Dispositivo controlador del consumo de energia eléctrica para lámparas de descarga sin electrodos.

El dispositivo controlador del consumo de energía eléctrica para lámparas de descarga sin electrodos,

se caracteriza porque constituye un módulo independiente interconectado entre el balasto electrónico y dicha lámpara y comprende un controlador, varios interruptores y un transformador o autotransformador regulable.

La descripción de dichos componentes es la siguiente:

a) Unidad de control, la cual es un micro controlador programable, configurado para la coordinación de los componentes siguientes: sensor de tensión, sensor de corriente, fuente de alimentación estabilizada e interface con periféricos.

b) Varios interruptores que determinan la impedancia vista por el balasto electrónico según el borne seleccionado del transformador.

c) Un transformador, o autotransformador con relación de transformación variable.

d) Uno o más controles por cierre de contactos libres de tensión.

e) Un selector del modo de funcionamiento del dispositivo, mediante control por cabecera, cierre de contactos o controlado por un bus de comunicaciones cableado o por control remoto.

Se utiliza para controlar el flujo luminoso de una lámpara de descarga sin electrodos en una instalación de alumbrado público o privado y su consumo de energía eléctrica.

DISPOSITIVO CONTROLADOR DEL CONSUMO DE ENERGíA ELÉCTRICA PARA LÁMPARAS DE DESCARGA SIN ELECTRODOS

OBJETO

Este invento tiene como objeto un dispositivo controlador de consumo de energía eléctrica para lamparas de descarga sin electrodos equipadas con balasto electrónico, que a diferencia de los sistemas de cabecera de línea, forma parte del equipo que controla cada luminaria y se instala entre dicho balasto electrónico y la lámpara de descarga sin electrodos. Dispone de una serie de elementos de control y comunicaciones, y de un transformador o autotransformador que se conecta a la lámpara modificando la impedancia a diferentes niveles, lo que origina una variación de tensión de salida entre el balasto electrónico y dicha lámpara, y consecuentemente de la corriente que alimenta a las bobinas de la lámpara de descarga sin electrodos, causando a su vez la variación de su flujo luminoso y consumo energético.

La reducción del consumo de energía eléctrica en instalaciones de alumbrado público, se realiza con el objeto de optimizar su funcionamiento mediante la reducción del flujo luminoso en horas en que el tráfico rodado disminuye y, por lo tanto, resulta innecesario que dichas luminarias funcionen a plena potencia.

El sector industrial al que pertenece este invento, es el de material eléctrico I electrónico.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN

Actualmente en la mayoría de las instalaciones de alumbrado público, la reducción del consumo de energía eléctrica se realiza de forma selectiva desconectando determinadas luminarias por ejemplo al tresbolillo, o bien,

desconectando selectivamente o totalmente la instalación de calles o zonas de escaso uso nocturno como plazas y jardines, etc. Para desconectar de forma selectiva determinadas luminarias de una instalación de alumbrado público, se requiere de una instalación relativamente compleja con dobles o triples circuitos accionados por contactares, interruptor horario, interruptor crepuscular, etc. Otro tipo de control de alumbrado, consiste en la instalación en cabecera de sistemas que reducen la tensión de alimentación de las luminarias y consecuentemente del flujo luminoso. Las lámparas de descarga sin electrodos con balasto electrónico no pueden ser reguladas con este sistema.

El control del consumo eléctrico y por tanto, del flujo luminoso de las lámparas de descarga sin electrodos, objeto de este invento, es individual, es decir instalado en cada luminaria, entre el balasto electrónico y la lámpara de descarga sin electrodos, el cual está equipado con dispositivos de comunicaciones que permiten el control centralizado de la instalación de alumbrado público o privado, siendo compatible y controlado mediante los sistemas anteriormente mencionados.

El principio de funcionamiento de las lámparas de descarga magnética sin electrodos, fue descubierto por Tesla en el año 1890, y desarrolló una patente sobre el tema, la cual le fue concedida en Estados Unidos con el número 454622.

Si bien los conocimientos de las lámparas de inducción sin electrodos y su funcionamiento, se habían desarrollado desde hacía más de cien años, no fueron introducidas comercialment49 hasta hace unas pocas décadas, hasta que en el año 1994 la empresa General Electric presentó una lámpara sin electrodos, denominada GENURA, que disponía de un balasto integrado.

Dicha lámpara funcionaba a una frecuencia de 2, 65 MHz. En el año 1996, la empresa Osram comenzó a com?!rcializar una lámpara similar denominada ENDURA, la cual funcionaba a 2 (;0 kHz, es decir a una frecuencia mucho menor, con la ventaja de una considerable disminución de interferencias en

las líneas eléctricas y de telecomunicaciones, siendo este tipo de lámparas de

descarga sin electrodos las que se utilizan generalmente en la actualidad.

Actualmente debido al desarrollo de los balastos electrónicos, el sector está

tomando un gran impulso, en particular el del alumbrado público y privado.

S Los balastos electrónicos actuales funcionan en alta frecuen cia (alrededor de

250 kHz) y disponen de un circuito corrector de factor de potencia (PFC) que

disminuye la distorsión armónica total de la corriente (THD) .

Los balastos electrónicos no regulables mantienen una potencia constante en

10 la lámpara de descarga sin electrodos, aun en el caso de que la tensión de la

línea varíe entre 85V y 265V. Si la corriente consumida por la lámpara de

descarga sin electrodos disminuye o aumenta respecto de unos niveles

comprendidos dentro del rango preestablecido por el fabricante del balasto

electrónico, éste la desconecta.

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En resumen:

a) Tienen solo dos estados de funcionamiento, lámpara de descarga sin

electrodos encendida o lámpara de descarga sin electrodos apagada.

b) Mantiene la potencia constante en la lámpara de descarga sin electrodos

20 aunque varíe la tensión de la línea, incrementándose la corriente de entrada

del balasto electrónico.

c) Si la corriente de la lámpara de descarga sin electrodos es cero o

excesiva, el balasto electrónico se desconecta preventivamente.

d) Compensa cambios en la I<:impara de descarga sin electrodos fría ,

25 gastada, etc., dentro de unos márgenes.

DESCRIPCiÓN DEL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO: Los sistemas de

iluminación por inducción electromagnética Sin electrodos, constan

básicamente de dos componentes:

30 -Un balasto electrónico.

- Una lámpara de descarga sin electrodos, equipada con dos bobinas de

inducción con núcleo de ferrita .

El balasto electrónico, tiene una primera etapa de filtrado para reducir los armónicos de la fuente de ener!Jia (230VAC -50Hz) . A continuación, la tensión alterna de entrada es rectificada para transformarla en tensión continua. Luego mediante un inversor, se transforma nuevamente. en tensión alterna con una frecuencia de al'rededor de 250 kHz. La salida de dicho inversor está conectada a una lámpara de descarga sin electrodos equipada con dos bobinas con núcleo de ferrita, conectadas en paralelo, cuya corriente genera un fuerte campo magnético oscilante. Dicho campo magnético, induce una corriente en el plasma del tubo de vidrio que constituye la lámpara de descarga sin electrodos, la cual es convertida en radiación ultravioleta, que al incidir sobre las paredes del tubo recubiertas de fósforo, se transforma en luz visible. El sistema puede ser considerado como una especie de transformador, donde el inductor es la bobina primaria mientras que los átomos de mercurio dentro del tubo forman una especie de espira de la bobina secundaria, por lo tanto la corriente eléctrica del primario genera un campo electromagnético que induce en el secundario una corriente eléctrica que excita a los átomos dl~ mercurio. Otra función del balasto electrónico, es la de generar un pico de tensión para producir el encendido de la lámpara de descarga sin electrodos.

Cronológicamente los sistemas de regulación de flujo luminoso estaban basados en el control de la tensión en cabecera de línea. Es decir, a mayor nivel de tensión mayor iluminación y mayor consumo eléctrico o viceversa, sin poder superar un máximo de tensión en la red eléctrica permitidos por normativa. Este sistema permitia regular lámparas de sodio, fluorescentes, incandescentes, etc. Para solucionar el problema de la variación de tensión de la red (típicamente entre 85V y 265V) se variaban los ciclos de trabajo, posteriormente se introdujeron los circuitos de control del factor de potencia -PFC- (el PFC es deseable ya que permiten mantener una tensión de salida constante independientemente de la variación de la tensión de entrada, además disminuye la distorsión armónica total en la corriente de línea, disminuye el nivel de potencia reactiva, permitiendo una mejora en la durabilidad de los equipos) . Esto condujo a que los sistemas tradicionales de regulación de luminosidad mediante control de cabecera dejaran de funcionar

en las lámparas que utilizaban estos circuitos.

En la actualidad todos los sistemas de iluminación de lámparas de descarga magnéticas sin electrodos utilizan balastos electrónicos con sistemas PFC incorporados, no permitiendo una. regulación de luz tradicional y existente todavía en el mercado. El objeto de la invención permite utilizar estos sistemas sin modificarlos, consiguiendo una regulación del consumo eléctrico y luminosidad de la lámpara de descarga sin electrodos.

Típicamente los balastos electróniGos controlan la tensión de entrada con un sistema PFC y controlan la corriente en la carga , de este modo se mantiene constante el nivel de potencia sobre la lámpara de descarga sin electrodos y por tanto,...

5 10 1S 1Dispositivo controlador de consumo de energía eléctrica para lámparas de descarga sin electrodos, que regula individualmente cada luminaria; instalado entre el balasto electrónico y dicha lámpara; equipado con dispositivos para el control cen'lralizado de la instalación de alumbrado, caracterizado porque, está constituido por una serie de componentes principales y otros adicionall~s cuya descripción, configuración y características técnicas son las si~, u¡entes: a) Un controlador (1) , qU13 comprende una unidad de control (2) , el cual es un micro controlador pro9ramable, configurado para la coordinación de los componentes siguientes: sensor de corriente (4) , fuente de alimentación estabilizada (5) e interface con periféricos (6) , que es un conector con el módulo de comunicaciones externas (11) cableado o por control remoto.

20 b) Cuatro relés (7) , que determinan las tensiones de salida del transformador (8) que se corr13sponden con los diferentes niveles de funcionamiento del dispositivo por ejemplo: 110%, 100%, 80%, 60% de la potencia nominal de la lámpara de descarga sin electrodos.

25 c) Un transformador (8) con relación de transformación variable en el bobinado primario o secundario, con al menos cuatro bornes de conexión. Como variante se puede utilizar un autotransformador.

d) Uno o varios conectores de entrada (14) mediante contactos libres de tensión.

30 e) Un selector de nivel de funcionamiento del dispositivo (15) , desde el cuadro de control de la instalación de alumbrado, controlado por un bus de comunicaciones cableado o por control remoto.

2. Dispositivo controlador de consumo de energía eléctrica para lámparas de descarga sin electrodos, según reivindicación primera, caracterizado porque, en cualq uier nivel de funcionamiento determinado por

alguno de los relés (7) en posición cerrado, el factor de potencia del conjunto (balasto electrónico, dispositivo controlador, lámpara de descarga sin electrodos) se mantiene entre el valor original y 1.

3. Dispositivo controlador de consumo de energía eléctrica para lámparas de descarga sin electrodos, según reivindicación primera, caracterizado porque, al elevar la impedancia vista por el balasto electrónico mediante el terminal elevador (8.2) del transformador (8) , aumenta la corriente que circula por el balasto electrónico sin necesidad de elevar la tensión de la red , lo que ocasiona un funcionamiento de la lámpara por encima de su potencia nominal.

4. Dispositivo controlador de consumo de energía eléctrica para lámparas de descarga sin electrodos, según reivindicación primera, caracterizado porque, en sistemas de control de control de cabecera con autocalibración: a) La linea de entrada (1:2) que alimenta al balasto electrónico (10) , está conectada también a la entrada del sensor de tensión (3) . b) La salida de este sensor de tensión (3) se conecta a través de un circuito acondicionador de señal a la unidad de control (2) .

5. Dispositivo controlador de consumo de energia eléctríca para lámparas de descarga sin electrodos, según reivindicación primera, caracterizado porque, en sistemas de control punto a punto por cierre de

contactos:

a) Los contactos libres de tensión del relé externo (17) se conectan al conector de entrada (14) . b) Este conector de entrada (14) se conecta a través de un circuito acondicionador de señal a la unid;3d de control (2) .

6. Dispositivo controlador de consumo de energía eléctrica para lámparas de descarga sin electrodos, según reivindicación primera,

caracterizado porque, según la realización preferente, constituye un módulo totalmente independiente interconectado entre el balasto electrónico y dicha

lámpara, sin modificación alguna del sistema convencional.

7. Dispositivo controlador de consumo de energía eléctrica para lámparas de descarga sin electrodos, según reivindicación primera, caracterizado porque, como segunda realización se pueden incorporar el

transformador (8) , los relés (7) y el sensor de corriente (4) en un balasto

electrónico convencional.