ES2319594A1 - Dispositivo ahorrador de eenrgia para sistemas de alumbrado publico y metodo. - Google Patents

Dispositivo ahorrador de eenrgia para sistemas de alumbrado publico y metodo. Download PDF

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Abstract

Esta invención se refiere a un dispositivo ahorrador de energía que alimenta a las lámparas de vapor de sodio de alta eficacia y un método que proporciona un ahorro adicional de energía eléctrica mediante la reducción temporal en el flujo luminoso de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia. El dispositivo ahorrador de energía incluye en su operación una protección contra bajo voltaje de alimentación, regulación de voltaje de alimentación y protección contra ausencia o daño de la lámpara. Por su parte el método incluye una secuencia para un encendido fiable de la lámpara una rutina de modulación en frecuencia para la eliminación de resonancias acústicas y una secuencia de apagado automático ante daño en la fotocelda que acompaña a este tipo de dispositivos, así como un sistema de detección de consumo para mantener estable la potencia de salida y con esto mantener el consumo de potencia en un valor constante.

Description

Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público y método.
Campo de la invención
La presente invención se relaciona con los dispositivos ahorradores de energía empleados en sistemas de alumbrado público, en forma más particular, la invención se relaciona con un dispositivo para alimentar lámparas de vapor de sodio de alta presión y método para el ahorro de energía eléctrica utilizando dicho dispositivo.
Antecedentes de la invención
Los sistemas de alumbrado público son una de las cargas eléctricas que más energía consumen, y en consecuencia cualquier mejora en la eficiencia de estos sistemas conlleva un gran ahorro de energía para las compañías productoras de energía eléctrica, lo cual se refleja en menor consumo de combustible fósiles y menos contaminación. Una de las fuentes mas eficientes conocidas actualmente son las lámparas de vapor de sodio, su alta eficiencia es una de las principales razones por la cual son preferidas en los sistemas de alumbrado público. La combinación de una lámpara de vapor de sodio, en conjunto con un balastro electrónico, dan por resultado un ahorro sustancial de energía eléctrica, y si a lo anterior se le añade un control de intensidad luminosa que disminuya el consumo de energía conforme se acerca el nuevo día, el resultado es un ahorro de energía muy importante con respecto a un sistema convencional utilizando lámparas de vapor de mercurio y con balastro electromagnético.
Algunos dispositivos ahorradores de energía emplean un microcontrolador para el control de los elementos de balastro electrónico, el cual alimenta a la lámpara de vapor de sodio y permite mayor flexibilidad para el control de la intensidad luminosa, las protecciones asociadas y el proceso de encendido de la lámpara, reduciendo además el número de componentes necesarios y el tamaño del balastro. Dichos dispositivos también permiten la implementación de técnicas para la eliminación de resonancias acústicas de una manera muy simple y sin agregar elementos adicionales.
De forma general las lámparas de vapor de sodio requieren de un voltaje de encendido superior a los 2000 volts, para proporcionar estos niveles de voltaje se suele utilizar un ignitor. El empleo de este componente adicional aumenta el costo del balastro siendo deseable que el propio inversor del balastro sea capaz de proporcionar estos niveles de voltaje. Una solución alternativa es utilizar un tanque resonante que proporcione el voltaje suficiente para encender la lámpara. Dicho tanque resonante es capaz de proporcionar altos niveles de voltaje durante un tiempo muy breve. Ahora bien, si dicho tiempo se prolonga, las altas corrientes involucradas en el encendido pueden dañar a los dispositivos semiconductores del inversor. Esta condición se puede presentar si no se tiene una lámpara conectada al inversor, o bien si la lámpara se acaba de apagar y se desea reencenderla inmediatamente después del apagado. Para evitar este daño, es necesaria una protección que detecte si la lámpara ya ha encendido y en caso contrario, desactive el balastro.
Otra condición de riesgo de los dispositivos ahorradores de energía es la alimentación del balastro electrónico desde voltajes muy inferiores al nominal por norma todos los balastros electrónicos incorporan una etapa correctora del factor potencia que proporciona un nivel de voltaje y potencia constante al inversor del balastro. Si la tensión de alimentación cae por debajo de un nivel critico, la corriente demandada por el corrector del factor de potencia se incrementa en la misma proporción y puede dañar a los dispositivos semiconductores del corrector. Por este motivo es necesaria una protección que desactive el balastro electrónico ante condiciones de bajo voltaje de alimentación.
En la patente de los Estados Unidos Número 5,482,860, Ohkubo y Miyagaki proponen un balastro electrónico que incorpora un microprocesador, el cual es utilizado principalmente para programar un Método de control que evite el fenómeno de resonancias acústicas. La desventaja del método de control descrito en dicha patente consiste en que no establece la secuencia de protecciones ni el proceso de encendido de la lámpara.
Un balastro electrónico para lámparas de alta intensidad de descarga que es capaz de proporcionar altos niveles de voltaje para el encendido de la lámpara se presenta en la patente de los Estados Unidos número 5,677,602, dicho balastro incluye una protección para detectar el encendido de la lámpara. Sin embargo, esta protección utiliza un amplificador operacional para la detección de la corriente, lo que incrementa el costo del producto final.
La patente estadounidense número 6,137,240, revela un circuito de control para un balastro universal basado en un microcontrolador, el balastro puede encender, estabilizar y controlar la intensidad luminosa de la lámpara, el balastro tiene un corrector del factor de potencia basado en un convertidor elevador y establece opciones para alimentar el microcontrolador desde el convertidor elevador. El mencionado circuito de control presenta las siguientes desventajas: la programación del microcontrolador no incluye ninguna acción para eliminar el fenómeno de resonancias acústicas; tampoco incluye protección contra ausencia de la lámpara ni protección del convertidor elevador contra alimentación desde fuentes de corriente alterna (CA) de bajo voltaje.
La patente de los Estados Unidos número 6,329,761, presenta un balastro electrónico para lámparas de alta intensidad de descarga que permite el control de intensidad luminosa y presenta alto factor de potencia. Sin embargo, esta invención no utiliza un microcontrolador y para el encendido de la lámpara utiliza un circuito especial para esta función lo cual incrementa el número de componentes y su complejidad y, en consecuencia el costo.
No obstante lo anteriormente descrito en el campo técnico, sigue existiendo la necesidad de un dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público que sea sencillo, eficiente, que incluya un control de intensidad luminosa, de bajo costo, y que supere los ahorros energéticos proporcionados por los sistemas conocidos.
Objetos de la invención
A diferencia de las patentes descritas, un primer objetivo de la invención es proporcionar un dispositivo que permita el ahorro de energía eléctrica en sistemas de alumbrado público con base en las siguientes acciones:
a)
el empleo de una lámpara de descarga de muy alta eficacia lumínica.
b)
El empleo de un balastro electrónico de alta eficiencia con alto factor de potencia que encienda la lámpara sin necesidad de un ignitor adicional.
c)
un método de operación que consiste en la disminución de la intensidad luminosa proporcionada por la lámpara a altas horas de la noche, el cual puede constar de una atenuación, de varias atenuaciones o no atenuar.
d)
El sensado de consumo de salida, esto es importante ya que este tipo de lámparas varían su consumo de acuerdo a la temperatura o envejecimiento de la misma. Al tener la retroalimentación de lazo cerrado podemos mantener constante la potencia de salida sin importar las variaciones de temperatura del ambiente o los cambios de voltaje de entrada o la edad de la lámpara.
Un segundo objetivo es el proveer al dispositivo ahorrador de energía de la presente invención de un microcontrolador que reduzca el número de componentes y el costo del dispositivo ahorrador de energía y para que, a diferencia de las patentes descritas en los antecedentes, contenga la programación del método para el ahorro de energía, el cual consiste en todas y cada una de las siguientes:
a)
generar las señales de control de los semiconductores asociados al inversor.
b)
Realizar una modulación de la frecuencia de operación del circuito inversor utilizado para la eliminación de las resonancias acústicas.
c)
Establecer una secuencia para el encendido de la lámpara que evite el daño de los semiconductores asociados al inversor utilizado.
d)
Variar la intensidad luminosa de la lámpara y por consecuencia el consumo de potencia después de un predeterminado tiempo de operación.
e)
Detectar el voltaje de alimentación de línea para apagar la lámpara en caso de alto o bajo voltaje.
f)
Sensar el consumo para mantener la potencia constante sin importar cambios de temperatura, voltaje de línea o envejecimiento de la lámpara.
g)
Desactivar la operación del inversor utilizado al no encenderse o al apagarse la lámpara.
h)
Reinicio de la operación del inversor utilizado, después de transcurrido un número definido de horas de operación.
Ahora bien con el empleo de un microcontrolador en el dispositivo ahorrador de energía de la presente invención se tiene una reducción considerable en el número de componentes analógicos que serian necesarios para realizar todas las acciones descritas en este segundo objetivo, y puesto que el microcontrolador es de muy bajo costo, se tiene una reducción sustancial en el costo del dispositivo ahorrador de energía de la de la presente invención.
Un tercer objetivo es el proveer al dispositivo ahorrador de energía de la presente invención de un circuito para la detección del encendido de la lámpara, con el propósito de evitar daños en los semiconductores del inversor utilizado dicho circuito protege al dispositivo ahorrador de energía de la presente invención de daños en la lámpara o contra ausencia de la misma.
Un cuarto objetivo es el proveer al dispositivo ahorrador de energía de la presente invención de una protección contra alto y bajo voltaje de la fuente de alimentación de corriente alterna (VCA) el cual también es sensado por el microcontrolador, que evite el daño por sobre corriente en los semiconductores del corrector del factor de potencia.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 presenta el diagrama de bloques del dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público, de acuerdo con la presente invención.
La figura 2 corresponde al diagrama del corrector del factor de potencia utilizado en el dispositivo de la presente invención.
La figura 3 muestra el diagrama del inversor resonante utilizado como inversor en el dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público, así como una resistencia que permite el sensado de la corriente para retroalimentación y control por lazo cerrado.
La figura 4 presenta el esquema propuesto para la detección del encendido de la lámpara.
La figura 5 corresponde al diagrama de conexiones del microcontrolador el cual incluye la protección contra bajo voltaje en la alimentación utilizada en el dispositivo ahorrador de energía de la presente invención.
La figura 6 muestra el diagrama de conexiones del circuito impulsor utilizado para el manejo de los interruptores del inversor.
La figura 7 muestra un diagrama de la fuente de alimentación de bajo voltaje para los circuitos integrados monolíticos.
La figura 8 muestra el diagrama de flujo de la programación del microcontrolador utilizado en el dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público.
La figura 9 muestra un gráfico de operación del balastro con un nivel de atenuación.
La figura 10 muestra un gráfico de operación del balastro con doble atenuación.
La figura 11 muestra un gráfico de operación del balastro sin atenuación.
Descripción detallada de la invención
Con referencia a la figura 1, el dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público (1), objeto de la invención se observa en la figura 1 y que consiste de los siguientes componentes:
Un convertidor corrector del factor de potencia (2), basado en un convertidor elevador; un inversor resonante (3), la modalidad preferida de este circuito para esta invención es un amplificador clase (D); con el número (4), se representa una lámpara de vapor de sodio de alta eficacia; con el número (5), se representa un circuito para la detección del encendido de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4); el número (6), representa un microcontrolador; con el número (21), se representa un sensor para el consumo de potencia; el número (7), representa un impulsor que sirve para el manejo de los interruptores; con el numero (8) se representa el circuito de alimentación para las etapas digitales y de control y con el número (9), se representa un circuito para la protección contra bajo voltaje del dispositivo ahorrador de energía (1), ahora bien el convertidor corrector del factor de potencia (2), se muestra en la figura 2, este convertidor (2), se encarga de corregir el factor de potencia del dispositivo ahorrador de energía (1) para que sea cercano a la unidad, una segunda función del convertidor (2), es la de proporcionar un nivel de voltaje constante al inversor resonante señalado con el número (3).
La figura 3 muestra al inversor resonante (3), el cual es utilizado para alimentar a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), en este circuito el voltaje entregado por la terminal (15), es troceado por medio de los interruptores (17) y (18), generando una onda cuadrada unipolar; las señales de control señaladas con los números (19) y (20), de los interruptores (17) y (18), son proporcionadas por el impulsor (7), el cual se ilustra en la figura 6, esta señal es aplicada al tanque resonante formado por el capacitor (22), el inductor (23), y el capacitor (24), el cual filtra la componente fundamental de esta señal y la aplica a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), la componente de voltaje de la forma de onda cuadrada unipolar es filtrada por el capacitor (22), para mayor estabilidad de la corriente en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4); la frecuencia de operación, una vez que la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) ha encendido, es siempre menor que la frecuencia de resonancia con la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) encendida, lo cual garantiza un comportamiento inductivo del tanque resonante. Cuando se tiene un comportamiento inductivo, se observa que: a mayor frecuencia menor es la potencia entregada a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) y a menor frecuencia la potencia en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), es incrementada. Estas condiciones de operación permiten controlar la potencia en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) variando la frecuencia de operación del tanque resonante y por lo tanto, controlar la intensidad luminosa de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4). Sin embargo, al disminuir la potencia entregada a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) con este método, se presenta el riesgo de que, para potencias bajas, el arco eléctrico en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) se extinga. Para evitar este riesgo se diseña el tanque resonante para que entregue la mínima potencia deseada a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4). De esta manera se garantiza que para esta potencia mínima el arco eléctrico no se extinguirá. Mayores detalles para el proceso de diseño de un tanque resonante a una potencia dada de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), se pueden encontrar en el articulo "A Comparison of LCC and LC Filtres for its Application in Electronic Ballast for Metal-Halide Lamps" por J. Correa, et al, publicado en el IEEE POWER Electronics Specialist Conference (PESC) celebrado en Vancouver (Canadá), Junio 2001.
En el dispositivo ahorrador de energía (1) de la presente invención, el tanque resonante también es utilizado para el encendido de la lámpara de vapor de sodio de lata eficacia (4), para tal fin, por medio del microcontrolador (6) se realiza un barrido de frecuencias, etapa (65) de la señal que se aplica al tanque, de tal manera que la frecuencia resonante se encuentra dentro de este barrido. El objeto de hacer un barrido de frecuencias, es que la frecuencia de la señal cuadrada unipolar aplicada al tanque resonante coincida con la frecuencia del tanque a pesar de las variaciones en los valores de sus elementos debidas a las tolerancias de los mismos. Mayores detalles sobre el proceso de encendido se proporcionan en la descripción de la figura 8.
La figura 4 muestra el circuito para la detección de encendido (5) de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), en dicho circuito (5), la corriente a través de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), es detectada por medio de un transformador de corriente a voltaje (25), el voltaje alterno en las terminales del secundario del transformador (25) es rectificado por el diodo (26); de esta manera, el secundario del transformador (25) solo aplica pulsos de voltaje positivos entre la base y el emisor del transistor PNP (27), para evitar señales de ruido electromagnético durante los pulsos negativos en el transformador (25), el diodo (28) cortocircuita el secundario del transformador (25). Los pulsos positivos polarizan al transistor (27) llevándolo a saturación. Al estar saturado dicho transistor (27) se comporta como un interruptor cerrado, por lo que el voltaje en la terminal (29), es aplicado en la terminal (30), el voltaje en la terminal (30) a su vez se envía al microcontrolador (6) indicándole que la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) ha encendido. La resistencia (31) actúa para limitar la corriente de base en el transistor (27), y la resistencia (32) actúa como sujeción de la base del transistor (27) a la terminal (29) para evitar que quede flotada cuando no exista corriente en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4). El capacitor (33) almacena parte de la energía pulsante entregada por el transformador (25) ayudando a mantener saturado el transistor (27) de manera continua mientras exista corriente en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4).
La figura 5 muestra el diagrama de conexiones del microcontrolador (6) utilizado en el dispositivo ahorrador de energía (1), el cual consta de 8 terminales; la terminal (29), que alimenta al circuito, la terminal (34), que detecta el voltaje línea para apagar en alto o bajo voltaje (9), el cual viene de un divisor de voltaje formado por unas resistencias (40) y (41), las terminales (35), (36), (30), (37), (38) que son cinco puertos de entrada y salida y la terminal (16), que es la conexión a tierra del microcontrolador (6). El puerto de la terminal (30), se usa para detectar el encendido de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), el puerto de la terminal (36), es utilizado para enviar la señal de control a los interruptores (17) y (18), el puerto de la terminal (35) manda la señal de desactivación al inversor resonante (3) ante ausencia de corriente en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) o cuando exista bajo voltaje de línea, la terminal (38) es la referencia a tierra para la terminal (39), la terminal (39) detecta la corriente consumida por la lámpara (4) ya convertida en voltaje por la resistencia (21) y dividido por las resistencias (42) y (43) para que el rango de voltaje medido quede dentro de los valores manejables por el microcontrolador (6), todo esto para que el microcontrolador (6) tenga un control de lazo cerrado y mantenga el consumo de potencia constante.
La figura 6 muestra el circuito impulsor (7) utilizado en el dispositivo ahorrador de energía (1), de la presente invención dicho circuito (7), recibe la señal de control enviada por el puerto del microcontrolador (6) correspondiente a la terminal (36) y la divide en dos señales desfasadas 180 grados, terminales (19) y (20), estas dos señales son acondicionadas a un nivel de voltaje apropiado para el encendido de los interruptores (17) y (18) y con un tiempo muerto de separación entre cada una de ellas para evitar el encendido simultáneo de los interruptores (17) y (18).
La figura 7 muestra al circuito de alimentación de 5 Volts de corriente directa para el microcontrolador (6) y 15 volts de corriente directa para el corrector (10) y el impulsor (7), el cual cuenta con un transformador (46) para aislamiento galvánico y reductor de voltaje, un rectificador de onda completa (47), un circuito regulador de voltaje a 15 volts de corriente (48), y un circuito regulador de voltaje a 5 volts de corriente (49).
La figura 8 muestra el diagrama de flujo del método para el ahorro de energía del dispositivo ahorrador de energía (1), de la presente invención y que forma parte de la programación del microcontrolador (6). Las etapas de dicho método son las siguientes: en la etapa (69), se establece una rutina de calibración del reloj interno, se configuran los puertos de entrada y salida correspondientes a las terminales (39), (40), (34), (41), (42) y los relojes internos del microcontrolador (6).
En la etapa (70) se espera de 5 a 10 segundos para poder permitir que se generen los pulsos de arranque (71), ya que en caso de que se haya generado un apagón o se haya apagado la lámpara (4), esta no intente encender de inmediato, ya que estará caliente y la lámpara (4) no encenderá, desgastándola por muchos intentos de encendido fallidos, de esta manera entre cada intento de encendido de la lámpara habrá entre 5 y 10 segundos.
La etapa (71), consiste en realizar un barrido de frecuencias desde 95% de la frecuencia resonante en vacío del tanque resonante formado por el capacitor (22), el inductor (23) y el capacitor (24) hasta el 105% de esta frecuencia resonante, de esta manera se garantiza que pese a las tolerancias del capacitor (22), y el capacitor (24) y los efectos de saturación del inductor (23), alguna de las frecuencias del barrido será igual a la frecuencia en vacío del tanque resonante.
La siguiente etapa (72) consiste en verificar el estado de la terminal (30) del microcontrolador (6), si la terminal (30) es igual a un uno lógico entonces la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) si encendió y pasa a la etapa (75); si la terminal (30) es igual a un cero lógico entonces la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) no encendió. Si la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), no encendió se procede a la etapa (73).
La etapa (73) es una rutina cuyo objeto es el intentar re-encender la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) en un encendido fallido en la etapa (72). El objeto de esta secuencia de re-encendido es aplicar picos de alta tensión a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), para la ignición de la misma durante ocho o más veces a intervalos de veinte segundos entre cada impulso (70), de esta manera es posible re-encender a la lámpara de vapor de sodio de lata eficacia (4) después de ocurrido un apagón y también posibilita el encendido de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) envejecidas. Lo anterior se consigue mediante la aplicación a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) de dos o más picos de alta tensión de manera consecutiva (72), todo lo anterior sin provocar un daño en los interruptores (17) y (18). Si una vez aplicada la rutina de re-encendido la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) sigue sin encender se tienen dos casos: el primer caso es que no se tiene conectada ninguna lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) al dispositivo ahorrador de energía (1), el segundo caso es que la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) que se tiene conectada ya esta demasiado envejecida y no es posible encenderla, por lo tanto, en ambos casos se procede a desactivar al inversor utilizado (3), etapa (74) en la figura 8, cabe resaltar que si la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) enciende se procede a la etapa (75).
La etapa 75, consiste en aplicar un barrido incremental en la frecuencia de conmutación del inversor utilizado (3) desde el 90% al 93% de la frecuencia nominal de operación hasta el 107% al 110% de la frecuencia nominal de operación y posteriormente un barrido decremental desde 107% a 110% de la frecuencia nominal desde 90% hasta 93% de la frecuencia nominal, los incrementos de frecuencia de estos barridos incremental y decremental es de 200 HZ a 300 HZ. El objeto de estos barridos es evitar la aparición del fenómeno de resonancias acústicas en la lámpara de vapor de alta eficacia (4).
Durante cada uno de los barridos de frecuencia de la etapa (75) en todo momento debe aplicar la etapa (76), la cual consiste en contabilizar el tiempo transcurrido desde el encendido de la lámpara de vapor de alta eficacia (4), hasta que el tiempo llega a (51) figura 9 o T2 y una vez concluido se procede a la etapa (77) y si aún no ha llegado se continúa con la etapa (75) y así sucesivamente.
La etapa (77), consiste en disminuir la potencia en un porcentaje determinado variando la media de la frecuencia y sensando (21) la potencia hasta obtener el resultado programado. En esta sección se aplica el barrido incremental en la frecuencia de conmutación del inversor utilizado (3) desde el 92.5% de la frecuencia nominal de operación hasta 107.5% de la frecuencia nominal de operación y posteriormente un barrido decremental desde 107.5% de la frecuencia nominal de operación hasta el 92.5% de la frecuencia nominal de operación, los incrementos de frecuencia de estos barridos incremental y decremental es de 200 HZ a 300 HZ, la frecuencia media de estos barridos dependerá de el porcentaje de potencia que se requiera obtener en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4). El objetivo de estos barridos es evitar la aparición del fenómeno de resonancias acústicas en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4).
Durante cada uno de los barridos de frecuencia de la etapa (77) en todo momento se aplica la etapa (78) la cual consiste en contabilizar el tiempo transcurrido desde el encendido de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) hasta que el tiempo llegue a (52) en la figura 9 o T2 y una vez concluido se procede a la etapa (79), y si aún no ha llegado se continua con la etapa (77) y así sucesivamente.
La etapa (79), (la cual solo aplica cuando se maneja doble atenuación) consiste en volver a disminuir la potencia en un porcentaje determinado (57), variando la media de la frecuencia y censando (21) la potencia hasta obtener el resultado programado (74). En esta sección se aplica el barrido incremental en la frecuencia de conmutación del inversor utilizado (3) desde el 92.5% de la frecuencia nominal de operación hasta 107.5% de la frecuencia nominal de operación y posteriormente un barrido decremental desde 107.5% de la frecuencia nominal de operación hasta el 92.5% de la frecuencia nominal de operación, los incrementos de frecuencia de estos barridos incremental y decremental es de 200 HZ a 300 HZ, la frecuencia medio de estos barridos dependerá de el porcentaje de potencia que se requiere obtener en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4). El objetivo de estos barridos es evitar la aparición del fenómeno de resonancias acústicas en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4).
Durante cada uno de los barridos de frecuencia de la etapa (79) en todo momento se aplica la etapa (80), la cual consiste en contabilizar el tiempo transcurrido desde el encendido de la lámpara de vapor de alta eficacia (4), hasta que el tiempo llega a (53) en la figura 10 o T3 y una vez concluido se procede a la etapa (81) y si aún no ha llegado se continúa con la etapa (79) y así sucesivamente.
La etapa (81), (la cual solo aplica cuando se maneja doble atenuación) consiste en incrementar la potencia en un porcentaje determinado, variando la media de la frecuencia y sensando (21) la potencia hasta obtener el resultado programado. En esta sección se aplica el barrido incremental en la frecuencia de conmutación del inversor utilizado (3) desde el 92.5% de la frecuencia nominal de operación hasta 107.5% de la frecuencia nominal de operación y posteriormente un barrido decremental desde 107.5% de la frecuencia nominal de operación hasta el 92.5% de la frecuencia nominal de operación, los incrementos de frecuencia de estos barridos incremental y decremental es de 200 HZ a 300 HZ, la frecuencia media de estos barridos dependerá de el porcentaje de potencia que se requiere obtener en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4). El objetivo de estos barridos es evitar la aparición del fenómeno de resonancias acústicas en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4).
Durante cada uno de los barridos de frecuencia de la etapa (81) en todo momento se aplica la etapa (82), la cual consiste en contabilizar el tiempo transcurrido desde el encendido de la lámpara de vapor de alta eficacia (4), hasta que el tiempo llega a (62) figura 10 o T4 y una vez concluido se procede a la etapa (83) y si aún no ha llegado se continúa con la etapa (81) y así sucesivamente.
La etapa (83), consiste en incrementar la potencia en un porcentaje determinado, variando la media de la frecuencia y sensando (21) la potencia hasta obtener el resultado programado. En esta sección se aplica el barrido incremental en la frecuencia de conmutación del inversor utilizado (3) desde el 92.5% de la frecuencia nominal de operación hasta 107.5% de la frecuencia nominal de operación y posteriormente un barrido decremental desde 107.5% de la frecuencia nominal de operación hasta el 92.5% de la frecuencia nominal de operación, los incrementos de frecuencia de estos barridos incremental y decremental es de 200 HZ a 300 HZ, la frecuencia media de estos barridos dependerá de el porcentaje de potencia que se requiere obtener en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4). El objetivo de estos barridos es evitar la aparición del fenómeno de resonancias acústicas en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4).
Durante cada uno de los barridos de frecuencia de la etapa (83) en todo momento se aplica la etapa (84), la cual consiste en contabilizar el tiempo transcurrido desde el encendido de la lámpara de vapor de alta eficacia (4), hasta que el tiempo llega a (68) figura 10 o T5 y una vez concluido se procede a la etapa (85) y si aún no ha llegado se continúa con la etapa (83) y así sucesivamente.
Si por un mal funcionamiento de la fotocelda, esta no cortara el suministro de energía y el dispositivo ahorrador de energía (1), siguiera funcionando, se procederá a la etapa (84), en dicha etapa se seguiría contabilizando el tiempo transcurrido y al llegar este a un tiempo (T5) (68) previamente definido, se mandaría desactivar al inversor utilizado (3), apagando a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), etapa (85), para evitar el consumo de energía durante el día.
Una vez apagada la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), el dispositivo ahorrador de energía (1), continuará funcionando, pero con el inversor (3) apagado, el tiempo seguirá siendo contabilizado por el microcontrolador (6), hasta llegar a la etapa (85). En esta etapa se verifica si el tiempo contabilizado ha llegado a las 24 horas (1 día), si así fuera se procedería con la etapa (71) repitiendo todo el proceso nuevamente, y si el tiempo aún no ha llegado a 24 horas, entonces se mantiene en la etapa (85).
La figura 9, muestra la operación del dispositivo ahorrador de energía en cuanto a consumo de potencia contra tiempo en modo de operación de una sola atenuación. En el punto inicial el dispositivo trabaja a potencia nominal de la lámpara (4), durante un tiempo determinado (T1) (50), posteriormente el dispositivo atenúa el consumo de potencia a un porcentaje determinado con respecto a la potencia nominal (% PN) (53) durante un tiempo específico (T2) (51), regresando a su potencia nominal al finalizar la secuencia de operación con una duración dada (T3) (52).
La figura 10, muestra la operación del dispositivo ahorrador de energía en cuanto a consumo de potencia contra tiempo en modo de operación de doble atenuación. En el punto inicial el dispositivo trabaja a potencia nominal de la lámpara (4), durante un tiempo determinado (T1) (55), como segundo paso el dispositivo atenúa el consumo de potencia a un porcentaje determinado con respecto a la potencia nominal (% PN) (61) durante un tiempo específico (T2) (56), en el tercer paso el sistema vuelve a atenuar el consumo (% PN) (59) durante (T3) (57), regresando a el nivel de la primera atenuación (% PN) (61) con una duración de (T4) y por último regresando a su potencia nominal para finalizar la secuencia de operación con una duración dada (T5) (68).
La figura 11 muestra el modo de operación continua en donde todo el tiempo (T1) 63) el dispositivo mantiene a la lámpara (4), operando a su potencia nominal (64).

Claims (17)

1. Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público que comprende; un convertidor corrector del factor de potencia (2), el cual proporciona un nivel de voltaje de corriente continua al inversor resonante (3), que regule las variaciones del voltaje de alimentación y que presenta un factor de potencia a la red eléctrica mayor o igual al 98 por ciento, el inversor resonante (3) cuenta con un tanque resonante formado por inductores y capacitores el cual convierte una señal de corriente continua a una señal cuadrada alterna o unipolar cuya frecuencia es mayor o igual a 1 Khz y en el cual la señal cuadrada es filtrada por el tanque resonante formado por un inductor (23), y dos capacitores (22) y (24); una lámpara de vapor de sodio de alta eficacia lumínica (4), que presenta una eficacia superior a las de las lámparas de vapor de sodio convencionales equivalentes en potencia, un microcontrolador (6) el cual comprende un circuito integrado de 8 o más terminales, en el cual se programa el método que determina el funcionamiento del dispositivo ahorrador de energía (1), un circuito impulsor (7) el cual comprende un circuito integrado que recibe la señal de control enviada por el microcontrolador (6), y la acondiciona a un nivel de voltaje apropiado para el encendido y apagado de los interruptores (17) y (18), que incluye el inversor resonante (3), caracterizado porque el convertidor corrector del factor de potencia (2), incluye un circuito integrado corrector del factor de potencia (10), y el inversor resonante (3), tiene un amplificador de clase (D) y un tanque resonante LCC, además de un circuito que alimenta a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) y aplica a dicha lámpara (4), una vez que dicha lámpara (4) encendió una señal cuya frecuencia es siempre menor que la frecuencia de resonancia del tanque resonante formado por el capacitor (22), el inductor (23) y el capacitor (24) con la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), asimismo incluye un circuito para la protección contra bajo voltaje (9) de la tensión de entrada, que es el que detecta el voltaje de línea rectificado (13), por medio de un divisor resistivo formado por las resistencias (40) (41), y en el que el voltaje en las terminales de la resistencia (41) es filtrado y convertido a un nivel de corriente directa por medio de un capacitor (45) y que esta diseñado para que cuando el voltaje de alimentación de corriente alterna varia cierto porcentaje fuera del valor nominal tanto en alto como bajo voltaje el valor es detectado por el microcontrolador (6) y este apaga el inversor resonante (3) que a la vez apaga la lámpara (4), evitando algún daño al dispositivo ahorrador de energía (1) en alguna de sus partes, restableciendo la operación normal de encendido y trabajo una vez que el voltaje se encuentra en los rangos de operación.
2. Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 1 caracterizado además porque el inversor resonante (3), modula la frecuencia nominal de operación incrementándola desde un 90 hasta un 93 por ciento de la frecuencia nominal de operación desde 107 a 110 por ciento de dicha frecuencia nominal.
3. Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 1 caracterizado además porque el inversor resonante (3), reduce la frecuencia nominal de operación desde 107 a 110 por ciento hasta 90 al 93 por ciento de la frecuencia nominal de operación.
4. Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 1 caracterizado además porque los saltos de frecuencia para el barrido en el inversor resonante (3) que alimenta la lámpara (4), es de 200 HZ a 300 HZ.
5. Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público de acuerdo con la cláusula 1 caracterizado además porque el convertidor corrector del factor de potencia (2), opera en la frontera entre modo de conducción continuo y discontinuo.
6. Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 1 caracterizado además el inversor resonante (3), aplica un control de intensidad luminosa a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), el cual se realiza variando la frecuencia de conmutación del inversor resonante (3).
7. Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 1 caracterizado además porque el inversor resonante (3), incluye un tanque que comprende un capacitor (22), un inductor (23) y un capacitor (24), diseñados para que entreguen la mínima potencia suficiente para encender la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4).
8. Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 1 caracterizado además porque comprende un circuito para la detección del encendido (5), de la lámpara de vapor de sodio de alta eficiencia (4), y dicho circuito detecta la corriente a través de la lámpara de sodio de alta eficiencia (4), por medio de un transformador de corriente de voltaje (25), en el cual el voltaje alterno en las terminales del secundario es rectificado por un diodo (26), la corriente proporcionada por dicho voltaje rectificado es limitada por la resistencia (31), e inyectada a la base del transistor PNP (27), el cual al saturarse se comporta como un interruptor cerrado que aplica un uno lógico en la terminal (30), del microcontrolador (6), y en el cual el diodo (28), cortocircuita el secundario del transformador (25) y en el que una resistencia (31), actúa para limitar la corriente de base en el transistor (27), en dicho circuito la resistencia (32), actúa como sujeción de la terminal (29), a la base del transistor (27) para evitar que quede flotada cuando no exista corriente en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) y el capacitor (33), almacena parte de la energía pulsante entregada por el transformador (25) manteniendo saturado el transistor (27) de manera continua mientras exista corriente en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia(4), además el microcontrolador (6), para el dispositivo ahorrador de energía esta formado por ocho terminales la terminal (29), que alimenta al circuito, la terminal (34), que detecta el voltaje línea para apagar en alto o bajo voltaje (9), el cual viene de un divisor de voltaje formado por unas resistencias (40) y (41), las terminales (35), (36), (30), (37), (38), las cuales son cinco puertos de entrada y salida y la terminal (16), que es la conexión a tierra del microcontrolador (6).
9. Método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público que comprende las siguientes etapas a) elegir entre tres modos de operación de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia(4), cada modo de operación aplica a un dispositivo diferente caracterizadas porque en el caso 1 figura (9), la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), se encuentra operando a una potencia nominal (65), durante un número predeterminado de horas T1 (50), y reduciendo la potencia entregada a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), a un porcentaje medio (%PN) de su valor nominal, una vez transcurrido este tiempo T1 (50), y posteriormente una vez transcurrido el tiempo T2 (51), se regresa a su potencia nominal (65), de la lámpara de vapor de alta eficacia (4), concluyendo con un apagado automático cuando se llega al tiempo total, el caso 2 figura (10) consiste en la operación de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), a una potencia nominal de operación (67), durante un número predeterminado de horas T1 (55), y reduciendo la potencia entregada a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), a un porcentaje medio (%PN), de su valor nominal una vez transcurrido el tiempo T2 (56), volviendo a reducir la potencia entregada a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), a un porcentaje bajo (%PN) (59), de su valor nominal una vez transcurrido este tiempo T3 (57), regresar a su potencia media (%PN) (61), de la lámpara, y una vez transcurrido este tiempo T4 (62), regresar a su potencia nominal (67), de la lámpara, concluyendo con un apagado automático cuando se llega al tiempo total; donde además el método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público en el caso tres figura (11), comprende la operación de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), a su potencia nominal (64), durante todo el tiempo de operación (63); consistiendo en : a) el encendido de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia lumínica (4), mediante un barrido de frecuencias alrededor de la frecuencia resonante en vacío del tanque resonante del inversor utilizado (3), b) modulación de la frecuencia de conmutación del inversor utilizado (3), para evitar la aparición del fenómeno de resonancias acústicas en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia lumínica (4), c) mantener el consumo constante de la potencia, mediante un sistema de retroalimentación de muestreo de consumo de lazo cerrado al microcontrolador (6), el cual regulara la potencia de salida.
10. El método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 9 caracterizado además porque la etapa de modulación de la frecuencia se realiza mediante un barrido incremental en la frecuencia de conmutación del inversor utilizado (3) desde un 90 a 93 por ciento de la frecuencia nominal de operación hasta el 107 a 110 por ciento de la frecuencia nominal de operación y posteriormente un barrido decremental desde el 107 a 110 por ciento de la frecuencia nominal hasta el 90 a 93 por ciento de la frecuencia nominal de operación en pasos máximos del 1 por ciento de la frecuencia nominal; los escalones de frecuencia que se aplican a estos barridos incremental y decremental es de 200 HZ a 300 HZ.
11. Método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 9 caracterizado porque comprende la etapa de intento de encendido o re-encendido de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), ante situaciones de encendido en caliente o de un encendido fallido, dicha etapa consiste en aplicar impulsos, cada una de las cuales consiste en la aplicación de la etapa de encendido durante ocho o más veces seguidas, el espaciamiento entre cada impulso deberá ser de 5 segundos o más.
12. Método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 11 caracterizado además porque comprende la etapa de desactivación definitiva del inversor (3), si al terminar la etapa de intento de encendido o re-encendido la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), no enciende.
13. El método para ahorro de energía en sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 9 caracterizado además por la etapa de apagado de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia lumínica (4), una vez transcurrido el tiempo total o menor de 24 horas.
14. El método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 9 caracterizado además por la etapa de encendido de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia lumínica (4), una vez transcurridas las 24 horas.
15. Método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 9, caracterizado además porque la etapa de encendido de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), comprende realizar un barrido de frecuencias desde el 95 por ciento de la frecuencia resonante en vacío del tanque resonante formado por el capacitor (22), el inductor (23) y el capacitor (24), hasta el 105 por ciento de esta frecuencia resonante.
16. El método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 9 caracterizado además porque la etapa de modulación de la frecuencia de conmutación del inversor (3), se realiza por medio de una señal modulante sinusoidal, triangular, cuadrada o exponencial.
17. Método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público de acuerdo con la cláusula 9 caracterizado además porque la etapa de modulación de la frecuencia comprende un valor de índice de modulación de la señal modulante entre 5 y 50.
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