Aportaciones al modelado de lámparas fluorescentes para aplicaciones en alta frecuencia con regulación de flujo luminoso

Abstract

A pesar de la fuerte penetración en el mercado de las lámparas constituidas por diodos LED, los sistemas de iluminación conformados por lámparas fluorescentes siguen capitalizando la mayoría de las instalaciones para espacios interiores. La tendencia actual indica la necesidad de equipos más eficientes, flexibles y controlables. En un futuro próximo, es previsible que las lámparas fluorescentes de alta eficiencia sea la solución dominante debido, principalmente, a su relación calidad – precio. Se presenta por tanto, una oportunidad perfecta para invertir en nuevos desarrollos y técnicas de control en este campo. Desafortunadamente, la flexibilidad que un sistema de iluminación fluorescente debe aportar a una instalación es inviable con la técnica tradicional de balastos magnéticos, por lo que la utilización de balastos electrónicos se presume intensiva. Sin embargo, a no ser que los electrodos sean tratados convenientemente, el uso de este tipo de balastos no garantiza una mayor vida útil de las lámparas fluorescentes. Esto implica que el electrodo sea cuidado no solo en la fase de precalentamiento, sino también en la fase de régimen permanente, y muy especialmente cuando el sistema esté trabajando a una potencia menor que la potencia nominal. En el presente trabajo doctoral se pretende realizar algunas aportaciones al modelado de lámparas fluorescentes para aplicaciones en alta frecuencia con regulación del flujo luminoso. Se busca obtener nuevos modelos que realicen una caracterización más ajustada del comportamiento de las lámparas, teniendo en cuenta su nivel de potencia y la temperatura ambiente del entorno. De ésta forma, el trabajo presentado comienza con una descripción de las características básicas de las fuentes de producción de luz, su constitución física y los principios de funcionamiento de las lámparas más usuales. Asimismo, en el Capítulo 1, se describen las características eléctricas de las diferentes lámparas incidiendo en los aspectos que resultan más críticos para el diseño de los sistemas de alimentación. En el Capítulo 2 se realiza una profunda revisión del estado del arte en lo que respecta al modelado de las lámparas fluorescentes. El Capítulo se divide en dos partes bien diferenciadas: modelos de la descarga y modelos de los electrodos. En la primera parte se realiza un recorrido por los modelos estáticos, dinámicos de gran señal y dinámicos de pequeña señal. La segunda parte se centra en el comportamiento de los electrodos, analizando las diferentes fases por las que atraviesan desde la ignición hasta el régimen permanente. En éste apartado también se introduce la normativa existente. Normativa que regula el uso de las lámparas cuando estas trabajan en modo dimming y que establece la manera más idónea de incluir a los electrodos en el circuito equivalente de la lámpara. Finalmente se introduce el método de cálculo de las líneas SoS. En el Capítulo 3 se describe la caracterización en pequeña señal de lámparas fluorescentes cuando su potencia de salida está regulada. En primer lugar se detalla las configuraciones utilizadas para la caracterización, empezando por aquella que lo que pretende realmente es evitar que la presencia de los electrodos compense parcialmente la impedancia incremental negativa de la lámpara, para continuar con el análisis del circuito que incorpora el comportamiento de los electrodos, descripción del hardware y descripción del programa del control del proceso. En el Capítulo 4, inicialmente se realiza un repaso a los ensayos realizados, resaltando el tipo de lámpara, el tratamiento de los electrodos y las condiciones ambientales en las que se desarrollaron los mismos. En los apartados siguientes del capítulo se exponen las aportaciones que la presente tesis doctoral realiza al modelado de pequeña señal de lámparas fluorescentes. El Capítulo 5 se ha dedicado a la parte de aplicaciones desarrolladas. El capítulo comienza con las consideraciones de diseño para balastos resonante de alta frecuencia con la potencia de salida regulada y con una descripción detallada del método promediado generalizado para el análisis del comportamiento dinámico de inversores resonantes. Continúa con la realización de un ejemplo de aplicación de caracterización en pequeña señal de lámparas fluorescentes para diferentes niveles de potencia, prosigue con un análisis de estabilidad utilizando el modelo de pequeña señal doble polo – doble cero en un balasto resonante con la potencia de salida regulada y finaliza con un análisis del efecto de la temperatura ambiente en el rango de estabilidad. ABSTRACT: Despite the strong market penetration of LED based lighting systems, fluorescent fixtures still capitalize most of the existing indoor lighting installations nowadays. The current trend shows an increasing need of more efficient, flexible and controllable ballasts. In the near future, high efficiency lighting systems based on fluorescent lamps are likely to become a dominant solution due to its cost effectiveness. Therefore, there is a clear chance to develop new designs and control techniques in this field. Unfortunately, the flexibility required in current lighting systems is not feasible using traditional electromagnetic ballasts, thus the use of electronic ballasts will presumably become intensive. However, if lamp electrodes are not treated conveniently, the use of electronic ballasts does not ensure a longer lamp life. This fact implies not only the need to conveniently preheat the electrodes prior ignition, but also to maintain proper operating conditions during steady state, especially when lamp operates below its rated power level. The present doctoral work aims to make some contributions to the modeling of fluorescent lamps for high frequency dimming applications. It pursues to obtain new models that provide more accurate description of lamp behavior, also taking into account the power level and ambient temperature. Based on these premises, present document starts with a description of the basic characteristics of the most commonly used light sources, their physical implementation and their operational principles. Besides, in Chapter 1, the electrical characteristics of different lamps are described focusing in the most critical aspects for the design of the supply system. In Chapter 2, a deep revision is made regarding the state of the art in fluorescent lamp modelling. This chapter is divided in two different blocks: discharge models and electrode models. In first block, existing static models are revised, followed by the great and small signal dynamic models. The second block is focused on electrode behavior, analyzing the different working stages that take place between ignition and steady state operation. In this block, the existing regulations are also introduced. These regulations describe the optimum conditions to operate in dimming mode and define the best way to include the electrodes in the lamp equivalent circuit. Finally, the procedure to calculate the SoS limits is introduced. Chapter 3 describes the small signal characterization of fluorescent lamps with output power control. The two different circuit configurations that were used are described in detail. In first place, the circuit used to avoid the partial compensation of lamp’s negative impedance that occurs due to the series resistance of the electrodes is described. The second circuit used was designed to include and measure the effect of the electrodes together with the arc dynamic impedance. This chapter describes the hardware and the control program of both characterization circuits. In Chapter 4, a general review of the tests that were carried out is performed, highlighting the type of lamp, electrode heating procedure and the environmental conditions in which they were developed. The following sections of the chapter are dedicated to expose the contributions of this Thesis regarding the small signal modeling of fluorescent lamps. Chapter 5 describes the applications that were developed. Chapter starts explaining some general design considerations for high frequency resonant ballasts with output power control followed by a detailed description of the generalized averaging procedure used to analyze the dynamic characteristics of resonant inverters. This chapter continues with the completion of an application example of small-signal characterization of fluorescent lamps for different power levels, followed by a stability analysis using the small-signal double-pole double-zero model in a resonant ballast with regulated output power. Chapter 5 concludes with an explanation of the effect of ambient temperature on the stability range.