Universidad de Oviedo · Arrancadores para Lámparas de Descarga Conclusiones Aportaciones...

Universidad de Oviedo

BALASTOS ELECTRÓNICOS NO RESONANTES PARA

LÁMPARAS DE ALTA INTENSIDAD DE DESCARGA:

APORTACIONES EN EL CIRCUITO DE ARRANQUE Y EN LAS

ETAPAS DE CALENTAMIENTO Y RÉGIMEN PERMANENTE

Autor: D. Jorge García García

Gijón, Julio de 2003

Directores: D. Manuel Rico Secades

D. Emilio López Corominas



Conclusiones

Aportaciones Realizadas

Futuras Líneas de Investigación

Arrancadores para Lámparas de Descarga

Inversores Propuestos

Análisis Teórico y Obtención de Especificaciones de Diseño

Prototipos Construidos, Resultados Experimentales.

Balastos Electrónicos:

Formas de Onda

Estabilidad

Resonancias Acústicas en Lámparas de Descarga

Lámparas de Descarga

Introducción

Objetivos y Contenidos de la Tesis

Índice de la Presentación



Introducción





Formas de Onda

Estabilidad





Conclusiones




Introducción

Antecedentes

Tesis Doctorales

Artículos Técnicos

Ponencias en Congresos

Impartición de Seminarios

Etc.

ExperienciaRetos Tecnológicos en

Iluminación electrónica

Balastos HF para

Lámparas HID

(Resonancias Acústicas)

Tesis Doctoral:

Propuesta de Balastos HF

No Resonantes


Introducción

Balasto Completo

No Resonante para Lámparas HID

Tema ActualNo existen inversores

electrónicos de alta

frecuencia comerciales

para lámparas HID

Propuestas:

Balastos de Continua o de Baja Frecuencia

(Nishimura et Al., 1987)

Realimentación

. (Wada et Al., 1987; Gibson et Al., 1994; Yan et Al., 2000)

Modulación Mediante Ruido Blanco (Laskai et Al., 1996)

Inyección de Armónicos (Alonso et Al., 2002)

Forma de Onda Cuadrada (Ponce et Al., 2001)

Dr. Marcos Alonso

1994

Dr. Felipe Rodríguez

2001

Inversores

Resonantes para

Lámparas HID

Dr. Emilio L. Corominas

1999

Inversores No

Resonantes para

Fluorescentes

Dr. Javier Ribas

2001

Modelos

Dinámicos de

Lámparas HID Dr. Jesús Cardesín

2002

Etapas de Entrada

PFC para Balastos

Electrónicos

Antecedentes

en el grupo de

investigación


Introducción

Objetivos:

Obtener HERRAMIENTAS DE DISEÑO para un balasto electrónico:

• Diseño Completo (Arrancador, Calentamiento, Permanente)

• Válido para Distintas Frecuencias y Potencias Nominales

• Libre del Fenómeno de Resonancias Acústicas

• Que Proporcione Topologías y Métodos de Control

Análisis del Fenómeno de Resonancias Acústicas

Estudio de F. de O. Adecuadas para Alimentar Lámparas H.I.D.

Análisis, Estudio y Método de Diseño de Topologías de Potencia

Análisis, Estudio y Método de Diseño de Sistemas de Control

Construcción de Prototipos y Experimentación



Introducción





Formas de Onda

Estabilidad





Conclusiones





Fuentes de Luz:

Lámparas de

Descarga

Lámparas de Sodio a

Alta Presión

Descarga a

Baja Presión

Descarga a

Alta Presión

Lámparas de Sodio a

Baja Presión

Lámparas de Mercurio

a Alta Presión

Lámparas de Halogenuros

Metálicos

Lámparas de Mercurio

a Baja Presión

• Tubos

Fluorescentes

• Fluorescentes

Compactas

• Fluorescentes

Especiales

Lámparas de Xenón

• Vapor de

. Mercurio

• Lámparas de

Luz Mezcla

• Especiales


Procesos en la Descarga


Generación de Calor

Ionización de los Átomos

Excitación de Átomos del Gas



Envejecimiento y Calentamiento

Calentamiento de la Lámpara

Lámparas HID:

RFRIA = 10%-20% RCALIENTE


Envejecimiento de la Lámpara


Envejecimiento y Calentamiento

Lámparas HID:

RVIEJA = 200% RNUEVA



Comportamiento en Frecuencia

Baja frecuencia

(50 Hz – 60 Hz)

Comportamiento no lineal

Alta frecuencia

(10 kHz – en adelante)

Comportamiento resistivo


Balasto Electrónico

Bat

ería

DC

Estabilidad

Potencia

Regulación

Control, Monitorización

Protecciones

...

Rectif.

/

Filtro EMI

Inversor

HF

PFC

/

Bus DC

Bus DCEstabilidad




Introducción





Formas de Onda

Estabilidad





Conclusiones




Resonancias Acústicas

Tensión

Corriente

Potencia

Variaciones en Temperatura y

Presión en el Tubo de Descarga (a la frecuencia de la potencia instantánea)

TUBO DE DESCARGA

Sistema Mecánico:

Frecuencias Propias

Propiedades Termodinámicas

Geometría del Tubo de Descarga

Vapor Metálico

Gas de Relleno

RESONANCIAS ACÚSTICAS



Tensión

Corriente

Potencia

Variaciones en Temperatura y

Presión en el Tubo de Descarga (a la frecuencia de la potencia instantánea)

TUBO DE DESCARGA

Sistema Mecánico:

Frecuencias Propias

Vapor Metálico

Gas de Relleno

Propiedades Termodinámicas

Geometría del Tubo de Descarga

RESONANCIAS ACÚSTICAS



Análisis Teórico

Ecuación de onda acústica en el dominio del tiempo

p=1 2p

C2 t2

Condiciones de contorno

Propiedades físicas

SOLUCIÓN APROXIMADA

pcos(m·)·cos( )·Jm( )·e-2ifz·z r·r

C C

f=1

2z

2+r2


2

C

EXPRESIÓN DE LA FRECUENCIA DE RESONANCIA

( ) nzfm, n, n=R

+


Análisis Teórico

z L

2

( ) mn2

•Geometría del tubo de descarga

•Propiedades físicas

•Modo de Resonancia

•Órdenes de Resonancia



Compuestos

Modos

Radial

Longitudinal

Azimutal

Principales

Radial

Longitudinal

Azimutal

Resonancias


Segundo OrdenPrimer Orden


Resonancias Órdenes

Primer Orden

Órdenes

Superiores

Compuestos

Modos

Longitudinal

Azimutal

Principales

Radial

Tercer Orden


Frecuencia


Distribución Espectral

Compuestos

Órdenes

Primer Orden

Modos

Longitudinal

Azimutal

Principales

Radial

Órdenes

Superiores

Resonancias APORTACIÓN


Energía de Activación

Distribución Espectral

Compuestos

Órdenes

Primer Orden

Modos

Longitudinal

Azimutal

Principales

Radial

Órdenes

Superiores

Resonancias


Energía de

Activación

Frecuencia



Energía de Activación

Amplitud de

Cualquier Armónico

de Potencia < 5% del Valor de la

Potencia Media

Pn

P0

< 0,05


(Laskai et Al., 1998)

(Denneman 1983)



Introducción





Formas de Onda

Estabilidad





Conclusiones




Formas de Onda

Balastos Electrónicos

Cuasicuadrada Asimétrica Inversor 1 Interruptor

Rectangular Asimétrica Puente Completo Asimétrico

Cuadrada con Tiempos Muertos Puente Completo Real

Cuadrada Puente Completo Ideal

Senoidal Balasto Resonante HF

Tipo Balasto

Cuasicuadrada Simétrica Inversor 2 Interruptor



Formas de Onda

V(t)

I(t)

P(t)

•P0 = Potencia Media

•P1 = 1er Armónico de

Potencia

%100P

P

0

1

%5P

P

0

1

Senoidal



Formas de Onda

V(t)

I(t)

P(t)

Cuadrada



Potencia

%0P

P

0

1

%5P

P

0

1



Formas de Onda

d

Td

T=d



Potencia

%5P

P

0

1 % 4,2 T

d d

d 2,4%

V(t)

I(t)

P(t)

Cuadrada con Tiempos Muertos



Formas de Onda

t1T

=D



Potencia

t1

T

%5P

P

0

1 % 52 D% 48

48% D 52%

V(t)

I(t)

P(t)

Rectangular Asimétrica



Formas de Onda

t1T

=D



Potencia

%5P

P

0

1

t1

T

DiLamp

V(t)

I(t)

P(t)

Cuasicuadrada Asimétrica



Formas de Onda

t1

Tt1T

=D



Potencia

%5P

P

0

1

DiLamp

Di = 22,5 %

Di = 22 %

Di = 20 %

Di = 17,5 %

Di = 15 %

Di = 12,5 %

Di = 10 %

Di = 7,5 %

Di = 5 %

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.00

0.48 0.485 0.49 0.495 0.5 0.505 0.51 0.515 0.52

0.06

V(t)

I(t)

P(t)

0

1

P

P

D



0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.00

0.48 0.485 0.49 0.495 0.5 0.505 0.51 0.515 0.52

0.06

= 5 %D i


Formas de Onda

D

P1

P0



0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.00

0.48 0.485 0.49 0.495 0.5 0.505 0.51 0.515 0.52

0.06

= 15 %D i

= 12,5 %D i

= 10 %D i

= 7,5 %D i

= 5 %D i


Formas de Onda

D

P1

P0



0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.00

0.48 0.485 0.49 0.495 0.5 0.505 0.51 0.515 0.52

0.06

= 15 %D i

= 12,5 %D i

= 10 %D i

= 7,5 %D i

= 5 %D i

D i = 20 %

= 22,5 %D i

= 17,5 %D i

DDi=22%


Formas de Onda

D

P1

P0




Formas de Onda

t1

Tt1T

=D



Potencia

%5P

P

0

1

DiLamp

Di = 22,5 %

Di = 22 %

Di = 20 %

Di = 17,5 %

Di = 15 %

Di = 12,5 %

Di = 10 %

Di = 7,5 %

Di = 5 %

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.00

0.48 0.485 0.49 0.495 0.5 0.505 0.51 0.515 0.52

0.06

V(t)

I(t)

P(t)

0

1

P

P

D




Formas de Onda

T


•Pn = n-ésimo Arm. de

Potencia

%5P

P

0

n

DiLamp

V(t)

I(t)

P(t)

0

n

P

P

DiD=0,5

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.0

4

0.0

8

0.1

2

0.1

6

0.2

0

0.2

4

0.2

8

0.0

0

D·T

Cuasicuadrada Simétrica


Pn

P0


Formas de Onda

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.280.00

1er Armónico

2er Armónico

3er Armónico

4er Armónico

Di




Formas de Onda

T


•Pn = n-ésimo Arm. de

Potencia

%5P

P

0

n

DiLamp

I(t)

P(t)

0

n

P

P

DiD=0,5

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.0

4

0.0

8

0.1

2

0.1

6

0.2

0

0.2

4

0.2

8

0.0

0

TPOT



Formas de Onda


Cuasicuadrada Simétrica SI

Cuasicuadrada Asimétrica SI

Rectangular Asimétrica SI

Cuadrada con Tiempos Muertos SI

Cuadrada SI

Senoidal NO

TipoPn

P0

5% Límites

Siempre

d 2,4%

48%D52%

D0,5;DiL<22%

DiL < 8%

APORTACIÓN



Introducción





Formas de Onda

Estabilidad





Conclusiones




P

R

Característica P-R del Balasto

Balasto

Fte. Corriente

Comportamiento como:

Fuente de Corriente

Fte. Potencia

Fuente de Potencia

Fte. Tensión

Fuente de Tensión

P

R


Estabilidad Balasto - Lámpara

Característica P-R de Lámpara

Lámpara



Criterio de Estabilidad (Dr. Ribas)

P

R

PNOM

RNOM

SISTEMA

INESTABLE




P

R

PNOM

RNOM

SISTEMA

ESTABLE




Comportamiento del Inversor

P

R

PNOM

RNOM




SISTEMA

ESTABLE

Fuente de Corriente

Fuente de Potencia

Fuente de TensiónSISTEMA

INESTABLE

Intermedio

F. Tensión / F. Potencia ??



Introducción





Formas de Onda

Estabilidad



Prototipos Construidos, Experimentos Realizados. Resultados


Conclusiones





Cuasicuadrada Asimétrica Inversor 1 Interruptor

Rectangular Asimétrica Puente Completo Asimétrico

Cuadrada con Tiempos Muertos Puente Completo Real

Cuadrada Puente Completo Ideal

Tipo Balasto

Cuasicuadrada Simétrica Inversor 2 Interruptor

Topologías Inversoras



Análisis Teórico

Inversor de 1 Interruptor

Inversor de 2 Interruptores


Etapa de Potencia

Métodos de Control en Cadena Abierta

Limitaciones del Control en Cadena Abierta

Control con Variación de Parámetros

Etapa de Potencia






Análisis Teórico

Ve

M

L_

+

Vs

D

M

Carga

Inversor de 1 Interruptor : Etapa de Potencia



Análisis Teórico

Control

Vbus

M

L

_

+



Análisis Teórico

L UL R ULAMP

ILAMP


IL

IFTE

Vbus_

+

Control

ULAMPVbus

UL

Vbus

UM

ILAMP

VbusR

IL

IM


UM

IM


Análisis Teórico

L UL R ULAMP

ILAMP

ULAMPVbus

UL

Vbus

UM

ILAMP

VbusR

IL

IM


IL

IFTE

Vbus_

+

Control

UL

Vbus

UM

IL

IM


UM

IM


ILAMP

VbusR


Análisis Teórico ULAMPVbus


ILAMP

VbusR

L UL R ULAMP

ILAMP

IL

IFTE

Vbus_

+

Control

PLAMP

Vbus2

R

D·T (1-D)·T

T


Expresiones Matemáticas de:

PLAMP AVG = ƒ1 (Vbus, L, R)

|DILAMP| = ƒ2 (Vbus, L, R)

Relaciones Adicionales debidas

a Métodos de CONTROL


Análisis Teórico



PARÁMETROS NOMINALES

Datos de

Lámpara

(Fabricante)

INOM = 1 A

PNOM = 70 W

VNOM = 70 V

RNOM = 70

Datos del

Diseñof = 60 kHz |DILAMP NOM| = 100 mA

IL MAX NOM = 1,05 A IM MAX NOM = 2,05 A IL 0 NOM = 0,95 A



Análisis Teórico




Etapa de Potencia




Etapa de Potencia





Inversor de 1 Interruptor : Métodos de Control

Control modo tensión

Frecuencia / Ciclo de trabajo (f-D)

Control modo corriente

Corriente máxima / Tiempo de apagado (IMAX-TOFF)

Por la Bobina

Por la Carga

Por el Interruptor

Corriente Máxima / Corriente Mínima (IMAX-IMIN)

Por la Bobina

Por la Carga

Por el Interruptor

Análisis Teórico




Análisis Teórico






Por la Bobina

Por la Carga

Por el Interruptor


Por la Bobina

Por la Carga

Por el Interruptor


R

PAVG LAMP

Análisis Teórico




PLAMP AVG = ƒ1 (Vbus, L, R, D, f)

Característica PLAMP AVGvs R

T = 1.0·TNOM

PAVG NOM

RNOM

T = 0.2·TNOM

T = 4.0·TNOM

Distintas Frecuencias



R

PAVG LAMP

D = 0.7

Análisis Teórico



Característica PLAMP AVG vs R

D = 0.5


Distintos Ciclos de TrabajoPAVG NOM

RNOM

D = 0.3





Análisis Teórico




Característica PLAMP AVG vs R


Distintos Ciclos de Trabajo

R

PAVG LAMP

PAVG NOM

RNOM

Estabilidad

INVERSOR

LÁMPARA

SISTEMA

INESTABLEControl modo tensión




Análisis Teórico






Por la Bobina

Por la Carga

Por el Interruptor


Por la Bobina

Por la Carga

Por el Interruptor


R

PAVG LAMP

RNOM

PAVG NOM


IL MAX-TOFF

Análisis Teórico



PLAMP AVG=ƒ1(Vbus, L, R,ILMAX,TOFF)


Distintas IL MAX

IL MAX = IL MAX NOM

IL MAX = 0,5·IL MAX NOM



R

PAVG LAMP

RNOM

PAVG NOM


IL MAX-TOFF

Análisis Teórico



Distintas IL MAX

Distintos TOFF

TOFF = TOFF NOM

TOFF = 1,5·TOFF NOM

TOFF = 0,5·TOFF NOM




R

PAVG LAMP

RNOM

PAVG NOM


IL MAX-TOFF

Análisis Teórico



Distintas IL MAX

Distintos TOFF

Estabilidad

INVERSOR

LÁMPARA

SISTEMA

ESTABLE





Análisis Teórico






Por la Bobina

Por la Carga

Por el Interruptor


Por la Bobina

Por la Carga

Por el Interruptor


R

PAVG LAMP

RNOM

PAVG NOM


IM MAX-TOFF

Análisis Teórico



Distintas IM MAX

IM MAX = IM MAX NOM

IM MAX = 1,5·IM MAX NOM


PLAMP AVG=ƒ1(Vbus, L, R,IMMAX,TOFF)




IM MAX-TOFF

Análisis Teórico



Distintas IM MAX

Distintos TOFF

R

PAVG LAMP

RNOM

PAVG NOM

TOFF = TOFF NOM

TOFF = 0,5· TOFF NOM






IM MAX-TOFF

Análisis Teórico



Estabilidad

R

PAVG LAMP

RNOM

PAVG NOM

LÁMPARA

INVERSOR

SISTEMA

ESTABLE

Fuente PotenciaFuente CorrienteDistintas IM MAX

Distintos TOFF





Análisis Teórico






Por la Bobina

Por la Carga

Por el Interruptor


Por la Bobina

Por la Carga

Por el Interruptor


R

PAVG LAMP

RNOM

PAVG NOM


IL MAX-DIL

Análisis Teórico



PLAMP AVG=ƒ1(Vbus,L,R, ILMAX,DIL)


Distintas IL MAX

IL MAX = IL MAX NOM




R

PAVG LAMP

RNOM

PAVG NOM


IL MAX-DIL

Análisis Teórico



Distintas IL MAX

Distintos DILDIL = DIL NOM

DIL = 0,5· DIL NOM

DIL = 1,5· DIL NOM




Distintas IL MAX


IM MAX-TOFF

Análisis Teórico



Distintos DIL

Estabilidad

R

PAVG LAMP

RNOM

PAVG NOM

LÁMPARA

INVERSOR

SISTEMA

ESTABLE








Por la Bobina

Por la Carga

Por el Interruptor


Por la Bobina

Por la Carga

Por el Interruptor


Análisis Teórico


SELECCIÓN

DEL CONTROL



Análisis Teórico


Etapa de

Potencia

ControlSistema

EstableInmune a

1 Int.

Modo

NO -

Parámetros

Tensión Frec-Duty

1 Int. SÍ TOFFCorriente IL MAX-TOFF

1 Int. SÍ TOFFCorriente IM MAX-TOFF

1 Int. SÍ DILCorriente IL MAX-DIL



Análisis Teórico




Etapa de Potencia




Etapa de Potencia






Análisis Teórico

ILAMP

DILAMP

tRizado de

Corriente en la

Descarga

|ILAMP | |DILAMP|

t

Rizado

ABSOLUTO

de Corriente

APORTACIÓN


RNOM

|DILAMP NOM|

Análisis Teórico


|DILAMP|

R

PCONT

ILAMP

PLAMP

PMAX

PMIN

Zona b)






RNOM

|DILAMP NOM|

Análisis Teórico


|DILAMP|

R

PMAX

PMIN

ILAMP

PLAMP

PCONT

Zona c)






R

RNOM

|DILAMP NOM|

|DILAMP|

IM MAX = IM MAX NOM



Análisis Teórico






Distintas IM MAX


R

RNOM

|DILAMP NOM|

|DILAMP|

Análisis Teórico






Distintas IM MAX

TOFF = TOFF NOM



Distintos TOFF

APORTACIÓN


INVERSOR


Análisis Teórico

Inversor de 1 Interruptor : Limitaciones en Cadena abierta

PAVG LAMP

RLÁMPARA R

|DILAMP|


Inversor de 1 Interruptor : Limitaciones en Cadena abierta

Análisis Teórico


PAVG LAMP

R R

|DILAMP|

DRiz

DPAVG

Potencia Media

Variable

Rizado Absoluto

Variable

INVERSOR

LÁMPARA


Inversor de 1 Interruptor : Control de Variación de Parámetros

Análisis Teórico


PAVG LAMP

R

INVERSOR

R

|DILAMP|


R

|DILAMP|


Análisis Teórico


Potencia Media

Constante

Rizado Absoluto

Constante

PAVG LAMP

R

INVERSOR

APORTACIÓN



Análisis Teórico




Etapa de Potencia




Etapa de Potencia





R

|DILAMP|


Análisis Teórico


Variación de Curva de Rizado

= 17,5 %

Di = 20 %

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.000.48 0.485 0.49 0.495 0.5 0.505 0.51 0.515 0.52

0.06= 22,5 %Di

Di

= 15 %Di

= 12,5 %Di

= 10 %Di

= 7,5 %Di

= 5 %Di

DDi=22%

D

P1P0



Análisis Teórico



Mantener D=50%

L R

Vbus_

+

Control

VARIACIÓN

DE Vbus



Análisis Teórico


Variación de Potencia Media

VARIACIÓN

DE IM MAX


Mantener D=50%

VARIACIÓN

DE Vbus

Mantener P=PNOM APORTACIÓN


TOFF

INVERSOR

1 INTERRUPTOR

CONTROL

IM MAX-TOFF


Análisis Teórico

IM MAX

VBUS

R

PAVG

D+Ref

D=0,5-

eDINTEGRADOR

DEL ERROR

+

Ref

PNOM

-eP

INTEGRADOR

DEL ERROR



Análisis Teórico


INVERSOR

1 INTERRUPTOR

CONTROL

IM MAX-TOFF

IM MAX

VBUS

R

PAVG

D+Ref

D=0,5-

eDINTEGRADOR

DEL ERROR

+Ref PNOM-

eP

INTEGRADOR

DEL ERROR

PEST

APORTACIÓN



Análisis Teórico


CARACTERÍSTICAS IDEALES

R

PAVG LAMP

RNOM

PAVG NOM

R

RNOM

|DILAMP NOM|

|DILAMP|

Límite



Análisis Teórico




Etapa de Potencia




Etapa de Potencia





VM1


Análisis Teórico

Ve

L1

_

+Lámpara

Inversor de 2 Interruptores :

Etapa de Potencia

L2

M2

ie

iL1 iL2

iM1 iM2

iLAMP

VL1 VL2

VM2

VLAMP

ULAMP

UL1

UM1

ILAMP

IL1

IM1

UL2

UM2

IL2

IM2

M1


VM1


Análisis Teórico

Ve

L1

_

+Lámpara


Etapa de Potencia

L2

M2

ie

iL1 iL2

iM1 iM2

iLAMP

VL1 VL2

VM2

VLAMP

ULAMP

ILAMP

M1

PLAMP


PLAMP AVG = ƒ1 (Vbus, L, R, f)

|DILAMP| = ƒ2 (Vbus, L, R, f)

Relaciones Adicionales debidas

a Métodos de CONTROL

T

0.5·T0.5·T

|DILAMP|


Análisis Teórico



PARÁMETROS NOMINALES

Datos de

Lámpara

(Fabricante)

INOM = 1 A

PNOM = 70 W

VNOM = 70 V

RNOM = 70

Datos del

Diseñof = 60 kHz |DILAMP NOM| = 75 mA

IL MAX NOM = 1,02 A IL 0 NOM = 0,95 A



Análisis Teórico




Etapa de Potencia




Etapa de Potencia





Inversor de 2 Interruptores : Métodos de Control

Análisis Teórico


Control Modo Tensión

Frecuencia (f)

Control Modo Corriente

Corriente máxima (IMAX)

Por la Bobina

Por la Carga

Por el Interruptor

Rizado de corriente (DI)

Por la Bobina

Por la Carga

Por el Interruptor


Control Modo Tensión

Frecuencia (f)


Corriente máxima (IMAX)

Por la Bobina

Por la Carga

Por el Interruptor

Rizado de corriente (DI)

Por la Bobina

Por la Carga

Por el Interruptor

Inversor de 2 Interruptores : Métodos de Control

Análisis Teórico




Análisis Teórico




Etapa de Potencia




Etapa de Potencia





Inversor de 2 Interruptores : Limitaciones en Cadena abierta

Análisis Teórico


R

PAVG LAMP

PAVG NOM

RNOMRNOM

|DILAMP|

|DILAMP NOM|

R

LÁMPARA

RMIN

INVERSOR


Inversor de 2 Interruptores : Limitaciones en Cadena abierta

Análisis Teórico


Potencia Media

Variable

Rizado Absoluto

Variable

DPAVG

R

PAVG LAMP

RMIN

PAVG NOM

RNOMRNOM

|DILAMP|

|DILAMP NOM|

R

DRiz

LÁMPARA

INVERSOR

APORTACIÓN



Análisis Teórico




Etapa de Potencia




Etapa de Potencia






Análisis Teórico



Mantener Rizado Mínimo en la BOBINA

VARIACIÓN

DE Vbus

Variación de Potencia Media

VARIACIÓN

DE IL MAX

Mantener P=PNOM

APORTACIÓN


INVERSOR

2 INTERRUPTORES

CONTROL

IL MAX

Inversor de 2 Interruptores : Control de Variación de Parámetros

Análisis Teórico

IL MAX

VBUS

R

PAVG

DILAMP+Ref

DILNOM

-

eDINTEGRADOR

DEL ERROR

+

Ref

PNOM

-eP

INTEGRADOR

DEL ERROR




Análisis Teórico


IL MAX

VBUS

R

PAVG

INTEGRADOR

DEL ERROR

+Ref PNOM-

eP

INTEGRADOR

DEL ERROR

PEST

DILAMP+Ref

DILNOM

-

eD

INVERSOR

2 INTERRUPTORES

CONTROL

IL MAX

APORTACIÓN


Análisis Teórico


CARACTERÍSTICAS IDEALES

R

PAVG LAMP

RNOM

PAVG NOM

R

RNOM

|DILAMP NOM|

|DILAMP|

Límite




Análisis Teórico




Etapa de Potencia




Etapa de Potencia





Análisis Teórico

Ve _

+Lámpara


Etapa de Potencia

M3 M4

ie

iM1 iM2

iM3 iM4

iLAMP

VM1 VM2

VM3 VM4

VLAMP

L

M1 M2


ULAMP

ILAMP

DT1 d DT2 d

PLAMP


PLAMP AVG = ƒ1 (Vbus, R, d)

|DILAMP| = ƒ2 (Vbus, R, d)

PARÁMETRO DE CONTROL:

dd 2,4%



Análisis Teórico




Etapa de Potencia




Etapa de Potencia






Etapa de

Potencia

Control Sistema

EstableInmune a

1 Int.

Modo

NO -

Parámetros

Tensión Freq-Duty

1 Int. SÍ TOFFCorriente IL MAX-TOFF


1 Int. SÍ DILCorriente IL MAX-DIL

Etapa de

Potencia

Control Sistema

Estable

2 Int.

Modo

NO

Parámetros

Tensión Frecuencia

2 Int. Corriente IL MAX SI

2 Int. Corriente DIL NO


2 Int. Corriente IL MAX SI

Análisis Teórico Selección de los inversores óptimos



Análisis Teórico

Control Modo Corriente en el Interruptor

Corriente Máxima (IM MAX) y Tiempo de Apagado (TOFF)

Realimentación para Obtener D=0,5

Estimación de Potencia Media

Control Modo Corriente en la Bobina

Corriente Máxima (IL MAX) (fijando D=0,5)

Realimentación para Obtener Mínimo Rizado

Estimación de Potencia Media





Análisis Teórico

0,5·T

T

P(t)

0,5·T

T

P(t)

Inversor de 1 Interruptor Inversor de 2 Interruptores

0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5

DP DP

P1

P2

APORTACIÓN



Introducción





Formas de Onda

Estabilidad





Conclusiones





Prototipos Construidos

M

LVbus

_

+Vbus

_

+

42

VDC

ME

LE CB

D




M

LVbus

_

+

42

VDC

ME

LE CB

D




Vbus

_

+

42

VDC

M

L

ME

LE CB

D

IMAX

IMAX TOFF

Driver




Vbus

_

+

42

VDC

M

L

ME

LE CB

D

D

T

IMAX TOFF

Driver

ciclo

trabajo

P.I.

Driver

Ref

D=0.5

AF




Vbus

_

+

42

VDC

M

L

ME

LE CB

D

IMAX

P.I.

Ref PAVG

TOFF

APORTACIÓN

ciclo

trabajo

P.I.

Driver

Ref

D=0.5

AF

Driver




Lámpara

Balasto




Inversor

Control IMAX-TOFF

Rampa AF

Regulación BUS

Estimación de PAVG

Regulación IMAX

Medida

Ciclo

Trabajo

Etapa de

Entrada



Resultados Experimentales

FTE. TENSION

LÁMPARA

PROTOTIPO

OSCILOSCOPIO

DETECCIÓN

R.A.

ALMAC.

DATOS



Medida de Resonancias

APORTACIÓN

LÁMPARA

PROTOTIPO

VI POTENCIA

(Componentes de

baja frecuencia)



Medida de Resonancias

Adaptación

Mult.

Filtrado



Lámparas Ensayadas:

Vapor de Sodio a Alta Presión (HPS)

Potencia Nominal: 70 W

OSRAM VIALOX NAV-T

Halogenuros Metálicos (MH)

Potencia Nominal: 70 W

OSRAM HQI-T 70W/WDL UVS

OSRAM HQI-T POWERSTAR 70W/NDL UVS


RESONANCIAS en

torno a 60 kHz

(Balasto senoidal AF)




Tensión

Corriente


Potencia

V=80 VRMS

I=0,9 ARMS

P=70 W

f=60 kHz





100%90%

10%

0%




Tensión

Corriente


Potencia

V=37 VRMS

I=0,9 ARMS

P=34 W

f=60 kHz




Tensión

Corriente


Potencia

V=48 VRMS

I=1,0 ARMS

P=45 W

f=60 kHz




Tensión

Corriente


Potencia

V=58 VRMS

I=0,9 ARMS

P=55 W

f=60 kHz




Tensión

Corriente


Potencia

V=72 VRMS

I=0,9 ARMS

P=65 W

f=60 kHz



Halogenuros Metálicos (MH)Resultados Experimentales




Tensión

Corriente


Potencia

V=90 VRMS

I=0,8 ARMS

P=70 W

f=59 kHz




Tensión

Corriente


Potencia

V=65 VRMS

I=0,5 ARMS

P=35 W

f=59 kHz




Tensión

Corriente


Potencia

V=75 VRMS

I=0,6 ARMS

P=45 W

f=59 kHz




Tensión

Corriente


V=83 VRMS

I=0,7 ARMS

P=55 W

f=59 kHz

Potencia




Tensión

Corriente

Potencia


V=88 VRMS

I=0,7 ARMS

P=65 W

f=59 kHz



Introducción





Formas de Onda

Estabilidad



Prototipos Construidos, Resultados Experimentales


Conclusiones




Arrancadores

El Proceso de Arranque

Tubo de Descarga

Temperatura Ambiente

Baja Presión de VaporAISLANTE

VSTART


El Proceso de Arranque

Tubo de Descarga

Arrancadores

Elevada Tensión Inicial (2,5 – 2,8 kV)


Arrancadores

Dispositivos de Protección:

I

VVDRM

VS

IH

El SIDAC


DCBUS

LINEA

RECTIF.

/

PFC H.F.

INVERSOR

CONTROL ARRANCADOR

Arrancadores

Etapas de un Balasto

FILTRO

EMI


Arrancadores

Esquema del Arrancador

INVERSOR+

-

U L

D1

C1

C2

N2

N1

TRS

APORTACIÓN


UC1

ULAMP

UC2

USIDAC

INVERSOR

ON+

-

UL

D1

C1

C2

N2

N1

TR

S

Arrancadores

Funcionamiento del Arrancador


UC1

ULAMP

UC2

USIDAC

INVERSOR

OFF+

-

UL

D1

C1

C2

N2

N1

TR

S

Arrancadores


2000 V


UC1

ULAMP

UC2

USIDAC

INVERSOR

ON+

-

UL

D1

C1

C2

N2

N1

TR

S

Arrancadores


2000 V


INVERSOR+

-

UL

D1

C1

C2

N2

N1

TR

S

UC1

USID

UC1

ULAMP

UC2

USIDAC

2000 V

USIDAC

Arrancadores


Nivel

Comp

INVERSOR ON INVERSOR ON

Señal habilitación

INV

OFF

APORTACIÓN


UC1

ULAMP

UC2

USIDAC

INVERSOR+

-

UL

D1

C1

C2

N2

N1

TR

S

Arrancadores

Caso de Lámpara Rota

2000 V


Rlamp

Plamp

Ilamp

Vlamp

Arrancadores

Método de Diseño

Parámetros de la

Lámpara

•Rlamp

•Plamp

•Ilamp

•VlampI

VVDRM

VS

IH

VSParámetros del Sidac

•Vs

INVERTER

Iout

Vout

Especif. del Inversor

•Vout, Iout (si R)


Arrancadores

Método de Diseño

1:N

VS VStartParámetros de

Lámpara (VSTART)

Parámetros del

Sidac (VS)

rT del

Transformador

I PP

- P

ea

k P

uls

e C

urr

en

t-%

IP

P

Peak Value

100

Half Value

50

0

Waveform = t r x td

0 t r t d t- Time ( s)

INVERTER

C2 C2

C1

RSIDAC-ON RSIDAC-ON

D1

Vs

De las Gráficas

“SURGE RATINGS”

del Sidac

Valores de los

Condensadores


ON/OFF

H.I.D. LAMP

CONTROL

ImaxToff

ENABLE

M1

Rshunt

L

Roff

Coff

+

H.I.D. LAMP

N2

D2

CONTROL

ImaxToff

ENABLE

M1

Rshunt

L

Roff

Coff

+

D1

C1

C2

N1

TR

SD3R

Arrancadores

Implementación en el Inversor IMAX-TOFFAPORTACIÓN


Arrancadores

Prototipo del Arrancador

Transformador

Cond. Desc.

Control Aux.

SIDAC


Diseño del

Transformador

IT

IS

IH

IDRM

+I

+V

VT VDRM

VS

-I

-V

VBO

IBO

ITISIH

IDRM

+I

+V

VT VDRM

VS

-I

-V

Característica

del Sidac

Más Fácil Arranque

Componente Más Caro

Problemas de Pulsos No

Deseados

•Minimizar Inductancia Serie con la Lámpara

•Núcleo Pequeño

•Minimizar Número de Espiras

Arrancadores

Consideraciones de Diseño

APORTACIÓN


Arranque de una

Lámpara HID

Arrancadores


Corriente por la Lámpara

Tensión en el SIDAC


Arranque de una

Lámpara HID:

Caso de

Lámpara Rota

Arrancadores


Corriente por la Lámpara

Tensión en el SIDAC



Introducción





Formas de Onda

Estabilidad





Conclusiones




Conclusiones

Es posible lograr estabilidad en el arco de descarga

(DESAPARICIÓN DE RESONANCIAS ACÚSTICAS):

Mediante inversores electrónicos que operen a frecuencia constante

En lámparas MH y HPS de bajas potencias nominales

En zonas de frecuencia peligrosas (R.A. con balasto senoidal)

Puede llevarse a cabo mediante el inversor presentado con el

control propuesto:

Inversor basado en reductor-elevador

Control IMAX – TOFF con variación de parámetros

Funcionamiento óptimo durante arranque, calentamiento y

permanente (variación de REQ)


Conclusiones

El arrancador presentado funciona correctamente

Unido al inversor electrónico propuesto

En lámparas MH y HPS de bajas potencias nominales

Puede construirse un BALASTO COMPLETO mediante las

topologías de potencia, los sistemas de control y los métodos

de diseño presentados en esta tesis:

Mínimo número de interruptores controlados (1 por etapa)

Mínimo número de elementos magnéticos (1 por etapa)

Control de potencia (calentamiento controlado, envejecimiento)

Libre de resonancias acústicas

Protecciones intrínsecas (sobrecorriente, lámpara rota)


Conclusiones


- Se presenta un conjunto de herramientas de diseño para

construir un balasto electrónico de alta frecuenciaTopologías de potencia

Métodos de control

Sistemas de arranque

Control de calentamiento y envejecimiento

- El balasto puede funcionar a frecuencias conflictivas, desde el

punto de vista de resonancias acústicas

- Balasto final de 2 etapas y bajo coste (2 interruptores, 2

inductancias)



- Método de monitorización de resonancias acústicas (medida

de componentes armónicas de baja frecuencia de la potencia

instantánea por la lámpara)

- Estudio de diversas formas de onda de alta frecuencia,

teniendo en cuenta las componentes armónicas de la potencia a

la que dan lugar.

- Análisis NORMALIZADO de inversores no resonantes,

teniendo en cuenta estos límites de diseño

Conclusiones

- Se han fijado límites de diseño en diversas topologías de

potencia, buscando minimizar el riesgo de aparición de

resonancias acústicas



- Nuevos métodos de control que simultáneamente gobiernan

parámetros tales como la potencia media, la forma de onda de

potencia instantánea, el tiempo de calentamiento, etc.

- Se han construido prototipos del inversor y del arrancador,

buscando verificar experimentalmente los resultados teóricos

obtenidos

- Se propone un nuevo tipo de arrancadores electrónicos para

lámparas de descarga, fácilmente adaptable a cualquier tipo de

inversor electrónico.

Conclusiones


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Conclusiones

Inversores Electrónicos:

Balasto Electrónico de Bajo Coste de 2 Etapas para Lámparas de Vapor de

Sodio a Alta Presión de 70 W Basado en Inversor Reductor-Elevador con


J. García, M. Rico, M. Jaureguizar

XVIII Simposium Nacional del Alumbrado, La Coruña, 2002

Complete Low Cost Two-Stage Ballast for a 70 W HPS Lamp based on a

Current-Mode-Controlled Buck-Boost Inverter.

J. García, M. Rico Secades, J. M. Alonso, A. J. Calleja, J. Cardesín, J.

Ribas, E.L. Corominas

IEEE IAS Annual Meeting, Pittsburgh, PA, USA, 2002

Presentadas



Conclusiones

Arrancador:

Using Solid-State Over-Voltage Protection Devices for HID Lamp Ignition



IEEE IAS Annual Meeting, Pittsburgh, PA, USA, 2002

Presentadas



Conclusiones

Inversores Electrónicos:

Non-Resonant, Quasi-Square Wave, High-Frequency Inverter for HID

Lamps Operation from a DC Bus



IEEE IAS Annual Meeting, Salt Lake City, UT, USA, Oct. 2003

Aceptadas

Quasi-Square Wave High-Frequency Inverter with Current-Mode Control for

HID Lamps Operation in the Future Automotive 42 DC Voltage

10th European Conf. on Power Electronics (EPE), Toulouse, Fr., Sept. ‘03





Conclusiones

Arrancador:

Aceptadas

Arrancador para Lámparas de Descarga Basado en Dispositivos de

Protección Electrónicos

SAAEI’03, Vigo, Sept. 2003





Conclusiones

- Construcción del balastos electrónicos completos, desde red y

desde batería, buscando optimización del sistema.

- Implementación de los sistemas de control mediante sistemas

de gobierno digitales (microcontroladores)

- Extender los experimentos realizados a mayor número de

lámparas, de distintos fabricantes y de distintas potencias

nominales.

- Análisis de sensibilidad ante variaciones debidas a tolerancias

de construcción

- Realización de estudios de compatibilidad electromagnética de

los inversores propuestos (forma de onda cuadrada)



Introducción





Formas de Onda

Estabilidad





Conclusiones




BALASTOS ELECTRÓNICOS NO RESONANTES PARA

LÁMPARAS DE ALTA INTENSIDAD DE DESCARGA:

APORTACIONES EN EL CIRCUITO DE ARRANQUE Y EN LAS

ETAPAS DE CALENTAMIENTO Y RÉGIMEN PERMANENTE

Doctorando: D. Jorge GARCÍA GARCÍA

Gijón, Julio de 2003

Tutores: D. Manuel RICO SECADES

D. Emilio LÓPEZ COROMINAS


Universidad de Oviedo · Arrancadores para Lámparas de Descarga Conclusiones Aportaciones...

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