Esta invención se refiere a un dispositivo ahorrador de energía que alimenta a las 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 de 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, así como un sistema de detección de consumo para mantener estable la potencia de salida y con esto mantener el consumo de potencia en un valor constante

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 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 combustible fósiles y menos contaminación. Una de las fuentes mas 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 le añade un control de intensidad luminosa que disminuya el consumo de energía conforme se acerca el nuevo día, el resultado es un ahorro de energía muy importante con respecto a un sistema convencional utilizando lámparas de vapor de mercurio y con balastro electromagnético.

Algunos dispositivos ahorradores de energía emplean un microcontrolador para el control de los elementos de 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 el balastro.

Otra condición de riesgo de los dispositivos ahorradores de energía 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 critico, la corriente demandada por el corrector del factor de 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 el balastro electrónico ante condiciones de bajo voltaje de alimentación.

En la patente de los Estados Unidos Número 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 número 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 número 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 de 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; tampoco incluye protección contra ausencia de la lámpara ni protección del convertidor elevador contra alimentación desde fuentes de corriente alterna (CA) de bajo voltaje.

La patente de los Estados Unidos número 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.

Objetos de la invención

A diferencia de las patentes descritas, un primer objetivo de la invención es proporcionar un dispositivo que permita el ahorro de energía eléctrica en sistemas de alumbrado público con base en las siguientes acciones:

Un segundo objetivo es el proveer al dispositivo ahorrador de energía de la presente invención de un microcontrolador 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:

1. Dispositivo ahorrador de energía 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 resonante (3), que regule las variaciones del voltaje de alimentación y que presenta un factor de potencia a la red eléctrica mayor o igual al 98 por ciento, el inversor resonante (3) cuenta 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 el tanque resonante formado por un inductor (23), y dos capacitores (22) y (24); 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 del dispositivo ahorrador de energía (1), un circuito impulsor (7) el cual comprende un circuito integrado que recibe la señal de control enviada por el microcontrolador (6), y la acondiciona a un nivel de voltaje apropiado para el encendido y apagado de los interruptores (17) y (18), que incluye el inversor resonante (3), caracterizado porque el convertidor corrector del factor de potencia (2), incluye un circuito integrado corrector del factor de potencia (10), y el inversor resonante (3), tiene un amplificador de clase (D) y un tanque resonante LCC, además de un circuito que alimenta a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) y aplica a dicha lámpara (4), una vez que dicha lámpara (4) encendió una señal cuya frecuencia es siempre menor que la frecuencia de resonancia del tanque resonante formado por el capacitor (22), el inductor (23) y el capacitor (24) con la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), asimismo incluye un circuito para la protección contra bajo voltaje (9) de la tensión de entrada, que es el que detecta el voltaje de línea rectificado (13), por medio de un divisor resistivo formado por las resistencias (40) (41), y en el que el voltaje en las terminales de la resistencia (41) es filtrado y convertido a un nivel de corriente directa por medio de un capacitor (45) y que esta diseñado para que cuando el voltaje de alimentación de corriente alterna varia cierto porcentaje fuera del valor nominal tanto en alto como bajo voltaje el valor es detectado por el microcontrolador (6) y este apaga el inversor resonante (3) que a la vez apaga la lámpara (4), evitando algún daño al dispositivo ahorrador de energía (1) en alguna de sus partes, restableciendo la operación normal de encendido y trabajo una vez que el voltaje se encuentra en los rangos de operación.

2. Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 1 caracterizado además porque el inversor resonante (3), modula la frecuencia nominal de operación incrementándola desde un 90 hasta un 93 por ciento de la frecuencia nominal de operación desde 107 a 110 por ciento de dicha frecuencia nominal.

3. Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 1 caracterizado además porque el inversor resonante (3), reduce la frecuencia nominal de operación desde 107 a 110 por ciento hasta 90 al 93 por ciento de la frecuencia nominal de operación.

4. Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 1 caracterizado además porque los saltos de frecuencia para el barrido en el inversor resonante (3) que alimenta la lámpara (4), es de 200 HZ a 300 HZ.

5. Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público de acuerdo con la cláusula 1 caracterizado además porque el convertidor corrector del factor de potencia (2), opera en la frontera entre modo de conducción continuo y discontinuo.

6. Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 1 caracterizado además el inversor resonante (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 resonante (3).

7. Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 1 caracterizado además porque el inversor resonante (3), incluye un tanque que comprende un capacitor (22), un inductor (23) y un capacitor (24), diseñados para que entreguen la mínima potencia suficiente para encender la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4).

8. Dispositivo ahorrador de energía para sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 1 caracterizado además porque comprende un circuito para la detección del encendido (5), de la lámpara de vapor de sodio de alta eficiencia (4), y dicho circuito detecta la corriente a través de la lámpara de sodio de alta eficiencia (4), por medio de un transformador de corriente de voltaje (25), en el cual el voltaje alterno en las terminales del secundario es rectificado por un diodo (26), la corriente proporcionada por dicho voltaje rectificado es limitada por la resistencia (31), e inyectada a la base del transistor PNP (27), el cual al saturarse se comporta como un interruptor cerrado que aplica un uno lógico en la terminal (30), del microcontrolador (6), y en el cual el diodo (28), cortocircuita el secundario del transformador (25) y en el que una resistencia (31), actúa para limitar la corriente de base en el transistor (27), en dicho circuito la resistencia (32), actúa como sujeción de la terminal (29), a la base del transistor (27) para evitar que quede flotada cuando no exista corriente en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4) y el capacitor (33), almacena parte de la energía pulsante entregada por el transformador (25) manteniendo saturado el transistor (27) de manera continua mientras exista corriente en la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia(4), además el microcontrolador (6), para el dispositivo ahorrador de energía esta formado por ocho terminales la terminal (29), que alimenta al circuito, la terminal (34), que detecta el voltaje línea para apagar en alto o bajo voltaje (9), el cual viene de un divisor de voltaje formado por unas resistencias (40) y (41), las terminales (35), (36), (30), (37), (38), las cuales son cinco puertos de entrada y salida y la terminal (16), que es la conexión a tierra del microcontrolador (6).

9. Método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público que comprende las siguientes etapas a) elegir entre tres modos de operación de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia(4), cada modo de operación aplica a un dispositivo diferente caracterizadas porque en el caso 1 figura (9), la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), se encuentra operando a una potencia nominal (65), durante un número predeterminado de horas T1 (50), y reduciendo la potencia entregada a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), a un porcentaje medio (%PN) de su valor nominal, una vez transcurrido este tiempo T1 (50), y posteriormente una vez transcurrido el tiempo T2 (51), se regresa a su potencia nominal (65), de la lámpara de vapor de alta eficacia (4), concluyendo con un apagado automático cuando se llega al tiempo total, el caso 2 figura (10) consiste en la operación de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), a una potencia nominal de operación (67), durante un número predeterminado de horas T1 (55), y reduciendo la potencia entregada a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), a un porcentaje medio (%PN), de su valor nominal una vez transcurrido el tiempo T2 (56), volviendo a reducir la potencia entregada a la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), a un porcentaje bajo (%PN) (59), de su valor nominal una vez transcurrido este tiempo T3 (57), regresar a su potencia media (%PN) (61), de la lámpara, y una vez transcurrido este tiempo T4 (62), regresar a su potencia nominal (67), de la lámpara, concluyendo con un apagado automático cuando se llega al tiempo total; donde además el método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público en el caso tres figura (11), comprende la operación de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), a su potencia nominal (64), durante todo el tiempo de operación (63); consistiendo en : a) el 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), b) 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), c) mantener el consumo constante de la potencia, mediante un sistema de retroalimentación de muestreo de consumo de lazo cerrado al microcontrolador (6), el cual regulara la potencia de salida.

10. El método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 9 caracterizado además porque 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 a 93 por ciento de la frecuencia nominal de operación hasta el 107 a 110 por ciento de la frecuencia nominal de operación y posteriormente un barrido decremental desde el 107 a 110 por ciento de la frecuencia nominal hasta el 90 a 93 por ciento de la frecuencia nominal de operación en pasos máximos del 1 por ciento de la frecuencia nominal; los escalones de frecuencia que se aplican a estos barridos incremental y decremental es de 200 HZ a 300 HZ.

11. Método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 9 caracterizado porque comprende la etapa de intento de encendido o re-encendido 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 impulsos, cada una de las cuales consiste en la aplicación de la etapa de encendido durante ocho o más veces seguidas, el espaciamiento entre cada impulso deberá ser de 5 segundos o más.

12. Método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 11 caracterizado además porque comprende la etapa de desactivación definitiva del inversor (3), si al terminar la etapa de intento de encendido o re-encendido la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), no enciende.

13. El método para ahorro de energía en sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 9 caracterizado además por la etapa de apagado de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia lumínica (4), una vez transcurrido el tiempo total o menor de 24 horas.

14. El método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 9 caracterizado además por la etapa de encendido de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia lumínica (4), una vez transcurridas las 24 horas.

15. Método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 9, caracterizado además porque la etapa de encendido de la lámpara de vapor de sodio de alta eficacia (4), comprende realizar un barrido de frecuencias desde el 95 por ciento de la frecuencia resonante en vacío del tanque resonante formado por el capacitor (22), el inductor (23) y el capacitor (24), hasta el 105 por ciento de esta frecuencia resonante.

16. El método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público de conformidad con la cláusula 9 caracterizado además porque 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.

17. Método para el ahorro de energía en sistemas de alumbrado público de acuerdo con la cláusula 9 caracterizado además porque la etapa de modulación de la frecuencia comprende un valor de índice de modulación de la señal modulante entre 5 y 50.