Estabilización en alta frecuencia de lámparas de descarga de alta intensidad. Propuesta de un balasto electrónico para operación libre de resonancias acústicas. Dr. Alexander Fernández Correa1, Dra. Susset Guerra Jiménez2, Jaime Paul Ayala Taco3¸ Yandry Rodríguez Domínguez4 resolver el problema de la resonancia Resumen acústica en lámparas HID operando a El presente trabajo presenta un estudio altas frecuencias, sin embargo las sobre alternativas para la estabilización soluciones planteadas se han limitado a de lámparas de descarga de alta lámparas de un fabricante y de cierta intensidad de Halogenuros Metálicos potencia, lo que no se constituyen en destacando la operación en alta una salida definitiva. El estudio de éstas frecuencia por sus ventajas a pesar de soluciones parciales permite poner en la la perspectiva la problemática que la abordan operación en alta frecuencia trae, sin también los métodos para la detección y perder de vista la enorme ventaja eliminación de la resonancia acústica. respecto Partiendo del se parámetros propios de la lámpara, propone finalmente balastro como el incremento del tiempo de vida y electrónico genérico y se detallan todas la calidad en la iluminación, que éste las partes que debe contener el mismo. tipo de operación tiene. Es entonces Se realiza a nivel de simulación un que los trabajos en éste sentido se prototipo para la aplicación específica encuentran orientados a encontrar un de una lámpara de Haluros Metálicos modelo que permita realizar un control (HM) de 150 W, mostrándose dichos óptimo, mediante la implementación de resultados y los pasos para realizar el un balasto electrónico, de la operación control de la lámpara HID de Halogenuros presencia resonancia del fenómeno acústica. estudio utilizando Se realizado un el de método de detección de resonancia acústica por cambios en la eliminación por frecuencias hacia impedancia y corrimiento zonas libres del control sobre los Metálicos. su de de Introducción En la actualidad alrededor del 25% del resonancia acústica. consumo de energía eléctrica a nivel En algunos trabajos científicos se han mundial se utiliza para la iluminación abordado artificial, tanto de espacios interiores métodos orientados a como de exteriores. Diversos tipos de luminosidad y fuentes luminosas son utilizadas con eficiente color, este propósito y entre ellas se destacan adicionales como son: la reducción en las lámparas de descarga de alta el tamaño del controlador (balastro) intensidad HID por sus siglas en ingles debido a la disminución del tamaño de y dentro de ellos especialmente las sus componentes, alta eficiencia en el lámparas de halogenuros metálicos por control de la lámpara por el lazo cerrado su elevada eficacia luminosa, alto índice que de reproducción de colores, elevada posibilidad de realizar un control a temperatura de color y elevado tiempo distancia, la alimentación a potencia de vida entre otras características que constante frente a variaciones de la las hacen actualmente una de las tensión de la red eléctrica y frente a los fuentes luminosas mas eficientes y que cambios de parámetros que ocurren mas se pueden adaptar a diversos durante toda la vida útil de la lámpara requerimientos Sin aspecto este que posibilitaría aumentar embargo, tradicionalmente este tipo de el tiempo de vida medio de la lámpara, lámpara ha sido operada mediante así como también el posible control estabilización a través de un balasto "dimming" electromagnético los balastos para operar las lámparas de iluminación. que aunque son se del una puede reproducción permitiría otras implementar, la que permitiría sintonizar a dispositivos relativamente baratos y con robustos, son voluminosos, pesados y consecuentemente poseen energía eléctrica variables en función una característica de estabilización que imposibilita el control niveles de de iluminación y consumo de de los requerimientos de iluminación. de la potencia de la lámpara entre ciertos limites que varían en función de las fluctuaciones de tensión de la red y Sin embargo, la operación a altas frecuencias puede presentar en la lámpara un fenómeno conocido como el envejecimiento de la lámpara. resonancia acústica, que se puede El empleo de balastos electrónicos para explicar como la coincidencia de la la estabilización en alta frecuencia de frecuencia de operación de la lámpara, las lámparas de halogenuros metálicos, o alguno de sus principales armónicos, además de las ventajas intrínsecas a este tipo obtención de de lámparas elevados como la niveles de con alguna de las frecuencias propias de la lámpara, siendo su efecto la variación de la presión al interior del tubo de descarga. Estas frecuencias propias (frecuencia de resonancia del acústica en lámparas HID-HM de baja sistema físico de la lámpara) son potencia operando a altas frecuencias, función la lo que posibilitaría su empleo masivo y construcción de la lámpara, es decir económico en aplicaciones domésticas dependen de variables como la presión con la consecuente disminución en el del gas al interior del tubo de descarga, consumo la temperatura, la geometría del tubo y energética. principalmente de eléctrico y optimización la mezcla gaseosa en su interior, entre Resultados y Discusiones otros aspectos. Topologías de circuitos para balastros electrónicos basados en metodologías de control han sido propuestas en lámparas HID-MH, dentro de éstas se establecen tres tipos: (i) Balastro tipo DC, (ii) Balastro sintonizado a alta frecuencia y (iii) Balastro operando a muy alta frecuencia [1]. El primer método no es utilizado en la Fig.1. Resonancias acústicas práctica una vez que la operación con corriente directa produce en la lámpara El efecto en la lámpara HID-MH de la un fenómeno llamado cataforesis, que resonancia acústica se traduce en no es más que la migración de los "flicker", es decir un parpadeo del arco componentes metálicos hacia uno de eléctrico que produce la iluminación con los electrodos, lo cual es totalmente una posibilidad de extinción del arco y perjudicial para la misma. El tercer en el peor de los casos este parpadeo método, si bien no tiene que lidiar con el puede llegar fenómeno a tocar las paredes de resonancia acústica, internas del tubo de descarga (el arco requiere un diseño muy cuidadoso y se encuentra a varios cientos de grados esto de balastro debido a la selección de los temperatura) ocasionando la implica el encarecimiento del destrucción de la lámpara. semiconductores ya que a frecuencias Varios trabajos de investigación se han tan orientado soluciones conmutación se hacen preponderantes tendientes a eliminar o por lo menos respecto a las de conducción. El disminuir el fenómeno de la resonancia segundo a proponer elevadas las método pérdidas no tiene de las desventajas de los métodos anteriores, suficientemente pero como se ha dicho, puede aparecer eliminar completamente las resonancias el fenómeno de la resonancia acústica, acústicas. Por otro lado, si el índice es lo cual implicará establecer métodos de demasiado control para su detección y eliminación. resonante se presenta una corriente Una de las alternativas propuestas en la considerable a una baja frecuencia lo literatura la que ocasiona inestabilidad en el arco en operación en alta frecuencia es realizar el tubo de descarga de la lámpara. Esto modulación indica [2] para en implementar frecuencia para grande grande que la como en el frecuencia para circuito senoidal distribuir el espectro de potencia de la moduladora está limitada a unos pocos lámpara, limitándolo fuera de la ventana cientos de Hz. de inestabilidad, entre 40 y 60 Khz. En esencia, se emplea una señal Utilizando esta técnica en lámparas sinusoidal de baja frecuencia para HID-MH de 250 W se han reportado los modular una señal de alta frecuencia siguientes resultados: que es la alimentación de la lámpara. 1. Ausencia de resonancia acústica La descripción básica de una señal con una frecuencia central de modulada es: operación de 47 Khz. U FM = UC Cos(ω C t + mf sin(Ωt )) 2. Voltaje de ignición de la lámpara (1) Donde ωC t es el ángulo de la señal de sobre 1 KV. 3. Potencia de la lámpara en estado estacionario de 250 W. alta frecuencia, Ωt es el ángulo de la señal sinusoidal de baja frecuencia, mf 4. Corriente de arranque menor a es el índice de modulación. 5. Empleo de una topología de 10 A. El índice de modulación es importante inversor de medio puente en éste método, ya que permite cambiar alimentado con un bus de DC de la frecuencia propia de la potencia que 400 VDC, siendo la frecuencia se esta inyectando a la lámpara, lo que central de operación fijada en 52 a su vez establece la operación libre de Khz, manteniéndose constante resonancia acústica al no coincidir o inclusive en el arranque. acercarse a la frecuencia propia de la Para las pruebas se emplearon tres lámpara. En base a éste estudio se lámparas del fabricante Osram y dos de determinó que si éste índice es muy Philips. pequeño el ancho del espectro de Se puede concluir parcialmente que de frecuencias de manera experimental se demostró que potencia no es lo si la potencia de la lámpara es superior impedancia actual de la lámpara y la a 280 W, las resonancias acústicas compara con una tabla que describe el están presentes. Los experimentos del comportamiento de la impedancia en método W función de la frecuencia haciéndose trabajando a una frecuencia central de notar que la ocurrencia de resonancia 50 Khz. y para lámparas de 400 W en está acompañada de una reducción 40 Khz. permitieron estabilidad en el significativa de la impedancia de la arco, pero para lámparas bajo los 175 lámpara. W éste método no permite la estabilidad En otro esquema muy difundido, desde en la lámpara debido a que la forma el punto de vista práctico, para eliminar física de la lámpara cambia y en las resonancias acústicas se plantea consecuencia las frecuencias propias disminuir el nivel de amplitud de los son diferentes a las estudiadas, con lo armónicos de potencia bajo un cierto que se puede concluir que al cambiar la nivel de umbral que se encuentra potencia y relacionado directamente con la energía geometría, de activación de la resonancia en la cambian completamente las ventanas lámpara. Se presenta un prototipo de libres de resonancia acústica. balastro electrónico [8] basado en una Otra alternativa de la operación en alta estrategia de control de la corriente que frecuencia [3], [4] plantea la operación se entrega a la lámpara. En el estudio de la lámpara en una ventana de se consideró que en el proceso de frecuencias envejecimiento en lámparas de la consecuentemente libre de 175 lámpara su de resonancia de la lámpara la acústica, la cual se obtiene de forma resistencia equivalente de la misma experimental. de varía, por otro lado a bajas frecuencias resonancia difieren de una lámpara a (como la de la red eléctrica (50-60 Hz) otra, sin embargo es posible encontrar el equivalente resistivo de la lámpara es una ventana de frecuencias libres de no éste fenómeno para cada lámpara, funcionamiento considerando que ésta ventana no es donde su equivalente es lineal. En la constante ni igual en lámparas de la literatura técnica es bien conocido que misma familia, fabricante o potencia. El la resonancia acústica es un fenómeno sistema la producido por la generación de ondas operación de la lámpara en alguna de de presión al interior del tubo de las ventanas libres identificadas y a descarga [9], estas ondas producen continuación calcula en armónicos de potencia cuya amplitud es 30 Las implementado segundos bandas inicia intervalos de aproximadamente la lineal en contraposición a altas al frecuencias una variable que produce la resonancia acústica; para evitar este fenómeno se amplitud de los armónicos de potencia requiere que la amplitud de todos éstos [8]. De ésta manera se diseña un armónicos se encuentren por debajo del balastro que tiende a mantener las nivel de umbral de la lámpara [8]. amplitudes Experimentalmente se escogió en el armónicos de potencia por debajo del estudio de nivel de umbral de la lámpara, para de haluros metálicos de 70 W. Siendo su ésta manera eliminar la posibilidad de nivel de umbral del 10% de su potencia existencia de resonancia acústica. nominal. El sistema de control propuesto se basa La analizado topología una lámpara empleada es de de los niveles de los un en la variación de algunos parámetros inversor de alta frecuencia que entrega del inversor de alta frecuencia, con el una onda quasi-cuadrada basada en un propósito de mantener disponible la inversor Buck. El modo de control potencia entregada en su nivel nominal seleccionado es por corriente, siendo y la amplitud de los armónicos de los parámetros empleados para el potencia por debajo del nivel de umbral efecto la corriente máxima a través del a switch (IMMAX), y el tiempo de apagado lámpara, esto se basa en el hecho de pesar del envejecimiento de la que el mínimo de ( ∆P ) se obtiene si el Fig. 2. Sistema de control propuesto en el estudio con dos lazos de control. de este switch (TOFF). Este tipo de inversor opera al 50% como ciclo de control trabajo ya ha sido empleado en [8]. En consecuencia, la aplicaciones de iluminación por control estrategia fue mantener al ciclo de electrónico [10]. En este trabajo se trabajo lo más cercano posible al 50%. encontró que la variación de potencia Al basarse en la topología de un instantánea en la lámpara ( ∆P ) está inversor Buck, la relación entre la relacionada tensión de entrada (UB) y la tensión de directamente con la salida (VO) es función del ciclo de del trabajo (D). En consecuencia, la única segundo lazo de control cuyo objetivo manera de obtener control sobre el ciclo es mantener constante la potencia en de trabajo es controlando la tensión de su entrada, puesto que la tensión de salida potencia entregada a la lámpara con su depende de la potencia entregada a la respectivo “set-point”. Sin embargo esta lámpara y de su equivalente resistivo en solución con dos lazos de control ese instante. En cuanto a la potencia produjeron problemas en la dinámica de entregada a la lámpara, de estudios la lámpara por lo que se mejoró el generador valor de nominal DC. al Existe comparar un la Fig. 3. Sistema de control propuesto en el estudio con estimador teóricos [10] se precisa que la variación diseño al introducir un estimador de la principal de sus parámetros depende potencia a partir de la tensión en el bus mayormente de IMMAX. También se de DC. estableció en el mismo estudio, que variaciones de TOFF no afectan de una El estimador se basa en el hecho de manera apreciable las características que si D tiende a ser del 50% y ( ∆P ) es de la potencia entregada a la lámpara. bajo (menor al 10%) se puede observar En consecuencia se evidencia que la que la potencia entregada a la lámpara potencia es proporcional al producto de IMMAX y puede cambiando IMMAX ser y controlada TOFF puede mantenerse constante. En la solución propuesta se mide el valor del ciclo de trabajo UB como se muestra en la ecuación. PAVG = K . I MMAX . U B (2) y se lo compara con un “set- Donde PAVG es la potencia entregada a point” del 50%, generándose una señal la lámpara y K es una constante. De de error (ED) que es la señal de control ésta manera se pretende mejorar el Figura 4- Diagrama en bloques de un balastro electrónico genérico. lazo de control mediante la introducción condensador. Los filtros de la de un estimador para el caso de la entrada se usan para atenuar las potencia entregada a la lámpara. interferencias electromagnéticas (EMI) y los armónicos generados Después de revisar los métodos por las etapas de alta frecuencia fundamentales para evitar la resonancia de acústica protege en operación en alta frecuencia, se considera importante los balastros. el También balastro contra posibles transitorios de la línea. plantear las características que debe cumplir un balastro genérico para la operación estable en alta frecuencia, cuyo diagrama en bloques se muestra • Rectificador AC-DC. Esta etapa se usa para obtener un nivel de tensión continua a partir de la en la figura 4. tensión Las etapas más comunes de alterna de la línea. los Normalmente se usa un puente balastros electrónicos son descritas a rectificador de onda completa continuación. seguido por un condensador de filtrado. • Sin embargo, este Filtros de entrada: Estos filtros rectificador proporciona factor de son los potencia de entrada bajo y la electrónicos regulación de tensión es pobre. obligatorios balastros comerciales. consisten inductores para Normalmente en uno acoplados o dos y un Para obtener potencia alto un y factor una de tensión continua a la salida regulada, resonante se utiliza para pueden usarse los convertidores encender la lámpara y limitar la conmutados. corriente en estado normal de trabajo. En estos casos, ningún • Convertidor DC-DC: La función circuito de arranque extra es de esta etapa es corregir el factor necesario. Sin embargo, al ser de potencia (CFP) hasta los utilizados de emulador mayor y se necesita un circuito de ignición adicional. electrónicos • comerciales, los cuales deben tener de tensión de ignición es mucho de resistencia. Es obligatoria en los balastros lámparas descarga de alta presión, la niveles normados, mediante la técnica en un factor de Circuitos de control y protección: Esta etapa incluye el oscilador potencia principal, amplificadores del error cercano a la unidad. para regular la corriente y la • Inversor DC-AC y potencia circuito El lámpara, sobretensión y sobrecorriente, control del tiempo para alimentar la lámpara a alta. la protección de resonante: Estas etapas se usan frecuencia de de encendido, inversor protección ante falla de lámpara, etc. Estos genera una forma de onda de circuitos pueden ser muy simples alta como los usados en los balastros frecuencia y el circuito resonante se usa para limitar la auto-oscilantes corriente a través de la descarga. complicados, Pueden algunos casos condensadores para realizar esta control a función, microcotroladores. usarse con inductores la ventaja y de tamaño y peso reducidos ya que operan a frecuencias elevadas. o los muy cuales en presentan un base de A partir de un análisis crítico de cada una de las topologías se realizó el diseño de un balastro electrónico para • Circuito de encendido: En la alimentar una lámpara HM de 150 W. mayoría Utilizando de los balastros el software Pspice se electrónicos, sobre todo para las realizaron simulaciones de cada una de lámparas de descarga a baja las presión, continuación. el propio circuito etapas que se muestran a Fig. 5. Esquema del circuito del balasto electrónico. resonancia acústica por cambios en la impedancia y su eliminación por corrimiento de frecuencias hacia zonas libres de resonancia acústica, se realiza el control de dicho balastro. Fig. 6 Formas de onda de tensión de arco y corriente y tensión de entrada del balastro. Analizando las formas de ondas mostradas se puede comprobar que el balastro diseñado cumple los requisitos Fig. 7Flujograma de programación de tensión de arco aplicada a la lámpara y presenta un buen comportamiento de corrección del factor Este de potencia. frecuencia de conmutación del inversor. software permite controlar la Adicionalmente mediante el empleo de un microcontrolador PIC programado de Inicialización del Sistema: cuando se acuerdo al flujograma de la fig. 7y energiza el reactor, el microcontrolador utilizando el método de detección de mantiene el sistema de potencia deshabilitado durante 15 seg. Durante que se presupone que la misma no esta este intervalo de tiempo son enviadas insertada en su receptáculo o esta señales para dañada. la excitación de los “gates” de los transistores del inversor. Este intervalo debe ser respetado para garantizar que todas las tensiones en los circuitos de comando y en el de potencia se estabilicen y así reducir la corriente de “inrush” en el rectificador de entrada. Terminado este intervalo de 15 seg el inversor inicia funcionamiento con frecuencia inferior nominal a la una su denominada frecuencia mínima (fmin), a fin de facilitar la ignición y disminuir el tiempo de Comprobación de Ignición: en esta etapa el microcontrolador mantiene el sistema habilitado con fmin durante 60 intervalo corriente de durante la el lámpara cual es la leída periódicamente con el fin de detectar la ignición de la misma. Si después de este tiempo la lámpara no entra en funcionamiento el sistema es deshabilitado por 60 seg pues este comportamiento puede estar relacionado con la alimentación de una lámpara caliente. Este vez que la ignición de la lámpara haya sido detectada el microcontrolador entra en la rutina de control de corriente. Como el sistema se inicializa con una frecuencia inferior a la nominal es necesario que se controle la corriente dentro de ciertos límites a través de la frecuencia de conmutación del inversor. Una vez alcanzado el valor correcto de corriente de la lámpara el programa pasa a la próxima subrutina. calentamiento de la lámpara. seg, Rutina de Control de Corriente: una proceso es repetido 5 veces con intervalos de 60 seg, si al término del quinto intento la lámpara no entra en funcionamiento el sistema se desactiva definitivamente, ya Rutina de Control de Potencia: con señales provenientes de sensores de corriente y de tensión de tipo efecto Hall, el microcontrolador actúa sobre la frecuencia de conmutación hasta estabilizar la potencia de la lámpara. Tal control se realizaría de manera lenta ya que la lámpara no cambia sus parámetros de forma abrupta. Una vez alcanzada la potencia nominal, el microcontrolador pasa a la próxima rutina. En caso de que se manifieste el fenómeno de la resonancia acústica durante este intervalo el reactor no intervendrá en el funcionamiento de forma correctiva. Este debe lograr que una vez cambiado el ciclo de trabajo para controlar la potencia no salga del tienen implícito diferentes estrategias MCD ya que de lo contrario no cumpliría para la detección y/o eliminación de la la CFP de forma natural [18]. resonancia acústica. Las estrategias presentadas fueron: inyección de una Rutina de Control de Resonancia frecuencia modulada, la limitación del Acústica: después de alcanzada la contenido de armónico y la operación potencia nominal, las señales de los en sensores de corriente y tensión son acústica. Estos métodos tienen en utilizados para calcular la impedancia común de la lámpara. Este valor es utilizado a determinadas magnitudes en el balastro través de algunas comparaciones para para garantizar la operación estable de detectar la ocurrencia de resonancia. Si esta fuese detectada, la frecuencia de conmutación del inversor es variada en ambas direcciones en búsqueda de una región libre de resonancia. Hasta tanto ventanas libres el de actuar y resonancia controlar la lámpara. Finalmente se utiliza el método de cambios en la impedancia para situar la operación de la lámpara en una zona libre de resonancia acústica. Dicho balastro fue diseñando mediante simulación. la impedancia no retorne a su valor correcto, la frecuencia del inversor se Referencias mantendrá variando en torno a la frecuencia nominal. Cada 60 seg el programa vuelve a la rutina de Control de Potencia para hacer los ajustes necesarios. Para microcontrolador evitar pueda que el detectar resonancia acústica de forma errónea se deberán mediciones efectuar distintas cerca en 14 intervalos regulares de 1 seg utilizándose una [1]. W. Yan, Y.K.E. Ho, and S.Y.R. Hui, “Investigation on Methods of Eliminating Acoustic Resonance in Small Wattage High-Intensity-Discharge (HID) Lamps” in Proc. IEEE Ind. Aplicat. Conf., 2000, pp. 3399-3406. [2]. 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