ES2325730B2 - Sistema de regulacion continua de alumbrado. - Google Patents
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Abstract
Sistema de regulación continua de alumbrado.
Dispositivo de alto rendimiento para control
continuo de iluminación, adecuado para regular diversos tipos de
lámparas. Se basa en la utilización de un inversor con modulación
PWM que genera una tensión que se inserta en serie con la línea
manteniendo el factor de potencia visto desde la red en la unidad.
Tiene funcionalidades adicionales como servir de balasto y realizar
la ignición de la lámpara.
Description
Sistema de regulación continua de alumbrado.
La presente invención se engloba en el sector de
la regulación de la iluminación con alto rendimiento, y más
particularmente aplicable a la regulación del alumbrado
público.
Actualmente el consumo debido al alumbrado
público supone un porcentaje muy elevado respecto del total de
energía eléctrica en los municipios, lo que ha llevado a la
búsqueda de nuevos sistemas que permitan un empleo más eficiente de
los sistemas de iluminación. Una opción muy empleada consiste en
reducir el nivel de iluminación del alumbrado público a partir de
una determinada hora.
Por tanto, los reguladores de iluminación para
alumbrado público deben presentar un elevado rendimiento para que
sus propias pérdidas no anulen el ahorro energético que se busca al
reducir el nivel de iluminación del alumbrado. Para ello deben
darse varias condiciones, entre las cuales se encuentran:
a) Resulta deseable que el regulador permita
regulación continua, no sólo a saltos discretos, para optimizar la
utilización de la energía.
b) El sistema de regulación debe presentar un
elevado rendimiento y para ello debe reducir las pérdidas propias.
Por tanto debe emplear el menor número posible de etapas de
conversión y las tensiones y corrientes empleadas deben ser de
valores lo más bajos posible.
Por otro lado, los convertidores electrónicos
c.c./c.a. controlados por microprocesador (también llamados
inversores) con modulación de ancho de pulso (PWM) presentan una
gran facilidad para sintetizar la forma de onda senoidal
controlando de forma continua su amplitud, frecuencia y fase. Sin
embargo actualmente no se emplean en regulación de iluminación para
alumbrado ya que implican rectificar la tensión de la red (etapa
c.a./c.c.) para, a continuación, generar la tensión alterna
controlada ya con el inversor (etapa c.c./c.a.), Figura 1. Cuando se
emplea esta disposición toda la potencia de la carga pasa a través
del inversor lo que lo encarece y reduce su rendimiento debido a
las grandes pérdidas que origina.
Debido a ello se considera que el rendimiento es
bajo debido se considera que las pérdidas originadas al emplear dos
etapas de conversión de potencia reducen mucho el rendimiento ya que
ambos convertidores deben manejar toda la potencia que se envía a
las lámparas y esto hace que presenten apreciables pérdidas por
conmutación y por conducción. Además los rectificadores son una
importante fuente de distorsión para la red debido a la forma de
onda de la corriente que absorben lo que hace necesario conectar
filtros.
En su lugar actualmente se emplean
transformadores con tomas (regulación discreta) que mediante
interruptores mecánicos o interruptores electrónicos, Figura 2,
regula la tensión obtenida en el secundario del transformador. Cada
toma se selecciona con relés mecánicos ó interruptores
electrónicos. Su principal inconveniente radica en que tanto el
transformador como los interruptores manejan la potencia total de
la lámpara, lo que origina fuertes pérdidas y reduce el
rendimiento.
En la Figura 3 se muestra un sistema con dos
transformadores. Uno de ellos, en serie con la línea extrae
potencia activa insertando una tensión en fase con la corriente.
Otro transformador devuelve a la red esa misma potencia ya que en
aplicaciones de iluminación no tiene sentido almacenarla o
disiparla. Por la propia naturaleza de los transformadores la
tensión insertada formará 180º respecto de la línea de forma que la
tensión en la lámpara se reduce cuanto mayor sea el nivel de
tensión introducido en serie con la línea. La ventaja de esta
disposición es que la potencia activa manejada por los
transformadores es sólo una fracción de la potencia de la lámpara
siempre que no se llegue al apagado de la misma. Sin embargo, su
principal problema es que utiliza dos transformadores, lo que reduce
relativamente el rendimiento y resulta un equipo pesado, caro y de
grandes dimensiones. Además el tipo de regulación es discontinuo,
contando únicamente con número discreto de tensiones de salida
posibles.
También se emplean "balastos electrónicos",
Figura 4, pero su rendimiento no es muy elevado porque emplean dos
etapas de conversión de energía (ca/cc y cc/ca). Además necesitan
complejos sistemas de filtrado pasivo de la corriente que absorben
de la línea para no distorsionar la red.
Sin embargo, la presente invención realiza una
regulación continua (no discreta) utilizando un inversor con
modulación PWM en el que, para optimizar el rendimiento, se utiliza
un nivel de tensión de salida reducido, no se maneja la potencia
total de la lámpara y ni siquiera se controla potencia activa sino
que la regulación se efectúa controlando potencia reactiva. Además
el factor de potencia del conjunto
regulador-lámpara visto desde la red es de la
unidad. Este regulador puede realizar adicionalmente la función de
sustituir total o parcialmente el balasto que acompaña a las
lámparas y de realizar la ignición inicial de las lámparas de
descarga.
Por otro lado el documento de patente WO96/24186
describe un regulador serie para líneas de transmisión de alta
tensión que utiliza un rectificador controlado y un inversor para
generar una tensión que se inserta,en serie con la línea mediante un
transformador. Este sistema es capaz de absorber o ceder potencia
reactiva pero emplea un convertidor electrónico y un transformador
más que el sistema de la invención. Además, al realizar la
regulación con un único inversor, el factor de potencia visto desde
la red no es la unidad y es variable con el nivel de tensión
generado. Por otro lado, el condensador se carga desde el
transformador en paralelo y el rectificador, mientras que en la
invención se realiza a través del transformador en serie y una
resistencia.
En la patente se menciona la compensación del
efecto inductivo de una línea de transmisión mediante la inserción
de una tensión en serie a -90º con la corriente para generar un
efecto capacitivo para aumentar la capacidad de transmisión de la
línea. Sin embargo no menciona que este valor de la tensión se
reajuste en función de la corriente para obtener la emulación de
una impedancia a un valor constante en Ohmios y poder obtener así
el efecto de autorregulación necesario en el caso de las lámparas.
Tampoco busca que el factor de potencia visto desde la red sea la
unidad ya que sólo compensa la reactancia de las líneas y no de la
carga.
La patente US5329222 describe un restaurador de
tensión para líneas de transmisión de alta tensión diseñado para
compensación de huecos de tensión. Este sistema se ha patentado
para proporcionar exclusivamente potencia activa a la línea al
contrario que el sistema de la invención, que utiliza exclusivamente
potencia reactiva. Además no puede utilizase en control de
iluminación porque para reducir el nivel de iluminación tendría que
absorber potencia activa lo que no es posible en régimen permanente
porque que no tiene mecanismos de disipación o de devolución de la
potencia captada hacia la red.
La patente US6144191 describe un regulador de
tensión que emplea un inversor con modulación PWM y un
transformador conectado en serie con la carga. También utiliza un
rectificador y, opcionalmente, un sistema de almacenamiento de
energía, sistemas que no son necesarios en el sistema de la
invención ya que éste no intercambia con las lámparas potencia
activa. Además, si se emplea para generar potencia reactiva, el
factor de potencia visto desde la red no es la unidad y es variable.
En el caso en el que realice la regulación absorbiendo potencia
activa se mantendría el factor de potencia en la unidad pero
necesitaría un segundo convertidor para devolver esta potencia a la
red, lo que reduce el rendimiento y lo encarece respecto del
sistema de la invención. Por otro lado, el condensador se carga
desde el rectificador o el sistema de almacenamiento, mientras que
en la invención se realiza a través del transformador en serie y
una resistencia.
En ninguno de estos documentos de patente
estudiadas se tiene en cuenta el mantener el factor de potencia
visto desde la red en la unidad y sin embargo esta es una
característica muy importante en las aplicaciones de
ilumina-
ción.
ción.
Por otro lado, el proceso de encendido de
algunos tipos de lámpara de descarga necesita aplicar
transitoriamente a la misma una tensión varias veces superior a su
valor nominal (pico de 400-600 V para lámparas de
230 V nominales) para lograr la ignición de la misma. Normalmente
se recurre a autotransformadores elevadores o circuitos mixtos de
reactancia y arrancador electrónico.
Por otro lado, las lámparas de descarga utilizan
reactancias en serie, llamados balastos, para limitar la corriente
por las mismas una vez ionizado el gas así como para generar un
efecto de autorregulación de la corriente. La autorregulación hace
necesario que si la intensidad crece por cualquier causa debida a la
lámpara, aparezca una mayor tensión en la inductancia que haga
disminuir la tensión en la lámpara y por tanto su corriente. Por
tanto, para reproducir este el comportamiento propio del balasto no
basta con generar en el bobinado en serie una tensión a +/-90º con
la corriente de línea sino que su amplitud debe ser reajustada de
acuerdo a la corriente. De esta forma se mantiene un valor
constante equivalente en ohmios.
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La invención se refiere a un sistema de
regulación continua de alumbrado de acuerdo con la reivindicación
1. Realizaciones preferidas del sistema se definen en las
reivindicaciones dependientes.
El alumbrado a regular comprende una pluralidad
de lámparas conectadas a la red eléctrica. El sistema de regulación
comprende:
- un regulador inductivo configurado para ser
conectado en serie con una lámpara del alumbrado y para generar una
tensión en serie de módulo UX regulable y con ángulo de fase
respecto de la corriente que atraviesa dicha lámpara de
sustancialmente +90º;
- un regulador capacitivo configurado para ser
conectado en serie con una lámpara, diferente de la anterior, del
alumbrado y para generar una tensión en serie de módulo U,,
regulable y sustancialmente idéntico al módulo de la tensión
generada por el regulador inductivo, y con ángulo de fase respecto
de la corriente que atraviesa dicha lámpara de sustancialmente
-90º.
\newpage
El regulador inductivo y el regulador capacitivo
comprenden preferentemente, cada uno de ellos:
- un inversor que comprende transistores de
potencia controlados con modulación de ancho de pulso, configurado
para ser conectado en serie con la correspondiente lámpara a través
de un transformador;
- un sistema de control configurado para medir
la corriente i(t) que atraviesa la correspondiente lámpara
y, en función de ella y el nivel de iluminación establecido,
generar las señales PWM de control S_{CONTROL} para aplicar a los
transistores de potencia del inversor;
- al menos un condensador en el bus de c.c. del
inversor.
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El regulador inductivo y el regulador capacitivo
pueden comprender además, cada uno de ellos, una inductancia de
filtrado situada entre el inversor y el transformador.
En una realización preferida el sistema de
control comprende un bloque de control que dispone de:
- medios de sincronización configurados para, a
partir de la corriente i(t) medida, generar periódicamente
una señal V_{gen} con un ángulo de fase respecto de dicha
corriente i(t) de +90º, en caso de que el regulador sea
inductivo, o de -90º, en caso de que el regulador sea
capacitivo;
- medios de medición de tensión configurados
para obtener periódicamente una medida de la tensión U_{cc} del
bus de c.c. del inversor, tensión Ucc_{med};
- un regulador
proporcional-integral encargado de reajustar, en
función de la tensión Ucc_{med} y un valor de referencia de la
tensión U_{cc} (Ucc_{REF}), el ángulo de la señal generada
\varphi_{gen} para mantener constante la tensión U_{cc} del
bus de c.c. del inversor, y obtener así un ángulo reajustado
\varphi_{aj};
- medios de cálculo del seno configurados para
calcular la función seno del ángulo \varphi_{aj}, y obtener así
una señal S_{seno};
- un bloque multiplicador configurado para
multiplicar la señal S_{seno} por una tensión de consigna del
nivel de iluminación V_{REF}, y obtener así una señal moduladora
S_{MODULADORA}.
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El sistema de control puede además comprender un
generador de señales PWM configurado para generar, a partir de la
señal moduladora S_{MODULADORA}, las señales PWM de control
S_{CONTROL} para aplicar a los transistores de potencia del
inversor.
El sistema de control puede comprender
también:
- medios de medición de la corriente
configurados para calcular periódicamente el valor eficaz I_{ef}
de la corriente i(t) que atraviesa la correspondiente
lámpara;
- medios de comparación configurados para
comparar dicho valor eficaz I_{ef} con la intensidad de consigna
del nivel de iluminación I_{REF} y obtener la señal
diferencia;
- un regulador
proporcional-integral configurado para generar, a
partir de dicha señal diferencia, la tensión de consigna del nivel
de iluminación V_{REF}.
\vskip1.000000\baselineskip
En una realización particular el regulador
inductivo y el regulador capacitivo comprenden, cada uno de ellos,
un sistema de carga del al menos un condensador del inversor.
El sistema de carga comprende preferentemente un
primer contacto configurado para:
- conectar, durante la carga, la lámpara al
neutro de la red;
- desconectar la lámpara al neutro de la red una
vez finalizada la carga.
\vskip1.000000\baselineskip
El sistema de carga puede comprender también un
segundo contacto configurado para:
- conectar, durante la carga, una resistencia de
carga al bobinado del transformador en el lado del inversor;
- desconectar, una vez finalizada la carga, la
resistencia de carga al bobinado del transformador en el lado del
inversor.
\newpage
El sistema de carga puede comprender un tercer
contacto configurado para:
- desconectar, durante la carga, la inductancia
de filtrado;
- conectar, una vez finalizada la carga, la
inductancia de filtrado al bobinado del transformador en el lado
del inversor.
\vskip1.000000\baselineskip
El bobinado del transformador en el lado del
inversor puede disponer de una toma media; en ese caso el sistema
de carga puede comprender un conmutador configurado para:
- conectar, durante la carga, el inversor al
bobinado completo del transformador en el lado del inversor;
- conectar, una vez finalizada la carga, el
inversor a la mitad del bobinado del transformador en el lado del
inversor.
\vskip1.000000\baselineskip
A continuación se pasa a describir de manera muy
breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la
invención y que se relacionan expresamente con una realización de
dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de
ésta.
En la Figura 1 se muestra, de acuerdo al estado
del arte, un sistema clásico de utilización de un inversor con
modulación PWM.
En la Figura 2 aparece, de acuerdo al estado del
arte, un sistema de iluminación que emplea un transformador con
tomas para obtener diferentes niveles de iluminación.
La Figura 3 muestra, de acuerdo con el estado
del arte, un sistema en el que se emplea un transformador con tomas
para seleccionar diferentes niveles de tensión que se insertan en
serie con la línea.
La Figura 4 muestra un control electrónico de
iluminación, de acuerdo al estado del arte, que utiliza un inversor
monofásico alimentado por un rectificador.
La Figura 5 muestra el principio utilizado en el
regulador de la invención consistente en insertar en serie con la
línea una tensión U_{x} a +/- 90º con la corriente.
En la Figura 6 se muestra el diagrama fasorial
correspondiente al circuito de la Figura 5.
La Figura 7 muestra el regulador de la presente
invención, constituido por dos ramas, una con un regulador de
carácter capacitivo y otra de carácter inductivo que se compensan
para presentar un factor de potencia unitario a la
red.
red.
En las Figuras 8A y 8B aparecen los diagramas
fasoriales de las dos ramas que constituyen el regulador de la
invención.
En la Figura 9 se muestra el inversor utilizado
para cada rama del regulador de la invención.
En la Figura 10 aparece representado el
regulador de la invención con las dos ramas de caracteres
complementarios: inductivo y capacitivo.
La Figura 11 presenta el algoritmo de control
del inversor de cada una de las ramas del regulador de la
invención.
La Figura 12 presenta un sistema de carga
inicial del condensador del inversor de cada rama en los casos en
los que la lámpara de descarga apagada imposibilita la circulación
inicial de corriente por la línea.
En la Figura 13 se ha representado un sistema de
carga inicial del condensador del inversor de cada rama de la
invención para el caso en que sea necesario aplicar una
sobretensión inicial a la lámpara para provocar la ignición de la
misma.
La Figura 14 muestra un diagrama adicional del
sistema de control cuando se utiliza el regulador de la invención
como balasto para la autorregulación de la intensidad de la
lámpara.
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La invención consiste en un regulador de
iluminación para todo tipo de lámparas que se basa en conectar una
fuente de tensión situada entre la lámpara 1 y la red eléctrica 2,
según se muestra en la Figura 5. Mediante esta fuente de tensión se
introduce en serie con la línea una tensión U_{x} con ángulo de
fase respecto de la corriente I de 90º y se logra modificar el
valor de tensión en la carga sin realizar consumo de potencia
activa.
Regulando la amplitud de la tensión introducida
en serie y manteniendo simultáneamente el ángulo de fase en 90º
respecto de la corriente se consigue variar el nivel de tensión en
la lámpara, según se muestra en la Figura 6.
El ángulo de fase de tensión introducida en
serie con la línea puede tomarse en +90º ó en -90º. En el primer
caso la fuente serie se comportará con un carácter inductivo
simulando el efecto de una inductancia y en el segundo lo hará con
carácter capacitivo simulando un condensador en serie.
Al mantener el ángulo de fase en +90º ó en -90º
no se produce consumo de potencia activa en la fuente y, por tanto,
no es necesario disiparla ni disponer de un convertidor que la
devuelva a la red. Esto redunda en beneficios económicos y de
simplicidad técnica.
Sin embargo, si se emplea un único regulador se
da la circunstancia de que, visto desde la red, el factor de
potencia del conjunto es bajo debido al carácter reactivo del
propio regulador. Esta circunstancia es inaceptable para el caso de
reguladores de iluminación.
Con el fin de mantener el factor de potencia
visto desde la red en la unidad, el sistema de regulación 3 de la
presente invención combina dos reguladores en paralelo, un
regulador inductivo 4 y un regulador capacitivo 5 representado en la
Figura 7, de forma que uno de ellos realiza la regulación de la
lámpara 1 de su rama absorbiendo reactiva (carácter inductivo) y el
otro cediendo reactiva (carácter capacitivo), según se muestra en
los diagramas fasoriales de las dos ramas representados en la Figura
8A, para el carácter inductivo, y Figura 8B, para el carácter
capacitivo. En conjunto deben compensarse y el factor de potencia
global resulta de valor unidad de forma que el sistema de
regulación 3 lo constituye el conjunto de dos reguladores (4, 5) de
rama de caracteres complementarios (carácter inductivo y carácter
capacitivo). Por tanto, cada sistema de regulación 3 controla dos
ramas y en cada una de ellas se conecta una lámpara 1, según se
muestra en la Figura 7.
La invención emplea como fuente de tensión para
cada rama un inversor 7 independiente con modulación de ancho de
pulso (PWM), comprendiendo transistores de potencia 21 y diodos en
antiparalelo 24, conectado en serie con la línea mediante un
transformador serie 8, según se representa en la Figura 9. En la
Figura 10 se muestra el conjunto de las dos ramas de caracteres
complementarios (carácter inductivo y carácter capacitivo) que
forman el sistema de regulación 3 de la invención.
El regulador de la invención utiliza un sistema
de control 9 (normalmente un microprocesador o un microcontrolador)
para cada rama, mostrado en la Figura 11, en el que se mide la
corriente i(t) en la línea para obtener el sincronismo con
ella. La corriente i(t) es la corriente que atraviesa cada
lámpara. Para medir i(t) se inserta en serie con la línea un
sensor de corriente de efecto Hall que proporciona una señal de
tensión reducida proporcional a la corriente en la lámpara; el micro
lo convierte mediante un conversor analógico/digital y el resultado
lo utiliza en los cálculos dentro del programa.
El ángulo obtenido a partir de unos medios de
sincronización 13 se fija en +90º o -90º dependiendo de la rama,
obteniendo un ángulo de fase de +90º ó -90º respecto de la fase de
la corriente de línea i(t), \varphi_{gen}. Para lograrlo
el microcontrolador está en todo momento muestreando con un
convertidor A/D la corriente en la lámpara por lo que conoce la
fase de la misma. Cuando la corriente cruce por cero, se lanza un
contador hardware del micro en el que, cuando la "CUENTA"=0
equivale a -90º y cuando llega a "CUENTA"=PERIODO, equivale a
+270º. El contador se reinicia por software en cada cruce por cero
inicial de la corriente. El valor de CUENTA del micro, convertido a
radianes, es el que se utiliza como ángulo en la Figura 11.
El valor del ángulo \varphi_{gen} se
reajusta con un regulador proporcional-integral 12,
obteniendo un ángulo reajustado \varphi_{aj}, para lograr que la
tensión U_{cc} en el bus de c.c. del inversor 7 permanezca
constante (comparando, previamente al regulador
proporcional-integral 12, la tensión Ucc_{med}, la
medida de la tensión U_{cc} efectuada por unos medios de medición
de tensión 14, con un valor de consigna o de referencia de la
tensión U_{cc}, UCC_{REF}, valor prefijado en el
microprocesador) permitiendo que el inversor 7 absorba una pequeña
parte de potencia activa para compensar las pérdidas que tienden a
descargar el condensador/es 11 del bus de c.c. del inversor 7. Para
lograr mantener U_{cc} constante el algoritmo hace que si se
reduce U_{cc} cambie ligeramente el ángulo de fase de la tensión
generada U_{x} (ya no será exactamente +90º o -90º) con lo que el
inversor absorbe potencia activa de la red (de la línea) hasta que
recarga el condensador. Lo contrario ocurre cuando U_{cc} aumenta,
ya que se cede potencia a la red.
El resultado del ángulo \varphi_{aj}, ángulo
de fase de la tensión corregido para mantener U_{cc} constante,
se emplea para calcular, a través de medios de cálculo del seno 17,
con él la señal S_{seno} que, multiplicada a través del bloque
multiplicador 18 por la consigna o referencia del valor de pico de
la tensión de salida deseada, tensión de consigna del nivel de
iluminación V_{REF}, constituye la señal moduladora
S_{MODULADORA} (función senoidal moduladora de la tensión) que es
la salida del bloque de control 19. V_{REF} es la referencia que
da el usuario para fijar un determinado nivel de iluminación,
pudiendo ser una señal externa analógica (p.ej. mediante un
potenciómetro), un valor digital que le envía otro microprocesador,
etc. Habitualmente se envía inalámbricamente por GSM desde un
centro de control a todos los reguladores de una zona (en forma de
valor numérico digital). Cuando el usuario fija el valor de Vref, el
sistema PWM genera una U_{X} proporcional, no estando
realimentado. El usuario debe conocer el rango de valores de Vref y
por tanto de U_{x} que puede utilizar. Por tanto, el nivel de
referencia de iluminación puede ser una entrada física analógica o
por el contrario puede ser un valor digital que se le envía al
regulador por algún tipo de puerto de comunicación.
La señal moduladora S_{MODULADORA} finalmente
se compara en un comparador 20 con la señal portadora
S_{PORTADORA}, señal triangular de alta frecuencia generada por el
generador de señales PWM 22 del sistema de control 9, hardware
normalmente ya incorporado en los microcontroladores. El resultado
de estas comparaciones proporciona las señales PWM de control
S_{CONTROL} que se aplican a los transistores de potencia 21 con
los que se constituye el inversor 7.
En los momentos iniciales el condensador 11 del
bus de c.c. de cada inversor 7 está descargado. Como no existe un
rectificador para cargarlos, la invención utiliza un procedimiento
diferente para la carga inicial del condensador 11 de cada inversor
7.
En el caso de las lámparas de descarga hasta que
no se ha producido la ignición de la lámpara 1 no existe corriente
en la línea y por tanto no hay tensión en el transformador serie 8
que permita cargarlo.
La invención realiza la carga del condensador
11, según se muestra en la Figura 12, añadiendo un primer contacto
K1 que conecta inicialmente el terminal 8' del transformador 8
conectado a la carga, al neutro de la red aplicando así la tensión
fase- neutro de la red 2 al bobinado serie 8'. De esta forma se
produce automáticamente una primera carga del condensador 11 a
través del bobinado 8'' del transformador conectado al inversor 7,
los diodos en antiparalelo 24 con los transistores IGBT 21 y de la
inductancia de filtrado 10 situada entre el inversor 7 y el
tranformador 8. Un segundo contacto K2 puede emplease
simultáneamente para conectar una resistencia serie de carga 25
durante la carga de los condensadores 11 que limite la corriente
mientras que un tercer contacto K3 desconecta el filtro 10 durante
la carga. La Figura 12 muestra la posición de los diferentes
contactos K1, K2 y K3 en el momento de la carga (primer contacto K1
y segundo contacto K2 cerrados, tercer contacto K3 abierto). Una
vez finalizada la carga se invierte el orden de los tres contactos,
empezando a funcionar el sistema de regulación 3.
En la invención, el sistema de regulación 3
genera en cada rama, si es necesario, una tensión senoidal en fase
con la de red de forma que se suman alcanzando el valor suficiente
como para producir la ignición.
La invención emplea, tal y como se muestra en la
Figura 13, en el lado del transformador 8 al que se conecta el
inversor 7, un bobinado 8'' con toma media de forma que, para la
carga inicial, se emplea un número de espiras distinto al de régimen
normal de funcionamiento. Así la relación de transformación es
diferente durante la carga del condensador que en el momento de la
ignición de la lámpara.
Durante la carga del condensador, empleando un
mayor número de espiras se alcanza una mayor tensión en el bus de
continua del inversor. Una vez cargado, reduciendo el número de
espiras, es posible generar una mayor tensión alterna en el
bobinado serie 8' que la empleada para el proceso de carga gracias a
la nueva relación de transformación.
La selección del número de espiras en el
bobinado del lado del convertidor o inversor 7 se realiza a través
de un conmutador 27 que se acciona simultáneamente al primer
contacto K1 de conexión del bobinado entre fase y neutro, al segundo
contacto K2 de conexión de la resistencia de carga del condensador
y al tercer contacto K3 de desconexión de la inductancia de
filtrado 10 durante la carga. En la Figura 13 se muestra la posición
de los contactos K1, K2 y K3 y del conmutador 27 durante la carga;
una vez efectuada la carga se invierte la posición de los contactos
K1, K2, K3 y del conmutador K4, de esta forma una vez finalizada la
carga el inversor es capaz de generar una tensión más elevada,
necesaria para la ignición.
Por otro lado, la invención utiliza el regulador
serie para eliminar el balasto de forma simultánea a su función de
control de iluminación y para ello debe reproducir las condiciones
ya mencionadas de limitación de corriente y autorregulación. Para
efectuar esta función el control, ver Figura 14, el sistema de
control 9 mide la corriente de línea i(t) a través de medios
de medición de corriente (29), calcula su valor eficaz I_{ef} en
cada ciclo y lo compara (a través de los medios de comparación 30)
con la corriente de consigna I_{REF}, intensidad de consigna del
nivel de iluminación. El error se aplica a un regulador
proporcional-integral 28 que generará el de tensión
de consigna del nivel de iluminación V_{REF} para el bloque PWM.
A diferencia del caso general, si se desea emular el comportamiento
de un balasto, el control del nivel de iluminación se realiza
estableciendo la I_{ref}, ya sea por medios analógicos ó como un
valor digital dentro del programa. El algoritmo actúa entonces
regulando continuamente el valor de V_{ref} para mantener
I_{ref} en el valor de consigna.
El sistema de la invención permite limitar la
corriente en la lámpara reproduciendo indistintamente un balasto
capacitivo o inductivo en serie con la línea.
La realización preferida consta de un inversor
monofásico, construido con transistores IGBT 21, por cada rama y
controlado cada uno de ellos por un algoritmo implementado en un
procesador digital de señales (DSP). El DSP debe contar con dos
entradas analógicas, una para medir la corriente i(t) en la
lámpara y otra para medir la tensión en el bus de c.c. del
inversor, así como de un bloque de generación de señales PWM. El
transformador conectado en serie debe elegirse preferentemente de
forma que, con los niveles de tensión que va a trabajar, no alcance
la zona de saturación para no deformar la onda que genera el
inversor y no introducir distorsión en la red.
Claims (11)
1. Sistema de regulación continua de alumbrado,
comprendiendo dicho alumbrado una pluralidad de lámparas (1)
conectadas a la red eléctrica (2), caracterizado porque el
sistema (3) comprende:
- un regulador inductivo (4) configurado para
ser conectado en serie con una lámpara (1) del alumbrado y para
generar una tensión en serie de módulo U_{x} regulable y con
ángulo de fase respecto de la corriente que atraviesa dicha lámpara
(1) de sustancialmente +90º;
- un regulador capacitivo (5) configurado para
ser conectado en serie con una lámpara (1), diferente de la
anterior, del alumbrado y para generar una tensión en serie de
módulo U_{x} regulable y sustancialmente idéntico al módulo de la
tensión generada por el regulador inductivo (4), y con ángulo de
fase respecto de la corriente que atraviesa dicha lámpara (1) de
sustancialmente -90º.
2. Sistema de regulación continua de alumbrado
según la reivindicación 1, caracterizado porque el regulador
inductivo (4) y el regulador capacitivo (5) comprenden, cada uno de
ellos:
- un inversor (7) que comprende transistores de
potencia (21) controlados con modulación de ancho de pulso,
configurado para ser conectado en serie con la correspondiente
lámpara (1) a través de un transformador (8);
- un sistema de control (9) configurado para
medir la corriente i(t) que atraviesa la correspondiente
lámpara (1) y, en función de ella y el nivel de iluminación
establecido, generar las señales PWM de control S_{CONTROL} para
aplicar a los transistores de potencia (21) del inversor (7);
- al menos un condensador (11) en el bus de c.c.
del inversor (7).
3. Sistema de regulación continua de alumbrado
según la reivindicación 2, caracterizado porque el regulador
inductivo (4) y el regulador capacitivo (5) comprenden, cada uno de
ellos, una inductancia de filtrado (10) situada entre el inversor
(7) y el transformador (8).
4. Sistema de regulación continua de alumbrado
según cualquiera de las reivindicaciones 2-3,
caracterizado porque el sistema de control (9) comprende un
bloque de control (19) que dispone de:
- medios de sincronización (13) configurados
para, a partir de la corriente i(t) medida, generar
periódicamente una señal V_{gen} con un ángulo de fase respecto de
dicha corriente i(t) de +90º, en caso de que el regulador
sea inductivo (4), o de -90º, en caso de que el regulador sea
capacitivo (5);
- medios de medición de tensión (14)
configurados para obtener periódicamente una medida de la tensión
U_{cc} del bus de c.c. del inversor (7), tensión Ucc_{med};
- un regulador
proporcional-integral (12) encargado de reajustar,
en función de la tensión Ucc_{med} y un valor de referencia de la
tensión U_{cc} (Ucc_{REF}), el ángulo de la señal generada
\varphi_{gen} para mantener constante la tensión U_{cc} del
bus de c.c. del inversor (7), y obtener así un ángulo reajustado
\varphi_{aj};
- medios de cálculo del seno (17) configurados
para calcular la función seno del ángulo \varphi_{aj}, y
obtener así una señal S_{seno};
- un bloque multiplicador (18) configurado para
multiplicar la señal S_{seno} por una tensión de consigna del
nivel de iluminación V_{REF}, y obtener así una señal moduladora
S_{MODULADORA}.
5. Sistema de regulación continua de alumbrado
según la reivindicación 4, caracterizado porque el sistema
de control (9) comprende un generador de señales PWM (22)
configurado para generar, a partir de la señal moduladora
S_{MODULADORA}, las señales PWM de control S_{CONTROL} para
aplicar a los transistores de potencia (21) del inversor (7).
6. Sistema de regulación continua de alumbrado
según cualquiera de las reivindicaciones 4-5,
caracterizado porque el sistema de control (9) comprende:
- medios de medición de la corriente (29)
configurados para calcular periódicamente el valor eficaz I_{ef}
de la corriente i(t) que atraviesa la correspondiente
lámpara (1);
- medios de comparación (30) configurados para
comparar dicho valor eficaz I_{ef} con la intensidad de consigna
del nivel de iluminación I_{REF} y obtener la señal
diferencia;
- un regulador
proporcional-integral (28) configurado para generar,
a partir de dicha señal diferencia, la tensión de consigna del
nivel de iluminación V_{REF}.
\newpage
7. Sistema de regulación continua de alumbrado
según cualquiera de las reivindicaciones 2-6,
caracterizado porque el regulador inductivo (4) y el
regulador capacitivo (5) comprenden, cada uno de ellos, un sistema
de carga del al menos un condensador (11) del inversor (7).
8. Sistema de regulación continua de alumbrado
según la reivindicación 7, caracterizado porque el sistema
de carga comprende un primer contacto (K1) configurado para:
- conectar, durante la carga, la lámpara (1) al
neutro de la red;
- desconectar la lámpara (1) al neutro de la red
una vez finalizada la carga.
9. Sistema de regulación continua de alumbrado
según la reivindicación 8, caracterizado porque el sistema
de carga comprende un segundo contacto (K2) configurado para:
- conectar, durante la carga, una resistencia de
carga (25) al bobinado (8'') del transformador en el lado del
inversor (7);
- desconectar, una vez finalizada la carga, la
resistencia de carga (25) al bobinado (8'') del transformador en el
lado del inversor (7).
10. Sistema de regulación continua de alumbrado
según la reivindicación 9 cuando depende de la 3,
caracterizado porque el sistema de carga comprende un tercer
contacto (K3) configurado para:
- desconectar, durante la carga, la inductancia
de filtrado (10);
- conectar, una vez finalizada la carga, la
inductancia de filtrado (10) al bobinado (8'') del transformador en
el lado del inversor.
11. Sistema de regulación continua de alumbrado
según cualquiera de las reivindicaciones 7-10,
caracterizado porque el bobinado (8'') del transformador en
el lado del inversor (7) dispone de una toma media; y porque el
sistema de carga comprende un conmutador (27) configurado para:
- conectar, durante la carga, el inversor (7) al
bobinado completo del transformador en el lado del inversor
(7);
- conectar, una vez finalizada la carga, el
inversor (7) a la mitad del bobinado (8'') del transformador en el
lado del inversor (7).
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|---|---|---|---|
| ES200900479A ES2325730B2 (es) | 2009-02-20 | 2009-02-20 | Sistema de regulacion continua de alumbrado. |
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|---|---|
| ES2325730A1 ES2325730A1 (es) | 2009-09-14 |
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