WO2004102300A1 - Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público y método - Google Patents

Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público y método Download PDF

Info

Publication number
WO2004102300A1
WO2004102300A1 PCT/MX2003/000079 MX0300079W WO2004102300A1 WO 2004102300 A1 WO2004102300 A1 WO 2004102300A1 MX 0300079 W MX0300079 W MX 0300079W WO 2004102300 A1 WO2004102300 A1 WO 2004102300A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
capacitor
energy
voltage
lighting systems
sodium vapor
Prior art date
Application number
PCT/MX2003/000079
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jaime Eugenio Arau Roffiel
Mario Ponce Silva
Carlos Aguilar Castillo
Original Assignee
Luxtronic, S.A. De C.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Luxtronic, S.A. De C.V. filed Critical Luxtronic, S.A. De C.V.
Priority to AU2003263657A priority Critical patent/AU2003263657A1/en
Publication of WO2004102300A1 publication Critical patent/WO2004102300A1/es

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/36—Controlling
    • H05B41/38—Controlling the intensity of light
    • H05B41/40—Controlling the intensity of light discontinuously
    • H05B41/42—Controlling the intensity of light discontinuously in two steps only
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B47/00—Circuit arrangements for operating light sources in general, i.e. where the type of light source is not relevant
    • H05B47/20—Responsive to malfunctions or to light source life; for protection
    • H05B47/21—Responsive to malfunctions or to light source life; for protection of two or more light sources connected in parallel
    • H05B47/22—Responsive to malfunctions or to light source life; for protection of two or more light sources connected in parallel with communication between the lamps and a central unit
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps
    • Y02B20/40—Control techniques providing energy savings, e.g. smart controller or presence detection

Definitions

  • the present invention relates to energy saving devices used in public lighting systems. More particularly, the invention relates to a device for feeding high pressure sodium vapor lamps and a method for saving electrical energy using said device.
  • Public lighting systems are one of the electric charges that consume the most energy, and consequently any improvement in the efficiency of these systems leads to great energy savings for electric power producing companies, which is reflected in lower fuel consumption Fossils and less pollution.
  • One of the most efficient light sources known today are sodium vapor lamps, their high efficiency is one of the main reasons why they are preferred in public lighting systems.
  • the combination of a sodium vapor lamp, in conjunction with an electronic ballast, results in a substantial saving of electrical energy, and, if a light intensity control is added to the above, that decreases the energy consumption as the new day, the result is an energy saving that can reach up to 59% compared to a conventional system using mercury vapor lamps and electromagnetic ballast.
  • Some state-of-the-art energy-saving devices employ a microcontroller to control the elements of the electronic ballast, which It feeds the sodium vapor lamp and allows greater flexibility for the control of the light intensity, the associated protections and the lighting process of the lamp, also reducing the number of necessary components and the size of the ballast. These devices also allow the implementation of techniques for the elimination of acoustic resonances in a very simple way and without adding additional elements.
  • sodium vapor lamps require an ignition voltage greater than 2000 volts, to provide these voltage levels an igniter is usually used.
  • the use of this additional component increases the cost of the ballast being desirable that the ballast inverter itself is able to provide these voltage levels.
  • An alternative solution is to use a resonant tank that provides enough voltage to turn on the lamp. Said resonant tank is capable of providing high voltage levels for a very short time. However, if this time is prolonged, the high currents involved in the ignition can damage the semiconductor devices of the inverter. This condition can occur if you do not have a lamp connected to the inverter, or if the lamp has just gone out and you want to restart it immediately after switching off. To avoid this damage, a protection is necessary to detect if the lamp has already been turned on and, otherwise, deactivate the ballast.
  • Another risk condition of state-of-the-art energy-saving devices is the supply of the electronic ballast from voltages far below the nominal.
  • all electronic ballasts incorporate a corrective stage of the power factor that provides a constant voltage and power level to the ballast inverter. If the tension of power falls below a critical level, the current demanded by the power factor corrector increases by the same proportion and can damage the semiconductor devices of the corrector. For this reason, a protection that deactivates the electronic ballast is necessary under conditions of low supply voltage.
  • US Patent No. 6,137,240 discloses a control circuit for a universal ballast based on a microcontroller, the ballast can ignite, stabilize and control the light intensity of the lamp, the ballast has a power factor corrector based on an elevator converter and establishes options to feed the microcontroller from the booster converter.
  • the mentioned control circuit has the following disadvantages: the microcontroller programming does not include any action to eliminate the phenomenon of acoustic resonances, it establishes an option to feed the microcontroller from the elevator converter but this option provides only one voltage level and it is only possible to power the microcontroller, requiring additional sources to power the rest of the control circuits; It also does not include protection against the absence of the lamp or protection of the elevator converter against power from low-voltage alternating current (AC) power supplies.
  • AC alternating current
  • US Patent No. 6,329,761 presents an electronic ballast for high intensity discharge lamps that allows the control of light intensity and has a high power factor.
  • this invention does not use a microcontroller and for the lighting of the lamp uses a special circuit for this function, which increases the number of components and their complexity and, consequently, the cost.
  • Figure 1 presents the block diagram of the energy saving device for public lighting systems, in accordance with the present invention.
  • Figure 2 corresponds to the corrector diagram of the power factor used in the device of the present invention.
  • Figure 3 shows the diagram of the resonant inverter used as an inverter in the energy-saving device for public lighting systems.
  • Figure 4 presents the proposed scheme for the detection of lamp lighting.
  • Figure 5 corresponds to the connection diagram of the microcontroller used in the energy saving device of the present invention.
  • Figure 6 shows the wiring diagram of the drive circuit used to operate the inverter switches.
  • Figure 7 presents the proposed scheme for feeding the impeller and microcontroller used in the energy-saving device for public lighting systems.
  • Figure 8 corresponds to the proposed scheme for the protection of the energy saving device of the present invention against low supply voltage.
  • Figure 9 shows the flow chart of the microcontroller programming used in the energy-saving device for public lighting systems.
  • a first object of this invention is to provide a device that allows the saving of electric energy in public lighting systems based on the following actions: a) the use of a discharge lamp of very high light efficiency, b) the use of a high-efficiency electronic ballast with a high power factor that turns on the lamp without the need for an additional igniter (fig. 1), and c) an operation method that consists in reducing the the light intensity provided by the lamp late at night.
  • the set of these three actions allows the device of the present invention to save energy, with respect to an electromagnetic system with a conventional lamp, of up to 35%.
  • a second object is to provide the energy-saving device of the present invention with a microcontroller (fig.
  • a third object is to provide the energy-saving device of the present invention with a circuit for the detection of the lighting of the lamp (fig. 4), in order to avoid damage to the semiconductors of the inverter used (fig. 3), said circuit protects the energy-saving device of the present invention from damage to the lamp or against its absence.
  • a fourth object is to provide the energy-saving device of the present invention with a low voltage protection of the alternating current (AC) power supply (fig. 8) that prevents overcurrent damage in the semiconductors of the factor corrector power (fig. 2).
  • a fifth object that consists in feeding the control of the power factor corrector (fig. 2), the impeller of the resonant inverter used as an inverter (fig. 3) and the microcontroller by means of additional windings of the inductor used in the power factor corrector ( Figures 2 and 7) to reduce the number of components and the cost of the energy saving device.
  • the energy saving device for public lighting systems (1) object of this invention, consists of the following components: a power factor correction converter (2), based on an elevator converter; a resonant inverter (3), the preferred mode of this circuit for this invention is a class D amplifier; a high efficiency sodium vapor lamp (4); a circuit for detecting the ignition (5) of the high efficiency sodium vapor lamp (4); a microcontroller (6); an impeller (7) for handling switches; a circuit for feeding the control circuits of the energy saving device (1) from the power factor correction converter itself (8); and a circuit for low voltage protection (9) of the power factor correction converter (2).
  • the power factor correction converter (2) is shown in figure 2.
  • This converter (2) is responsible for correcting the power factor of the energy saving device (1) so that it is close to the unit.
  • a second function of the converter (2) is to provide a constant voltage level to the resonant inverter (3).
  • the integrated power factor correction circuit (10) is supplied by means of an auxiliary winding (11) of the inductor (12) of the power factor correction converter, the voltage in the auxiliary winding (11 ' ) is rectified by means of the diode (13) and filtered by the capacitor (14).
  • the capacitor (14) is charged by means of a resistor (15) connected to the input of the power factor correction converter (2).
  • the arrangement formed by the resistor (15) and the capacitor (14) forms an integrating network that integrates the rectified voltage that feeds the power factor correction converter (2).
  • the capacitor (14) is small enough to have a voltage loop in its terminals large enough at the line frequency. This large curl allows the power factor correction integrated circuit (10) to be turned on periodically until it is self-powered by means of the auxiliary winding (11).
  • the inductor (12) of the power factor correction converter consists of a second auxiliary winding (16) that feeds the rest of the control circuits of the energy saving device (1). Said second auxiliary winding (16) prevents the supply of these additional circuits to affect the detection of zero crossing of the inductor current (12).
  • the voltage at the terminals of the second auxiliary winding (16) is rectified by means of the diode (17) and from there it passes to the terminal (18).
  • the terminal (19) corresponds to the supply voltage to the power factor correction integrated circuit (10)
  • the terminal (20) corresponds to the rectified line voltage
  • the terminal (21) corresponds to the voltage delivered by the power factor correction converter (two) .
  • FIG 3 shows a resonant inverter (3), which is used to feed the high efficiency sodium vapor lamp (4).
  • the voltage delivered by the terminal (21) is cut by means of the switches (22) and (23) generating a unipolar square wave; the control signals (24) and (25) of the switches (22) and (23) are provided by the impeller (7) described in Figure 6.
  • This signal is applied to the resonant tank formed by the capacitor (26), the inductor (27) and the capacitor (28), which filters the fundamental component of this signal and applies it to the high efficiency sodium vapor lamp (4), the voltage component of the unipolar square waveform is filtered by the capacitor (26), for greater current stability in the lamp high efficiency sodium vapor (4);
  • the operating frequency once the high efficiency sodium vapor lamp (4) has lit, is always higher than the resonance frequency with the high efficiency sodium vapor lamp (4) lit, which guarantees a inductive behavior of the resonant tank. When inductive behavior is observed, it is observed that: the higher the frequency, the lower the power delivered to the high efficiency sodium vapor lamp (4) and the higher the power in the high efficiency sodium vapor lamp (4). It is increased.
  • the resonant tank is also used for the ignition of the high efficiency sodium vapor lamp (4), for this purpose, by means of the microcontroller (6) a frequency sweep is performed, stage (68) of the signal that is applied to the tank, so that the resonant frequency is within this sweep.
  • the purpose of scanning frequencies is that the frequency of the unipolar square signal applied to the resonant tank coincides with the resonance frequency of the tank despite the variations in the values of its elements due to their tolerances. Further details on the ignition process are provided in the description of Figure 9.
  • Figure 4 shows the circuit for detection of ignition (5) of the high efficiency sodium vapor lamp (4), in said circuit (5 ), the current through the high efficiency sodium vapor lamp (4) is detected by means of a current to voltage transformer (29), the alternating voltage at the secondary terminals of the transformer (29) is rectified by the diode (30); in this way, the secondary of the transformer (29) only applies positive voltage pulses between the base and the emitter of the PNP transistor (31), to avoid electromagnetic noise signals during the negative pulses in the transformer (29), the diode ( 32) Short-circuit the secondary of the transformer (29). The positive pulses polarize the transistor (31) leading to saturation.
  • the transistor (31) When said transistor (31) is saturated, it behaves like a closed switch, so that the voltage in the terminal (33) is applied in the terminal (34), the voltage in the terminal (34) in turn is sent to the microcontroller (6) indicating that the high efficiency sodium vapor lamp (4) has been turned on.
  • the resistor (35) acts to limit the base current in the transistor (31) and the resistor (36) acts as a clamp of the base of the transistor (31) to the terminal (33) to prevent it from floating when there is no current in the high efficiency sodium vapor lamp (4).
  • the capacitor (37) stores part of the pulsing energy delivered by the transformer (29) helping to keep the transistor (31) saturated continuously while there is current in the high efficiency sodium vapor lamp (4).
  • Figure 5 shows the connection diagram of the microcontroller (6) used in this invention (1), which consists of 8 terminals: the terminal (33) that feeds the circuit, the terminal (38) that externally restarts the microcontroller (6 ), terminals (39), (40), (34), (41),
  • FIG. 6 shows the drive circuit (7) used in the present invention (1), said circuit (7) receives the control signal sent by the microcontroller port (6) corresponding to the terminal (40) and divides it into two 180 ° outdated signals, terminals (24) and
  • these two signals are conditioned to an appropriate voltage level for the ignition of the switches (22) and (23) and with a dead time of separation between each of them to avoid the simultaneous ignition of the switches (22 ) and (23).
  • This circuit is fed by the second auxiliary winding (16) of the inductor (12) of the power factor correction converter by means of the terminal (48).
  • This supply voltage is filtered by the capacitor (49) and regulated by means of the Zener diode (50) to avoid overvoltages in the impeller supply (7).
  • another additional power supply is applied by means of the resistor (51) from the terminal (21), said resistance connects the output voltage, terminal (21) of the power factor correction converter (2) to the capacitor (49), this resistance charges the capacitor (49) before it receives power from the terminal (48).
  • the microcontroller (6) activates the ignition of the high efficiency sodium vapor lamp (4)
  • the capacitor (49) is charged and ready to feed the impeller (7).
  • the impeller (7) is deactivated when it receives a logical zero of the microcontroller port (6) corresponding to terminal (39).
  • FIG 7 shows the power supply used to power the microcontroller (6) and the impeller (7).
  • This power supply receives the rectified voltage of the second auxiliary winding (16), terminal (18) (see Figure 2) and by means of a voltage regulator (52) it sets the signal of the terminal (18) to a level of 5 V. This voltage of 5 Volts corresponding to the terminal (33) is what feeds the microcontroller (6).
  • the rectified voltage of the terminal (18) is limited by the resistor (53) and used to supply the impeller (7).
  • the diode (54) has the function of preventing the capacitor (49) from being discharged (see Figure 6) during the start-up of the energy-saving device (1).
  • FIG 8 shows the circuit used for low voltage protection (9) of the power factor correction converter (2).
  • the circuit for low voltage protection (9) detects the rectified line voltage corresponding to the terminal (20) using a resistive divider formed by the resistors (55) and (56), the voltage at the resistance terminals (56 ) is filtered and converted to a direct current level by means of the capacitor (57).
  • the circuit is designed so that under nominal conditions the voltage at the terminals of the capacitor (57) is always greater than the zener voltage of the zener diode (58). In this way the transistor (59) is always polarized and in saturation, so that the voltage at the thyristor gate (60) remains grounded (43) and the thyristor (60) in the open state.
  • the resistor (61) is used to limit the base current of the transistor (59).
  • the resistor (61) is used to limit the base current of the transistor (59).
  • step (63) an internal clock calibration routine is established, the input and output ports corresponding to the terminals are configured
  • step (64) it is verified if the terminal (41) is equal to a logical one and in step '(65) it is verified if the terminal (42) is equal to a logical one.
  • step (64) it is verified if the terminal (41) is equal to a logical one
  • step '(65) it is verified if the terminal (42) is equal to a logical one.
  • Step (66) consists of keeping the energy saving device (1) operating at an initial percentage (% in) of its nominal power for a predetermined number of hours (Tin), after this time the microcontroller has elapsed (6) change the operating frequency of the inverter used
  • Step (67) consists in keeping the energy saving device (1) operating at the initial percentage (% in) of its nominal power during the entire operation time.
  • Step (68) consists in keeping the energy saving device (1) operating at the final percentage (% end) of its nominal power during the entire operation time.
  • stage (69) the operating frequencies of the resonant inverter used (3) corresponding to each stage are loaded and the high efficiency sodium vapor lamp (4) consisting of stage (69) is switched on. .
  • the step (69) consists in performing a frequency sweep from 95% of the resonant frequency in vacuum of the resonant tank formed by the capacitor (26), the inductor (27) and the capacitor (28) to 105% of this resonant frequency, this ensures that despite the tolerances of the capacitor (26), and the capacitor (28) and the saturation effects of the inductor (27), some of the scanning frequencies will be equal to the empty frequency of the resonant tank.
  • the next step (70) is to verify the state of the terminal (34) of the microcontroller (6), if the terminal (34) is equal to a logical one then the high efficiency sodium vapor lamp (4) if it lit . If the terminal (34) is equal to a logical zero then the high efficiency sodium vapor lamp (4) did not light. If the high efficiency sodium vapor lamp (4) did not light, proceed to step (71).
  • Stage (71) is a routine whose purpose is to try to light or re-ignite the high efficiency sodium vapor lamp (4) in situations of hot ignition or of a failed ignition in stage (69).
  • Stage (71) consists of applying more than four series each of which consists in the application of stage (69) for two or more times in a row, the spacing between each series is at least 2 minutes.
  • the purpose of this re-ignition sequence is to apply high voltage peaks to the high efficiency sodium vapor lamp (4) for ignition of it for four or more times at two minute intervals between each series, of this In this way it is possible to re-ignite the high efficiency sodium vapor lamp (4) after a blackout has occurred and it also makes it possible to ignite aged high efficiency sodium vapor lamp (4).
  • stage (71) stage (70) is applied at all times and if the high efficiency sodium vapor lamp (4) turns on, stage routine (71) is interrupted and stage (72) is proceeded.
  • Step (73) consists in applying an incremental sweep in the switching frequency of the inverter used (3) from 90% of the nominal operating frequency to 110% of the nominal operating frequency and subsequently a decremental sweep from 110 % of the nominal frequency up to 90% of the nominal frequency.
  • the frequency at which these incremental and decremental sweeps are applied is 200 Hz.
  • the objective of these sweeps is to avoid the occurrence of the phenomenon of acoustic resonances in the high efficiency sodium vapor lamp (4).
  • stage (74) consists in counting the time elapsed since the ignition of the high efficiency sodium vapor lamp (4) until time reaches Tin and then proceeds to stage (75) and if it has not yet arrived, stage (70) continues and so on.
  • Step (75) consists in reducing the power in the high efficiency sodium vapor lamp (4) to the final percentage (% end).
  • the energy saving device (1) remains under these conditions until the photocell, typical of this type of device, cuts off the power supply by resetting the microcontroller (6).
  • stage (76) If, due to a malfunction of the photocell, it will not cut off the power supply and the energy saving device (1) continues to operate, it would proceed to stage (76), at that stage the elapsed time would continue to be counted and upon arrival a time (Toff) previously defined, would be sent to deactivate the inverter used (3), turning off the high efficiency sodium vapor lamp (4), step (72), to avoid energy consumption during the day.
  • Toff time
  • stage (72) is continued.

Abstract

Esta invención consiste en un dispositivo ahorrador de energía que alimenta a 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 del 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.

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 un 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 combustibles fósiles y menos contaminación. Una de las fuentes de luz más 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 añade un control de intensidad luminosa qué disminuya el consumo de energía conforme se acerca el nuevo día, el resultado es un ahorro de energía que puede llegar hasta un 59% con respecto a un sistema convencional utilizando lámparas de vapor de mercurio y con balastro electromagnético.
Algunos dispositivos ahorradores de energía del estado de la técnica emplean un microcontrolador para el control de los elementos del 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 al balastro.
Otra condición de riesgo de los dispositivos ahorradores de energía del estado de la técnica 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 crítico, la corriente demandada por el corrector del factor 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 al balastro electrónico ante condiciones de bajo voltaje de alimentación.
En la patente de los Estados Unidos No. 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 No. 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 No. 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 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, establece una opción para alimentar al microcontrolador desde el convertidor elevador pero esta opción proporciona sólo un nivel de voltaje y sólo es posible alimentar al microcontrolador, requiriéndose fuentes adicionales para alimentar el resto de los circuitos de control; tampoco incluye protección contra ausencia de la lámpara ni protección del convertidor elevador contra alimentación desde fuentes de alimentación de corriente alterna (CA) de bajo voltaje .
La patente de los Estados Unidos No. 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.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 presenta el diagrama a 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. 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 utilizado 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 presenta el esquema propuesto para la alimentación del impulsor y del microcontrolador utilizados en el dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público.
La Figura 8 corresponde al esquema propuesto para la protección del dispositivo ahorrador de energía de la presente invención contra bajo voltaje de alimentación.
La Figura 9 muestra el diagrama de flujo de la programación del microcontrolador utilizado en el dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público.
OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN
A diferencia de las patentes descritas en el estado del arte, un primer objeto de esta 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 (fig. 1) , y 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 conjunto de estas tres acciones permite al dispositivo de la presente invención un ahorro de energía, con respecto a un sistema electromagnético con lámpara convencional, de hasta un 35%. Un segundo objeto es el proveer al dispositivo ahorrador de energía de la presente invención de un microcontrolador (fig. 5) 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 acciones (fig. 9) : 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 (fig. 3) , 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 (fig. 3) , d) variar la intensidad luminosa de la lámpara después de un predeterminado tiempo de operación, e) desactivar la operación del inversor utilizado (fig. 3) al no encenderse o apagarse la lámpara, f) desactivar la operación del inversor utilizado
(fig. 3) después de una operación ininterrumpida de un número definido de horas por fallo de la fotocelda asociada a este tipo de dispositivos, y g) reinicio de la operación del inversor utilizado (fig. 3) después de transcurrido un número definido de horas de operación.
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 serían necesarios para realizar todas las acciones descritas en este segundo objeto, 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 presente invención.
Un tercer objeto es el proveer al dispositivo ahorrador de energía de la presente invención de un circuito para la detección del encendido de la lámpara (fig. 4) , con el propósito de evitar daños en los semiconductores del inversor utilizado (fig. 3) , 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 objeto es el proveer al dispositivo ahorrador de energía de la presente invención de una protección contra bajo voltaje de la fuente de alimentación de corriente alterna (CA) (fig. 8) que evite el daño por sobrecorriente en los semiconductores del corrector del factor potencia (fig. 2) . Un quinto objeto que consiste en alimentar al control del corrector del factor de potencia (fig. 2) , el impulsor del inversor resonante utilizado como inversor (fig. 3) y el microcontrolador mediante devanados adicionales del inductor utilizado en el corrector del factor potencia (figs. 2 y 7) para reducir el número de componentes y el costo del dispositivo ahorrador de energía.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Con referencia a la figura 1, el dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público (1) , objeto de esta invención, consta de los siguientes componentes : un convertidor corrector del factor 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; una lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) ; un circuito para la detección del encendido (5) de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) ; un microcontrolador (6) ; un impulsor (7) para el manejo de interruptores; un circuito para la alimentación de los circuitos de control del dispositivo ahorrador de energía (1) a partir del propio convertidor corrector del factor potencia (8) ; y un circuito para la protección contra bajo voltaje (9) del convertidor corrector del factor potencia (2) . 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 (3) . El circuito integrado corrector del factor de potencia (10) es alimentado por medio de un devanado auxiliar (11) del inductor (12) del convertidor corrector del factor potencia, el voltaje en el devanado auxiliar (11') es rectificado por medio del diodo (13) y filtrado por el capacitor (14) . Para que este circuito de alimentación funcione se requiere de una diferencia de potencial en las terminales del inductor (12) del convertidor corrector del factor potencia (2) , la cual sólo se presenta cuando el circuito integrado corrector del factor de potencia (10) esta operando. Para iniciar la operación del circuito integrado corrector del factor de potencia (10) , se carga al capacitor (14) por medio de un resistor (15) conectado a la entrada del convertidor corrector del factor potencia (2) . El arreglo formado por el resistor (15) y el capacitor (14) conforma una red integradora que integra el voltaje rectificado que alimenta al convertidor corrector del factor potencia (2) . El capacitor (14) es lo suficientemente pequeño como para tener un rizo de voltaje en sus terminales bastante grande a la frecuencia de línea. Este rizo tan grande permite que el circuito integrado corrector del factor de potencia (10) se encienda de manera periódica hasta que consiga autoalimentarse por medio del devanado auxiliar (11) . El inductor (12) del convertidor corrector del factor potencia consta de un segundo devanado auxiliar (16) que alimenta al resto de los circuitos de control del dispositivo ahorrador de energía (1) . Dicho segundo devanado auxiliar (16) impide que la alimentación de estos circuitos adicionales afecte a la detección del cruce por cero de la corriente del inductor (12) . El voltaje en las terminales del segundo devanado auxiliar (16) es rectificado por medio del diodo (17) y de ahí pasa a la terminal (18) . La terminal (19) corresponde al voltaje de alimentación al circuito integrado corrector del factor de potencia (10) , la terminal (20) corresponde al voltaje de línea rectificado y la terminal (21) corresponde al voltaje entregado por el convertidor corrector del factor potencia (2) .
La figura 3 muestra a un 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 (21) es troceado por medio de los interruptores (22) y (23) generando una onda cuadrada unipolar; las señales de control (24) y (25) de los interruptores (22) y (23) son proporcionadas por el impulsor (7) descrito en la figura 6. Esta señal es aplicada al tanque resonante formado por el capacitor (26) , el inductor (27) y el capacitor (28) , 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 (26) , 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 mayor 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 mayor 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 artículo "A Comparison of LCC and LC Filters for its Application in Electronic Ballast for Metal-Halide Lamps" por J. Correa, et al , publicado en el IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC) celebrado en Vancouver (Canadá), junio 2001.
En la presente invención (1) , el tanque resonante también es utilizado para el encendido de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) , para tal fin, por medio del microcontrolador (6) se realiza un barrido de frecuencias, etapa (68) de la señal que se aplica al tanque, de tal manera que la frecuencia resonante se encuentre 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 de resonancia 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 9. 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 (29), el voltaje alterno en las terminales del secundario del transformador (29) es rectificado por el diodo (30) ; de esta manera, el secundario del transformador (29) sólo aplica pulsos de voltaje positivos entre la base y el emisor del transistor PNP (31) , para evitar señales de ruido electromagnético durante los pulsos negativos en el transformador (29) , el diodo (32) cortocircuita el secundario del transformador (29) . Los pulsos positivos polarizan al transistor (31) llevándolo a saturación. Al estar saturado dicho transistor (31) se comporta como un interruptor cerrado, por lo que el voltaje en la terminal (33), es aplicado en la terminal (34), el voltaje en la terminal (34) a su vez se envía al microcontrolador (6) indicándole que la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) ha encendido. La resistencia (35) actúa para limitar la corriente de base en el transistor (31) y la resistencia (36) actúa como sujeción de la base del transistor (31) a la terminal (33) para evitar que quede flotada cuando no exista corriente en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) . El capacitor (37) almacena parte de la energía pulsante entregada por el transformador (29) ayudando a mantener saturado el transistor (31) 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 esta invención (1) , el cual consta de 8 terminales: la terminal (33) que alimenta al circuito, la terminal (38) que reinicia externamente al microcontrolador (6) , las terminales (39) , (40) , (34) , (41) ,
(42) que son cinco puertos de entrada y salida y la terminal
(43) que es la conexión a tierra del microcontrolador (6) . En esta invención (1) , el reinicio externo, terminal (38) , siempre se mantiene conectado a la fuente de alimentación del microcontrolador (6) , terminal (33) , los puertos correspondientes a las terminales (42) y (41) son utilizados para establecer los tiempos y rangos del control de intensidad luminosa en función de si están conectados a tierra, terminal (43) o a la alimentación, terminal (33) , estos dos puertos correspondientes a las terminales (42) y (41) , siempre están conectados a la terminal (33) por medio de las resistencias (44) y (45) y pueden ser conectados a la terminal (43) por medio de los interruptores (46) y (47) , el puerto de la terminal (34) se usa para detectar el encendido de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) , el puerto de la terminal (40) es utilizado para enviar la señal de control a los interruptores (22) y (23) , el puerto de la terminal (39) manda la señal de desactivación al inversor resonante (3) ante ausencia de corriente en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) .
Las condiciones de operación del dispositivo ahorrador de energía (1) en base a las conexiones de las terminales (42) y (41) son indicadas en la descripción de la figura 9.
La figura 6 muestra al circuito impulsor (7) utilizado en la presente invención (1) , dicho circuito (7) recibe la señal de control enviada por el puerto del microcontrolador (6) correspondiente a la terminal (40) y la divide en dos señales desfasadas 180°, terminales (24) y
(25) , estas dos señales son acondicionadas a un nivel de voltaje apropiado para el encendido de los interruptores (22) y (23) y con un tiempo muerto de separación entre cada una de ellas para evitar el encendido simultáneo de los interruptores (22) y (23) .
Este crcuito es alimentado por el segundo devanado auxiliar (16) del inductor (12) del convertidor corrector del factor potencia por medio de la terminal (48) . Este voltaje de alimentación es filtrado por el capacitor (49) y regulado por medio del diodo Zener (50) para evitar sobrevoltajes en la alimentación del impulsor (7) . Para garantizar la alimentación continua de este circuito, otra fuente de alimentación adicional es aplicada por medio de la resistencia (51) desde la terminal (21) , dicha resistencia conecta el voltaje de salida, terminal (21) del convertidor corrector del factor de potencia (2) a el capacitor (49) , esta resistencia carga al capacitor (49) antes de que éste reciba energía de la terminal (48) . De esta manera, cuando el microcontrolador (6) activa el encendido de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) , el capacitor (49) se encuentra cargado y listo para alimentar al impulsor (7) . El impulsor (7) se desactiva cuando recibe un cero lógico del puerto del microcontrolador (6) correspondiente a la terminal (39) .
La figura 7 muestra la fuente de alimentación utilizada para alimentar al microcontrolador (6) y al impulsor (7). Esta fuente de alimentación recibe el voltaje rectificado del segundo devanado auxiliar (16) , terminal (18) (ver Figura 2) y por medio de un regulador de voltaje (52) acondiciona la señal de la terminal (18) a un nivel de 5 V. Este voltaje de 5 Volts correspondiente a la terminal (33) es el que alimenta al microcontrolador (6) . Por otro lado, el voltaje rectificado de la terminal (18) es limitado por la resistencia (53) y utilizado para la alimentación del impulsor (7) . El diodo (54) tiene la función de evitar que se descargue el capacitor (49) (ver Figura 6) durante el arranque del dispositivo ahorrador de energía (1) .
La figura 8 muestra el circuito utilizado para la protección contra bajo voltaje (9) del convertidor corrector del factor potencia (2) . El circuito para la protección contra bajo voltaje (9) detecta el voltaje de línea rectificado correspondiente a la terminal (20) empleando un divisor resistivo formado por las resistencias (55) y (56) , el voltaje en las terminales de la resistencia (56) es filtrado y convertido a un nivel de corriente directa por medio del capacitor (57) . El circuito esta diseñado para que bajo condiciones nominales el voltaje en las terminales del capacitor (57) siempre sea mayor que el voltaje zener del diodo zener (58) . De esta manera el transistor (59) siempre esta polarizado y en saturación, por lo que el voltaje en la compuerta del tiristor (60) se mantiene conectada a tierra (43) y el tiristor (60) en estado abierto. La resistencia (61) es utilizada para limitar la corriente de base del transistor (59) . Cuando el voltaje en las terminales del capacitor (57) cae por debajo del voltaje Zener del diodo (58), deja de fluir corriente por la base del transistor (59) y por lo que éste pasa al estado de corte. Bajo esta condición comienza a fluir corriente a través de la compuerta del tiristor (60) , por medio de la resistencia (62) , la cual está conectada a la terminal (19) del circuito integrado corrector del factor de potencia (10) . De esta manera el tiristor (60) lleva a tierra (43) la alimentación del circuito integrado corrector del factor de potencia (10) desactivando todo el dispositivo ahorrador de energía (1) . La figura 9 muestra el diagrama de flujo del método objeto de esta invención (1) y que forma parte de la programación del microcontrolador (6) . Las etapas de dicho método son las siguientes: en la etapa (63) 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) , posteriormente se verifica el estado de las terminales (41) y (42) ; en la etapa (64) se verifica si la terminal (41) es igual a un uno lógico y en la etapa' (65) se verifica si la terminal (42) es igual a un uno lógico. En función de su estado se selecciona una de' tres opciones diferentes, las cuales se presentan en la siguiente tabla:
Figure imgf000017_0001
La etapa (66) consiste en mantener al dispositivo ahorrador de energía (1) operando a un porcentaje inicial (%in) de su potencia nominal durante un número predeterminado de horas (Tin) , transcurrido este tiempo el microcontrolador (6) cambia la frecuencia de operación del inversor utilizado
(3) reduciendo la potencia entregada a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) a un porcentaje final (%fin) de su valor nominal. De esta manera el porcentaje de ahorro conseguido con este método vendrá expresado por la siguiente ecuación:
% Ahorro = 100 - [(%in - %fιn)D + %fin]
donde D es la relación entre Tin y el tiempo total de horas de operación T. Por ejemplo, para %in=0.9, %fin=0.5 y D=0.5 el ahorro de energía para la etapa (65) sería del 30%, cabe resaltar que este porcentaje de ahorro sería exclusivo de este método, al cual habría que añadir el ahorro conseguido por la eficiencia del dispositivo ahorrador de energía (1) y el empleo de la lámpara de vapor de sodio de cita eficεcia (4) de alta eficiencia lumínica.
La etapa (67) consiste en mantener al dispositivo ahorrador de energía (1) operando al porcentaje inicial (%in) de su potencia nominal durante todo el tiempo de operación.
La etapa (68) consiste en mantener al dispositivo ahorrador de energía (1) operando al porcentaje final (%fin) de su potencia nominal durante todo el tiempo de operación.
Una vez seleccionada la etapa a seguir, se cargan las frecuencias de operación del inversor resonante utilizado (3) correspondiente a cada etapa y se procede al encendido de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) consistente en la etapa (69) .
La etapa (69) consiste en realizar un barrido de frecuencias desde el 95% de la frecuencia resonante en vacío del tanque resonante formado por el capacitor (26) , el inductor (27) y el capacitor (28) hasta el 105% de esta frecuencia resonante, de esta manera se garantiza que pese a las tolerancias del capacitor (26) , y el capacitor (28) y los efectos de saturación del inductor (27) , alguna de las frecuencias del barrido será igual a la frecuencia en vacío del tanque resonante. La siguiente etapa (70) consiste en verificar el estado de la terminal (34) del microcontrolador (6) , si la terminal (34) es igual a un uno lógico entonces la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) si encendió. Si la terminal (34) 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 (71) .
La etapa (71) es una rutina cuyo objeto es el intentar encender o re-encender la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) ante situaciones de encendido en caliente o de un encendido fallido en la etapa (69) . La etapa (71) consiste en aplicar más de cuatro series cada una de las cuales consistente en la aplicación de la etapa (69) durante dos o más veces seguidas, el espaciamiento entre cada serie es de al menos 2 minutos. El objetivo de esta secuencia de re-encendidos es aplicar picos de alta tensión a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) para la ignición de la misma durante cuatro o más veces a intervalos de dos minutos entre cada serie, de esta manera es posible re-encender a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) después de ocurrido un apagón y también posibilita el encendido de 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, todo lo anterior sin provocar un daño en los interruptores (22) y (23) . 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) , y el segundo caso es que la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) que se tiene conectada ya está demasiado envejecida y no es posible encenderla, por lo canto, en ambos casos se procede a desactivar al inversor utilizado (3), etapa (72) en la Figura 9. Cabe resaltar que durante la etapa (71) en todo momento se aplica la etapa (70) y si la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) enciende, rutina de la etapa (71) se interrumpe y se procede a la etapa (72) .
La etapa (73) consiste en aplicar un barrido incremental en la frecuencia de conmutación del inversor utilizado (3) desde el 90% de la frecuencia nominal de operación hasta el 110% de la frecuencia nominal de operación y posteriormente un barrido decremental desde el 110% de la frecuencia nominal hasta el 90% de la frecuencia nominal. La frecuencia a la que se aplican estos barridos incremental y decremental es de 200 Hz . 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 (73) en todo momento se aplica la etapa (74) 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 llega a Tin y entonces se procede a la etapa (75) y si aún no ha llegado se continua con la etapa (70) y así sucesivamente.
La etapa (75) consiste en la reducción de la potencia en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) al porcentaje final (%fin) . El dispositivo ahorrador de energía (1) permanece bajo estas condiciones hasta que la fotocelda, propia de este tipo de dispositivos, corta el suministro de energía reiniciando el microcontrolador (6) .
Si por un malfuncionamiento de la fotocelda, ésta no cortará el suministro de energía y el dispositivo ahorrador de energía (1) siguiera funcionando, se procedería a la etapa (76) , en dicha etapa se seguiría contabilizando el tiempo transcurrido y al llegar esté a un tiempo (Toff) previamente definido, se mandaría desactivar al inversor utilizado (3) , apagando a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) , etapa (72) , para evitar el consumo de energía durante el día.
Una vez apagada la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia, el dispositivo ahorrador de energía (1) continuará funcionando, pero con el inversor utilizado (3) apagado, el tiempo seguirá siendo contabilizado por el microcontrolador (3) hasta llegar a la etapa (77) . 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 (69) repitiendo todo el proceso nuevamente, y si el tiempo aún no ha llegado a 24 horas, entonces se continua con la etapa (72) .

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo ahorrador de energía (1) 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 utilizado (3) , que regula o no las variaciones del voltaje de alimentación y que presenta un factor de potencia a la red eléctrica mayor o igual al 90%; un circuito inversor (3) 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 un tanque resonante formado por un inductor (27) y uno o dos capacitores (27) y (28); 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 de dicho dispositivo (1) ; y un circuito impulsor (7) , el cual comprende un circuito integrado que recibe la señal de control enviada por el microcontrolador (6) y la acondicionada a un nivel de voltaje apropiado para el encendido y apagado de los interruptores (22) y (23) que conforman el inversor (3).
2. El dispositivo ahorrador de energía (1) para sistemas de alumbrado público según la reivindicación 1, en donde el convertidor corrector del factor de potencia (2) opera en la frontera entre modo de conducción continuo y discontinuo.
3. El dispositivo ahorrador de energía (1) para sistemas de alumbrado público según la reivindicación 1, en donde el convertidor corrector del factor de potencia (2) incluye un circuito integrado corrector del factor de potencia (10) que es alimentado por medio de un devanado auxiliar (11) del inductor (12) del convertidor corrector del factor potencia (2), y cuyo voltaje es rectificado por medio de un diodo (13) y filtrado por un capacitor (14) , y en el cual el inductor (12) del convertidor corrector del factor potencia (2) consta de un segundo devanado auxiliar (16) que alimenta al resto de los circuitos de control de dicho dispositivo ahorrador de energía (1) y que impide que la alimentación de estos circuitos adicionales afecte a la detección del cruce por cero de la corriente del inductor (12) en los correctores del factor de potencia (2) que requieran de esta característica.
4. El dispositivo ahorrador de energía (1) para sistemas de alumbrado público según la reivindicación 1, en donde el capacitor (14) , cuya carga inicial se realiza por medio de un resistor (15) conectado a la terminal (20) y en el cual el capacitor (14) es lo suficientemente pequeño como para tener un rizo de voltaje en sus terminales bastante grande a la frecuencia de línea que permita que el circuito integrado corrector del factor de potencia (10) se encienda de manera periódica hasta que consiga autoalimentarse por medio del devanado auxiliar (11) .
5. El dispositivo ahorrador de energía (1) para sistemas de alumbrado público según la reivindicación 1, en donde el circuito inversor (3) comprende un amplificador clase D y un tanque resonante LCC .
6. El dispositivo ahorrador de energía (1) para sistemas de alumbrado público según la reivindicación 1, en donde el circuito inversor (3) que alimenta a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) , aplica a dicha lámpara (4) , una vez que dicha lámpara (4) encendió, una señal cuya frecuencia es siempre mayor que la frecuencia de resonancia del tanque resonante formado por el capacitor (26) , el inductor (27) y el capacitor (28) con la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) encendida.
7. El dispositivo ahorrador de energía (1) para sistemas de alumbrado público según la reivindicación 1, en donde el circuito inversor (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 (3) .
8. El dispositivo ahorrador de energía (1) para sistemas de alumbrado público según la reivindicación 1, en donde el tanq e resonante del circuito inversor (3) comprende al' capacitor (26) , al inductor (27) y al capacitor (28) , diseñado para que entregue la mínima potencia deseada a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) .
9. El dispositivo ahorrador de energía (1) para sistemas de alumbrado público según la reivindicación 1, en donde el tanque resonante del circuito inversor (3) comprende el capacitor (26) , el inductor (27) y el capacitor (28) y se utiliza para encender la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) .
10. El dispositivo ahorrador de energía (1) para sistemas de alumbrado público según la reivindicación 1, en donde el circuito impulsor (7) es alimentado por el segundo devanado auxiliar (16) del inductor (12) del convertidor corrector del factor potencia (2) cuyo voltaje es filtrado por el capacitor (49) y regulado por medio del diodo Zener (50) y que es alimentado por otra fuente de alimentación adicional obtenida por medio de la resistencia (51) , la cual se conecta entre la terminal (21) y el capacitor (49) cargando al capacitor (49) antes de que éste reciba energía de la terminal (48) y permitiendo que el microcontrolador (β) active el encendido de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) cuando el capacitor (49) se encuentra cargado y listo para alimentar al impulsor (7) .
11. El dispositivo ahorrador de energía (1) para sistemas de alumbrado público según la reivindicación 10, en donde el capacitor (49) incluye un diodo (54) que impide que dicho capacitor (49) se descargue durante el arranque de dicho dispositivo ahorrador de energía (1)
12. El dispositivo ahorrador de energía (1) para sistemas de alumbrado público según la reivindicación 1, que comprende además un circuito para la detección del encendido (5) de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) y dicho circuito detecta la corriente a través de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) por medio de un transformador de corriente a voltaje (29), en el cual el voltaje alterno en las terminales del secundario es rectificado por un diodo (30) , la corriente proporcionada por dicho voltaje rectificado es limitada por la resistencia (35) e inyectada al emisor del transistor PNP (31), el cual, al saturarse, se comporta como un interruptor cerrado que aplica un 1 lógico en la terminal (34) del microcontrolador (6) , y en el cual un diodo (32) cortocircuita el secundario del transformador (29) y en el que una resistencia (35) actúa para limitar la corriente de base en el transistor (31) , en dicho circuito la resistencia (36) actúa como sujeción de la terminal (33) a la base del transistor (31) para evitar que quede flotada cuando no exista corriente en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) y el capacitor (37) almacena parte de la energía pulsante entregada por el transformador (29) manteniendo saturado el transistor (31) de manera continua mientras exista corriente en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) .
13. El dispositivo ahorrador de energía (1) para sistemas de alumbrado público según la reivindicación 1 , en donde el convertidor corrector del factor de potencia (2) comprende un circuito de autoalimentación (8) , el cual recibe el voltaje rectificado (18) de las terminales del segundo devanado auxiliar (16) y por medio de un regulador de voltaje (52) acondiciona esta señal a un nivel de 5 V alimentando al microcontrolador (6) .
14. El dispositivo ahorrador de energía (1) para sistemas de alumbrado público según la reivindicación 1, que comprende además un circuito para la protección contra bajo voltaje (9) de la • tensión de entrada del convertidor corrector del factor potencia (2) que detecta el voltaje de línea rectificado (20) por medio de un divisor resistivo formado por las resistencias (55) y (56) , y en el que el voltaje en las terminales de la resistencia (56) es filtrado y convertido a un nivel de corriente directa por medio de un capacitor (57) y que esta diseñado para que bajo condiciones nominales el voltaje en las terminales del capacitor (57) siempre sea mayor que el voltaje zener del diodo (58) provocando que el transistor (59) siempre este polarizado y en saturación y manteniendo la compuerta de un tiristor (60) conectada a tierra (43) y manteniendo al tiristor (60) en estado abierto, y en el que una resistencia (61) es utilizada para limitar la corriente de base del transistor (59) y en el que cuando el voltaje en las terminales del capacitor (57) cae por debajo del voltaje Zener del diodo (58) pasa al transistor (59) al estado de corte conectando a la compuerta del tiristor (60) a la terminal de alimentación (19) del circuito integrado corrector del factor de potencia (10) y llevando a tierra (43) esta terminal por medio del tiristor (60) desactivando todo el dispositivo ahorrador de energía
(1) .
15. Un método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público 'que comprende las etapas de: a) elegir entre tres modos de operación de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia lumínica (4) : a.l) operando a un porcentaje inicial (%in) de su potencia nominal durante un número predeterminado de horas (Tin) y reduciendo la potencia entregada a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) a un porcentaje final (%fin) de su valor nominal una vez transcurrido este tiempo (Tin) ; a.2) operando al porcentaje inicial (%in) de su potencia nominal durante todo el tiempo de operación; a.3) operando al porcentaje final (%fin) de su potencia nominal durante todo el tiempo de operación; b) 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) ; y c) 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) .
16. El método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público según la reivindicación 15, en donde la etapa de encendido de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia lumínica (4) comprende realizar un barrido de frecuencias desde el 95% de la frecuencia resonante en vacío del tanque resonante formado por el capacitor (26) , el inductor (27) y el capacitor (28) hasta el 105% de esta frecuencia resonante.
17. El método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público según la reivindicación 15, en donde 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.
18. El método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público según la reivindicación 15, en donde la etapa de modulación de la frecuencia comprende un valor de índice de modulación de la señal modulante entre 5 y 50.
19. El método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público según la reivindicación 15, en donde 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% de la frecuencia nominal de operación hasta el 110% de la frecuencia nominal de operación y posteriormente un barrido decremental desde el 110% de la frecuencia nominal hasta el 90% de la frecuencia nominal en pasos máximos de 1% de la frecuencia nominal: la frecuencia a la que se aplican estos barridos incremental y decremental es de 200 Hz .
20. El método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público según la reivindicación 15, que comprende además la etapa de apagado del inversor (3) cuando no exista corriente en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) .
21. El método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público según la reivindicación 15, que comprende además la etapa de intento de encendido o re- encendedido 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 más de cuatro series, cada una de las cuales consiste en la aplicación de la etapa de encendido durante dos o más veces seguidas, el espaciamiento entre cada serie deberá de ser de dos minutos o más .
22. El método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público según la reivindicación 21, que comprende además una etapa de desactivación definitiva del inversor (3) , si al terminar la etapa de intento de encendido o re-encendedido la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) no enciende.
23. El método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público según la reivindicación 15, que comprende además la etapa de apagado de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia lumínica (4) una vez transcurrido un tiempo (Toff) menor de 24 horas.
24. El método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público según la reivindicación 15, que comprende además la etapa de encendido de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia lumínica (4) una vez transcurridas 24 horas.
PCT/MX2003/000079 2003-05-16 2003-10-03 Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público y método WO2004102300A1 (es)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2003263657A AU2003263657A1 (en) 2003-05-16 2003-10-03 Energy-saving device for street lighting systems, and associated method

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
MXPA03004352A MXPA03004352A (es) 2003-05-16 2003-05-16 Dispositivo ahorrador de energia para sistemas de alumbrado publico y metodo.
MXPA/A/2003/004352 2003-05-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2004102300A1 true WO2004102300A1 (es) 2004-11-25

Family

ID=33448398

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/MX2003/000079 WO2004102300A1 (es) 2003-05-16 2003-10-03 Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público y método

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU2003263657A1 (es)
MX (1) MXPA03004352A (es)
WO (1) WO2004102300A1 (es)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008093229A1 (es) * 2007-02-01 2008-08-07 Roberto Vivero-Flores Balastro electronico para una lampara de descarga de alta intensidad
ES2319594A1 (es) * 2005-10-28 2009-05-08 Luxtronic S.A. De C.V. Dispositivo ahorrador de eenrgia para sistemas de alumbrado publico y metodo.

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6259215B1 (en) * 1998-08-20 2001-07-10 Romlight International, Inc. Electronic high intensity discharge ballast
US20020141129A1 (en) * 2001-03-22 2002-10-03 International Rectifier Corporation Electronic ballast for cold cathode fluorescent lamp with phase control dimming

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6259215B1 (en) * 1998-08-20 2001-07-10 Romlight International, Inc. Electronic high intensity discharge ballast
US20020141129A1 (en) * 2001-03-22 2002-10-03 International Rectifier Corporation Electronic ballast for cold cathode fluorescent lamp with phase control dimming

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2319594A1 (es) * 2005-10-28 2009-05-08 Luxtronic S.A. De C.V. Dispositivo ahorrador de eenrgia para sistemas de alumbrado publico y metodo.
ES2319594B1 (es) * 2005-10-28 2010-02-03 Luxtronic S.A. De C.V. Dispositivo ahorrador de energia para sistemas de alumbrado publico y metodo.
WO2008093229A1 (es) * 2007-02-01 2008-08-07 Roberto Vivero-Flores Balastro electronico para una lampara de descarga de alta intensidad

Also Published As

Publication number Publication date
AU2003263657A1 (en) 2004-12-03
MXPA03004352A (es) 2004-11-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9095023B2 (en) LED retrofit lamp
US7880399B2 (en) Ballast for at least one fluorescent high pressure discharge lamp, method for operating said lamp and lighting system comprising said lamp
US6724152B2 (en) Lighting control system with variable arc control including start-up circuit for providing a bias voltage supply
US8917030B2 (en) Electronic ballast for lighting unit and lighting apparatus
US7307386B2 (en) Process for operating a discharge lamp
ES2319594B1 (es) Dispositivo ahorrador de energia para sistemas de alumbrado publico y metodo.
JP4513152B2 (ja) 放電灯点灯装置
US8274236B2 (en) Power supply having an auxiliary power stage for sustaining sufficient post ignition current in a DC lamp
US7944149B2 (en) Starting an electronic ballast
WO2004102300A1 (es) Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público y método
EP0290366A1 (en) High frequency lighting system for gas discharge lamps
US8310160B1 (en) Anti-arcing circuit for current-fed parallel resonant inverter
US20060103326A1 (en) Variable frequency half bridge driver
KR100463571B1 (ko) 메탈할라이드식 방전등 점등장치
US7348735B2 (en) Lamp driver
EP3595412B1 (en) Led replacement lamp compatible with a ballast of a high-pressure sodium lamp and a ballast of a mercury vapor lamp
KR200211820Y1 (ko) 고압방전램프의 안정기용 보호회로
KR200207661Y1 (ko) 전자식 안정기의 보호 회로
US7573204B2 (en) Standby lighting for lamp ballasts
JP2004362942A (ja) 放電灯点灯装置および照明装置
JP2010165631A (ja) 放電灯点灯装置及び照明器具
JPH09238480A (ja) 電源装置、放電ランプ点灯装置及び照明器具
JP2008135239A (ja) 始動装置、放電灯点灯装置および照明装置
KR20000041351A (ko) 저온용 소프트 스타트 기능을 갖는 점등 회로

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LU MC NL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 69(1) EPC

122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP