica de potencia viene dada por:

D² = S²- (P² + Q²)

Su efecto generalizado es el aumento de la corriente eficaz. A su vez, el efecto pelicular o efecto skin reduce la sección efectiva de los conductores a medida que aumenta la frecuencia del armónico, lo que produce un calentamiento generalizado de la instalación.

Tabla 3. Relación de Potencias.

Ya por último, solamente queda diferenciar las cargas lineales de las no lineales para aclarar así la explicación anterior.

Una carga se denomina lineal cuando la corriente que absorbe tiene la misma forma que la tensión que la alimenta. Como esta corriente no tiene componentes armónicos, la carga lineal no distorsiona la señal de corriente. Estás están compuestas por componentes pasivos, es decir, car-gas resistivas, inductivas y capacitivas. En definitiva, cargas RLC que no deforman la señal, por lo que si la tensión en bornas de estas cargas es senoidal, la corriente consumida por la carga también es senoidal, si bien puede que esté desfasada con respecto a la tensión en un valor que depende de la proporción entre cargas resistivas, inductivas y capacitivas. Es el caso de los motores sin convertidores de frecuencia, iluminación incandescente, resistencias de estufas, etcétera.

Por otro lado, se denomina no lineal cuando la corriente que ella absorbe no es de la misma forma que la tensión que la alimenta. Esta corriente es rica en armónicos y su espectro es función de la naturaleza de la carga. Las cargas no lineales están compuestas por componentes pasivos y componentes activos, es decir, por cargas electrónicas. Las cargas no lineales producen una deformación de la onda de corriente, o sea, si la tensión en los bornes de estas cargas es senoidal, la corriente que absorben no lo es, y pueden, además, estar desfasadas. Estas cargas son los variadores de velocidad, controladores de iluminación, tubos fluorescentes, equipos informáticos y electrodomésticos con componentes electrónicos. Las cargas no lineales se caracterizan por consumir corriente a impulsos. Esto es cuando la forma de onda alcanza su valor máximo, o su valor mínimo es cuando la carga no lineal conduce, produciendo señales pulsantes que circulan por cables, diferenciales y magnetotérmicos que, en principio, sólo estaban diseñados y dimensionados para señales de corriente de tipo senoidal.

Fuente: Juan Manuel Oliveras Sevilla

Este tipo de cálculos podrían aplicarse y tenerse en cuenta en sistemas de generación de energía, siempre que exista la posibilidad de la generación de armónicos debido a un mal filtrado en la electrónica de potencia de los sistemas de generación.