APARATO Y METODO PARA PROPORCIONAR CONTROL DE ATENUACIÓN DE LUZ DE LÁMPARAS Y SISTEMAS DE ALUMBRADO ELÉCTRICO
CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a aparatos y métodos que proporcionan control de atenuación de lámparas eléctricas individuales o más generalmente de sistemas de alumbrado eléctrico que incluyen sistemas formados por una diversidad de lámparas individuales. Esta invención en particular se refiere a un sistema de atenuación no intrusivo, simple y de propósito general que se puede retro ajustar para las lámparas existentes y que no es intrusivo en el sentido de que cuando no está en uso el aparato de atenuación no tiene efecto en la operación normal de la lámpara .
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Se utilizan una amplia variedad de tipos diferentes de sistemas de alumbrado y lámparas. Estos incluyen lámparas fluorescentes, lámparas de descarga de alta energía y lámparas de descarga gaseosa. Sin embargo, una deficiencia general de dichas lámparas, es que en términos generales se considera que son "no atenuables", esto es, se dice que tienden a tener una potencia de salida fija y son de una cierta intensidad y brillantez definidas.
52/349/06 Generalmente hablando esto no es deseable ya que a menudo la luz puede ser demasiado brillante y desagradable y puede haber pérdida de potencia. Por lo tanto por ambas razones, estética y de conservación de energía, se han hecho diversos intentos en la técnica anterior para proporcionar a dichas lámparas la capacidad de control de atenuación de tal forma que se pueda ajustar la brillantez de las lámparas.
TÉCNICA ANTERIOR Para sistemas de alumbrado existentes hay métodos de atenuación que incluyen atenuadores basados en triac para lámparas incandescentes y lámparas de descarga gaseosa compatibles con atenuadores de triac, balastros electrónicos atenuables para lámparas de descarga y una diversidad técnicas de disparo para atenuar lámparas impulsadas por balastros magnéticos. Estas técnicas anteriores se describirán enseguida. Las lámparas incandescentes tipo Edison se han usado por mucho tiempo . Las lámparas incandescentes no tienen una capacidad de atenuación construida internamente y para controlar la intensidad de luz de las lámparas incandescentes, se han utilizado atenuadores de triac como los dispositivos de atenuación como se ilustra en la Figura 1 (a) . Un atenuador de triac convencionalmente consiste de
52/349/06 dos tiristores conectados en configuración antiparalelo y también un circuito de activación que puede controlar el ángulo de retardo para encender el tiristor apropiado en el semiciclo relevante del voltaje de la linea de suministro. Como se muestra en la Figura 1 (b) , controlando el ángulo de retardo de activación (OÍ) , se puede controlar el contenido del voltaje de línea respecto al voltaje de salida del atenuador de triac y se aplica a la lámpara incandescente y a algunas lámparas fluorescentes compactas compatibles con triac (CFL, por sus siglas en inglés) . Sin embargo, debido a que la corriente de entrada de línea a través del atenuador de triac es afectada por la forma del voltaje de salida del atenuador de triac, cuando el ángulo de retardo de activación es diferente de cero, la corriente será de forma diferente de la forma senoidal del voltaje de línea, lo que da como resultado corrientes armónicas en la línea de energía. Este alto contenido de corriente armónica es un problema inherente de los sistemas de alumbrado controlados por atenuadores de triac, en especial cuando el ángulo de retardo es grande. La Figura 1(c) muestra un diagrama de flujo de energía en el sistema de alumbrado controlado con atenuador de triac. El circuito atenuador de triac tiene que manejar la potencia real (P) y la potencia reactiva (Q) de los dispositivos o sistemas de alumbrado. De este modo, sus
52/349/06 razones de voltaje-corriente (VI) deben de ser lo bastante grandes para manejar la potencia completa de los sistemas de alumbrado. En US4,437,043 y US5,757,145 se describen dos ejemplos de atenuadores basados en triac . Recientemente, ha habido una tendencia para incrementar el uso de balastros electrónicos atenuables para lámparas de descarga como las lámparas fluorescentes y las de descarga de alta intensidad (HID, por sus siglas en inglés) . En la Figura 2 se muestra el esquemático de los balastros electrónicos atenuables de lámparas de descarga. Usualmente, un balastro electrónico atenuable tiene un arreglo de conexión de 4 alambres en el lado de entrada. Dos conexiones son para el "vivo" y el "neutro" de la línea de suministro de ca, las otras dos son para la señal de control de nivel de atenuación de CD, que normalmente se ajusta para que sea de IV a 10V. Esencialmente, una balastro electrónico atenuable es un convertidor de potencia que controla el flujo de energía hacia las lámparas. Los balastros electrónicos atenuables convencionales, atenúan la lámpara incrementando la frecuencia de conmutación del inversor del balastro. La impedancia del inductor que limita la corriente hacia la lámpara se incrementará con la frecuencia de operación y de este modo se puede controlar la energía de la lámpara controlando la frecuencia del inversor.
52/349/06 Como con un atenuador de triac, un balastro electrónico atenuable se conecta convencionalmente entre el voltaje de línea de ca y la carga de alumbrado. De este modo, los balastros electrónicos atenuables existentes tienen que manejar la potencia completa (la potencia real (P) y la potencia reactiva (Q) ) del sistema de alumbrado. Por lo tanto, la capacidad de potencia del balastro debe de ser mayor que la suma de la potencia total de la lámpara y la pérdida electrónica. Como se muestra en la Figura 1(c)' y en la Figura
2, los diagramas de flujo de potencia indican que los circuitos o dispositivos de atenuación existentes necesitan manejar la potencia real y la potencia reactiva. Por lo tanto no es económico usar un solo dispositivo de atenuación con base en estos métodos para atenuar un sistema de alumbrado formado por un grupo o red de lámparas grande. Típicamente, un atenuador de triac se limita a unos pocos cientos de watts y usualmente los balastros electrónicos atenuables se diseñan para una o un par de lámparas de descarga, únicamente. Los balastros magnéticos tienen una historia más larga que los balastros electrónicos . Se han usado ampliamente para lámparas fluorescentes y para lámparas de descarga de alta intensidad (HID) . A diferencia de los balastros electrónicos que operan en alta frecuencia
52/349/06 (>40kHz, típicamente), los balastros magnéticos operan a la frecuencia de la línea de ca (50Hz o 60 Hz) . Los balastros magnéticos tienen varias ventajas sobre los balastros electrónicos. Estas ventajas incluyen una confiabilidad extremadamente alta y un tiempo de vida largo (>15 años, típicamente, sin reemplazo), robustez contra transitorios de voltaje repentinos (por ejemplo, debido al alumbrado) y entorno de trabajo hostil (por ejemplo, humedad y temperatura altas) . En particular, los balastros magnéticos ofrecen alta estabilidad de desempeño de arco de lámpara en lámparas HID, las cuales tienen un problema bien conocido de resonancia acústica cuando operan con balastros electrónicos de alta frecuencia. Esta es la razón por la cual el mercado de las lámparas HID esta dominado por los balastros magnéticos, que operan a la frecuencia de la línea de ca y no activarán la resonancia acústica en la lámpara de arco HID. La limitación principal de la mayoría de los balastros magnéticos es su falta de habilidad para atenuar las lámparas de descarga. Se han informado diversas técnicas para tratar de superar este problema y proporcionar balastros magnéticos de atenuación. Una propuesta anterior involucra hacer varias derivaciones en la salida del transformador de suministro de CA para lograr un cambio en magnitud en el voltaje de
52/349/06 linea. En teoría, las lámparas de descarga impulsadas por balastros magnéticos aún pueden ser atenuadas cambiando manualmente las derivaciones del transformador de línea para reducir el voltaje de línea. Sin embargo, esta es una solución mecánica y no es una solución de atenuación conveniente, en particular cuando el proceso de atenuación se deba de controlar central o automáticamente. La US6,271,635 describe el uso de un auto transformador de dos devanados para llevar a cabo un sistema de atenuación de 2 niveles para lámparas de descarga. Los dos devanados proporcionan dos fuentes de voltaje separadas. Se utiliza un interruptor para elegir el voltaje de un grupo del devanado o el voltaje completo de los dos grupos de devanados conectados en serie. Dicho sistema de atenuación de 2 niveles se puede utilizar para una diversidad de lámparas, pero el nivel de atenuación es discreto y no es continuo. Persson et al ({"A performance comparision of electronics vs . Magnetic ballast for power gas-discharge UV lamps") "Una comparación de desempeño de balastros electrónicos contra magnéticos para alimentar lámparas UV de descarga de gas", Rad Tech' 98, Chicago, páginas 1 a 9, 1998) propone un sistema de atenuación multinivel usando un transformador más complicado. Otra posibilidad es el uso de un circuito de potencia de control de corriente externo para controlar la
52/349/06 corriente en el sistema de lámpara de descarga - balastro magnético. La US6,538,395 y la US6,121,734 describen el uso de un circuito de potencia de control de corriente externo que controla la magnitud de la corriente de entrada al sistema de lámpara de descarga impulsada por balastro magnético. Dicha aproximación controla la potencia de la lámpara variando la magnitud de la corriente de entrada a la frecuencia de la línea. Sin embargo, la etapa de potencia de control de corriente todavía tiene que manejar la potencia real y la potencia reactiva de la carga de alumbrado . Alternativamente, en principio se puede utilizar un convertidor de ca-ca como un ciclo convertidor (Figura 3) para crear un voltaje de ca de frecuencia de línea de magnitud controlable para la carga de alumbrado que consista de lámpara y balastro. Un convertidor de voltaje ca-ca práctico (US4 , 350 , 935 ) usa un convertidor de potencia para muestrear el voltaje senoidal CA en pulsos de voltaje con la envolvente senoidal. Sin embargo, la aproximación de convertidor ca-ca (incluyendo el uso de un ciclo convertidor y el convertidor en US4 , 350 , 935) no genera un voltaje senoidal para la carga de alumbrado. En consecuencia se generaran en el proceso grandes cantidades de armónicas, causando problemas de contaminación armónica en las líneas de energía. Además, la representación del
52/349/06 flujo de potencia en la Figura 3 muestra que dicha aproximación también requiere el convertidor ca-ca para manejar la potencia real y la reactiva. Por lo tanto, la razón de potencia del convertidor debe de ser más alta que la potencia total de la carga de alumbrado . Se han informado diversas técnicas para balastros magnéticos de atenuación variando la impedancia en el sistema de balastro magnético. La US5,389,857 describe el uso de un inductor de 2 pasos como el reactor en el balastro magnético. El inductor de 2 pasos consiste de dos inductores conectados en serie. Con un interruptor que puede derivar uno de los dos inductores, la inductancia del inductor de 2 pasos se puede alterar de manera discreta. La desventaja de esta aproximación es que no se pueden tener llevar a cabo niveles continuos de atenuación. La US5,432,406 describe el uso de un reactor de saturación (inductor) en el balastro magnético que se puede atenuar continuamente dentro de un intervalo limitado. Agregando un devanado extra al reactor e inyectando una corriente de cd en este devanado extra, se puede saturar el núcleo magnético del reactor. Por lo tanto, se puede cambiar la impedancia del inductor en el balastro magnético y se puede alterar la corriente de la lámpara. Sin embargo, no se puede aplicar este método como un método de atenuación de propósito general para balastros magnéticos
52/349/06 existentes que no tengan el reactor de saturación. La US5 , 949,196 describe el uso de un capacitor de absorción para atenuación en los sistemas de lámparas de descarga . Se conecta un capacitor conmutable a través de una lámpara de descarga. Si se requiere atenuación, el capacitor se conmuta de tal forma que algo de la corriente de la lámpara se desvíe de la lámpara hacia el capacitor. En esta forma la corriente de lámpara y por tanto la potencia de la lámpara y la intensidad de iluminación se pueden controlar en una forma discreta. Sin embargo, con este método no se pueden lograr niveles de atenuación continuos . En el mercado de las lámparas fluorescentes (lámparas de descarga de baja presión) , los balastros electrónicos están reemplazando los balastros magnéticos tradicionales no atenuables . Al operar en alta frecuencia (típicamente arriba de 20 kHz) los balastros electrónicos pueden eliminar los efectos de parpadeo de las lámparas fluorescentes y lograr una eficiencia mayor que los balastros magnéticos operados a la frecuencia de línea (50 Hz o 60 Hz) . Por lo tanto las lámparas fluorescentes impulsadas por balastros electrónicos consumen menos energía para la misma salida de luz cuando se comparan con lámparas impulsadas por balastros magnéticos. Sin embargo, una desventaja principal de los balastros electrónicos es
52/349/06 el relativamente corto tiempo de vida. Normalmente, los balastros magnéticos pueden operar más de 10 años sin reemplazarse y es raro tener balastros electrónicos con ese tiempo de vida. Si los balastros magnéticos se pueden hacer atenuables, la combinación de sus características de tiempo de vida largo, alta conflabilidad y ahorro de energía pueden hacer de los "balastros magnéticos atenuables" una solución atractiva para las lámparas de descarga de baja presión como las lámparas fluorescentes. En las lámparas de alta presión como la lámpara comercial de descarga de alta intensidad (HID) , todavía se considera que los balastros magnéticos son una opción más confiable que los balastros electrónicos. La razón de esto es que las lámparas HID podrían sufrir de resonancia acústica cuando se operan en frecuencias mayores a 1 Khz . La resonancia acústica se debe a la variación de presión de potencia en el tubo de la lámpara que podría activar diversas formas de resonancia. Para evitar la resonancia acústica, las lámparas HID usualmente se operan en bajas frecuencias (menor a 1kHz) o a muy alta frecuencia (>350kHz -700 KHz) . Aunque se están promoviendo algunos balastros electrónicos para lámparas HID, las características de esta lámpara cambian con el tiempo, así que no se garantiza la estabilidad de la lámpara cuando se hacen significantes los efectos de la antigüedad en la misma. No obstante los
52/349/06 grandes esfuerzos para desarrollar balastros electrónicos para lámparas HID, los balastros magnéticos todavía dominan el mercado de la lámpara HID debido a su extremadamente alta estabilidad de arco de lámpara, alta conflabilidad de balastro y bajo costo. Particularmente en las aplicaciones de alumbrado exterior (como las lámparas de calle) es las que la robustez y alta conflabilidad contra alumbrado son criterios importantes a considerar.
SOM& IO DE LA INVENCIÓN De acuerdo con la presente invención se provee un aparato que proporciona control de atenuación de una lámpara eléctrica del tipo impulsado por un balastro que se coloca entre una línea de suministro de CA y la lámpara, que comprende un medio colocado en serie entre la línea de ca y el balastro para insertar un voltaje auxiliar, en donde el voltaje auxiliar esta fuera de fase con la línea de suministro, por lo que el voltaje suministrado es la combinación vectorial del voltaje aplicado al balastro y el voltaje auxiliar, por cual el voltaje aplicado al balastro tiene una magnitud que es menor que la magnitud del voltaje de línea, y además comprende un medio para controlar el voltaje auxiliar variando el voltaje aplicado a la lámpara, en donde el voltaje auxiliar se mantiene 90 o 270 grados fuera de fase con la corriente que fluye a través del
52/349/06 aparato, y en donde la magnitud del voltaje auxiliar se usa para variar el voltaje aplicado a la lámpara. Esta última característica es ventajosa ya que asegura que el aparato de control de atenuación únicamente maneja la potencia reactiva, lo cual minimiza la pérdida de potencia real en el aparato de control de atenuación. En una modalidad preferida el aparato comprende un inversor de medio puente que incluye dos interruptores que se conmutan en alta frecuencia para generar una forma de onda modulada en ancho de pulso (PWM, por sus siglas en inglés) como una salida. De preferencia la salida PWM del puente de media onda se filtra para proporcionar un voltaje auxiliar de un carácter altamente senoidal. En esta modalidad se proporcionan medios para seleccionar un voltaje de enlace de CD deseado para el inversor de medio puente para controlar la magnitud del voltaje auxiliar. En particular se proveen medios para mantener el voltaje de enlace de CD en el valor deseado y mantener la fase del voltaje auxiliar 90 o 270 grados fuera de fase con la corriente que fluye a través del aparato. Por ejemplo, se puede usar un esquema de control de bucle cerrado para mantener el voltaje de enlace de CD en el valor deseado y para mantener la fase del voltaje auxiliar 90 o 270 grados fuera de fase con la corriente. De preferencia se proveen medios de conmutación
52/349/06 con los que el aparato se pueda derivar si no se requiere el control de atenuación y se aplique directamente el voltaje de línea de ca al balastro. Vista desde otro aspecto, la presente invención proporciona un sistema de alumbrado eléctrico que al menos comprende una lámpara conectada a una línea de suministro de CA a través de una balastro, además el sistema comprende medios que proporcionan control de atenuación de al menos una lámpara, el medio de control de atenuación comprende medios colocados en serie entre la línea de suministro y el balastro para insertar un voltaje auxiliar, que está fuera de fase con la línea de suministro, en los que la combinación vectorial del voltaje de la línea de suministro del voltaje aplicado al balastro y el voltaje auxiliar, en donde la magnitud del voltaje que se suministra al balastro es menor que la magnitud del voltaje de la línea de suministro y que además comprende medios para controlar el voltaje auxiliar para variar el voltaje aplicado a la lámpara, en donde el voltaje auxiliar se mantiene en 90 o 270 grados fuera de fase con la corriente que fluye a través del medio de control de atenuación, y en donde la magnitud del voltaje auxiliar se usa para variar el voltaje aplicado a la lámpara. Vista desde un aspecto más la invención también proporciona un método para controlar la atenuación de una
52/349/06 lámpara eléctrica impulsada por un balastro, que comprende insertar un voltaje auxiliar entre una línea de suministro de CA y el balastro, en donde el voltaje auxiliar está fuera de fase con el voltaje de la fuente de CA, por lo que la fuente de voltaje es la combinación vectorial del voltaje aplicado al balastro y el voltaje auxiliar, en donde el voltaje auxiliar se mantiene en 90 o 270 grados fuera de fase con la corriente suministrada al balastro.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Ahora se describirán algunas modalidades de la invención a manera de ejemplo y con referencia a los dibujos que acompañan, en los cuales: Las Figuras 1(a) -(c) ilustran la operación de un atenuador basado en triac de la técnica anterior, la Figura 2 es un diagrama de bloques que ilustra una balastro electrónico atenuable convencional, la Figura 3 es un diagrama de bloques que ilustra el uso de un convertidor ca-ca para control de atenuación de un sistema de balastro magnético de acuerdo con la técnica anterior, las Figuras 4 (a) -(c) muestran un aparato de acuerdo con una modalidad de la invención y en particular comprende (a) un diagrama de bloques, (b) un esquemático que ilustra un grupo de cargas y que muestra el flujo de
52/349/06 potencia y (c) el circuito equivalente, las Figuras 5 (a) y (b) son diagramas vectoriales de un sistema de lámparas de descarga impulsado por un balastro magnético (a) sin usar el aparato de control de atenuación de la presente invención y (b) con el uso del control de atenuación, la Figura (6) es un diagrama esquemático que muestra el circuito electrónico de potencia de un aparato de control de atenuación de acuerdo con una modalidad de la invención, la Figura (7) ilustra un sistema de control de bucle cerrado para usarse en una modalidad de la presente invención, la Figura (8) es un diagrama de bloques que ilustra un arreglo experimental, las Figuras 9 (a) -(f) muestran resultados experimentales , las Figuras 10 (a) y (b) muestran mediciones de (a) consumo de potencia real de la carga contra voltaje en un ejemplo experimental, las Figuras 11(a) y (b) muestran mediciones de (a) consumo de potencial real de la carga contra voltaje en otro ejemplo experimental y (b) la pérdida de potencia total en el aparato de control de atenuación, la Figura (12) muestra una modalidad alternativa
52/349/06 que usa un inversor de puente completo para generar el voltaje auxiliar, y la Figura (13) muestra una modalidad alternativa en la que se utiliza una fuente de energía separada para el voltaje auxiliar.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS La presente invención proporciona, al menos en sus formas preferidas, un método y un aparato de atenuación para sistemas de alumbrado eléctrico no intrusivo y altamente eficiente de energía como lámparas de descarga HID y fluorescentes energizadas ya sea por balastros magnéticos o por algunos balastros electrónicos. Este método y aparato puede cambiar los sistemas de lámparas -balastros magnéticos "no atenuables" en sistemas atenuables con ahorro de energía real . El método de atenuación propuesto realiza la función de atenuación con ahorro de energía real controlando el voltaje disponible para el sistema lámpara - balastro sin manejar la potencia real del sistema de alumbrado. El concepto detrás de la invención es un concepto nuevo integrado de control de potencia reactiva y de control del vector de voltaje. Como se entenderá de la descripción detallada siguiente, controlando el flujo de potencia reactiva hacia el sistema de alumbrado, el aparato de atenuación propuesto
52/349/06 inserta un vector de voltaje controlable a la línea de suministro de voltaje. De este modo se puede controlar el voltaje resultante disponible para el sistema lámpara -balastro . En una modalidad preferida el método y aparato de atenuación logran mínima pérdida de potencia manejando únicamente potencia reactiva. Por lo tanto, la razón de potencia del dispositivo de atenuación propuesto puede ser mucho más pequeña que la razón de potencia total del sistema de alumbrado. Esto le permite al dispositivo de atenuación propuesto atenuar un sistema de alumbrado de alta potencia o un grupo de dispositivos de alumbrado. Otra ventaja de la invención es su naturaleza no intrusiva. El sistema lámpara-balastro todavía puede funcionar normalmente a plena potencia (es decir, una condición sin atenuación) aún si el aparato de atenuación propuesto no esté operando . El método y el aparato propuestos se pueden usar para atenuar lámparas de descarga individuales o una red de lámparas HID como las lámparas de calle. Se puede usar para aplicaciones externas e internas. La Figura 4 (a) muestra el concepto básico del concepto de control de potencia reactiva y de control de vector-volta e integrado en una modalidad de la invención. Para atenuar el sistema de alumbrado, se varía el voltaje de ca disponible para la carga de alumbrado, sin la
52/349/06 necesidad de procesar la potencia real de la carga de alumbrado. Vs es un vector de voltaje de la línea de suministro de ca; Va es el vector de voltaje auxiliar insertado por el dispositivo de atenuación y VL es el vector de voltaje resultante para la carga. la es el vector de corriente del dispositivo de atenuación y se mantiene perpendicular al voltaje auxiliar (es decir, está 90 o 270 grados fuera de fase con Va) . IL es la corriente de carga y es igual a la. En la Figura 4(b) se muestra el diagrama de flujo de potencia de una modalidad de la invención. Insertando un vector de voltaje auxiliar Va a través del uso de un circuito de control de potencia reactiva, se puede controlar el voltaje resultante VL, que es la diferencia vectorial del vector de voltaje de línea Vs y el vector de voltaje auxiliar Va. Debido a que la generación de Va se hace tratando con la potencia reactiva Q, teóricamente el dispositivo de atenuaciónno no maneja nada de potencia real P de la carga de alumbrado. La única pérdida práctica en el dispositivo de atenuación es la pérdida por conducción y la pérdida por conmutación en los circuitos de potencia del dispositivo de atenuación. Como se muestra más adelante en las mediciones de varios ejemplos experimentales, la pérdida total del dispositivo de atenuación típicamente es menor que 10% de la potencia ahorrada de la lámpara en el
52/349/06 proceso de atenuación. Por ejemplo, si la potencia de 150W de la lámpara se atenúa a 80W, la reducción de potencia de lámpara es de 70W y el dispositivo de atenuación consumirá menos de 7W. Por lo tanto, se logra un ahorro real de energía de 63W en este ejemplo. La Figura 4(c) muestra el circuito equivalente de una modalidad de la invención. Con base en la teoría de red de potencia, Vx es una fuente de voltaje de ca controlada en el extremo de la red de transmisión. Este Vx es equivalente al voltaje de ca (generado por el puente inversor) antes de ser filtrado por el inductor de filtro LF. El voltaje auxiliar Va (la versión filtrada de Vx) está en el extremo receptor de la red. La magnitud y el desplazamiento de fase d de Vx son controlables . Se puede mostrar que la potencia real P y la potencia reactiva Q suministradas al circuito son:
V V P = -^-senó (1) aLp
V2 V V Q = — a- cos5 (2) oLF coLF
Donde ? = 2IIf, f es la frecuencia de la línea y d es el ángulo entre los vectores de voltaje Va y Vx. De las ecuaciones (1) y (2) se puede ver como el
52/349/06 concepto de generación de vector-voltaje y de control de potencia-reactiva minimiza la pérdida de potencia en el circuito de atenuación. La ecuación (1) indica que, manteniendo d igual a cero, sen d es igual a cero y esta P es igual a cero. Por lo tanto el circuito de atenuación no consumirá potencia real del flujo de potencia. La ecuación (2) muestra que la potencia reactiva Q y el vector de voltaje auxiliar Va se pueden ajustar controlando la magnitud de Vx. La magnitud de Vx se puede controlar regulando el voltaje Ved de enlace de cd del puente inversor en un esquema de control de bucle cerrado, como se explicará más adelante. De preferencia, como se describirá más adelante, se utiliza un inversor de fuente de voltaje con una configuración de medio puente en esta modalidad de la invención con su lado de cd siendo suministrado por dos capacitores. El voltaje de capacitor del inversor se puede controlar con un circuito de control de bucle cerrado ajustando un voltaje de CD. El circuito de bucle cerrado alterará temporalmente d durante esta situación de transición. Si d es positiva, el voltaje del capacitor se incrementará y vise versa. El ángulo d se mantiene igual a cero después del ajuste del voltaje del capacitor en la condición de estado constante. Esto realiza la función de control de voltaje y potencia reactiva.
52/349/06 La Figura 5 (a) muestra un diagrama de vector típico de un sistema de lámpara de descarga impulsado por balastro sin ninguna función de atenuación, (se asume que los vectores giran en la dirección contraria a las manecillas del reloj a la frecuencia de la línea de suministro) . En este caso, Vs simplemente es igual a VL. Debido a que el balastro magnético consiste de un inductor grande o reactor y el arco de lámpara se puede representar como una resistencia, el circuito es altamente inductivo. De este modo, la corriente de carga IL se retrasa respecto al voltaje Vs de suministro por un ángulo de fase F. La Figura 5 (b) muestra el diagrama de vector si se incluye el dispositivo de atenuación de una modalidad de la presente invención. El dispositivo de atenuación inserta (sin disipar una gran cantidad de potencia) un vector de voltaje Va en el sistema. El voltaje de carga resultante disponible para el sistema de alumbrado se puede alterar (hacer más pequeño) uniformemente. Como resultado, se puede controlar la potencia de la lámpara con el concepto vector-voltaje. Comparando la Figura 5(a) (sin dispositivo de atenuación) con la Figura 5 (b) (con dispositivo de atenuación), la inserción de un vector de voltaje auxiliar Va al vector de voltaje de la línea de suministro Vs puede reducir la magnitud del voltaje resultante VL. Por lo tanto, el sistema de alumbrado impulsado por el balastro
52/349/06 magnético tendrá menos corriente II y se puede reducir la potencia de la lámpara. En la Figura 5 (b) la y la corriente de carga IL son idénticas. De una consideración de la Figura 5(b) se puede ver que en principio la magnitud del voltaje aplicado a la carga podría ser controlada variando la magnitud y/o la fase del voltaje auxiliar. Sin embargo, se prefiere mejor mantener el vector del voltaje auxiliar perpendicular al vector de la corriente para minimizar la pérdida de potencia en el dispositivo de atenuación, por lo tanto el vector de corriente que ingresa al dispositivo de atenuación (la = lL) de preferencia se deberá de mantener 90 o 270 grados fuera de fase con el vector de voltaje auxiliar (Va) generado por el dispositivo de atenuación. Como los vectores la y Va están perpendiculares entre sí, teóricamente el dispositivo de atenuación no consume potencia real. En la práctica, el dispositivo de atenuación consumirá una muy pequeña cantidad de potencia debido a pérdida de conducción, pérdida de conmutación y pérdida magnética en el dispositivo de atenuación. Pero la pérdida de potencia total en el dispositivo de atenuación únicamente es una pequeña fracción (típicamente menor al 10%) de la potencia de lámpara total ahorrada. La Figura 6 muestra el esquemático del circuito electrónico de potencia de un dispositivo de atenuación de
52/349/06 acuerdo con una modalidad de la invención. El dispositivo incluye un interruptor de derivación Sm (por ejemplo un interruptor electromecánico como un relevador o un contactor) que esté "normalmente cerrado" (N.C.) cuando el circuito de atenuación no esté activado. Bajo este modo de operación inactivo (cuando el relevador este cerrado) , la evita el circuito de atenuación y Va es igual a cero. De este modo, el dispositivo de atenuación propuesto es no intrusivo para el sistema de alumbrado eléctrico que se va a tenuar. Cuando se activa el dispositivo de atenuación, Sm se abre y fluirá la en el circuito de atenuación. El circuito del dispositivo de atenuación de esta modalidad consiste de un inversor de medio puente con un par de interruptores electrónicos de potencia de poste totémico SI y S2. Los dos capacitores (Cl y C2) sirven como capacitores de enlace de cd y como capacitores de almacenamiento de energía. A través de los dos diodos de conducción libre DI y D2 y de las acciones de conmutación de SI y S2, se puede formar un voltaje de CD en los dos capacitores conectados en serie Cl y C2, cuando se activa el dispositivo de atenuación. El voltaje de CD a través de Cl y C2 proporciona una fuente de voltaje de CD para el inversor de medio puente. Los dos interruptores electrónicos de potencia SI y S2 en el inversor de medio puente se conmutan con alta frecuencia bajo un esquema
52/349/06 senoidal de modulación de ancho de pulso (PWM, por sus siglas en inglés) para generar una forma de onda de voltaje PWM con un contenido senoidal de alta calidad. Después se filtra la forma de onda de voltaje PWM con un filtro pasa bajos que comprende un inductor L y un capacitor C de tal forma que se filtran las armónicas de voltaje de alta frecuencia en la forma de onda de voltaje PWM. El voltaje filtrado entonces es un voltaje senoidal de alta calidad, el cual es el voltaje auxiliar Va generado por el dispositivo de atenuación. Se deberá notar que también se puede usar un inversor de puente completo para reemplazar el inversor de medio puente como se muestra en la Figura 12. Sin embargo, un inversor de medio puente usa la mitad de dispositivos electrónicos de potencia que la contraparte de puente completo y por lo tanto es una solución más efectiva en costo. Para aplicaciones de baja potencia (por ejemplo menores a 2kVA) es suficiente con un inversor de medio puente. Pero para aplicaciones de alta potencia es más apropiado un inversor de puente completo. Cuando se activa, el circuito de atenuación inicia su operación abriendo el interruptor de derivación normalmente cerrado Sm. El nivel de atenuación de la carga de alumbrado se puede regular usando un esquema de control de bucle cerrado. El nivel de atenuación se puede
52/349/06 determinar ajustando un nivel de referencia para el voltaje de enlace de CD (Ved) del inversor de medio puente. Si este Ved de referencia se ajusta a cero, por ejemplo, la magnitud del Va generado por el circuito de atenuación será cero. Si el Ved de referencia se ajusta a un cierto nivel, entonces este Ved será el voltaje de cd de enlace para el inversor y afectará la magnitud del voltaje auxiliar Va. El voltaje PW generado por el inversor de medio puente tendrá una magnitud pico-pico de +0.5Vcd y -0.5Vcd. En el control de bucle cerrado, el ángulo de fase entre el voltaje Vs de la línea de suministro y el vector de voltaje auxiliar Va será controlado en tal forma que (1) el voltaje Ved de enlace de cd actual será regulado de acuerdo con su ajuste de referencia y (2)Ia(=IL) estará 90 o 270 grados fuera de fase de Va. La condición (1) determina la magnitud de Va. La condición (2) asegura que el circuito de atenuación únicamente maneje la potencia reactiva (Q) del sistema de alumbrado. En esta forma, la razón de potencia del circuito de atenuación puede ser mucho menor que el del sistema de alumbrado. Por lo tanto, el circuito de atenuación de bajo costo puede ser desarrollado para atenuar el sistema de alumbrado "no atenuable" . La Figura 7 muestra un diagrama de bloques del esquema de control de la potencia reactiva y del vector de voltaje para el dispositivo de atenuación. Como se
52/349/06 describe con referencia a la Figura 6 se usa un interruptor electromecánico normalmente cerrado (N.C.) (típicamente un relevador o un contactor) como un interruptor de derivación si el circuito de atenuación no está activado. Una vez que se activa el circuito de atenuación, el interruptor N.C. se conectará al circuito como se muestra en la Figura 7. Se usa un detector (típicamente un transformador de señal) para medir el voltaje de la línea de suministro de tal forma que se pueda obtener la fase de Vs . Otro detector es uno de voltaje de cd (típicamente un divisor de voltaje) para medir el voltaje Ved de enlace de cd del puente-inversor en el circuito de atenuación. El control de atenuación se controla en la forma de un voltaje de cd de referencia (Ved) . Se usa un comparador para derivar la señal de error entre la referencia Ved y la señal de retroalimentación Ved. La señal de error se alimenta a un compensador de error o un controlador proporcional-integral (PI) típicamente, que genera una señal de desplazamiento de fase. Con esa señal y la referencia de fase del voltaje de la línea de suministro como entradas, se usa un circuito de sincronización de fase para generar señales de activación de ancho de pulso modulado (PWM) para los interruptores de potencia SI y S2 de tal forma que el vector de voltaje auxiliar Va tendrá desplazamiento de fase apropiado con el vector de voltaje de suministro de línea Vs para mantener
52/349/06 el voltaje Ved de enlace de cd en el nivel de referencia Ved. Manteniendo Ved en el nivel de referencia requerido, no hay un consumo de potencia real neto en el circuito de atenuación. Por lo tanto, este esquema de control tiene la característica automática de que el vector de voltaje auxiliar Va es perpendicular a la corriente de entrada la del circuito de atenuación. En otras palabras, el esquema de control propuesto asegura que el circuito de atenuación genere el vector de voltaje auxiliar requerido manejando únicamente potencia reactiva. Por lo tanto se pueden diseñar las razones de potencia del circuito de atenuación de acuerdo con la potencia reactiva de la carga de alumbrado y no de la potencia completa de la carga de alumbrado . El método y el aparato de atenuación propuestos se han probado con un prototipo experimental y varias lámparas de descarga impulsadas por balastros magnéticos se han atenuado exitosamente . La Figura 8 muestra el diagrama de bloques del arreglo experimental . Para una variedad de lámparas de descarga, el dispositivo de atenuación se conecta al sistema de lámpara de descarga-balastro magnético como se muestra en la Figura 6. Se realizaron pruebas para confirmar el nuevo concepto de atenuación. Incrementando el nivel de referencia para Ved, el voltaje de enlace de cd se regula a
52/349/06 diferentes niveles para generar un voltaje auxiliar Va. El voltaje de línea fue 22 OV a 50Hz. Se midieron el voltaje de línea Vs, el voltaje auxiliar Va, el voltaje resultante (VL0AD) disponible para la carga de alumbrado y la corriente de carga IL (misma que la) . También se midieron la potencia total de entrada (PL0AD) consumida por la carga de alumbrado y la pérdida de potencia total en el dispositivo de atenuación nuevo. Las Figuras 9 (a) - (e) muestran las mediciones de una lámpara de descarga de sodio de alta presión de 150 impulsada por un balastro magnético. Este sistema se atenuó con el nuevo dispositivo de atenuación. La Figura 9(a) muestra la medida de Vs, la, Va y VL0M5 (VL) cuando el interruptor relevador de derivación Sm está normalmente cerrado y el circuito de atenuación no está activado. La lámpara opera a plena potencia y se puede ver que VL0AD es igual a Vs y Va es cero ya que Sm está cerrado . La Figura 9(b) muestra las mediciones cuando el relevador de derivación está abierto y el circuito de atenuación se activa con un nivel de atenuación muy pequeño (casi cero) . Se puede observar que Va es solamente 7V y que Vs es casi el mismo que VLOaD. La lámpara opera casi a plena potencia. La Figura 9(c) muestra las mediciones cuando la
52/349/06 lámpara de descarga de sodio se atenúa a alrededor de 75% de la potencia total. El voltaje auxiliar es alrededor de 20V y VL0AD ahora es 198V. Comparada con la corriente de carga la en la Figura 9 (a) y en la Figura 9 (b) , la corriente de carga la en la Figura 9(c) se reduce, confirmando la reducción de la potencia de la lámpara y el principio de atenuación propuesto. Es importante notar de la Figura 9(c) que Va e la están 90 grados fuera de fase entre sí, confirmando que el circuito de atenuación maneja esencialmente potencia reactiva únicamente. Los resultados de la prueba para la potencia de la lámpara atenuada a 50% y 30% de la potencia total de la lámpara se registran en la Figura 9(d) y la Figura 9(e), respectivamente. De las Figuras 9 (a) - (e) se demuestra claramente que (i) un vector de voltaje Va con magnitud incrementándose puede reducir el voltaje resultante VL0AD para la carga de alumbrado y (ii) Va e la se pueden mantener fuera de fase por 90 grados. La Figura 9(f) muestra las mediciones del consumo de la potencia real actual (P) de la carga de alumbrado (incluyendo el balastro magnético y la lámpara de descarga de sodio) . El concepto de control de vector-voltaje y control de potencia reactiva para propósitos de atenuación se demuestra y confirma prácticamente . También se probó una lámpara de halogenuro-metal
52/349/06 de 150W de "Philips Mastercolour (CDM-T 150W/830)" con el nuevo dispositivo de atenuación. Dicha lámpara es impulsada por un balastro magnético "Philips (BSN 150L 407 I TS) . La Figura 10(a) muestra las mediciones del consumo de potencia real de la carga de alumbrado sobre un intervalo de atenuación. La pérdida de potencia real disipada en el nuevo dispositivo de atenuación en el mismo intervalo de atenuación se registró y gráfico en la Figura 10 (b) . Cuando la potencia de la lámpara se reduce de 150 a alrededor de 92W (es decir, un ahorro de potencia de 58 ) el dispositivo de atenuación únicamente consume menos de 6W. Esto resulta en un ahorro de potencia real de 52W. En otras palabras, el dispositivo de atenuación únicamente consume alrededor de 10% de la potencia de la lámpara ahorrada . Los resultados basados en la lámpara de descarga de sodio de 15OW y la lámpara de halogenuro-metal de 15OW confirman que al menos en modalidades preferidas la invención es una forma altamente eficiente en energía de atenuar un sistema de alumbrado "no atenuable" . El dispositivo de atenuación se ha probado exitosamente para atenuar dos grupos de lámparas fluorescentes de 2x36W T8 impulsados por dos balastros magnéticos convencionales de 100% a alrededor del 40% de la potencia total de la lámpara. La Figura 11(a) y la Figura 11(b) muestran las
52/349/06 mediciones de la potencia total de lámpara de un sistema de lámparas 2X36W T8 (una lámpara es "Philips TLD 36W/33 Cool White" y la otra es " TLD 36W/54 DAY LIGHT") alimentadas con una balastro magnético Philips y el sistema de lámparas 2X36W es atenuado por el atenuador propuesto. A plena carga, el sistema de lámpara consume alrededor de 70W. Dentro del intervalo de atenuación de 100% a 40% (30W) de la potencia total, la pérdida total en el atenuador es menor de 2W. En las modalidades antes descritas no se requiere una fuente de energía separada para la generación del voltaje auxiliar. Sin embargo, si se desea se podría usar una fuente de energía auxiliar como se ilustra en la Figura 13. Si la fuente de energía auxiliar es un voltaje de CA, entonces se puede usar un convertidor de potencia CA-CA para generar Vx. Si la fuente de energía auxiliar es una fuente de voltaje CD, entonces se puede usar un convertidor de potencia CA-CD (como el inversor de potencia de medio puente o el inversor de potencia de puente completo) para producir Vx. La invención también se puede aplicar a ciertos balastros electrónicos para lámparas de descarga siempre que los balastros electrónicos sean del tipo que se puedan atenuar reduciendo el voltaje de entrada de ca para los balastros.
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