Sistema de regulación continua de alumbrado.

Dispositivo de alto rendimiento para control continuo de iluminación,

adecuado para regular diversos tipos de lámparas. Se basa en la utilización de un inversor con modulación PWM que genera una tensión que se inserta en serie con la línea manteniendo el factor de potencia visto desde la red en la unidad. Tiene funcionalidades adicionales como servir de balasto y realizar la ignición de la lámpara

Sistema de regulación continua de alumbrado.

Sector técnico

La presente invención se engloba en el sector de la regulación de la iluminación con alto rendimiento, y más particularmente aplicable a la regulación del alumbrado público.

Antecedentes de la invención

Actualmente el consumo debido al alumbrado público supone un porcentaje muy elevado respecto del total de energía eléctrica en los municipios, lo que ha llevado a la búsqueda de nuevos sistemas que permitan un empleo más eficiente de los sistemas de iluminación. Una opción muy empleada consiste en reducir el nivel de iluminación del alumbrado público a partir de una determinada hora.

Por tanto, los reguladores de iluminación para alumbrado público deben presentar un elevado rendimiento para que sus propias pérdidas no anulen el ahorro energético que se busca al reducir el nivel de iluminación del alumbrado. Para ello deben darse varias condiciones, entre las cuales se encuentran:

a) Resulta deseable que el regulador permita regulación continua, no sólo a saltos discretos, para optimizar la utilización de la energía.

b) El sistema de regulación debe presentar un elevado rendimiento y para ello debe reducir las pérdidas propias. Por tanto debe emplear el menor número posible de etapas de conversión y las tensiones y corrientes empleadas deben ser de valores lo más bajos posible.

Por otro lado, los convertidores electrónicos c.c./c.a. controlados por microprocesador (también llamados inversores) con modulación de ancho de pulso (PWM) presentan una gran facilidad para sintetizar la forma de onda senoidal controlando de forma continua su amplitud, frecuencia y fase. Sin embargo actualmente no se emplean en regulación de iluminación para alumbrado ya que implican rectificar la tensión de la red (etapa c.a./c.c.) para, a continuación, generar la tensión alterna controlada ya con el inversor (etapa c.c./c.a.), Figura 1. Cuando se emplea esta disposición toda la potencia de la carga pasa a través del inversor lo que lo encarece y reduce su rendimiento debido a las grandes pérdidas que origina.

Debido a ello se considera que el rendimiento es bajo debido se considera que las pérdidas originadas al emplear dos etapas de conversión de potencia reducen mucho el rendimiento ya que ambos convertidores deben manejar toda la potencia que se envía a las lámparas y esto hace que presenten apreciables pérdidas por conmutación y por conducción. Además los rectificadores son una importante fuente de distorsión para la red debido a la forma de onda de la corriente que absorben lo que hace necesario conectar filtros.

En su lugar actualmente se emplean transformadores con tomas (regulación discreta) que mediante interruptores mecánicos o interruptores electrónicos, Figura 2, regula la tensión obtenida en el secundario del transformador. Cada toma se selecciona con relés mecánicos ó interruptores electrónicos. Su principal inconveniente radica en que tanto el transformador como los interruptores manejan la potencia total de la lámpara, lo que origina fuertes pérdidas y reduce el rendimiento.

En la Figura 3 se muestra un sistema con dos transformadores. Uno de ellos, en serie con la línea extrae potencia activa insertando una tensión en fase con la corriente. Otro transformador devuelve a la red esa misma potencia ya que en aplicaciones de iluminación no tiene sentido almacenarla o disiparla. Por la propia naturaleza de los transformadores la tensión insertada formará 180º respecto de la línea de forma que la tensión en la lámpara se reduce cuanto mayor sea el nivel de tensión introducido en serie con la línea. La ventaja de esta disposición es que la potencia activa manejada por los transformadores es sólo una fracción de la potencia de la lámpara siempre que no se llegue al apagado de la misma. Sin embargo, su principal problema es que utiliza dos transformadores, lo que reduce relativamente el rendimiento y resulta un equipo pesado, caro y de grandes dimensiones. Además el tipo de regulación es discontinuo, contando únicamente con número discreto de tensiones de salida posibles.

También se emplean "balastos electrónicos", Figura 4, pero su rendimiento no es muy elevado porque emplean dos etapas de conversión de energía (ca/cc y cc/ca). Además necesitan complejos sistemas de filtrado pasivo de la corriente que absorben de la línea para no distorsionar la red.

Sin embargo, la presente invención realiza una regulación continua (no discreta) utilizando un inversor con modulación PWM en el que, para optimizar el rendimiento, se utiliza un nivel de tensión de salida reducido, no se maneja la potencia total de la lámpara y ni siquiera se controla potencia activa sino que la regulación se efectúa controlando potencia reactiva. Además el factor de potencia del conjunto regulador-lámpara visto desde la red es de la unidad. Este regulador puede realizar adicionalmente la función de sustituir total o parcialmente el balasto que acompaña a las lámparas y de realizar la ignición inicial de las lámparas de descarga.

Por otro lado el documento de patente WO96/24186 describe un regulador serie para líneas de transmisión de alta tensión que utiliza un rectificador controlado y un inversor para generar una tensión que se inserta,en serie con la línea mediante un transformador. Este sistema es capaz de absorber o ceder potencia reactiva pero emplea un convertidor electrónico y un transformador más que el sistema de la invención. Además, al realizar la regulación con un único inversor, el factor de potencia visto desde la red no es la unidad y es variable con el nivel de tensión generado. Por otro lado, el condensador se carga desde el transformador en paralelo y el rectificador, mientras que en la invención se realiza a través del transformador en serie y una resistencia.

En la patente se menciona la compensación del efecto inductivo de una línea de transmisión mediante la inserción de una tensión en serie a -90º con la corriente para generar un efecto capacitivo para aumentar la capacidad de transmisión de la línea. Sin embargo no menciona que este valor de la tensión se reajuste en función de la corriente para obtener la emulación de una impedancia a un valor constante en Ohmios y poder obtener así el efecto de autorregulación necesario en el caso de las lámparas. Tampoco busca que el factor de potencia visto desde la red sea la unidad ya que sólo compensa la reactancia de las líneas y no de la carga.

La patente US5329222 describe un restaurador de tensión para líneas de transmisión de alta tensión diseñado para compensación de huecos de tensión. Este sistema se ha patentado para proporcionar exclusivamente potencia activa a la línea al contrario que el sistema de la invención, que utiliza exclusivamente potencia reactiva. Además no puede utilizase en control de iluminación porque para reducir el nivel de iluminación tendría que absorber potencia activa lo que no es posible en régimen permanente porque que no tiene mecanismos de disipación o de devolución de la potencia captada hacia la red.

La patente US6144191 describe un regulador de tensión que emplea un inversor con modulación PWM y un transformador conectado en serie con la carga. También utiliza un rectificador y, opcionalmente, un sistema de almacenamiento de energía, sistemas que no son necesarios en el sistema de la invención ya que éste no intercambia con las lámparas potencia activa. Además, si se emplea para generar potencia reactiva, el factor de potencia visto desde la red no es la unidad y es variable. En el caso en el que realice la regulación absorbiendo potencia activa se mantendría el factor de potencia en la unidad pero necesitaría un segundo convertidor para devolver esta potencia a la red, lo que reduce el rendimiento y lo encarece respecto del sistema de la invención. Por otro lado, el condensador se carga desde el rectificador o el sistema de almacenamiento, mientras que en la invención se realiza a través del transformador en serie y una resistencia.

En ninguno de estos documentos de patente estudiadas se tiene en cuenta el mantener el factor de potencia visto desde la red en la unidad y sin embargo esta es una característica muy importante en las aplicaciones de ilumina-ción.

Por otro lado, el proceso de encendido de algunos tipos de lámpara de descarga necesita aplicar transitoriamente a la misma una tensión varias veces superior a su valor nominal (pico de 400-600V para lámparas de 230V nominales) para lograr la ignición de la misma. Normalmente se recurre...

1. Sistema de regulación continua de alumbrado, comprendiendo dicho alumbrado una pluralidad de lámparas (1) conectadas a la red eléctrica (2), caracterizado porque el sistema (3) comprende:

- un regulador inductivo (4) configurado para ser conectado en serie con una lámpara (1) del alumbrado y para generar una tensión en serie de módulo U_x regulable y con ángulo de fase respecto de la corriente que atraviesa dicha lámpara (1) de sustancialmente +90º;

- un regulador capacitivo (5) configurado para ser conectado en serie con una lámpara (1), diferente de la anterior, del alumbrado y para generar una tensión en serie de módulo U_x regulable y sustancialmente idéntico al módulo de la tensión generada por el regulador inductivo (4), y con ángulo de fase respecto de la corriente que atraviesa dicha lámpara (1) de sustancialmente -90º.

2. Sistema de regulación continua de alumbrado según la reivindicación 1, caracterizado porque el regulador inductivo (4) y el regulador capacitivo (5) comprenden, cada uno de ellos:

- un inversor (7) que comprende transistores de potencia (21) controlados con modulación de ancho de pulso, configurado para ser conectado en serie con la correspondiente lámpara (1) a través de un transformador (8);

- un sistema de control (9) configurado para medir la corriente i(t) que atraviesa la correspondiente lámpara (1) y, en función de ella y el nivel de iluminación establecido, generar las señales PWM de control S_CONTROL para aplicar a los transistores de potencia (21) del inversor (7);

- al menos un condensador (11) en el bus de c.c. del inversor (7).

3. Sistema de regulación continua de alumbrado según la reivindicación 2, caracterizado porque el regulador inductivo (4) y el regulador capacitivo (5) comprenden, cada uno de ellos, una inductancia de filtrado (10) situada entre el inversor (7) y el transformador (8).

4. Sistema de regulación continua de alumbrado según cualquiera de las reivindicaciones 2-3, caracterizado porque el sistema de control (9) comprende un bloque de control (19) que dispone de:

- medios de sincronización (13) configurados para, a partir de la corriente i(t) medida, generar periódicamente una señal V_gen con un ángulo de fase respecto de dicha corriente i(t) de +90º, en caso de que el regulador sea inductivo (4), o de -90º, en caso de que el regulador sea capacitivo (5);

- medios de medición de tensión (14) configurados para obtener periódicamente una medida de la tensión U_cc del bus de c.c. del inversor (7), tensión Ucc_med;

- un regulador proporcional-integral (12) encargado de reajustar, en función de la tensión Ucc_med y un valor de referencia de la tensión U_cc (Ucc_REF), el ángulo de la señal generada varphi_gen para mantener constante la tensión U_cc del bus de c.c. del inversor (7), y obtener así un ángulo reajustado varphi_aj;

- medios de cálculo del seno (17) configurados para calcular la función seno del ángulo varphi_aj, y obtener así una señal S_seno;

- un bloque multiplicador (18) configurado para multiplicar la señal S_seno por una tensión de consigna del nivel de iluminación V_REF, y obtener así una señal moduladora S_MODULADORA.

5. Sistema de regulación continua de alumbrado según la reivindicación 4, caracterizado porque el sistema de control (9) comprende un generador de señales PWM (22) configurado para generar, a partir de la señal moduladora S_MODULADORA, las señales PWM de control S_CONTROL para aplicar a los transistores de potencia (21) del inversor (7).

6. Sistema de regulación continua de alumbrado según cualquiera de las reivindicaciones 4-5, caracterizado porque el sistema de control (9) comprende:

- medios de medición de la corriente (29) configurados para calcular periódicamente el valor eficaz I_ef de la corriente i(t) que atraviesa la correspondiente lámpara (1);

- medios de comparación (30) configurados para comparar dicho valor eficaz I_ef con la intensidad de consigna del nivel de iluminación I_REF y obtener la señal diferencia;

- un regulador proporcional-integral (28) configurado para generar, a partir de dicha señal diferencia, la tensión de consigna del nivel de iluminación V_REF.

7. Sistema de regulación continua de alumbrado según cualquiera de las reivindicaciones 2-6, caracterizado porque el regulador inductivo (4) y el regulador capacitivo (5) comprenden, cada uno de ellos, un sistema de carga del al menos un condensador (11) del inversor (7).

8. Sistema de regulación continua de alumbrado según la reivindicación 7, caracterizado porque el sistema de carga comprende un primer contacto (K1) configurado para:

- conectar, durante la carga, la lámpara (1) al neutro de la red;

- desconectar la lámpara (1) al neutro de la red una vez finalizada la carga.

9. Sistema de regulación continua de alumbrado según la reivindicación 8, caracterizado porque el sistema de carga comprende un segundo contacto (K2) configurado para:

- conectar, durante la carga, una resistencia de carga (25) al bobinado (8'') del transformador en el lado del inversor (7);

- desconectar, una vez finalizada la carga, la resistencia de carga (25) al bobinado (8'') del transformador en el lado del inversor (7).

10. Sistema de regulación continua de alumbrado según la reivindicación 9 cuando depende de la 3, caracterizado porque el sistema de carga comprende un tercer contacto (K3) configurado para:

- desconectar, durante la carga, la inductancia de filtrado (10);

- conectar, una vez finalizada la carga, la inductancia de filtrado (10) al bobinado (8'') del transformador en el lado del inversor.

11. Sistema de regulación continua de alumbrado según cualquiera de las reivindicaciones 7-10, caracterizado porque el bobinado (8'') del transformador en el lado del inversor (7) dispone de una toma media; y porque el sistema de carga comprende un conmutador (27) configurado para:

- conectar, durante la carga, el inversor (7) al bobinado completo del transformador en el lado del inversor (7);

- conectar, una vez finalizada la carga, el inversor (7) a la mitad del bobinado (8'') del transformador en el lado del inversor (7).