Diseño de técnicas de control para corrección del factor de potencia en lámparas ﬂuorescentes compactas y lámparas de LEDs (2012)
Este documento presenta el diseño de tres novedosas técnicas de control, destinadas a mejorar el PF (Factor de Potencia del inglés Power Factor) en lámparas de ﬂuorescencia compactas(LFCs) y lámparas de LEDs. Una de las técnicas de control está diseñado para una lámpara ﬂuorescente compacta, y los otras dos están diseñadas para lámparas de LEDs. Para cada diseño se presentan resultados teóricos, de simulación y experimentales. La primera de ellas está orientada al diseño de una técnica de control para corrección del factor de potencia, basada en banda de histéresis adaptativa aplicada al convertidor boost. La banda de histéresis se adapta dependiendo del valor de la corriente que demanda la carga conectada a la salida de convertidor. Con la implementación del control se logra que la corriente de entrada permanezca en fase y tenga la forma del voltaje de alimentación sumistrado por la red eléctrica. Con el ﬁn de llevar el control diseñado a una aplicación experimental, se analizó la composición y el funcionamiento del balastro electrónico de una lámpara ﬂuorescente compacta comercial de 15 W, en especial el problema de distorsión de corriente de entrada demandada de la red eléctrica. Una vez se tuvo caracterizada la lámpara, se diseñó el control para el convertidor boost, de tal forma que se acople la red eléctrica con el balastro de la lámpara y se corrija el factor de potencia del sistema de iluminación, obteniendo como resultado un aumento en el factor de potencia de 0.64 a 0.98 con un consumo total de 18 W. Se hicieron pruebas para determinar la duración de una lámpara comercial con respecto a una lámpara con el control diseñado, las cuales fueron sometidas a una serie de encendidos y apagados. Se obtuvo que el tiempo de vida de la lámpara con el control era 70 % mayor que la de una lámpara comercial. La segunda y tercera técnicas de control están diseñadas para lámparas de LEDs. Las lámparas de LEDs en su interior tienen un driver para su funcionamiento, el cual genera distorsión en la señal de corriente de entrada, básicamente del mismo tipo que las LFCs comerciales. Para remediar esto, dos nuevos drivers fueron diseñados, uno para lámparas de LEDs tipo bombillo y otro para lámparas de LEDs tipo de barra. El primer diseño del driver consiste en un convertidor boost controlado por banda de histéresis implementado con tecnología analógica, que cumple las siguientes funciones: i) controlar la corriente de entrada para mejorar la calidad de energía eléctrica, y ii) alimentar la cadena de LEDs a la salida del convertidor boost con una corriente constante. Una ventaja del sistema diseñado es que el controlador tiene su propia alimentación y es autónoma, debido a que se deriva de la salida del convertidor boost. La lámpara de LEDs comercial utilizada en la investigación registra un factor de potencia de 0.62 y un consumo de potencia de 2 W. Con el diseño implementado se logra aumentar el factor de potencia en 0.98, con un consumo de potencia similar al de la lámpara de LEDs comercial. El segundo diseño se realizó para las lámparas de LEDs tipo barra, las cuales internamente tienen dos sistemas de alimentación, es decir la cadena de LEDs se segmenta en dos partes cada una alimentada con su respectivo driver. Con el nuevo diseño se energiza toda la cadena de LEDs utilizando el convertidor boost controlado con banda de histéresis, el cual ofrece las siguientes ventajas: i) la razón entre la luz emitida y la potencia consumida (lms/W)incrementa, debido a que la lámpara comercial consume una potencia de 12 W, mientras que la lámpara con el nuevo diseño sólo consume una potencia de 6.6 W, ii) el factor de potencia aumenta de 0.57 a 0.98, logrando tener un driver que brinda una mejora en la calidad de energía eléctrica al momento de conectar estas cargas en el suministro energético / Abstract: This document presents the design of three new control techniques, aimed at improving the power factor of compact ﬂuorescent lamps (CFLs) and LED lamps. One control technique is intended for a CFL, and the other two are intended for LED lamps. Theoretical, simulation and experimental results are presented. The ﬁrst control technique focuses on correcting the power factor of the CFL, based on the application of an adaptive hysteresis band control method to the boost converter. The hysteresis band is adapted according to the value of the current draw by the load connected to the converter output. As a result of the control implementation, the current and the supply voltage remain in phase, and the resulting shape of the current is the same as that of the supply voltage. To implement the designed controller, the ﬁrst task is to examine the structure and operation of the electronic ballast of a 15 W commercial CFL, especially the distortion of the input current drawn by the lamp connected to the electrical grid. Then, the controller for the boost converter was designed, such that the lamp ballast gets coupled to the electrical grid, and as a result, the power factor of the lighting system increases from 0.64 to 0.98, with a 18 W total consumption. Several tests were carried out in order to compare the lifetime of a commercial lamp and that of the controlled lamp, including the introduction of a series of on-oﬀ signals to both lamps. It was found that the lifetime of the controlled lamp was 70 % higher than that of a commercial lamp. The second and third control techniques are intended for LED lamps. The LED lamp carries a driver for its operation in its inside, but such driver causes distortion to the input current signal. The distortion is similar to that of commercial CFLs. To remedy that, two new drivers were designed, one for bulb type LED lamps and the other for bar-type LED lamps. The ﬁrst driver consists of a boost converter that is controlled by the hysteresis band method and implemented by means of analogical technology, and performs the following functions: i) control the input current, in order to improve the power quality, and ii) feed the LEDs string at the boost converter output on a constant current. One advantage of the designed system is that the controller has its own feed and is autonomous, as such feed comes out from the boost converter. The commercial LED lamp used in the present work exhibits a 0.62 power factor and a 2 W power consumption. The implemented design gives as result an increase of 0.98 in the power factor, being the power consumption the same as that of the commercial LED lamp. The LEDs string of the bar-type LED lamps splits in two parts, each fed on a diﬀerent driver. In the second driver design the boost converter feeds the current to the whole LEDs string. An hysteresis band control method is applied to the boost converter, achieving the followingxiv Resumen y Abstract advantages: i) the ratio of emitted light to consumed power increases, as the commercial lamp consumes 12 W power, whereas the lamp based on the new control only consumes 6.6 W power, ii) the power factor increases from 0.57 to 0.98, such that the driver provides higher power quality when lighting loads are plugged in to the electrical grid.